升溫型吸收式熱泵在紙機(jī)干燥部的應(yīng)用探討

湯偉 易兆祥

摘要： 為解決紙機(jī)干燥部冷凝水系統(tǒng)末段存在冷凝水排出溫度較高、噸紙蒸汽消耗大等問(wèn)題，本課題提出應(yīng)用升溫型吸收式熱泵（adsorption heat transformer， AHT）作為冷凝水系統(tǒng)余熱回收設(shè)備。該設(shè)備可利用中間品位的余熱與低溫?zé)嵩吹臒釀?shì)差作為驅(qū)動(dòng)，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(jī)干燥部蒸汽冷凝水系統(tǒng)熱力系統(tǒng)現(xiàn)狀及升溫型吸收式熱泵工作原理的基礎(chǔ)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(tǒng)流程。通過(guò)LabVIEW仿真計(jì)算結(jié)果表明，應(yīng)用升溫型吸收式熱泵的紙機(jī)干燥部蒸汽冷凝水系統(tǒng)具有更好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：紙機(jī)干燥部;升溫型吸收式熱泵;余熱回收;仿真計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TS737? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yè)中，超過(guò)65%的能量在干燥部被消耗[1]，因此干燥部余熱回收、節(jié)能降耗是降低造紙生產(chǎn)成本的重要手段。當(dāng)前，在紙機(jī)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(jiǎn)稱(chēng)傳統(tǒng)熱泵）來(lái)提高二次蒸汽品位，提高能源利用率。由于傳統(tǒng)熱泵利用高壓蒸汽（一般1 MPa以上）為動(dòng)力源來(lái)引射二次蒸汽[2-3]，從而達(dá)到能量二次利用的目的。因此傳統(tǒng)熱泵要求蒸汽源的壓力品位較高，對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)的功能園區(qū)，這一點(diǎn)難以滿(mǎn)足（一般進(jìn)造紙車(chē)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(dòng)力，利用溶液的吸收特性來(lái)實(shí)現(xiàn)將能量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩幢盟偷臒岜脵C(jī)組[4]。工業(yè)生產(chǎn)中，該設(shè)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(chǎng)合[5]，具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的雙重作用。本文分析紙機(jī)干燥部目前能耗形式和升溫型吸收式熱泵工作原理，設(shè)計(jì)了一種用升溫型吸收式熱泵回收紙機(jī)干燥部較高溫冷凝水熱量的節(jié)能系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)紙機(jī)干燥部蒸汽冷凝水系統(tǒng)

當(dāng)前的中高速紙機(jī)一般采用熱泵供汽和多段供汽相結(jié)合的混合供汽系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)在低溫段采用1臺(tái)傳統(tǒng)熱泵，在中溫和高溫段采用多段供汽方式。原因是傳統(tǒng)熱泵對(duì)二次蒸汽品位的提升是一個(gè)不可逆過(guò)程，該過(guò)程造成不必要的?損失[7]，故在中溫段和高溫段仍采用傳統(tǒng)的多段式供汽，熱力流程示意圖如圖1所示。

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

通過(guò)傳統(tǒng)熱泵與閃蒸罐的共同作用實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的干燥部冷凝水余熱回收，通過(guò)閃蒸罐對(duì)高溫冷凝水梯級(jí)降壓閃蒸，通過(guò)傳統(tǒng)熱泵對(duì)二次蒸汽提高品位再利用。在閃蒸罐的工作效率滿(mǎn)足工作條件的情況下，最后一個(gè)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(tǒng)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(diǎn)：一是為了符合適合紙張的干燥曲線，低溫段烘缸內(nèi)蒸汽壓力是一定的。通常設(shè)計(jì)其對(duì)應(yīng)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(jī)車(chē)速提高，低溫段烘缸內(nèi)蒸汽壓力也相應(yīng)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(jìn)出口壓差一般設(shè)計(jì)較小（10～40 kPa）。因?yàn)榈蜏囟魏娓變?nèi)蒸汽壓力一定、低溫段烘缸進(jìn)出口壓差設(shè)計(jì)較小，所以低溫段閃蒸罐的閃蒸壓力無(wú)法任意下降，排出冷凝水的溫度也無(wú)法任意下降。在實(shí)際生產(chǎn)中，中高速紙機(jī)流出低溫段閃蒸罐的冷凝水溫度甚至達(dá)100℃以上。

隨著紙機(jī)車(chē)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(shù)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(yuǎn)、冷凝水溫度較高，熱冷凝水運(yùn)輸過(guò)程中熱能損失較大。假若加入保溫手段，同樣由于距離過(guò)長(zhǎng)，保溫管道成本太高。此外前述里現(xiàn)有應(yīng)用傳統(tǒng)熱泵的烘缸蒸汽冷凝水系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)多余的能源通過(guò)較大流量的冷凝水流出、多余的二次蒸汽送去加熱新風(fēng)、甚至排空多余二次蒸汽以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定。

