“雙碳”目標(biāo)下低溫余熱利用技術(shù)研究進(jìn)展

王夢穎

（中石化石油化工科學(xué)研究院有限公司，北京 100083）

“雙碳”目標(biāo)的提出標(biāo)志我國將進(jìn)入能源低碳化轉(zhuǎn)型的新階段。由于經(jīng)濟(jì)條件和環(huán)境要求發(fā)生了變化，煉油企業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)，煉油技術(shù)亟待創(chuàng)新升級，其中，低品位余熱回收的有用性和可行性也發(fā)生了變化。低溫余熱的高效利用對減少煉油過程中的碳排放至關(guān)重要。

余熱資源是指用現(xiàn)有技術(shù)回收可利用但被廢棄的熱量或能量，一般來源于一次能源或燃料。余熱，尤其是200℃以下的低溫余熱，在世界范圍內(nèi)含量大且分布廣泛，回收和再利用的潛力巨大。我國有15%～40%的工業(yè)能耗以廢熱排放到環(huán)境中，造成了能源的直接浪費[1]。而低溫工業(yè)余熱量占工業(yè)余熱總量的15%～23%[2]，低溫余熱未被合理利用是我國余熱利用率低的原因之一，因此，充分并合理利用余熱資源對提高能量利用率和節(jié)能降碳起雙重作用[3]。

低溫余熱的溫度品位低，有些余熱溫度接近于環(huán)境溫度，不同的余熱利用技術(shù)可能出現(xiàn)回收效率低的問題。在實際工業(yè)應(yīng)用過程中，低溫余熱利用技術(shù)的選擇和其在工藝過程的集成優(yōu)化仍具有挑戰(zhàn)性。

1 低溫余熱利用技術(shù)

余熱資源具有溫度分布范圍寬和余熱特性復(fù)雜的特點，根據(jù)熱用戶的需求差異，選擇不同特點的技術(shù)對提高余熱利用過程的效率和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

1.1 熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)

根據(jù)循環(huán)工質(zhì)種類的不同，適用于回收低溫余熱的熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)包括有機(jī)朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)。

1.1.1 有機(jī)朗肯循環(huán)

有機(jī)朗肯循環(huán)是較為成熟且應(yīng)用最普遍的余熱回收利用技術(shù)。有機(jī)朗肯循環(huán)的工藝流程較簡單，工藝參數(shù)優(yōu)化空間較小，目前大部分研究主要集中于有機(jī)工質(zhì)的篩選、系統(tǒng)集成等方面。工質(zhì)篩選研究需要從價格、安全、性能和環(huán)境影響進(jìn)行多方面的考量。在系統(tǒng)集成研究方面，Aboelazayem等[4]首次將有機(jī)朗肯循環(huán)應(yīng)用于超臨界生物柴油工藝中進(jìn)行系統(tǒng)集成研究，為該工藝過程提高經(jīng)濟(jì)效益提供了新的途徑。

1.1.2 卡琳娜循環(huán)

卡琳娜循環(huán)最早由俄羅斯科學(xué)家Alexander Kalina[5]于1980年提出，實質(zhì)上是一種改進(jìn)的蒸氣朗肯循環(huán)，但該循環(huán)系統(tǒng)比有機(jī)朗肯循環(huán)更加復(fù)雜。它使用氨水代替純水作為循環(huán)工質(zhì)，由于氨水混合物在相變時溫度發(fā)生變化，余熱熱源和循環(huán)工質(zhì)的復(fù)合曲線能夠更好的匹配，從而降低低溫余熱回收過程中的?損失，使得卡琳娜循環(huán)在熱效率上比朗肯循環(huán)更有優(yōu)勢。Kalina表明該循環(huán)系統(tǒng)的?效率能上升到70%，比朗肯循環(huán)效率高20%～50%[6]。在相同的操作條件下，卡琳娜循環(huán)將低溫余熱用于發(fā)電比有機(jī)朗肯循環(huán)在效率上顯著提高25%[7]。中國石化海南煉油化工有限公司芳烴聯(lián)合裝置中成功應(yīng)用了卡琳娜循環(huán)熱水發(fā)電系統(tǒng)和有機(jī)朗肯發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行塔頂?shù)蜏責(zé)峄厥?，達(dá)到了節(jié)能降碳的良好效果[8]。

1.2 吸收式制冷技術(shù)

