化工企業(yè)低溫余熱源熱泵節(jié)能技術(shù)

朱 琳，李桂保

（億利化學(xué)工業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300）

在化工企業(yè)的生產(chǎn)中，化工原料在反應(yīng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的低溫余熱，為了避免化工企業(yè)余熱資源的浪費(fèi)，化工企業(yè)采用熱泵技術(shù)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(shù)雖然在中國(guó)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(shù)的發(fā)展受到了限制。在對(duì)化工企業(yè)的低溫余熱源熱泵節(jié)能技術(shù)進(jìn)行研究的過(guò)程中，為了進(jìn)一步提高方案的切實(shí)性，以企業(yè)的余熱源處理技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)不同化工企業(yè)的余熱源能量進(jìn)行調(diào)研與研究，對(duì)比不同類(lèi)型余熱源熱泵系統(tǒng)中項(xiàng)目的能量輸入和能量支出，并在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上更為合理地分配余熱回收系統(tǒng)的裝機(jī)容量，使不同類(lèi)型化工企業(yè)的余熱源得到科學(xué)的分配與管理。

1 化工企業(yè)低溫余熱源熱泵技術(shù)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(lèi)似，低溫余熱源熱泵技術(shù)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(shè)備中的熱量進(jìn)一步增加，以滿(mǎn)足化工生產(chǎn)中的高溫需求，在這一熱量提升的過(guò)程中，余熱源熱泵裝置起到了重要作用。不僅通過(guò)收集利用化工設(shè)備周邊的余熱避免了能量的浪費(fèi)，也有效促進(jìn)了化工作業(yè)中高溫反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。由于在熱泵的實(shí)際工作中驅(qū)動(dòng)力的不同，在不同的化工反應(yīng)中所采用的余熱吸收裝置也存在差異[1]。在處理工質(zhì)蒸汽熱源的過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工質(zhì)蒸汽中高質(zhì)熱能的有效回收，通常選用吸收式熱泵見(jiàn)圖1，該熱泵的設(shè)備構(gòu)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(chǎn)生的水蒸氣被吸收器中的濃工質(zhì)吸收，濃工質(zhì)在與水蒸氣結(jié)合的同時(shí)，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?，并與稀工質(zhì)溶液結(jié)合。稀工質(zhì)溶液與濃工質(zhì)溶液共同流入發(fā)生器，在化工反應(yīng)余熱源的作用下，稀工質(zhì)溶液被蒸濃，同時(shí)，從稀工質(zhì)中蒸濃出的水分又會(huì)進(jìn)入冷凝器中，在熱泵的作用下，冷凝器中的凝液與濃工質(zhì)共同被送回吸收器和蒸發(fā)器，從而進(jìn)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(jiàn)的還有壓縮式熱泵（如圖2），在這一熱泵的運(yùn)行過(guò)程中，首先要通過(guò)消耗電能對(duì)蒸發(fā)器中的蒸汽進(jìn)行壓縮，從而提高工質(zhì)的壓力和溫度。當(dāng)蒸發(fā)器中的溫度高于熱用戶(hù)時(shí)，就將蒸汽通入冷凝器中為熱用戶(hù)供熱，直至工質(zhì)溫度低于余熱源溫度，這時(shí)再利用熱泵將冷卻的蒸汽壓縮，并進(jìn)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(lèi)

化工企業(yè)的低溫余熱源熱泵類(lèi)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(yīng)產(chǎn)生的余熱傳遞給高溫?zé)嵩?，而溫度提高型熱泵則是通過(guò)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(yīng)用于化工生產(chǎn)。在化工企業(yè)的低溫預(yù)熱源熱泵的實(shí)際應(yīng)用中，熱泵的分類(lèi)還可以根據(jù)熱泵的工作原理以及循環(huán)方式進(jìn)行劃分，劃分依據(jù)的不同，也使得化工企業(yè)熱泵的分類(lèi)出現(xiàn)差異。

