升溫型吸收式熱泵在紙機干燥部的應用探討

湯偉 易兆祥

摘要： 為解決紙機干燥部冷凝水系統末段存在冷凝水排出溫度較高、噸紙蒸汽消耗大等問題，本課題提出應用升溫型吸收式熱泵（adsorption heat transformer， AHT）作為冷凝水系統余熱回收設備。該設備可利用中間品位的余熱與低溫熱源的熱勢差作為驅動，制取品位高于中間余熱的熱量，從而提高余熱的利用率。本文在分析紙機干燥部蒸汽冷凝水系統熱力系統現狀及升溫型吸收式熱泵工作原理的基礎上，給出了一種基于升溫型吸收式熱泵的多段供汽熱力系統流程。通過LabVIEW仿真計算結果表明，應用升溫型吸收式熱泵的紙機干燥部蒸汽冷凝水系統具有更好的節能效果。

關鍵詞：紙機干燥部;升溫型吸收式熱泵;余熱回收;仿真計算

中圖分類號：TS737? 文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.10.008

Abstract： In order to solve the problems of high condensate discharge temperature and high specific steam consumption in the final stage of the condensate system of the paper machine drying section， this paper proposed to use the adsorption heat transformer （AHT） as the waste heat recovery equipment of the condensate system. The device could use the heat potential difference between the intermediate grade residual heat and the low-temperature heat source as drives to produce the heat with the higher grade than the intermediate grade waste heat， thereby improving the utilization rate of the waste heat. Based on the analysis of the current situation of the thermal system of the steam condensate system in the dryer section of the paper machine and the working principle of the absorption heat transformer， a multi-stage steam supply system based on the temperature-increasing absorption heat transformer was presented. The results of LabVIEW simulation showed that the steam condensate system of the paper machine drying section using the absorption heat transformer had higher energy saving efficiency.

Key words： paper machine drying section; adsorption heat transformer; waste heat recovery; simulation calculation

造紙工業中，超過65%的能量在干燥部被消耗[1]，因此干燥部余熱回收、節能降耗是降低造紙生產成本的重要手段。當前，在紙機的低溫、中溫段烘缸供汽中，多用蒸汽熱泵（蒸汽噴射式熱泵，以下簡稱傳統熱泵）來提高二次蒸汽品位，提高能源利用率。由于傳統熱泵利用高壓蒸汽（一般1 MPa以上）為動力源來引射二次蒸汽[2-3]，從而達到能量二次利用的目的。因此傳統熱泵要求蒸汽源的壓力品位較高，對于熱電聯產的功能園區，這一點難以滿足（一般進造紙車間的蒸汽壓力都在1 MPa以下），致使二次蒸汽的余熱、余能不能充分利用。

吸收式熱泵是一種以熱能為動力，利用溶液的吸收特性來實現將能量從低溫熱源向高溫熱源泵送的熱泵機組[4]。工業生產中，該設備作為回收利用低品位熱能的有效裝置，可用于余熱熱能總量較大、熱能需求品位較高的場合[5]，具有節約能源、保護環境的雙重作用。本文分析紙機干燥部目前能耗形式和升溫型吸收式熱泵工作原理，設計了一種用升溫型吸收式熱泵回收紙機干燥部較高溫冷凝水熱量的節能系統。

1 傳統紙機干燥部蒸汽冷凝水系統

當前的中高速紙機一般采用熱泵供汽和多段供汽相結合的混合供汽系統[6]。該系統在低溫段采用1臺傳統熱泵，在中溫和高溫段采用多段供汽方式。原因是傳統熱泵對二次蒸汽品位的提升是一個不可逆過程，該過程造成不必要的?損失[7]，故在中溫段和高溫段仍采用傳統的多段式供汽，熱力流程示意圖如圖1所示。

采用傳統熱泵的紙機干燥部改變以往被動式蒸汽串聯供熱的方式，能較大程度上克服多段供汽系統帶來的能耗大、烘缸內積水等問題[5]。原因是在供汽系統中增加了傳統熱泵之后，不僅能提高二次蒸汽的品位，以滿足下一段烘缸使用的工藝要求，而且降低了閃蒸罐內的蒸汽壓力，為烘缸排水提供足夠的壓差。

