工業余熱水制冷/熱方法與應用

楊光耀 周如愿 匡勝嚴 長沙創智低碳科技有限公司 遠大空調有限公司

吸收式機組的驅動熱源除了化石能源如天然氣、柴油等，更重要的是可以回收生產工藝過程中的熱水、蒸汽、煙氣的余熱用于制冷、制熱，不但節省運行費用，同時可以節省能源、減少碳排放。在眾多驅動熱源中，熱水分布最為廣泛，應用也最為特殊。鑒于吸收式技術在余熱水熱量回收的特殊性，本文重點介紹了以余熱水為驅動熱源的吸收式技術特征和應用。

1 熱水制冷

隨著吸收式流程和結構設計的不斷進步，尤其在制冷技術上，對于驅動熱源的品位要求越來越低，進一步擴展了吸收式技術的應用，在熱水制冷機上表現得尤為突出。

1.1 普通熱水制冷機

普通熱水制冷機流程如圖1 所示：熱水進入發生器加熱溴化鋰溶液產生濃溴化鋰溶液和制冷蒸汽。制冷蒸汽進入冷凝器內被冷卻水冷凝成液態制冷劑再進入蒸發器內，在極低的真空條件下（約872Pa）蒸發吸熱從而制取7℃冷水供用戶使用。濃溴化鋰溶液進入吸收器內吸收蒸發后的水蒸汽變稀并被屏蔽泵送入發生器再生，吸收過程放出的熱量被冷卻水帶走。

圖1 普通熱水制冷機流程

由于受機組放汽范圍（濃溶液與稀溶液的濃度差）制約，單效制冷循環的發生器需要加熱至80℃左右才能沸騰，而單效制冷循環熱水的出口下限溫度不低于發生器溫度，這也限制了普通熱水制冷機的應用范圍。普通熱水制冷機的COP（制冷效率，制冷量與驅動熱水熱量的比值）可以達到0.75～0.82，一般驅動熱水進出口溫度越高，機組的制冷效率和制冷量也會越高。

1.2 兩段式熱水制冷機

兩段式熱水制冷機實際上可以看成兩臺普通熱水制冷機復合而成。兩臺機組內部的溴化鋰溶液循環完全獨立運行，只是將外部的驅動熱水、冷水以及冷卻水的流程進行了優化。

兩段式熱水制冷機原理上仍然屬于普通熱水制冷機，但機組放汽范圍比普通熱水制冷機更小，機組制冷效率只有0.7～0.72，但熱水出水溫度可以降低至70℃左右，這無疑擴展了熱水制冷機的應用范圍。比如在燃氣冷熱電三聯產系統中，發電機缸套水的回水溫度很多都只有70～80℃，采用普通熱水制冷機無法降溫至匹配溫度，很多時候不得不串聯冷卻塔將80℃以下缸套水熱量散掉。而兩段式熱水制冷機的驅動熱源參數與缸套水溫度相匹配，提高了燃氣冷熱電聯產的一次能源利用率。

1.3 兩級式熱水制冷機

為了充分利用低溫熱水（70～80℃）熱量，在普通熱水制冷機的基礎上發展了兩級式熱水制冷機。兩級式熱水制冷機是在原普通熱水制冷機基礎上增加了低壓發生——高壓吸收循環而成。兩級式熱水制冷機最大的特點在于可以實現低溫熱水制冷，熱水驅動溫度只需要70℃就能驅動機組運行，熱水出口溫度最低55℃，這也是熱水制冷機能達到的最低溫度。

兩級式熱水制冷機進一步降低了熱水品位的要求，特別是在一些熱源品位比較低的場合具有重要的節能意義。比如：鋼鐵廠沖渣水、大型空壓機冷卻水、中低溫地熱水（70～80℃）、窯爐等中低溫煙氣（≤200℃）換熱后的熱水等，這些熱水本身只有70～80℃熱水，冬季用于采暖，在夏季無供熱需求就只能排放。兩級式熱水制冷機解決了夏季余熱利用問題，并可節省制冷運行費用而得以推廣應用。

1.4 三級式熱水制冷機

將普通熱水制冷機與兩級式熱水制冷機進行復合形成三級式熱水制冷機。三級式熱水制冷機在結構上最復雜，成本最高，但能實現90℃以上熱水驅動機組直接降溫至55℃，制冷效率可達到0.6，單位熱水質量流量產生的制冷量最大。

