化工企業(yè)低溫余熱源熱泵節(jié)能技術

朱 琳，李桂保

（億利化學工業(yè)有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 014300）

在化工企業(yè)的生產中，化工原料在反應的同時會產生大量的低溫余熱，為了避免化工企業(yè)余熱資源的浪費，化工企業(yè)采用熱泵技術將余熱資源回收并利用。在近幾十年的化工工業(yè)發(fā)展中，低溫余熱源熱泵技術雖然在中國得到了一定程度的普及，但由于多數(shù)化工企業(yè)的余熱通常被直接廢棄處理，低溫余熱源熱泵技術的發(fā)展受到了限制。在對化工企業(yè)的低溫余熱源熱泵節(jié)能技術進行研究的過程中，為了進一步提高方案的切實性，以企業(yè)的余熱源處理技術為基礎，通過對不同化工企業(yè)的余熱源能量進行調研與研究，對比不同類型余熱源熱泵系統(tǒng)中項目的能量輸入和能量支出，并在數(shù)據(jù)基礎上更為合理地分配余熱回收系統(tǒng)的裝機容量，使不同類型化工企業(yè)的余熱源得到科學的分配與管理。

1 化工企業(yè)低溫余熱源熱泵技術概述

1.1 低溫余熱源熱泵工作原理

與水泵的工作原理相類似，低溫余熱源熱泵技術是將化工作業(yè)中的剩余熱量傳遞到高溫處，從而使得化工設備中的熱量進一步增加，以滿足化工生產中的高溫需求，在這一熱量提升的過程中，余熱源熱泵裝置起到了重要作用。不僅通過收集利用化工設備周邊的余熱避免了能量的浪費，也有效促進了化工作業(yè)中高溫反應的實現(xiàn)。由于在熱泵的實際工作中驅動力的不同，在不同的化工反應中所采用的余熱吸收裝置也存在差異[1]。在處理工質蒸汽熱源的過程中，為了實現(xiàn)對工質蒸汽中高質熱能的有效回收，通常選用吸收式熱泵見圖1，該熱泵的設備構成主要包括吸收器、蒸發(fā)器、冷凝器和溶液換熱器等裝置。通電后，化工產生的水蒸氣被吸收器中的濃工質吸收，濃工質在與水蒸氣結合的同時，放出熱量，這些熱量又被蒸發(fā)器吸收，蒸發(fā)器中的水分在吸熱后變?yōu)樗魵猓⑴c稀工質溶液結合。稀工質溶液與濃工質溶液共同流入發(fā)生器，在化工反應余熱源的作用下，稀工質溶液被蒸濃，同時，從稀工質中蒸濃出的水分又會進入冷凝器中，在熱泵的作用下，冷凝器中的凝液與濃工質共同被送回吸收器和蒸發(fā)器，從而進行下一周期的循環(huán)。

圖1 吸收式熱泵工作原理圖

化工低溫余熱源熱泵中較為常見的還有壓縮式熱泵（如圖2），在這一熱泵的運行過程中，首先要通過消耗電能對蒸發(fā)器中的蒸汽進行壓縮，從而提高工質的壓力和溫度。當蒸發(fā)器中的溫度高于熱用戶時，就將蒸汽通入冷凝器中為熱用戶供熱，直至工質溫度低于余熱源溫度，這時再利用熱泵將冷卻的蒸汽壓縮，并進行下一周期的供熱循環(huán)。

圖2 壓縮式熱泵工作原理圖

1.2 低溫余熱源熱泵分類

化工企業(yè)的低溫余熱源熱泵類型主要包括熱量獲得型熱泵和溫度提高型熱泵。熱量獲得型熱泵是利用熱泵將化工反應產生的余熱傳遞給高溫熱源，而溫度提高型熱泵則是通過電能做功，提高低溫余熱的溫度，從而使得低溫余熱在加熱后能夠重新應用于化工生產。在化工企業(yè)的低溫預熱源熱泵的實際應用中，熱泵的分類還可以根據(jù)熱泵的工作原理以及循環(huán)方式進行劃分，劃分依據(jù)的不同，也使得化工企業(yè)熱泵的分類出現(xiàn)差異。

