吸收式熱泵在低溫余熱回收中的應(yīng)用研究

摘 要：系統(tǒng)的介紹了吸收式熱泵的工作原理，并結(jié)合吸收式熱泵在國(guó)內(nèi)外低品位余熱利用方面的研究進(jìn)展，通過(guò)舉例，研究分析了吸收式熱泵回收低溫余熱的可行性。綜述結(jié)果表明，采用吸收式熱泵回收低溫余熱是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的一種新的高效的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：吸收式熱泵；低溫余熱；節(jié)能減排

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗量也迅速增長(zhǎng)，目前我國(guó)的能源消耗在世界上位居第二。其中工業(yè)能源消耗占能源總消耗量的70%以上[1]。但是，我國(guó)一次能源及各種工業(yè)余熱回收利用較少，能源利用率較低，有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示僅占30%[2]。大量的低溫余熱以多種形式排放到大氣中，對(duì)能源造成了很大的浪費(fèi)。因此，回收這些低溫余熱，提高能源利用率是具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。就目前我國(guó)情況來(lái)看，余熱回收利用的主要來(lái)源是高溫?zé)煔夂蜕a(chǎn)過(guò)程中排放的可燃?xì)猓推肺挥酂峄厥绽玫睦虞^少[3]。低溫余熱在相同單位內(nèi)包含的能量比較低，不容易被吸收利用，這也是低溫余熱回收利用率不高的一個(gè)重要原因。目前，許多研究學(xué)者指出運(yùn)用熱泵技術(shù)、低溫發(fā)電及吸收式制冷技術(shù)回收利用低溫工業(yè)余熱。其中熱泵技術(shù)中的核心思路是運(yùn)用較少的高溫?zé)崮軐⒐I(yè)生產(chǎn)中排放的低溫余熱（比如廢水、廢氣）攜帶的能量回收，經(jīng)過(guò)提升溫提高熱源品位，供給用戶(hù)使用。吸收式熱泵技術(shù)具有高效、節(jié)能環(huán)保及良好的經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的被人們接受。

1 國(guó)內(nèi)外吸收式熱泵在低品位余熱利用方面的研究進(jìn)展

國(guó)外對(duì)吸收式熱泵回收低品位余熱的研究較早。世界上最早提出利用吸收式熱泵回收工業(yè)余熱的是美國(guó)的B.C.L公司，該公司在1976年就提出這個(gè)概念并且進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)研。日本的三洋公司自1981年以來(lái)已經(jīng)在全球建造了20多套吸收式熱泵裝置，有部分裝置已經(jīng)運(yùn)行20年以上了[4]。而我國(guó)是在上世紀(jì)80年代才開(kāi)始發(fā)展熱泵工業(yè)體系，起步較晚。但是就目前情況來(lái)看，我國(guó)的熱泵技術(shù)已經(jīng)取得了不小的進(jìn)步。在2007年清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心第一次提出吸收式循環(huán)的理論，同時(shí)也提出利用吸收式熱泵循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱新系統(tǒng)[5]。馮久鴻[6]將吸收式熱泵用于稠油污水的余熱回收，并且進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，同時(shí)指出回收稠油污水的余熱可以為用戶(hù)供暖，加熱鍋爐的來(lái)水。趙虎[7]等人利用吸收式熱泵回收電廠(chǎng)循環(huán)水余熱，研究發(fā)現(xiàn)吸收式熱泵能夠回收電廠(chǎng)循環(huán)水余熱，并且具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。清華大學(xué)的邊海軍[8]等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)可以利用吸收式熱泵回收石化行業(yè)的低溫余熱，用于建筑集中供熱，該項(xiàng)目每年可節(jié)約煤1.08萬(wàn)噸左右，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。茹毅[4]等人提出運(yùn)用吸收式熱泵回收電廠(chǎng)低溫余熱以便集中供熱的方案，并且對(duì)新的供熱系統(tǒng)做了可行性分析和環(huán)保效益評(píng)價(jià)。

