余熱深度制冷技術(shù)的應(yīng)用

李仁軍 葉少春

1.吸收式制冷的行業(yè)發(fā)展

隨著生產(chǎn)發(fā)展和技術(shù)革新，制冷技術(shù)的應(yīng)用已非常廣泛。根據(jù)制冷原理的不同，制冷技術(shù)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(yīng)用最為普遍。

壓縮式制冷的主要優(yōu)點(diǎn)是性能系數(shù)高，部件少，使用方便，因此在除冰箱以外的空氣調(diào)節(jié)、食品速凍、低溫過程等多種領(lǐng)域也都得到了普遍應(yīng)用。壓縮式制冷必須消耗電能或機(jī)械能帶動(dòng)壓縮機(jī)才能使制冷系統(tǒng)正常工作循環(huán)，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(fā)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(jī)組的工作原理早在1842年就已經(jīng)被英國(guó)的物理學(xué)家和化學(xué)家法拉第（Faraday）所應(yīng)用。當(dāng)時(shí)他利用液氨蒸發(fā)產(chǎn)生冷效應(yīng)的原理，使用一個(gè)密閉系統(tǒng)讓氯化銀把氨氣吸收。1850年，法國(guó)工程師凱利愛（Ferdinand P.E.Carre）在巴黎制出了第一臺(tái)氨水吸收式制冷機(jī)組，但由于當(dāng)時(shí)能源價(jià)格低廉的緣故，直到上世紀(jì)三十年代，氨水吸收式制冷機(jī)組才得到復(fù)蘇。

目前，真正被廣泛應(yīng)用的制冷工質(zhì)對(duì)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(shí)，蒸發(fā)溫度不能達(dá)到0°以下，因此以溴化鋰—水為工質(zhì)對(duì)的制冷機(jī)組雖然有著很多優(yōu)點(diǎn)，但它只能局限于產(chǎn)生5℃以上的冷媒水供空調(diào)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(jī)組需求溫度不高，能產(chǎn)生10℃到-60℃的蒸發(fā)溫度，被工業(yè)系統(tǒng)所使用。但由于吸收劑水的沸點(diǎn)與氨的沸點(diǎn)差別不大，因此吸收劑水也會(huì)隨著制冷劑-氨一起蒸發(fā)，大大降低了制冷效果，雖然采取精餾等工序，可是同時(shí)增加了工藝系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及系統(tǒng)的制冷效率。

2.基于TC工質(zhì)的余熱制冷技術(shù)

近幾年來，加拿大卡爾頓大學(xué)新能源技術(shù)研究室將一種新型的多元制冷工質(zhì)應(yīng)用于制冷/熱泵系統(tǒng)中，使整個(gè)系統(tǒng)能夠高效持久的工作。該工質(zhì)的主要成分是氨鹽溶液和催化劑、抗氧劑。

相比于其他熱驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

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

2.系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在發(fā)生過程中只有氨會(huì)蒸發(fā)，溶液工質(zhì)對(duì)其他組成部分不會(huì)蒸發(fā)，因此系統(tǒng)可以避免精餾過程，有效的增加了系統(tǒng)穩(wěn)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(fā)壓力，吸收劑比熱小、溶液黏度小、導(dǎo)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(wěn)定性好，價(jià)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(fā)生器，并利用工作熱源132℃的廢熱對(duì)其進(jìn)行加熱，使溶液中大部分低沸點(diǎn)的氨得以蒸發(fā)。

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

3.液氨經(jīng)節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器中，吸收被冷卻介質(zhì)乙二醇熱量汽化成蒸發(fā)壓力下的氨蒸氣，經(jīng)氣液換熱器復(fù)熱后進(jìn)入吸收器中。

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

5.吸收過程是一個(gè)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(fù)了濃度的溶液又經(jīng)溶液泵升壓后進(jìn)入貧富液熱交換器中與貧溶液換熱后送入發(fā)生器中繼續(xù)循環(huán)。

3.余熱回收型深度制冷中試項(xiàng)目

中鹽安徽紅四方股份有限公司與安徽沃特普爾節(jié)能科技有限公司簽訂了《余熱回收型深度制冷項(xiàng)目中試協(xié)議》。該項(xiàng)目協(xié)議用于中鹽紅四方西區(qū)保險(xiǎn)粉裝置生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可利用的精餾、二氧化硫冷凝液105℃、12m3/h的余熱，設(shè)計(jì)專用機(jī)組，可制備-2℃—5℃溫差，冷凍液30m3/h，制冷量達(dá)137kw，cop為0.6。本臺(tái)樣機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造安裝后，測(cè)試該機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)性能，為后期的推廣應(yīng)用提供實(shí)際數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)雙方簽訂的《余熱回收型深度制冷項(xiàng)目中試協(xié)議》，安徽沃特普爾節(jié)能科技有限公司于2016年9月將余熱制冰設(shè)備運(yùn)送至甲方現(xiàn)場(chǎng)。在雙方的配合下，設(shè)備于2016年11月安裝、調(diào)試完畢，各外部接口對(duì)接完成，達(dá)到預(yù)期工況，項(xiàng)目具備測(cè)試驗(yàn)收條件。

3.1 設(shè)計(jì)工況

序號(hào) 項(xiàng)目 參數(shù)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(yù)期制冷效果：

序號(hào) 項(xiàng)目 參數(shù)1制冷劑 類乙二醇2制冷劑進(jìn)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(jī)組耗電功率 ≤4kW

