余熱深度制冷技術的應用

李仁軍 葉少春

1.吸收式制冷的行業發展

隨著生產發展和技術革新，制冷技術的應用已非常廣泛。根據制冷原理的不同，制冷技術有蒸汽壓縮式、吸收式、蒸汽噴射式等多種，其中蒸汽壓縮式的應用最為普遍。

壓縮式制冷的主要優點是性能系數高，部件少，使用方便，因此在除冰箱以外的空氣調節、食品速凍、低溫過程等多種領域也都得到了普遍應用。壓縮式制冷必須消耗電能或機械能帶動壓縮機才能使制冷系統正常工作循環，壓縮式制冷需要消耗大量的電能，因此電力成本十分巨大。所以，發展耗電量極少的吸收式制冷是十分有必要的。

吸收式制冷機組的工作原理早在1842年就已經被英國的物理學家和化學家法拉第（Faraday）所應用。當時他利用液氨蒸發產生冷效應的原理，使用一個密閉系統讓氯化銀把氨氣吸收。1850年，法國工程師凱利愛（Ferdinand P.E.Carre）在巴黎制出了第一臺氨水吸收式制冷機組，但由于當時能源價格低廉的緣故，直到上世紀三十年代，氨水吸收式制冷機組才得到復蘇。

目前，真正被廣泛應用的制冷工質對有兩種，即溴化鋰與水、氨與水。前者以水為制冷劑，以溴化鋰為吸收劑，后者以氨為制冷劑，以水為吸收劑。但以水為制冷劑時，蒸發溫度不能達到0°以下，因此以溴化鋰—水為工質對的制冷機組雖然有著很多優點，但它只能局限于產生5℃以上的冷媒水供空調和某些工藝過程冷卻使用。

要獲得0℃以下的低溫，就要使用氨水吸收式制冷，這種機組需求溫度不高，能產生10℃到-60℃的蒸發溫度，被工業系統所使用。但由于吸收劑水的沸點與氨的沸點差別不大，因此吸收劑水也會隨著制冷劑-氨一起蒸發，大大降低了制冷效果，雖然采取精餾等工序，可是同時增加了工藝系統的復雜程度以及系統的制冷效率。

2.基于TC工質的余熱制冷技術

近幾年來，加拿大卡爾頓大學新能源技術研究室將一種新型的多元制冷工質應用于制冷/熱泵系統中，使整個系統能夠高效持久的工作。該工質的主要成分是氨鹽溶液和催化劑、抗氧劑。

相比于其他熱驅動制冷系統，該系統有以下優點：

1.制冷溫度能夠達到最低零下25度，該系統的制冷劑為氨，有效的克服了溴化鋰-水系統中制冷劑凝固點偏高的缺點。

2.系統機械結構簡單，在發生過程中只有氨會蒸發，溶液工質對其他組成部分不會蒸發，因此系統可以避免精餾過程，有效的增加了系統穩定性，降低了制造成本。

3.制冷劑潛熱大，具有適宜的飽和蒸發壓力，吸收劑比熱小、溶液黏度小、導熱性好、有效增加了換熱效率，減小了換熱器面積。

4.溶液的腐蝕性小、熱穩定性好，價格低廉。

其工藝原理如上圖所示：

1.通過溶液泵將吸收器中具有一定濃度的富溶液輸送至發生器，并利用工作熱源132℃的廢熱對其進行加熱，使溶液中大部分低沸點的氨得以蒸發。

2.氨蒸氣進入冷凝器中，被循環冷卻水冷卻成飽和液體，與蒸發器出來的低溫氨蒸汽在氣液換熱器中換熱后節流降壓到蒸發壓力。

3.液氨經節流進入蒸發器中，吸收被冷卻介質乙二醇熱量汽化成蒸發壓力下的氨蒸氣，經氣液換熱器復熱后進入吸收器中。

4.在發生器中經發生過程剩余的貧溶液進入貧富液熱交換器中與經吸收器吸收后的富溶液換熱后節流降壓進入吸收器中，與從蒸發器出來的低壓氨蒸氣相混合，吸收低壓氨蒸氣并恢復到原來的濃度。

5.吸收過程是一個放熱過程，故需在吸收器中用冷卻水來冷卻混合溶液。在吸收器中恢復了濃度的溶液又經溶液泵升壓后進入貧富液熱交換器中與貧溶液換熱后送入發生器中繼續循環。

3.余熱回收型深度制冷中試項目

中鹽安徽紅四方股份有限公司與安徽沃特普爾節能科技有限公司簽訂了《余熱回收型深度制冷項目中試協議》。該項目協議用于中鹽紅四方西區保險粉裝置生產現場，根據現場可利用的精餾、二氧化硫冷凝液105℃、12m3/h的余熱，設計專用機組，可制備-2℃—5℃溫差，冷凍液30m3/h，制冷量達137kw，cop為0.6。本臺樣機設計生產制造安裝后，測試該機組的各項參數性能，為后期的推廣應用提供實際數據支撐。

根據雙方簽訂的《余熱回收型深度制冷項目中試協議》，安徽沃特普爾節能科技有限公司于2016年9月將余熱制冰設備運送至甲方現場。在雙方的配合下，設備于2016年11月安裝、調試完畢，各外部接口對接完成，達到預期工況，項目具備測試驗收條件。

3.1 設計工況

序號 項目 參數1熱源形式 冷凝水2熱源溫度 105℃3熱源流量 12m3/h 4冷卻水溫度 29℃/33℃

3.2 中試預期制冷效果：

序號 項目 參數1制冷劑 類乙二醇2制冷劑進口溫度 3℃3制冷劑出口溫度 -2℃4制冷溫差 5℃5制冷劑流量 30m3/h 6制冷量 137kW/94KW 7機組耗電功率 ≤4kW

