熱泵技術回收工業低溫余熱的探討

文 / 尚建程 趙文喜 張建軍 天津市環境保護科學研究院

面對我國日益嚴峻的能源和環境問題，如何提高我國工業的綜合能源利用效率并降低環境污染，已成為當前亟待解決的關鍵問題之一。

工業中的高品質余熱資源可以通過余熱鍋爐發電等形式進行回收；而類似于循環冷卻水或低溫蒸汽凝液等工業低溫余熱資源，因其溫度低而無法直接送回生產工藝過程中，一般難以利用，多通過冷卻塔與空氣進行換熱而排放掉這部分熱能。因此，如何利用低位熱源成為新的課題，而熱泵技術在此課題中占有重要的地位。

熱泵技術是回收和利用低位熱能的有效手段之一。隨著熱泵及其各種驅動裝置的研制和熱泵系統的試驗研究工作的開展，熱泵技術將在我國得到日益廣泛的應用，在節能工作中發揮其應有的作用。

1 工業余熱資源及利用

我國工業余熱資源豐富，特別是在鋼鐵、有色、化工、水泥、建材、石油與石化、輕工、煤炭等行業，余熱資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，可回收率達60%。目前，我國余熱資源利用比例低，大型鋼鐵企業余熱資源利用率約為30%～50%，其他行業更低，余熱利用提升潛力大。

工業余熱資源從其來源可分為高溫煙氣余熱；冷卻介質余熱；廢水、廢氣余熱；化學反應余熱；可燃廢氣、廢液和廢料余熱；高溫產品和爐渣的余熱六類，其中，高溫煙氣余熱和冷卻介質余熱占比最高，分別達到余熱總資源的50%和20%左右，是余熱回收利用的主要來源。

高溫煙氣余熱、化學反應余熱、可燃廢氣/廢液和廢料余熱等，通常溫度較高，可直接用于余熱鍋爐產生蒸汽或發電，是目前工業余熱利用的主要方式；高溫產品和爐渣余熱，可通過與原料進行換熱以提升燃料預熱溫度的方式進行利用；而對于工業冷卻介質余熱、廢水廢氣余熱（低品位的蒸汽和凝結水余熱），溫度一般較低，如循環冷卻水溫度一般不超過30℃，回收利用相對困難。

2 熱泵技術

熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的裝置，目前主要分為壓縮式和吸收式兩類。

2.1 壓縮式熱泵

壓縮式熱泵由蒸發器、冷凝器、壓縮機、節流裝置及水源、熱水側管路等部分組成。機械壓縮式熱泵系統的工作過程如下：低佛點工質流經蒸發器時蒸發成蒸汽，此時從低溫位處吸收熱量，來自蒸發器的低溫低壓蒸汽，經過壓縮機壓縮后升溫升壓，達到所需溫度和壓力的蒸汽流經冷凝器，在冷凝器中，將從蒸發器中吸取的熱量和壓縮機耗功所相當的那部分熱量排出。放出的熱量就傳遞給高溫熱源，使其溫位提高。蒸汽冷凝降溫后變成液相，流經節流閥膨脹后，壓力繼續下降，低壓液相工質流入蒸發器，由于沸點低，因而很容易從周圍環境吸收熱量而再蒸發，又形成低溫低壓蒸汽，依此不斷地進行重復循環。

2.2 吸收式熱泵

吸收式熱泵是利用工質的吸收循環實現熱泵功能的一類裝置，它采用熱能直接驅動，而不是依靠電能、機械能等其他資源。目前常用的溴化鋰吸收式熱泵包括兩類：第一類溴化鋰吸收式熱泵機組是一種以高溫熱源（蒸汽、高溫熱水、燃油、燃氣）為驅動熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，回收利用低溫熱源（如廢熱水）的熱能，制取所需要的工藝或采暖用高溫熱媒，實現從低溫向高溫輸送熱能的設備；第二類溴化鋰吸收式熱泵機組也是一種回收利用低溫熱源（如廢熱水）的熱能，制取所需的工藝或采暖用高溫熱媒，實現從低溫向高溫輸送熱能的設備，它以低溫熱源為驅動熱源，在采用低溫冷卻水的條件下，制取比低溫熱源溫度高的熱媒。它與第一類溴化鋰吸收式熱泵機組的區別在于，它不需要更高溫度的熱源來驅動，但需要較低溫度的冷卻水。