3.3中式項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)各工況下制冷效果情況

以下結(jié)果根據(jù)原設(shè)計(jì)條件的12噸/小時(shí)熱水量計(jì)算，現(xiàn)在熱水量為17噸/小時(shí)，其他條件不變，冷卻水升溫至29℃時(shí)還可以制取167 KW左右-5℃的冷，33℃時(shí)只能制102 KW冷量。另外，所有計(jì)算都是根據(jù)溶液循環(huán)量不變的情況來做的，增大溶液循環(huán)量可以獲得更大的制冷量。

3.3.1熱源入口溫度為105℃時(shí)，制冷量計(jì)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(shí)，制冷量計(jì)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(gè)溫度（120）℃時(shí)，制冷量計(jì)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(xiàng)目結(jié)果分析

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，本余熱制冰設(shè)備在設(shè)計(jì)工況時(shí)可達(dá)到138kW的制冷量，據(jù)統(tǒng)計(jì)螺桿式制冷機(jī)組制取-5℃低溫時(shí)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(shè)備循環(huán)泵的功率5kW，使用的50T循環(huán)，循環(huán)水風(fēng)機(jī)能耗0.035kW/m3，循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)能耗為50×0.035 kW/m3=1.75kW，循環(huán)水泵能耗約為風(fēng)機(jī)的兩倍，即3.5kW，總的節(jié)能量為：45-5-1.75-3.5=34.75kW，節(jié)能效益可觀。

4.利用蒸汽冷凝液余熱深度制冷技術(shù)應(yīng)用

余熱回收型深度制冷中試項(xiàng)目的順利實(shí)施，驗(yàn)證了安徽沃特普爾節(jié)能科技有限公司余熱制冷技術(shù)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(jié)能科技有限公司進(jìn)行合作，開始設(shè)計(jì)建設(shè)蒸汽冷凝液余熱深度制冷工業(yè)化應(yīng)用裝置，回收乙二醇生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的132℃的高溫蒸汽冷凝液作為熱力驅(qū)動(dòng)，利用新型吸收式制冷系統(tǒng)，制取生產(chǎn)過程中所需的-20.2℃低溫冷源，替代傳統(tǒng)壓縮式制冷系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)約用電的目的。

4.1 具體操作參數(shù)和冷端需求數(shù)據(jù)如下：

序號(hào) 項(xiàng)目 余熱/制冷參數(shù) 備注1系統(tǒng)名稱 高溫冷凝液2余熱產(chǎn)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(zhì)，無腐蝕5余熱溫度（℃） 約132 6余熱壓力（MPa.G） 0.7余熱參數(shù)余熱總量（Ton/h) 正常350最大436 8余熱日運(yùn)行時(shí)間段 24h 9余熱年運(yùn)行時(shí)間(h) 8000 10 利用后余熱介質(zhì)排放溫度（℃） 約109 11 利用后余熱介質(zhì)壓降（KPa） ≤60 12 7載冷劑介質(zhì) ～46.4wt%乙二醇水溶液13 載冷劑進(jìn)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(jìn)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(shí)間段 24h 19 冷量年需求時(shí)間（h） ≥8000制冷參數(shù)

4.2 項(xiàng)目建設(shè)

根據(jù)余熱參數(shù)及冷量需求，安徽沃特普爾節(jié)能科技有限公司設(shè)計(jì)了本套裝置。于2018年完成施工、檢驗(yàn)、試壓、吹掃、調(diào)試，于2019年初開始運(yùn)行，取得了各項(xiàng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)完成了結(jié)果計(jì)算，通過了性能驗(yàn)收試驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

本裝置分為A、B兩套相同的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)單套制冷量為2000KW，兩套同時(shí)運(yùn)行以替代乙二醇裝置制冷工段的螺桿壓縮機(jī)制冷。本裝置設(shè)計(jì)單套系統(tǒng)的外部運(yùn)行參數(shù)如下：

序號(hào) 項(xiàng)目 參數(shù)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(jìn)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(tǒng)COP 0.43

4.3 項(xiàng)目驗(yàn)收

在制冷裝置連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行72小時(shí)后，制冷量能夠達(dá)到生產(chǎn)工藝需求，本項(xiàng)目正式驗(yàn)收，中鹽安徽紅四方股份有限公司與安徽沃特普爾節(jié)能科技有限公司簽訂驗(yàn)收?qǐng)?bào)告。

根據(jù)項(xiàng)目測(cè)試期間的運(yùn)行情況，機(jī)組的制冷量可以達(dá)到設(shè)計(jì)值，完全滿足乙二醇裝置滿負(fù)荷用冷量。

5.發(fā)展與前景

氨水吸收式制冷技術(shù)作為制冷研究領(lǐng)域里的一個(gè)分支，越來越多地受到了研究者們的關(guān)注。作為以熱能為驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)，在當(dāng)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(zhì)的吸收式余熱深度制冷，憑借著其制冷工質(zhì)對(duì)的優(yōu)良特性，擺脫了當(dāng)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(gè)制冷工藝系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化。

中鹽安徽紅四方股份有限公司余熱深度制冷項(xiàng)目的成功運(yùn)行，標(biāo)志著基于TC工質(zhì)的余熱制冷技術(shù)工業(yè)化的順利實(shí)現(xiàn)?；赥C工質(zhì)的吸收式余熱制冷技術(shù)必將成為工業(yè)制冷的主流方向之一。