余熱回收梯級利用系統在制藥企業中的應用

董琍梅

（河北省電力需求側管理指導中心 河北 石家莊 050010）

余熱回收梯級利用系統在制藥企業中的應用

董琍梅

（河北省電力需求側管理指導中心 河北 石家莊 050010）

簡要介紹了中溫余熱回收、熱泵余熱利用、高溫凝結水熱量回收的原理，并對熱泵的工作特性及節能情況進行了分析。詳細介紹了某制藥企業余熱回收應用的實例，在保證生產工藝正常運行的情況下，不但節約了能耗，而且消除了對環境的“熱污染”。

熱泵；余熱回收；蓄熱球；相變；節能

制藥企業屬于高耗能單位，設備復雜、工藝路線較長，頻繁的升溫、降溫，對冷、熱源的需求量非常大。但以目前普遍的能源供給情況看，存在著諸多不合理之處，例如高品位熱源的低級利用，像加熱溫度70-80°C的生產工藝仍然延續高溫蒸汽換熱。還有就是大量生產余熱的浪費嚴重。例如壓縮空氣的降溫水、冷水機組循環冷卻水等所含有的熱量直接通過冷卻塔散入大氣，不僅造成熱能的浪費，還造成了對環境的“熱污染”。

第一部分 中溫熱源

“中溫熱源”的概念是指，通過中溫余熱回收，低溫余熱的熱泵升溫等方式得到的成本遠低于高溫蒸汽的中溫熱源。通過整合為工廠提供70-80°C穩定的中溫熱水。

一、中溫余熱回收：

例如，1000 Nm /min空壓機采用雙級壓縮，中冷、后冷器需要將130-140 C的壓縮空氣降溫至60 C以下，為此設置兩臺翅片管換熱器，回收高溫壓縮空氣的熱量。

首先使用循環熱水提取熱量，壓空溫度從130 C降溫至95 C，降溫35 C，之后再使用常溫冷卻水將壓縮空氣降溫至60 C以下。

可供熱回收空壓機總排氣量2000Nm /min（兩級），回收熱量,制取75——85 C循環熱水1300噸/小時，蒸汽熱值按2500kJ/kg計算，空壓機回收熱量5.45*106kJ/h，折合蒸汽2.18T/h,蒸汽資費按200元/T計算,每年可節約支出：200*2.18*24*330=345萬元(每天24小時工作，年工作330天)。

二、熱泵余熱利用

常規制冷或熱泵系統遵循逆卡諾循環和熱力學第一定律。以離心制冷機為例，制取5KW冷量需要消耗1KW電能，排出6KW熱量。即制冷系數5.0，制熱能效比6.0 。當然隨著冷熱端溫差不同，制冷系數和制熱能效比也會有變化.

下面從經濟角度計算熱泵節能效益：

1、60 C中溫熱水，熱源為32 C循環冷卻水，制熱能效比5.0

制取100KW熱量需耗電20KW，費用13元（平均電費按0.65元計算）

如果采用蒸汽供熱，需消耗蒸汽150公斤，費用30元（蒸汽資費按200元計算）

2、80 C高溫熱水，熱源為32 C循環冷卻水，制熱能效比3.5

制取100KW熱量需耗電28.6KW，費用18.6元（平均電費按0.65元計算）如果采用蒸汽供熱，需消耗蒸汽150公斤，費用30元（蒸汽資費按200元計算）

由此可見，在生產工藝中采用熱泵供熱的效益還是非常可觀的。

三、高溫凝結水熱量回收

蒸汽噴射式熱泵其工作機理是利用高壓驅動蒸汽的噴射，抽吸低壓蒸汽或凝結水閃蒸汽并將其參數提高至用戶所需要的水平。我們將這種裝置稱為蒸汽噴射式熱泵。其工作機理與蒸汽噴射器、水噴射器相似。這種熱泵沒有任何運動部件，其結構簡單，運行可靠，可自動調節。如圖 1所示，蒸汽噴射式熱泵由噴嘴①、吸引室②、混合室③、擴壓室④等四個部件組成。高壓驅動蒸汽通過噴嘴后，絕熱膨脹，壓力由PO降為Pp（Pp低于被引射蒸汽的壓力Ph）由于壓差作用，被引射的低壓蒸汽或凝結水閃蒸汽被抽吸至吸引室，兩股汽流在混合室內混合后壓力為P3，經擴壓管增壓到用戶所需要的壓力Pg。

第二部分 制藥企業余熱回收應用實例

一、余熱熱源：

1、實消發酵罐：

主要包括 30m3發酵罐 8臺，產生的余熱有實消高溫冷卻水（可回收溫度60——96°C，產生于實消降溫階段的初始 30分鐘）和實消尾汽（可回收溫度110——120°C，產生于實消保溫保壓階段）

2、連消發酵罐：

主要包括320m3發酵罐10臺和140m3發酵罐5臺，產生的余熱有連消高溫冷卻水（可回收溫度 40——50°C，產生于連消進料階段）和空消尾汽（可回收溫度110——120°C，產生于空消保溫保壓階段）

