超高溫熱泵在廢熱回收中的應用

文 鄭秋云 張信榮 盛劍霄 孟炳良

1北京大學工學院 2北大工學院紹興技術研究院 3北京大學包頭研究院

1 熱泵在廢熱回收中的優勢

熱泵在運行過程中消耗的高位能較少，而所供給的熱量是消耗的高位能與吸取的低位熱量的總和，因此，采用熱泵裝置可以充分利用低品位廢熱能量而節約電、煤等高品位能源。而且熱泵在利用低溫廢熱制取高溫熱源的同時，在蒸發端進一步降低低溫熱源端的溫度，對低溫熱源具有制冷的作用，所以對同時需要供冷和供熱的場合，采用熱泵裝置將非常有效減少高品位能源的消耗。由熱泵制熱的能效比（COP值）計算公式：

所以，熱泵在廢熱回收利用過程中制熱的COP>1。故熱泵一方面其從廢熱過程中吸取熱量，減少廢熱產生的熱污染；另一方面高效制取的高品位高溫熱源可供工業、民用等，減少了企業、城市等對石化能源或電力資源的依賴，充分體現了清潔、環保能源技術在廢熱回收過程中的經濟、環保優勢。

2 超高溫熱泵技術

目前常見的熱泵一般只能制取60～70℃的高溫熱源溫度，偶爾有實現80℃以上的超高溫熱泵，且其COP值較低，使用的流體工質一般含氟，對大氣有一定的破壞作用。而對實現制取85℃以上超高溫熱源，且具有較高的COP值，流體工質對大氣破壞（主要指造成地球溫暖化和臭氧層破壞）很小的熱泵主要有以下幾項關鍵技術：

(1)高效且適應于高溫應用的壓縮機技術：壓縮機是熱泵系統中的主要能耗設備，降低壓縮機的功率可大大提高熱泵的COP值。

(2)流體工質：流體工質是熱泵系統中從低溫廢熱吸取熱量并轉換為高溫熱源的攜帶體，采用大熱容、低粘性、能在較高溫差下易實現壓縮和蒸發的流體工質是實現超高溫熱泵高效回收廢熱的關鍵。采用無氟流體工質，則可大大減少對環境的破壞。

(3)蒸發器和冷凝器換熱技術：采用耐腐蝕、高換熱效率的材料制取蒸發器和冷凝器可明顯提高廢熱回收的效率。另外在一些特殊情況下，蒸發器和冷凝器的換熱面積，以及換熱結構優化，使得蒸發器和冷凝器與整個熱回收系統匹配，從面提高超高溫熱泵系統的穩定性和制取熱水的溫度。

(4)控制技術：采用與熱泵系統匹配的智能自動化控制技術，一方面增加熱泵系統的安全性和穩定性，另一方面可減少人力成本。

3 案例分析

3.1 案例1─浙江省紹興市某印染企業印染廢水廢熱回收

浙江省紹興市某印染企業45℃左右的印染廢水，利用超高溫熱泵每天將100t的41℃溫水制取85～95℃的熱水供印染漂洗、鍋爐補水等用，整套超高溫系統采用智能自動控制。案例的設備現場圖見圖1。

圖1 設備制造現場檢測設備

在實際運行過程中，經檢測可生產116.3t/d的熱水，溫度由41℃提升到90.1℃，溫升為49.1℃，產生熱量23878MJ/d，超高溫熱泵的COP=5.207。若水的比熱c=4.2kJ/(kg·K)；1kg標準煤熱量=5000kcal；鍋爐效率=35.52%。將采用超高溫技術與傳統鍋爐加熱相對比進行核算，則有上述超高溫熱泵產生的熱量相當于每天需煤量L1為：

每年（按350天計算）對應的煤鍋爐運行成本為：

（1）設備（35萬元×0.1）+人工成本（6人×4500元/月×12月）+燃煤（3200kg×350d×0.8元/kg）+電（336kWh/d×350d×0.76元/ kWh）=134.44萬元；

（2）脫硫脫硝設備（15萬元×0.1）+人工成本（3人×4500元/月×12月）+電（120 kWh /d×350d×0.76元/ kWh）=20.9萬元。

而采用超高溫熱泵技術，由于智能自動控制，人力成本可以忽略不計，其COP=5.207，所以需電量L2=1273.8 kWh，折合運行費用為：1273.8 kWh×0.76元/ kWh×350d=33.88萬元。