2 余熱源熱泵的熱力學分析

2.1 熱力學分析方法探究

在對化工企業(yè)的低溫余熱源進行研究的過程中，為了有效保證數(shù)據(jù)測量的準確性，必須采用科學有效的分析方法，最為常用的是利用均衡法和熱平衡法進行測量[2]。在利用均衡法對化工企業(yè)余熱源進行熱力學測量的過程中，為了有效保證余熱源系統(tǒng)的熱量利用效率，還要針對余熱源熱泵進行系統(tǒng)性的節(jié)能效果診斷，通過對系統(tǒng)中不同設備進行檢測與考量，進一步完善化工企業(yè)的余熱源熱泵系統(tǒng)。由于化工企業(yè)中的余熱收集場所主要是在余熱源中，而熱量的輸出場所主要是在供暖系統(tǒng)中，為了更加高效率地開發(fā)和利用化工反應余熱源，還要對不同種類的熱量交換通道加以完善，并利用均衡法計量系統(tǒng)中各個熱量交換口的余熱轉換效率，從而為余熱源熱泵系統(tǒng)性能的進一步完善提供有效的數(shù)據(jù)參考。熱力學分析方法中的熱平衡法是在牛頓熱力學第一定律的基礎上提出的，與余熱源熱泵系統(tǒng)的均衡法計量方式不同，利用熱平衡法進行熱力學分析時，主要采用的是熱泵系統(tǒng)中的能量守恒關系，通過對系統(tǒng)能量轉換過程的守恒推斷系統(tǒng)的余熱源開發(fā)效率，但這一方法在應用中僅強調了系統(tǒng)中能量的守恒，而忽略了能量交換過程中余熱資源回收所造成的能量貶值和能量品質的變化。因此，隨著化工企業(yè)對余熱源開發(fā)利用的深化，這一熱力學計量方法的應用也在逐漸減少。

2.2 化工企業(yè)余熱源熱泵能量平衡分析

在化工企業(yè)的余熱源熱泵應用技術中，為了進一步提高熱泵的制熱效率，必須消耗一定的電能，從而保證熱泵系統(tǒng)在化工生產中能量的平衡。在對余熱源熱泵進行能量平衡分析的過程中，其性能的主要考量指標是制熱系數(shù)φ。熱泵制熱系數(shù)是指熱用戶所得熱量和熱泵運行所消耗電能的比值，其公式表示為φ=QH/W，其中，W 表示熱泵壓縮機運行消耗功率，而QH 則表示熱泵向熱用戶輸送的熱能。在化工生產中，由于熱泵中不同反應室的蒸汽和工質溫度不同，為了實現(xiàn)系統(tǒng)與環(huán)境之間能量的平衡，就必須利用熱泵做功，使得外部熱源的能量能夠輸送到熱壓縮機和熱用戶中，通過降低熱泵熱量損耗，實現(xiàn)對余熱源能量的有效控制。在化工企業(yè)的余熱源熱泵系統(tǒng)中，在能量轉換的同時，必然伴隨能量的損失，因此，為了更加有效地實現(xiàn)熱泵對能量的平衡調節(jié)，就要嚴格控制熱泵的電能消耗，通過提高熱泵做功的效率而減少余熱源能量的損失，從而將更多的熱能提供給熱用戶，實現(xiàn)對化工企業(yè)余熱源的高效開發(fā)與利用。

3 化工低溫余熱源熱泵應用探究

隨著化工企業(yè)中熱泵對余熱源開發(fā)利用效率的提高，工業(yè)中的干燥，蒸餾等多項工藝領域也開始引入該技術，并以此提高余熱利用效率，促進企業(yè)的盈利與發(fā)展。低溫余熱源熱泵在化工干燥的應用中，為了有效避免熱泵排氣造成濕熱源的廢棄，應在濕熱源處設立循環(huán)排氣系統(tǒng)，并利用熱泵技術將冷凝器中的空氣帶入干燥器，并對化工物料進行干燥處理和熱處理，干空氣在吸收了化工物料中的水分之后，被引風機直接吸收并輸送到蒸發(fā)器中；而濕空氣在冷凝處理后變?yōu)楦煽諝獠⑦M入下一循環(huán)，這不僅使得化工企業(yè)的物料質量得到了提高，也極大地節(jié)約了化工熱能。熱泵在化工蒸餾的應用過程中，能夠對塔頂出來的化工蒸汽直接進行壓縮處理，壓縮后的蒸汽溫度得以提高，再將其注入塔底進行沸騰處理。在蒸餾系統(tǒng)中蒸汽冷凝的過程中，熱泵將冷凝放出的低溫熱進行收集并用于物料的化工反應的加熱，這使得化工蒸餾過程的效率得到了極大的提高，也在一定程度上節(jié)省了化工生產的成本投入。

4 結論

在化工企業(yè)中低溫余熱資源的開發(fā)與利用中，熱泵技術直接決定著余熱源的開發(fā)效率，因此，為了進一步提高化工企業(yè)的余熱資源利用效率，就要針對熱泵工作環(huán)境的溫差進行控制與調節(jié)，通過降低溫差以提高熱泵的工作效率，這對于化工企業(yè)經濟效益的提升也有著重要意義。

［1］李 陽.化工企業(yè)節(jié)能原理與技術.西安：西安交通大學出版社，2013：21.

［2］彭 琪.低溫廢熱高校回收系統(tǒng)及其評價.熱能動力工程，2012（12）：20－35.