3.3中式項目現場各工況下制冷效果情況

以下結果根據原設計條件的12噸/小時熱水量計算，現在熱水量為17噸/小時，其他條件不變，冷卻水升溫至29℃時還可以制取167 KW左右-5℃的冷，33℃時只能制102 KW冷量。另外，所有計算都是根據溶液循環量不變的情況來做的，增大溶液循環量可以獲得更大的制冷量。

3.3.1熱源入口溫度為105℃時，制冷量計算：

冷卻水溫度 33℃ 29℃ 26℃-5℃ 72 118 150-3℃ 87 131 164-2℃ 94 137 170 2℃ 119 163 197制冷量（kW）

3.3.2熱源入口溫度為108℃時，制冷量計算：

冷卻水溫度 33℃ 29℃ 26℃-5℃ 87 131 164-3℃ 101 144 177-2℃ 107 150 184 2℃ 133 177 211制冷量（kW）

3.3.3熱源入口溫度為某個溫度（120）℃時，制冷量計算：

冷卻水溫度 33℃ 29℃ 26℃-5℃ 140 182 216-3℃ 152 196 230-2℃ 159 203 237制冷量（kW）

3.4 中試項目結果分析

根據測試數據，本余熱制冰設備在設計工況時可達到138kW的制冷量，據統計螺桿式制冷機組制取-5℃低溫時COP約為3.0，則其制取138 kW、-5℃的冷量消耗的電功率為：138kW÷3.0=46kW，扣除余熱制冰設備循環泵的功率5kW，使用的50T循環，循環水風機能耗0.035kW/m3，循環水冷卻塔風機能耗為50×0.035 kW/m3=1.75kW，循環水泵能耗約為風機的兩倍，即3.5kW，總的節能量為：45-5-1.75-3.5=34.75kW，節能效益可觀。

4.利用蒸汽冷凝液余熱深度制冷技術應用

余熱回收型深度制冷中試項目的順利實施，驗證了安徽沃特普爾節能科技有限公司余熱制冷技術的可行性。2017年2月，中鹽安徽紅四方股份有限公司與安徽沃特普爾節能科技有限公司進行合作，開始設計建設蒸汽冷凝液余熱深度制冷工業化應用裝置，回收乙二醇生產過程中產生的132℃的高溫蒸汽冷凝液作為熱力驅動，利用新型吸收式制冷系統，制取生產過程中所需的-20.2℃低溫冷源，替代傳統壓縮式制冷系統，達到節約用電的目的。

4.1 具體操作參數和冷端需求數據如下：

序號 項目 余熱/制冷參數 備注1系統名稱 高溫冷凝液2余熱產生及部位說明 回收冷凝液罐3余熱形式 熱水4余熱狀況 無雜質，無腐蝕5余熱溫度（℃） 約132 6余熱壓力（MPa.G） 0.7余熱參數余熱總量（Ton/h) 正常350最大436 8余熱日運行時間段 24h 9余熱年運行時間(h) 8000 10 利用后余熱介質排放溫度（℃） 約109 11 利用后余熱介質壓降（KPa） ≤60 12 7載冷劑介質 ～46.4wt%乙二醇水溶液13 載冷劑進出口溫度（℃） 入口-11.7～-13.3出口-20.2 14 載冷劑流量(m3/h) 441.8 15 載冷劑進口壓力（MPa.G） 0.9 16 載冷劑壓降（KPa） ≤60 17 制冷量要求（kW） 正常值2400最大值3600 18 冷量日需求時間段 24h 19 冷量年需求時間（h） ≥8000制冷參數

4.2 項目建設

根據余熱參數及冷量需求，安徽沃特普爾節能科技有限公司設計了本套裝置。于2018年完成施工、檢驗、試壓、吹掃、調試，于2019年初開始運行，取得了各項系統運行參數，并根據測試數據完成了結果計算，通過了性能驗收試驗，達到了設計要求。

本裝置分為A、B兩套相同的系統，設計單套制冷量為2000KW，兩套同時運行以替代乙二醇裝置制冷工段的螺桿壓縮機制冷。本裝置設計單套系統的外部運行參數如下：

序號 項目 參數1額定蒸汽冷凝流量 132 ℃2額定蒸汽冷凝流量 175 T/h 3 額定載冷劑進口溫度 -11.7 ℃4 額定載冷劑出口溫度 -20.2 ℃5額定載冷劑流量 237 T/h 6額定制冷量 2000 KW 7系統COP 0.43

4.3 項目驗收

在制冷裝置連續平穩運行72小時后，制冷量能夠達到生產工藝需求，本項目正式驗收，中鹽安徽紅四方股份有限公司與安徽沃特普爾節能科技有限公司簽訂驗收報告。

根據項目測試期間的運行情況，機組的制冷量可以達到設計值，完全滿足乙二醇裝置滿負荷用冷量。

5.發展與前景

氨水吸收式制冷技術作為制冷研究領域里的一個分支，越來越多地受到了研究者們的關注。作為以熱能為驅動的制冷機，在當今提倡能源綜合利用方面起到了很好的作用。

尤其是基于TC工質的吸收式余熱深度制冷，憑借著其制冷工質對的優良特性，擺脫了當今氨水吸收式余熱制冷的桎梏，縮減了其精餾等很大部分的工藝流程，使得整個制冷工藝系統更加簡化。

中鹽安徽紅四方股份有限公司余熱深度制冷項目的成功運行，標志著基于TC工質的余熱制冷技術工業化的順利實現。基于TC工質的吸收式余熱制冷技術必將成為工業制冷的主流方向之一。