當(dāng)熱用戶有冷量需要時，也可以將余熱通過制冷技術(shù)進(jìn)行回收利用。在余熱制冷技術(shù)中，吸收式制冷技術(shù)比傳統(tǒng)的壓縮式制冷技術(shù)環(huán)境友好，它利用制冷工質(zhì)對的不斷混合分離，在蒸發(fā)過程中吸收外界的熱量產(chǎn)生制冷的效果，而不需要消耗電能。制冷工質(zhì)一般為天然的氨—水、溴化鋰水溶液等。以氨—水為工質(zhì)對的吸收式制冷適用的蒸發(fā)溫度可低于–70℃，且環(huán)境友好[9]，但存在設(shè)備占地面積大、系統(tǒng)性能系數(shù)低的問題[10]。溴化鋰吸收式制冷適用的蒸發(fā)溫度一般高于0℃，對熱源的溫度要求不高，可以有效利用低溫余熱，具有較好的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益[9，11]。中國石化廣州分公司應(yīng)用溴化鋰制冷技術(shù)回收120℃的高溫蒸汽冷凝水，冷量用于重整裝置反應(yīng)單元，實現(xiàn)了液化氣增產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益提高的雙重效果[12]。

1.3 熱泵技術(shù)

對于高于環(huán)境的低溫余熱（30～90℃）可以使用熱泵技術(shù)進(jìn)行回收利用。目前工業(yè)中使用最多的熱泵類型包括壓縮式熱泵、吸收式熱泵和蒸汽噴射式熱泵。

1.3.1 壓縮式熱泵

壓縮式熱泵通過電能將低品位余熱提升到更高品位，有開放式和封閉式兩種類型。目前，壓縮式熱泵的商業(yè)應(yīng)用較廣。Wang等[13]將熱泵技術(shù)應(yīng)用于乙二醇分離過程中，對于該過程中乙二醇產(chǎn)品塔的塔頂和塔底溫差較小（7.53℃）的情況，采用壓縮式熱泵來提升塔頂?shù)牡蜏赜酂岬钠焚|(zhì)，通過壓縮式熱泵和有機(jī)朗肯循環(huán)對乙二醇分離過程進(jìn)行余熱回收利用，不僅提高了系統(tǒng)的能量效率，同時降低了整個分離過程的?損失和經(jīng)濟(jì)費用。

1.3.2 吸收式熱泵

吸收式熱泵采用熱驅(qū)動進(jìn)行低溫余熱的品位提升，根據(jù)驅(qū)動熱源的溫度品位，分為第一類吸收式熱泵和第二類吸收式熱泵。吸收式熱泵以熱能為動力，具有不消耗大量電能的優(yōu)點。陳程等[14]提出綜合考慮物料—水—能關(guān)系的新型脫硫廢水工藝，并通過引入吸收式熱泵，回收利用除塵器后的煙氣余熱和閃蒸器末效的汽水混合物的熱量，實現(xiàn)低溫廢熱的再利用和節(jié)能節(jié)水作用。

1.3.3 蒸汽噴射式熱泵

蒸汽噴射式熱泵是一種高效節(jié)能的專有設(shè)備，通過借助高品位蒸汽和熱用戶用汽的壓力差轉(zhuǎn)換的能量作為驅(qū)動能源，提高低壓蒸汽的壓力和溫度，實現(xiàn)低溫余熱的升級利用。該技術(shù)具有投資少，對原有工藝過程改動較少等優(yōu)點[15]，在低溫余熱回收方面具有良好的應(yīng)用前景。劉金萍[16]采用蒸汽噴射式熱泵將某芳烴抽提裝置中的低品位蒸汽進(jìn)行回收提質(zhì)利用，降低了蒸汽系統(tǒng)能耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1.4 吸附式余熱利用技術(shù)

吸附式余熱利用技術(shù)也因其環(huán)境友好性受到了越來越多的關(guān)注。吸附式熱泵可以利用太陽能或余熱等低品位熱能驅(qū)動，優(yōu)于使用電能的壓縮式熱泵。但由于吸附式熱泵設(shè)備占地大，投資高，效率低于電能驅(qū)動的熱泵[17]，目前工業(yè)應(yīng)用較少。吸附式熱泵的吸附劑/吸附質(zhì)工作對熱泵的性能和效率具有決定性作用，大部分研究主要集中在高效吸附劑材料選擇方面。近年來，MOF吸附劑材料由于具有高比表面積、高孔隙率、窄孔徑分布、有利的S形和材料性質(zhì)可調(diào)控等優(yōu)勢在吸附式熱泵技術(shù)應(yīng)用中得到廣泛關(guān)注[18-20]。但MOF材料生產(chǎn)成本高，其在熱泵中的應(yīng)用還缺乏經(jīng)濟(jì)性[24]。

吸附式余熱利用技術(shù)在理論和實驗研究上具有可行性，但該技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究與發(fā)展。