2 余熱源熱泵的熱力學(xué)分析

2.1 熱力學(xué)分析方法探究

在對(duì)化工企業(yè)的低溫余熱源進(jìn)行研究的過(guò)程中，為了有效保證數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須采用科學(xué)有效的分析方法，最為常用的是利用均衡法和熱平衡法進(jìn)行測(cè)量[2]。在利用均衡法對(duì)化工企業(yè)余熱源進(jìn)行熱力學(xué)測(cè)量的過(guò)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(duì)余熱源熱泵進(jìn)行系統(tǒng)性的節(jié)能效果診斷，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中不同設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)與考量，進(jìn)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(chǎng)所主要是在余熱源中，而熱量的輸出場(chǎng)所主要是在供暖系統(tǒng)中，為了更加高效率地開(kāi)發(fā)和利用化工反應(yīng)余熱源，還要對(duì)不同種類(lèi)的熱量交換通道加以完善，并利用均衡法計(jì)量系統(tǒng)中各個(gè)熱量交換口的余熱轉(zhuǎn)換效率，從而為余熱源熱泵系統(tǒng)性能的進(jìn)一步完善提供有效的數(shù)據(jù)參考。熱力學(xué)分析方法中的熱平衡法是在牛頓熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)上提出的，與余熱源熱泵系統(tǒng)的均衡法計(jì)量方式不同，利用熱平衡法進(jìn)行熱力學(xué)分析時(shí)，主要采用的是熱泵系統(tǒng)中的能量守恒關(guān)系，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的守恒推斷系統(tǒng)的余熱源開(kāi)發(fā)效率，但這一方法在應(yīng)用中僅強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)中能量的守恒，而忽略了能量交換過(guò)程中余熱資源回收所造成的能量貶值和能量品質(zhì)的變化。因此，隨著化工企業(yè)對(duì)余熱源開(kāi)發(fā)利用的深化，這一熱力學(xué)計(jì)量方法的應(yīng)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(yīng)用技術(shù)中，為了進(jìn)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(chǎn)中能量的平衡。在對(duì)余熱源熱泵進(jìn)行能量平衡分析的過(guò)程中，其性能的主要考量指標(biāo)是制熱系數(shù)φ。熱泵制熱系數(shù)是指熱用戶(hù)所得熱量和熱泵運(yùn)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(jī)運(yùn)行消耗功率，而QH 則表示熱泵向熱用戶(hù)輸送的熱能。在化工生產(chǎn)中，由于熱泵中不同反應(yīng)室的蒸汽和工質(zhì)溫度不同，為了實(shí)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(jī)和熱用戶(hù)中，通過(guò)降低熱泵熱量損耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhuǎn)換的同時(shí)，必然伴隨能量的損失，因此，為了更加有效地實(shí)現(xiàn)熱泵對(duì)能量的平衡調(diào)節(jié)，就要嚴(yán)格控制熱泵的電能消耗，通過(guò)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(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)化工企業(yè)余熱源的高效開(kāi)發(fā)與利用。

3 化工低溫余熱源熱泵應(yīng)用探究

隨著化工企業(yè)中熱泵對(duì)余熱源開(kāi)發(fā)利用效率的提高，工業(yè)中的干燥，蒸餾等多項(xiàng)工藝領(lǐng)域也開(kāi)始引入該技術(shù)，并以此提高余熱利用效率，促進(jìn)企業(yè)的盈利與發(fā)展。低溫余熱源熱泵在化工干燥的應(yīng)用中，為了有效避免熱泵排氣造成濕熱源的廢棄，應(yīng)在濕熱源處設(shè)立循環(huán)排氣系統(tǒng)，并利用熱泵技術(shù)將冷凝器中的空氣帶入干燥器，并對(duì)化工物料進(jìn)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(fēng)機(jī)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(jìn)入下一循環(huán)，這不僅使得化工企業(yè)的物料質(zhì)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(yīng)用過(guò)程中，能夠?qū)λ敵鰜?lái)的化工蒸汽直接進(jìn)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(jìn)行沸騰處理。在蒸餾系統(tǒng)中蒸汽冷凝的過(guò)程中，熱泵將冷凝放出的低溫?zé)徇M(jìn)行收集并用于物料的化工反應(yīng)的加熱，這使得化工蒸餾過(guò)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(chǎn)的成本投入。

4 結(jié)論

在化工企業(yè)中低溫余熱資源的開(kāi)發(fā)與利用中，熱泵技術(shù)直接決定著余熱源的開(kāi)發(fā)效率，因此，為了進(jìn)一步提高化工企業(yè)的余熱資源利用效率，就要針對(duì)熱泵工作環(huán)境的溫差進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)，通過(guò)降低溫差以提高熱泵的工作效率，這對(duì)于化工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升也有著重要意義。

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

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