2 吸收式熱泵的工作原理

第一類(lèi)吸收式熱泵是用高溫?zé)崮茏鳛榘l(fā)生器驅(qū)動(dòng)，通過(guò)向系統(tǒng)中輸入高溫位的熱能而回收一部分包含在低溫位熱源中的熱能，進(jìn)而提高熱源溫位以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。第一類(lèi)吸收式熱泵工作原理如圖1所示。

1-發(fā)生器 2-冷凝器 3-蒸發(fā)器 4-吸收器 5-溶液換熱器

6-節(jié)流閥 7-溶液泵

圖1第一類(lèi)吸收式熱泵工作原理

第一類(lèi)吸收式熱泵的工作過(guò)程是以高溫蒸汽為發(fā)生器1的驅(qū)動(dòng)熱源，冷劑蒸汽被蒸發(fā)出來(lái)，在冷凝器2中加熱熱水，進(jìn)來(lái)的蒸汽就變成冷劑水，冷劑水從節(jié)流閥6流到蒸發(fā)器3中，從蒸發(fā)器3的低品位熱源中吸取熱量，冷劑水再一次變?yōu)檎羝?，發(fā)生器1中的溶液經(jīng)過(guò)蒸發(fā)由稀溶液變成濃溶液，經(jīng)過(guò)溶液換熱器5進(jìn)入吸收器4，使吸收器4溫度升高。當(dāng)蒸發(fā)器中的冷劑蒸汽進(jìn)入吸收器4，又使吸收器中的濃溶液得到稀釋?zhuān)M(jìn)而放熱。通過(guò)溶液泵7來(lái)到發(fā)生器1的途中經(jīng)過(guò)換熱器5，換熱器5可以使稀溶液在進(jìn)入發(fā)生器1前進(jìn)行預(yù)加熱，從而減少高溫?zé)崮艿南摹?/p>

第二類(lèi)吸收式熱泵以中低溫?zé)崮転榉磻?yīng)器驅(qū)動(dòng)熱源，其核心是利用中溫和低溫?zé)嵩粗g的熱勢(shì)差，從而將一部分中低溫位的熱能轉(zhuǎn)化成更高溫位的熱能，供給工業(yè)或者其他用戶(hù)使用。第二類(lèi)吸收式熱泵工作原理如圖2所示。

1-發(fā)生器 2-冷凝器 3-蒸發(fā)器 4-吸收器

5-溶液換熱器 6-冷劑泵 7-溶液泵

圖2第二類(lèi)吸收式熱泵工作原理

其工作過(guò)程是以低品位熱能為驅(qū)動(dòng)發(fā)生器的熱源，濃溶液在吸收器4中被來(lái)自蒸發(fā)器3的冷劑蒸汽稀釋為稀溶液，同時(shí)釋放出熱量；稀溶液在發(fā)生器1中吸收來(lái)自低品位熱源的熱量被加熱變?yōu)闈馊芤?，同時(shí)釋放出來(lái)的冷劑蒸汽進(jìn)入到冷凝器2，放熱后形成冷劑水，而后冷劑水通過(guò)冷劑泵6流進(jìn)蒸發(fā)器3，吸熱轉(zhuǎn)化為冷劑蒸汽，再然后往復(fù)循環(huán)之前的過(guò)程。