2 技術(shù)優(yōu)選研究

在進(jìn)行余熱回收的應(yīng)用過程中，選擇合適的低溫余熱利用技術(shù)可以使系統(tǒng)更具高效性和經(jīng)濟(jì)性。而合適的評價指標(biāo)對于低溫余熱利用技術(shù)的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

2.1 余熱溫度

Hammond等[21]總結(jié)了不同余熱利用技術(shù)適用的余熱溫度和余熱量。對于溫度小于100℃的低溫余熱，無論余熱量多少，只能采用一種低溫余熱利用技術(shù)，即熱泵技術(shù)。當(dāng)?shù)蜏赜酂釡囟仍?00～200℃時，對于余熱量很小時，可以采用直接熱利用進(jìn)行余熱回收；對于余熱量較大時，除了可以采用直接熱利用技術(shù)，還可以利用多種余熱利用技術(shù)，如熱功轉(zhuǎn)化技術(shù)和制冷技術(shù)。Lin等[22]對有機(jī)朗肯循環(huán)、朗肯循環(huán)和卡琳娜循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)性能對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱源溫度在135～200℃范圍內(nèi)時，卡琳娜循環(huán)的熱效率高于朗肯循環(huán)。Wang等[23]通過對比卡琳娜循環(huán)和吸收式制冷的能量性能，當(dāng)余熱溫度在100～175℃范圍內(nèi)時，低溫余熱利用技術(shù)優(yōu)先考慮吸收式制冷；當(dāng)?shù)蜏責(zé)嵩礈囟葹?75～200℃時，卡琳娜循環(huán)優(yōu)于吸收式制冷。但是，由于余熱資源特性的不同，煉廠中的余熱復(fù)雜多樣，余熱溫度并不能作為余熱利用技術(shù)選擇的唯一指標(biāo)。

2.2 潛熱顯熱比

在低溫余熱回收過程中，通過計算余熱資源的潛熱顯熱比將有利于熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)的選擇。王夢穎等[24]將余熱資源分為潛熱熱源、顯熱熱源和潛熱顯熱復(fù)合熱源，定義了余熱資源的潛熱顯熱比。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)該比值為0，即余熱全部為顯熱時，卡琳娜循環(huán)優(yōu)于有機(jī)朗肯循環(huán)；當(dāng)該比值為1或者無窮大，有機(jī)朗肯循環(huán)優(yōu)于卡琳娜循環(huán)。但是該指標(biāo)也只是對余熱資源的一種簡化分類。

2.3 其他評價指標(biāo)

為了更好地對復(fù)合熱源進(jìn)行分類，Wang等[25]通過定義較低溫余熱與較高溫余熱熱容流率的比值，確定了不同余熱情況下適用的熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)。他們將低溫余熱分為凸、凹、直三種類型的熱源，當(dāng)該比值小于1時為凹余熱，直余熱的比值為1，比值大于1時為凸余熱。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)較低溫余熱與較高溫余熱的熱容流率的比值不小于0.2時，即在這種情況下的直和凹余熱，卡琳娜循環(huán)優(yōu)于有機(jī)朗肯循環(huán)；而對于凸余熱，選擇有機(jī)朗肯循環(huán)更好。唐啟奎[26]也用該方法對余熱進(jìn)行分類分析，指出對于低溫位余熱量占比較大時，卡琳娜循環(huán)比有機(jī)朗肯循環(huán)更好。

對于熱泵技術(shù)的選擇，Wang等[27]提出新的?經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，基于該指標(biāo)表明對于60℃以下的余熱資源，當(dāng)溫升較低時，更適合選擇壓縮式熱泵，當(dāng)溫升較高時，第一類吸收式熱泵更合適；對于60～95℃的低溫?zé)嵩?，第二類吸收式熱泵在較高溫升時較優(yōu)。

Xu等[28]采用多指標(biāo)比較了壓縮式熱泵和吸收式熱泵，即性能系數(shù)COP，熱力學(xué)第二定律效率（?效率和?流率）。研究發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動能源的?能比可以作為評價吸收式熱泵和壓縮式熱泵的驅(qū)動能源的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，采用?輸出與驅(qū)動能源的?的比值，即?流率，可以用來評價不同驅(qū)動源提取余熱的有效性。結(jié)果表明，壓縮式熱泵在小溫升下更好，而吸收式熱泵在較高溫升下更好。