通過傳統熱泵與閃蒸罐的共同作用實現現有的干燥部冷凝水余熱回收，通過閃蒸罐對高溫冷凝水梯級降壓閃蒸，通過傳統熱泵對二次蒸汽提高品位再利用。在閃蒸罐的工作效率滿足工作條件的情況下，最后一個閃蒸罐（低溫段閃蒸罐）的閃蒸壓力也決定了流出烘缸冷凝水系統的飽和冷凝水溫度。如果低溫段閃蒸罐有較低的閃蒸壓力，那么就有較高的能源利用率。但是，低溫段閃蒸罐的閃蒸壓力并不能任意下降，原因有兩點：一是為了符合適合紙張的干燥曲線，低溫段烘缸內蒸汽壓力是一定的。通常設計其對應的飽和蒸汽溫度比烘缸溫度高約10℃，烘缸溫度比紙幅溫度高約20℃，而且紙機車速提高，低溫段烘缸內蒸汽壓力也相應提高;二是低溫段閃蒸罐的閃蒸壓力提供給低溫段烘缸排水壓差，為提高蒸汽利用率，低溫段進出口壓差一般設計較小（10～40 kPa）。因為低溫段烘缸內蒸汽壓力一定、低溫段烘缸進出口壓差設計較小，所以低溫段閃蒸罐的閃蒸壓力無法任意下降，排出冷凝水的溫度也無法任意下降。在實際生產中，中高速紙機流出低溫段閃蒸罐的冷凝水溫度甚至達100℃以上。

隨著紙機車速的不斷提高，冷凝水流量較大，因此其攜帶的能量較多[8]。為提高能源利用率，多數造紙廠將較高溫的冷凝水送去制漿段和熬膠加以利用。但是，由于造紙工段與制漿工段距離較遠、冷凝水溫度較高，熱冷凝水運輸過程中熱能損失較大。假若加入保溫手段，同樣由于距離過長，保溫管道成本太高。此外前述里現有應用傳統熱泵的烘缸蒸汽冷凝水系統中，整個系統多余的能源通過較大流量的冷凝水流出、多余的二次蒸汽送去加熱新風、甚至排空多余二次蒸汽以達到系統穩定。

為降低烘缸冷凝水系統中冷凝水排出溫度、提高能源利用率，通過應用新的設備與技術，對蒸汽冷凝水系統末端熱力流程進行改造，實現蒸汽冷凝水更深度的余熱回收，是解決上述當前紙機干燥部能源利用存在問題的思路之一。

2 吸收式熱泵

吸收式熱泵是熱泵的重要分支之一，它是一種利用兩種不同沸點的溶液（通常稱為工質對）的氣液平衡特性來實現將熱量從低溫熱源泵送到高溫熱源的裝置或組合機組[9]。吸收式熱泵根據其功能可劃分為兩類，第一類吸收式熱泵也稱為增熱型吸收式熱泵（absorption heat pump，AHP），該類熱泵可通過高品位的驅動熱，把低溫熱源品位提升到驅動熱以下的中間品位;第二類吸收式熱泵也稱為升溫型吸收式熱泵（absorption heat transformer，AHT），該類熱泵可通過工業產生的余熱與低溫熱源的熱勢差，把中間品位的熱源提升到自身品位以上的高品位狀態[10]。

升溫型吸收式熱泵工作原理如圖2（a）所示。發生器中，因為溴化鋰的沸點遠高于水，溴化鋰-水溶液（常用工質對）在中溫熱源的加熱作用下，溶液中沸點較低的水被部分汽化出來，稀溶液成為濃溶液。汽化出的冷劑水蒸氣分別進入冷凝器與蒸發器中進行冷凝與蒸發，最后兩次相變為蒸汽進入吸收器。在吸收器中，加壓泵送來的濃溶液吸收水蒸氣變成稀溶液，吸收過程溫度升高，與外界熱交換放出熱量。產生的稀溶液經換熱后回到發生器再次進行循環[11]。

由于蒸發器和冷凝器的壓力低于發生器和吸收器的壓力，且蒸發器與吸收器的壓力差較大，導致在低壓蒸發器中蒸發溫度較低，在吸收器吸收作用過程中溫度較高。中間余熱的部分能量通過工質對的物態、濃度變化傳遞至高溫水中，從而達到余熱回收的目的[12]。

吸收式熱泵的性能系數（coefficient of performance，COP）定義為吸收式熱泵系統有用輸出熱量與系統輸入能量的比值，該參數能一定程度上定量表示節能程度[13]。如圖2（b）所示，系統的輸入能量包括吸收式熱泵發生器熱源熱能輸入、吸收式熱泵蒸發器熱源熱能輸入與溶液泵電能輸入;系統的輸出能量包括吸收式熱泵吸收器熱媒水吸收熱能Qa和冷凝器冷源水帶走熱量。輸出能量有用部分是吸收式熱泵中熱媒水吸收帶走的熱能，這部分能量用作提升能源品位。根據能量守恒定律，穩定系統輸入能量大小等于系統輸出能量大小，見公式（1）。