三級式熱水制冷機最主要應用于中溫熱水制冷上，比如工業生產過程中的蒸汽凝水、中深層的地熱水，溫度一般在90℃以上，采用普通或兩段式驅動熱水溫差只有10～20℃，熱水熱量利用率非常低，而兩級式熱水制冷機則效率低，制冷量少，采用三級式熱水制冷機可以提供最大的制冷量。

1.5 各類熱水制冷機性能對比

表1 為上述幾種熱水制冷機的主要性能對比。從表1 可以看出，熱水進出口溫度越高，機組效率越高且成本越低，但熱源溫差小余熱利用率也越低。不同熱水制冷機的選擇首先應與余熱水的溫度相互匹配，再考慮余熱制冷量大小，以達到選型合適、節能最大的目的。

表1 不同類型熱水制冷機性能對比

2 熱水換熱/冷卻

吸收式換熱器是一種由熱水型吸收式熱泵和水水換熱器相結合的新型換熱技術。換熱器的流程如圖2 所示。

圖2 吸收式換熱器流程

圖3 二類熱泵流程

一次水（95℃）進入發生器驅動機組運行，然后進入水水換熱器與二次水換熱降溫，再進入蒸發器第三次降溫（28℃）。二次水（40℃）分兩支：一支進入吸收式熱泵的吸收器和冷凝器升溫；另一支進入水水換熱器與一次水換熱升溫。最終一次水降溫的熱量全部經過吸收式熱泵和水水換熱器傳遞給二次水。

在供熱方面主要用于北方集中供熱地區替換原二級換熱站內的水水換熱器。二次水的供回水溫度比較高，連接的裝置為暖氣片或地暖系統。二級換熱站利用吸收式換熱器效能高的優勢，采用一次水自驅自降溫，降低了一次水的回水溫度，提升了熱網40%～60%供熱能力。

在冷卻方面主要用于酒廠蒸餾冷卻系統的節能、節水改造。二次水進出口溫度相對較低，連接的裝置為冷卻塔。吸收式換熱器的應用可以直接實現70/20℃自循環，產生的二次水經冷卻塔散熱，既節省了降溫能耗，又節省了90%冷卻用水。此技術先后在牛欄山酒廠、古井貢酒廠等得以實施應用，并取得非常好的節能節水效果。

3 熱水制蒸汽

傳統蒸汽都是通過鍋爐燃燒高品位的燃料來制取。二類熱泵可以將中溫余熱直接提升至更高品位的熱水或蒸汽。二類熱泵的流程圖如3 所示。

余熱水（或乏汽、其它氣體、液體等）先在發生器內加熱溴化鋰溶液產生低溫低壓的水蒸汽和濃溶液。水蒸汽進入冷凝器內被冷卻水冷凝成液態，再進入蒸發器內吸收余熱水熱量后生成高溫高壓的水蒸汽。發生器產生的濃溶液經溶液泵送入吸收器內吸收蒸發器過來的水蒸汽后變稀并放出熱量加熱高溫水，實現品位提升。在吸收器內，變稀的溴化鋰溶液再進入發生器內再生循環。高溫水如進入連接的閃蒸器就能閃蒸成蒸汽。

二類熱泵可以制取比余熱水溫度高30～40℃的飽和蒸汽，實現溫度和品位的提升。余熱水熱量除一部分轉化成蒸汽熱量，還有一部分被冷卻水帶走，制熱效率只有0.4～0.5，只適用于熱水本身是廢熱的項目之中。二類熱泵主要應用于造紙廠制漿廢水、橡膠廠硫化凝水、化工廠精餾塔餾份等廢熱水制取蒸汽。

4 結語

采用吸收式技術回收生產工藝過程中的余熱水熱量主要有三種應用形式。

熱水制冷。熱水驅動吸收式制冷機最低溫度為70℃，最低出口溫度為55℃。在實際應用中，熱水制冷機的驅動溫度首先應與余熱源的溫度相互匹配，然后根據余熱水熱量和對應的制冷效率計算最大制冷量，如制冷不能滿足需求再采用其它制冷機補充。

熱水換熱/冷卻。將熱水型吸收式熱泵與水水換熱器組合而成，其功能上與換熱器類似，但一次水可以獲得更低出口溫度，在集中熱網和釀酒蒸餾冷卻工藝中獲得廣泛應用。

熱水制蒸汽。采用二類熱泵可以將中溫熱水直接提升至更高品位的熱水或蒸汽，但其制熱效率只有0.4～0.5，只有在熱水完全是廢熱的情況下才有應用價值。