Tan等[29]以用戶端的熱量需求與余熱熱量之比為評價指標(biāo)，比較了4種不同類型熱泵的能量和經(jīng)濟(jì)性能，并總結(jié)了不同熱泵的快速選擇方法。當(dāng)該比值大于0.5時，壓縮式熱泵的能量性能更好；當(dāng)該比值小于0.5時，第二類吸收式熱泵表現(xiàn)更好的能量性能。在定性經(jīng)濟(jì)分析下，當(dāng)該比值大于0.7時，優(yōu)先選擇蒸汽噴射式熱泵，否則第二類吸收式熱泵更好。

綜上所述，低溫余熱在回收利用過程中應(yīng)根據(jù)余熱溫度、余熱量、余熱顯熱潛熱特性、余熱性質(zhì)、熱用戶需求和余熱之比等特性，選擇合適的低溫余熱利用技術(shù)。但是對于不同余熱利用技術(shù)并沒有統(tǒng)一的評價指標(biāo)，加大了余熱利用技術(shù)優(yōu)選的難度。如何優(yōu)選余熱利用技術(shù)達(dá)到更高的余熱回收效率、更好的經(jīng)濟(jì)性和更強(qiáng)的實際可行性需要進(jìn)一步深入研究。

3 集成優(yōu)化研究

實現(xiàn)低溫余熱的高效利用，除了選擇合適的余熱利用技術(shù)，還應(yīng)考慮怎樣將余熱利用技術(shù)與換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成優(yōu)化。

夾點技術(shù)[30]是目前最實用的過程集成方法，尤其在熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化集成方面。但是該方法對含有低溫余熱回收的換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有局限性。目前已有學(xué)者提出了不同的集成方法。Yu等[31-34]對有機(jī)朗肯循環(huán)和換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大量的集成方法研究。為了解決單獨使用有機(jī)朗肯循環(huán)時與余熱的熱匹配較差的問題，提出了一種系統(tǒng)的方法來確定有機(jī)朗肯循環(huán)和熱泵中的工質(zhì)以及集成系統(tǒng)的最佳運行條件。Sun等[35]對含有壓縮吸收式復(fù)疊制冷系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成設(shè)計和優(yōu)化，并提出了能夠同時確定換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和制冷系統(tǒng)運行條件的優(yōu)化方法。然而在大量的集成優(yōu)化方法中，低溫余熱利用技術(shù)并沒有針對特定案例進(jìn)行嚴(yán)格的熱力學(xué)模擬和優(yōu)化。Lopez-Flores等[36]提出了一種混合優(yōu)化方法，將元啟發(fā)式和確定性技術(shù)與過程模擬結(jié)合在一起，使得余熱回收和換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，并在考慮了經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會方面時確定該集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)?；跀?shù)學(xué)規(guī)劃法的集成優(yōu)化方法較夾點技術(shù)復(fù)雜，在工業(yè)實際應(yīng)用較少，對于含有余熱回收利用的換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也并沒有一個簡明通用的方法，需要對低溫余熱利用技術(shù)和換熱網(wǎng)絡(luò)開發(fā)類似于夾點技術(shù)這種容易應(yīng)用的集成優(yōu)化方法。

4 結(jié)語

低溫余熱回收系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用過程中還面臨很多挑戰(zhàn)，各工業(yè)過程尤其是節(jié)能降碳潛力巨大的煉油行業(yè)，應(yīng)積極推動低溫?zé)峒衫眉夹g(shù)應(yīng)用，可采用多種低溫余熱利用技術(shù)，如低溫?zé)岚l(fā)電、低溫?zé)嶂评浜蜔岜眉夹g(shù)實現(xiàn)升級利用。助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，未來應(yīng)從如下幾個方面展開低溫余熱利用研究及應(yīng)用：①余熱進(jìn)行升級利用時應(yīng)從余熱利用技術(shù)的選擇上提高余熱利用率。根據(jù)余熱溫度、余熱量、余熱顯熱潛熱特性、余熱性質(zhì)、熱用戶需求和余熱之比等特性，建立合理的評價標(biāo)準(zhǔn)，選擇最適用的低溫余熱利用技術(shù)。②除了在工業(yè)過程中合理選擇低溫余熱利用技術(shù)，還應(yīng)對新型的吸附式余熱利用技術(shù)開展研究，開發(fā)具有良好性能、低價格和合理市場化的吸附劑，改進(jìn)新型流程、優(yōu)化組件和結(jié)構(gòu)，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，更高效地進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。③應(yīng)加強(qiáng)對不同余熱利用技術(shù)的耦合、工藝設(shè)備及控制方面研究，提高熱效率、經(jīng)濟(jì)性及操作穩(wěn)定性。④加強(qiáng)對不同工藝過程的換熱網(wǎng)絡(luò)與低溫余熱利用技術(shù)的集成優(yōu)化方法研究，開發(fā)簡明通用的集成方法，提高低溫余熱利用技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用。