此外，在提高效率、尋找新型制冷劑、開發新的制冷循環等方面，目前已涌現出許多新的研究成果，例如吸收壓縮式循環（ACHP）系統。與常見的壓縮式系統不同，ACHP 系統由于引入了高沸點的工質，使得溶液性質有了很大變化。吸收和發生過程壓力變化較小，但溫度卻隨著溶液成分的變化有著較為顯著的變化，因此能滿足大范圍熱源溫度的需要。ACHP 具有容積排量小、吸收器壓力低、能效比（COP）高、可提升溫差大、可利用的余熱溫度低等優點。盡管ACHP的優點被很多學者認可，但是到目前為止基本上沒有商業化的產品出現，大多數裝置都局限于實驗。

3 循環水余熱利用工程案例

天津市某工業區內擁有發電、機械、化工等諸多大型工業企業，工業余熱資源豐富，根據調研，該工業區內某化工廠循環冷卻水循環流量較穩定，為1.5萬m3/h，冬季最低水溫為25℃。同時，該工業區周邊建設有綜合配套服務區，主要包括住宅區、廠房區和公建區，供熱總建筑面積440萬m2。為解決配套服務區建筑供熱問題，工業區以該化工廠的工業循環冷卻水作為低位熱源，采用溴化鋰吸收式熱泵機組，將低位熱能轉變成高位熱能，實現余熱利用的同時，減少污染物的排放。

3.1 建筑供熱負荷估算

根據綜合配套服務區各建筑功能單元的建筑面積及熱指標，估算建筑采暖熱負荷詳見表1。

表1 擬供熱建筑技術指標

綜合配套服務區建筑總建筑面積約440萬m2，設計總熱負荷約245MW。

3.2 供熱方式及供回水溫度

根據目前規劃，三種供熱功能區的末端形式及供回水溫度見表2。

表2 各功能建筑末端形式及供回水溫度

3.3 方案設計

集中供熱站采用溴化鋰吸收式熱泵機組，通過天然氣作為驅動能源，將來自化工廠循環冷卻水中的低位熱能轉換成較高位熱能，通過供熱管網將熱量與綜合配套服務區的末端換熱站進行換熱后用于冬季供熱。本工程設計供水溫度75℃，設計回水溫度38.8℃，系統流程見圖1。

圖1 溴化鋰吸收式熱泵系統流程示意圖

3.4 環境影響及經濟性分析

該項目工程投資包括站房土建、管網、吸收式熱泵機組資、水源熱泵機組、附屬設備及安裝投資等，總投資費用為42623萬元；年運行能源費用主要為天然氣費、電費，為8419.8萬元；年收入37215萬元；所得稅后回收期為4.92年，借款償還期為3年，具有良好的經濟效益。

該項目集中供熱系統是一種利用可再生能源的供熱系統，相對傳統供熱系統，不僅減少了燃煤的消耗，而且減少了污染物的排放，是一種節能環保的供熱系統。工程天然氣年消耗量為5184萬m3，折標煤6.3萬t，可從循環水中獲得熱量約6.4萬t（吸收式熱泵機組在設計工況下的平均COP值為2.01）。若采用直接燃煤的245MW燃煤鍋爐，年約消耗煤炭15.12萬t，全年折標準煤10.8萬t。

因此，與直接燃煤供熱相比，本工程采用燃氣溴化鋰吸收式熱泵機組，每年可節約標準煤4.5萬t，相當于減排CO211.7萬t、SO21080t、NOx 315t。（按每燃燒一噸標煤排放CO2約2.6t，SO2約24kg，NOx約7kg）。

目前，該工業區一期內進駐企業的循環冷卻水規模共計約5.6萬t/h，若全部采用水源熱泵技術回收工業循環水余熱，將產生更大的經濟效益和環境效益，因此可作為示范工程進行推廣。

綜上分析，工業低溫余熱資源的資源量較大，可通過熱泵技術進行回收利用，生產較高品質熱源，用于建筑物的冬季采暖。

4 結論

工業冷卻循環水水源熱泵集中供熱系統的利用，回收了工業冷卻循環水的余熱資源，擴大了工業冷卻循環水用途，同時可減少由于廠區內冷卻塔散熱產生的大量水蒸汽造成的污染。