在進行余熱回收之前，上述熱量主要通過尾汽排空和冷卻水直接蒸發冷卻散入大氣環境，加重了環境熱污染和水資源浪費。

二、余熱回收措施：

1、消毒尾汽：（實消尾汽和空消尾汽）

該方案分三個組成部分：罐頂消毒尾氣與正常發酵排氣分離；廢汽輸送管道；連交廢液汽水直接換熱器熱能回收。

（1）、消毒尾氣與正常發酵排氣分離

氣—汽分離的目的是把消毒尾汽與發酵排氣進行分離，以提高廢汽利用溫度。目前，發酵用溫度較低的空氣與消毒用溫度較高的蒸汽排至同一套管道，造成混合氣體溫度和其中蒸汽的凝結溫度都顯著下降，這會大大降低它的利用價值。

氣—汽分離的實現是通過另外敷設一套獨立的高溫尾汽管道實現的，各發酵罐消毒尾氣匯入集中熱回收管道輸送至連交廢液排出口。通過手動截止閥切換控制氣、汽走向：正常發酵時，主排氣閥打開，尾汽閥關閉；消毒操作時，主排氣閥關閉，尾汽閥打開。

（2）、廢汽輸送管道：

為防止管道內凝結水倒流，所有匯集管和尾氣輸送管做出5‰坡度。為避免熱力損失，所有匯集管和尾氣輸送管做保溫處理。

2、高溫冷卻水：

發酵車間目前可回收高溫冷卻水有兩種溫度：實消降溫冷卻水 60——96°C，連消高溫冷卻水40——50°C。

（1）、對60——96°C冷卻水采用蓄熱回收再利用：

相變蓄熱是依靠物質相變過程（固－液態轉化）中必須吸收或放出大量相變潛熱的物理現象進行能量的存儲和釋放。

相變蓄熱球是相變蓄熱產品和相變蓄熱應用工程中最基礎的結構產品。它以良好的熱傳導材料為載體，填充不同的相變蓄熱材料，在保持良好的相變蓄熱性能的情況下，大大方便了產品的安裝和工程的實施，它可廣泛應用于各種蓄熱產品和場所，在相同的效能下，它比取代傳統的水蓄熱體積將縮小7倍以上。

典型的發酵實消余熱回收和再用流程如下圖8：

■ 余熱回收：高溫冷卻水由溫度控制的電動三通閥將實消降溫過程中冷卻水的高溫部分導入低溫蓄熱罐（55°C）進行儲存，低溫部分直接并入冷卻循環水系統。

■ 進料時，通過循環泵、換熱器，將儲存在低溫蓄熱罐的熱量取出，對培養基進行升溫預熱。

（2）、對40——50°C冷卻水采用塑料沉浸式換熱器直接加熱環保污水

鑒于發酵車間與環保污水距離較近，這部分較高溫度的冷卻水可以直接作為熱源加熱環保污水，冷卻水壓力高于污水，不會因換熱器泄露造成冷卻水污染。

三、經濟效益估算：

1、實消高溫冷卻水：

每天實消30m3發酵罐六罐，實消降溫時罐溫由120 C降至78 C時間30分鐘左右，冷卻水出水溫度為96 C——60 C，通過相變蓄熱將高溫冷卻水中的熱量予以儲存，存儲熱量用于配料水預熱。

30m3發酵罐實消時的培養基重量為15噸，降溫40 C放出熱量：

15*1000 *1*40*4.2=2.52*106kJ

每天實消8罐可回收熱量2.016*107kJ，折合每天節省蒸汽：

2.016 *107÷2500÷1000=8.1噸

折合蒸汽費用1620元(蒸汽資費按200元計算)

年節能：53.46萬元(年運行330天)。

由于各發酵罐實消過程非同時進行，每罐實消間隔大致相等，因此僅采用10 m 3蓄熱容積，滿足一個發酵罐的蓄熱需求即可。各發酵罐冷卻水回水均通過旁通管引致蓄熱罐，放出熱量、降低溫度后再匯入冷卻水回水總管。

2、消毒尾汽（實消、空消）：

根據各罐實測數據及頻次計算。

3、沉浸式塑料換熱器直接加熱污水：

可按連消冷卻水的水流量乘以5°C溫差計算回收熱量：

例如：平均水流量為50噸/小時，平均每天20小時，則每天回收熱量為

50*1000 *1*5*20*4.2=2.1*107kcal，折合蒸汽量8.4噸/天。年效益55.44萬。

四、結束語

制藥企業余熱回收梯級利用的實現，確保生產工藝正常運行的情況下，不但節約了能耗，而且消除了高品位熱源的低級利用，解決了大量生產余熱的嚴重浪費，具有較大的經濟效益；并且余熱回收梯級利用系統在制藥企業的應用也取得了顯著的社會效益。

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1007-6344（2017）02-0279-01