所以采用超高溫熱泵技術后，印染企業可以節省成本為：134.44+20.9-33.88=121.46萬元。

另外，該企業采用超高溫熱泵回收印染廢熱制取高溫熱水后，可以每年節省燃煤鍋爐的蒸汽冷凝水3249.02t，減排NOx 4337.95kg、煙塵1535.87kg、SO24982.78kg。同時，還可以減少循環水向環境的散熱和散濕，有利于改善該印染企業周邊的大氣環境，具有很好的環保和社會效益。

3.2 案例2─山西省某發電廠乏汽廢熱回收

利用0.7MPa的低壓蒸汽驅動超高溫無氟熱泵從凝汽器的乏汽中吸取熱量，一方面使得乏汽冷凝成水，增加發電機組的真空度，另一方面利用超高溫熱泵制取高溫熱水作為鍋爐補給水或供暖，超高溫熱泵機組在運行過程中采用智能自動控制。案例運行時，冷凝器乏汽進口壓力5.2kPa（查表得此壓力下蒸汽冷凝溫度34.2℃，相變熱2419.7kJ/kg）。雖然進入熱泵的冷水溫度隨著季節變化較大，但在進水冷水溫度低于30℃時，COP值都大于4，最高可到5.42，在運行過程中進水溫度與COP、出水溫度的對應關系見圖2。

（1）真空度提高后的經濟、環保效益。據有關資料顯示300MW機組，真空度每提高1%，標準煤消耗下降3.07g/kWh，對于300MW機組運行一年（按350天計算），則可節省的煤為：300MW×3.07g/kWh×24h/d×350d=7736.4t。煤按照800元/t計算，則可以節省用煤費為：7736.4t×0.08萬元/t=618.912萬元。

（2）節省抽汽量的經濟、環保效益。電廠需要利用蒸汽加熱冷水為鍋爐補給和給居民供暖，采用超高溫無氟熱泵，則可以大大地節省抽汽量。0.7MPa下，水的飽和溫度是164.95℃，蒸汽等壓熱容為2.5393 kJ/kg·K，水等壓熱容為4.3509 kJ/kg·K，潛熱值為2065.8 kJ/kg。假設蒸汽是在等壓下換熱的，即蒸汽換熱端保持0.7MPa壓力，那么，每千克330℃的蒸汽冷卻到130℃的水（此時為液態）所放出的熱量為：2065.8 kJ+（330-164.95）K×2.5393kJ/℃+（164.95-130）K×4.3509kJ/K≈2637kJ。直接采用蒸汽制取100MW的熱量則需抽汽：100MW÷2637kJ≈37.9kg/s≈137t/h。

而采用蒸汽驅動熱泵回收乏汽熱量則若電廠的汽輪機低壓缸（0.7MPa）的做功效率是在80%左右，不妨假設這些機械功之中只有80%是能成功推動壓縮機工作的有效功，則蒸汽推動壓縮機工作的效率近似為60%。另外，取熱泵COP=4，所以利用0.7MPa的低壓蒸汽驅動熱泵的抽汽量為：100MW÷4÷0.6÷2637kJ/kg≈15.75kg/s≈56.88t/h。

若0.7MPa的這類蒸汽按照200元/t計算，則年（按350天計算）可節省蒸汽費用為：(137t/h-56.88 t/h)×24h/d×350d×200元/t=13460.16萬元。

（3）對冷卻系統的經濟效益。電廠需要對乏汽進行冷卻而確保其真空度，300MW機組的電廠需要1500t/h的冷水對乏汽進行冷卻。若采用超高溫熱泵，則不需要冷卻水冷卻乏汽，工業用水按照3.2元/t，則電廠每年（按350天計算）可節省水費為：1500t/h×24h/d×350d×3.2元/t=4032萬元。

（4）電廠采用超高溫無氟熱泵技術帶來的節水、節煤，從而對水資源的平衡以及二氧化碳、氮氧化物、硫化物的減少等環境效益則更加明顯、優越。

4 結論

目前我國在印染、火電、冶金、煉油等眾多高能耗行業存在大量的廢熱資源，沒有實現回收再利用。要實現這些行業的轉型，降低其對石化、電力等高品位能源的消耗和依賴，對其廢熱資源回收再利用是一項關鍵任務。

超高溫熱泵技術在廢熱回收利用過程中具有經濟、綠色、環保等特點，它不僅可以降低高能耗行業中廢熱產生的熱污染，實現供冷，而且制取的高溫熱源能用于工業、供暖、物料烘干等領域。這對實現國家的節能減排目標，實現國民經濟的可持續發展等夠具有十分重要的意義。