3 吸收式熱泵回收低溫余熱的可行性研究

文章主要針對(duì)吸收式熱泵回收循環(huán)水熱能用于預(yù)熱凝結(jié)水的可行性進(jìn)行了探討。此方案流程如圖3所示。

圖3 吸收式熱泵回收循環(huán)水熱能的流程

從圖3可以看出凝結(jié)水在吸收式熱泵系統(tǒng)預(yù)熱后經(jīng)過(guò)逐級(jí)加熱，達(dá)到給水溫度后送回鍋爐。

該方案利用了吸收式熱泵的工作特點(diǎn)，所用汽輪機(jī)組為300MW凝汽式機(jī)組，機(jī)組部分參數(shù)如表1。

第一類(lèi)吸收式熱泵能夠利用20-40℃的低溫?zé)嵩磳⑺畯?0-50℃加熱到50-90℃。方案中把吸收式熱泵系統(tǒng)放在軸封加熱器之后，結(jié)合表1中列出的數(shù)據(jù)，通過(guò)理論分析，可采用第一類(lèi)吸收式熱泵將凝結(jié)水從42℃（h1=177.6kJ/kg）加熱到61.4℃（h2=258.5kJ/kg）。這樣就可以取消8#加熱器，進(jìn)而取消第八級(jí)抽氣。

3.1 節(jié)能分析

該方案采用第一類(lèi)單效溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)，性能系數(shù)COP取1.7，以80-140℃的熱水為反應(yīng)器驅(qū)動(dòng)熱源，取鍋爐連續(xù)排污擴(kuò)容器最終的壓力與第七級(jí)汽輪機(jī)抽氣壓力相同，則回收的飽和蒸汽壓力為0.075MPa。

如果方案運(yùn)行，該廠(chǎng)節(jié)煤量計(jì)算：汽輪機(jī)第七級(jí)位于汽輪機(jī)倒數(shù)第三壓力級(jí)后，而第八級(jí)抽汽口位于倒數(shù)第二壓力級(jí)后，倒數(shù)第二、三壓力級(jí)的級(jí)效率為0.77。由于第八級(jí)抽汽被取消，這部分蒸汽將在汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)繼續(xù)膨脹做功。第八級(jí)抽汽在汽輪機(jī)內(nèi)做功為：W=808.67kW。

同上，計(jì)算可得第七級(jí)多抽蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)少做功：359.2kW，每年多發(fā)電量：3.1×106（kW·h）已知熱耗率為7876kJ/（kW·h），這部分發(fā)電量可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤：M=1053.9t發(fā)電廠(chǎng)原煤耗率為338.3g/（kW·h），改裝以后計(jì)算可得煤耗率為337.7g/（kW·h），煤耗率降低0.6g/（kW·h）。

3.2 環(huán)保效益分析

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，少用1噸煤就可減少排放二氧化碳440kg，二氧化硫20kg，煙塵15kg，灰渣260kg。根據(jù)該機(jī)組節(jié)煤情況，每年可減少排放二氧化碳395噸，二氧化硫18.1噸，煙塵13.5噸，灰渣234.5噸。因此可知采用吸收式熱泵回收余熱既節(jié)約了能源又減少了污染，真正做到了節(jié)能減排，為環(huán)保事業(yè)做出了貢獻(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用吸收式熱泵技術(shù)回收低品位熱源，使廢熱得到了減量化、資源化、再利用。通過(guò)以上數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單分析，該電廠(chǎng)運(yùn)用該方案可以減少煤用量1053.9t，提高了熱效率及能源利用率。同時(shí)，電廠(chǎng)減少了煤用量，也減少了CO2、SO2等的排放，對(duì)環(huán)保也有極其重要的意義。但是，目前吸收式熱泵技術(shù)也存在不足，例如制造費(fèi)用比壓縮式熱泵高等，如何改進(jìn)降低成本需進(jìn)一步研究分析。另外，吸收式熱泵技術(shù)的應(yīng)用不是簡(jiǎn)單的增加幾個(gè)設(shè)備，必須有對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的物流輸送路線(xiàn)十分了解的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員參與才行，在應(yīng)用專(zhuān)業(yè)技術(shù)方面要求較高。

綜上所述，吸收式熱泵技術(shù)回收低品位熱源有著廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間，在有條件的地區(qū)應(yīng)該大力推廣這項(xiàng)技術(shù)。吸收式熱泵技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用對(duì)我們節(jié)約能源，提高一次能源利用率有著非常重要的意義。

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作者簡(jiǎn)介：劉曉琳（1987-），女，漢族，河北省石家莊市，碩士，研究方向：建筑節(jié)能方面的理論研究。