根據公式（1），可得COP的表達式見公式（2）。

由公式（2）得出升溫型吸收式熱泵的性能系數<1，表示中間品位的余熱只有部分能夠轉移到更高的品位，在實際工業現場應用中，根據升溫型吸收式熱泵系統結構、熱源品質和溫升需求的不同，COP的值一般在31%～64%之間[14-16]。

3 基于升溫型吸收式熱泵的蒸汽冷凝水熱力流程設計

3.1 熱力流程設計

為提高紙機干燥部新鮮蒸汽利用效率，引進升溫型吸收式熱泵替代傳統熱泵是一個有效的方法。傳統熱泵的熱量回收，從本質上來說是一種質量的回收，回收的代價是需要加入更多的高品位能源（新鮮蒸汽），于是也容易導致整個烘缸冷凝水系統能量的過剩，需要其他系統的輔助利用。而升溫型吸收式熱泵的熱量回收只是能量的轉移，把中間品位的部分熱量轉移到更高品位上去。這個過程不需要高品位的驅動，也就不會增大高品位能源（新鮮蒸汽）的輸入，只需要犧牲掉部分中間品位的熱量，而且升溫型吸收式熱泵能夠把冷凝水溫度降低至60℃以下。

應用升溫型吸收式熱泵的供汽系統熱力流程圖如圖3所示。中、低溫段的冷凝水混合之后作為中品位余熱，高溫段閃蒸罐抽出適量冷凝水作為吸收器熱媒水，中品位余熱與散熱槽冷源水的熱勢差作為驅動能。利用該升溫型吸收式熱泵把中品位余熱部分熱量轉移到吸收器熱媒水中，制得0.15～0.3 MPa的高壓蒸汽。余熱放熱之后，冷凝水溫度可降至60℃以下，并排出烘缸冷凝水系統進行回收。升溫型吸收式熱泵系統產生的高壓蒸汽流向中溫段的烘缸使用，中溫段烘缸蒸汽量不夠再補充新鮮蒸汽。低溫段的蒸汽基本全部來源于中溫段閃蒸罐，取消了低溫段閃蒸罐與可調熱泵。

3.2 可行性論證

為定量計算出升溫型吸收式熱泵應用于紙機干燥部的節能效果，筆者利用LabVIEW軟件對瓦楞紙機干燥部的冷凝水熱力系統（不加入施膠部）進行仿真計算。仿真計算是在分別應用升溫型吸收式熱泵與傳統熱泵兩種節能設備情況下，根據紙機確定的運行參數、設備工作機理和干燥過程能量守恒計算出供汽系統中的能耗流量。

紙機運行參數提供了紙機干燥部熱力流程計算的數據基礎，表1為瓦楞紙機主要運行參數。

設備工作機理主要包括閃蒸罐閃蒸機理、傳統熱泵和升溫型吸收式熱泵熱源品位提升機理[17]，具體內容見表2。

烘缸內蒸汽的耗汽量一般通過紙張干燥過程能量守恒進行計算，而紙張在干燥過程中吸收的能量主要有3個流向，作用分別為使液態水汽化、使紙張溫度升高和使未汽化水溫度升高。因此，紙機干燥部第n段烘缸理論耗熱量（kJ/kg成紙）計算見公式（3）[18]。

第n段烘缸理論耗汽量（kg/h）計算見公式（4）。

3.3 計算結果對比分析

參照干燥曲線[19]，確定各段紙幅的干度和溫度、各段烘缸內蒸汽平均壓力和各段烘缸耗汽量見表3。

在分別應用升溫型吸收式熱泵與傳統熱泵兩種節能設備情況下，計算出供汽系統中主要管道的能耗流量見圖4、圖5。圖4、圖5結果表明，應用升溫型吸收式熱泵回收低溫段烘缸余熱之后，系統遵循蒸汽量不夠再補充新鮮蒸汽的原則，降低了新鮮蒸汽的輸入。多段供汽與傳統熱泵混合供汽系統的熱力流程中新鮮蒸汽總輸入流量為44229.85 kg/h，而多段供汽與升溫型吸收式熱泵混合供汽系統的熱力流程中新鮮蒸汽輸入流量為41709.91 kg/h，節約5.7%的新鮮蒸汽。冷凝水排出溫度降至60℃，整個烘缸冷凝水系統剩余能量相對傳統熱泵烘缸冷凝水系統較少。

4 結 語

本課題設計出一種基于升溫型吸收式熱泵的多段供汽系統，并通過仿真計算可以得出如下結論：降低了現有烘缸冷凝水系統冷凝水排出溫度（降至60℃以下），并節省5.7%的熱能輸入，達到紙機干燥部節能的目的;熱力流程中將升溫型吸收式熱泵代替傳統熱泵進行余熱回收，擺脫了傳統熱泵對驅動能品位要求過高的依賴。

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（責任編輯：黃 舉）