為降低烘缸冷凝水系統(tǒng)中冷凝水排出溫度、提高能源利用率，通過(guò)應(yīng)用新的設(shè)備與技術(shù)，對(duì)蒸汽冷凝水系統(tǒng)末端熱力流程進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)蒸汽冷凝水更深度的余熱回收，是解決上述當(dāng)前紙機(jī)干燥部能源利用存在問(wèn)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(diǎn)的溶液（通常稱(chēng)為工質(zhì)對(duì)）的氣液平衡特性來(lái)實(shí)現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩幢盟偷礁邷責(zé)嵩吹难b置或組合機(jī)組[9]。吸收式熱泵根據(jù)其功能可劃分為兩類(lèi)，第一類(lèi)吸收式熱泵也稱(chēng)為增熱型吸收式熱泵（absorption heat pump，AHP），該類(lèi)熱泵可通過(guò)高品位的驅(qū)動(dòng)熱，把低溫?zé)嵩雌肺惶嵘津?qū)動(dòng)熱以下的中間品位;第二類(lèi)吸收式熱泵也稱(chēng)為升溫型吸收式熱泵（absorption heat transformer，AHT），該類(lèi)熱泵可通過(guò)工業(yè)產(chǎn)生的余熱與低溫?zé)嵩吹臒釀?shì)差，把中間品位的熱源提升到自身品位以上的高品位狀態(tài)[10]。

升溫型吸收式熱泵工作原理如圖2（a）所示。發(fā)生器中，因?yàn)殇寤嚨姆悬c(diǎn)遠(yuǎn)高于水，溴化鋰-水溶液（常用工質(zhì)對(duì)）在中溫?zé)嵩吹募訜嶙饔孟?，溶液中沸點(diǎn)較低的水被部分汽化出來(lái)，稀溶液成為濃溶液。汽化出的冷劑水蒸氣分別進(jìn)入冷凝器與蒸發(fā)器中進(jìn)行冷凝與蒸發(fā)，最后兩次相變?yōu)檎羝M(jìn)入吸收器。在吸收器中，加壓泵送來(lái)的濃溶液吸收水蒸氣變成稀溶液，吸收過(guò)程溫度升高，與外界熱交換放出熱量。產(chǎn)生的稀溶液經(jīng)換熱后回到發(fā)生器再次進(jìn)行循環(huán)[11]。

由于蒸發(fā)器和冷凝器的壓力低于發(fā)生器和吸收器的壓力，且蒸發(fā)器與吸收器的壓力差較大，導(dǎo)致在低壓蒸發(fā)器中蒸發(fā)溫度較低，在吸收器吸收作用過(guò)程中溫度較高。中間余熱的部分能量通過(guò)工質(zhì)對(duì)的物態(tài)、濃度變化傳遞至高溫水中，從而達(dá)到余熱回收的目的[12]。

吸收式熱泵的性能系數(shù)（coefficient of performance，COP）定義為吸收式熱泵系統(tǒng)有用輸出熱量與系統(tǒng)輸入能量的比值，該參數(shù)能一定程度上定量表示節(jié)能程度[13]。如圖2（b）所示，系統(tǒng)的輸入能量包括吸收式熱泵發(fā)生器熱源熱能輸入、吸收式熱泵蒸發(fā)器熱源熱能輸入與溶液泵電能輸入;系統(tǒng)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(jù)能量守恒定律，穩(wěn)定系統(tǒng)輸入能量大小等于系統(tǒng)輸出能量大小，見(jiàn)公式（1）。

根據(jù)公式（1），可得COP的表達(dá)式見(jiàn)公式（2）。

由公式（2）得出升溫型吸收式熱泵的性能系數(shù)<1，表示中間品位的余熱只有部分能夠轉(zhuǎn)移到更高的品位，在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，根據(jù)升溫型吸收式熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、熱源品質(zhì)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(shè)計(jì)

3.1 熱力流程設(shè)計(jì)

為提高紙機(jī)干燥部新鮮蒸汽利用效率，引進(jìn)升溫型吸收式熱泵替代傳統(tǒng)熱泵是一個(gè)有效的方法。傳統(tǒng)熱泵的熱量回收，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一種質(zhì)量的回收，回收的代價(jià)是需要加入更多的高品位能源（新鮮蒸汽），于是也容易導(dǎo)致整個(gè)烘缸冷凝水系統(tǒng)能量的過(guò)剩，需要其他系統(tǒng)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(zhuǎn)移，把中間品位的部分熱量轉(zhuǎn)移到更高品位上去。這個(gè)過(guò)程不需要高品位的驅(qū)動(dòng)，也就不會(huì)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(yīng)用升溫型吸收式熱泵的供汽系統(tǒng)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(shì)差作為驅(qū)動(dòng)能。利用該升溫型吸收式熱泵把中品位余熱部分熱量轉(zhuǎn)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(tǒng)進(jìn)行回收。升溫型吸收式熱泵系統(tǒng)產(chǎn)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(bǔ)充新鮮蒸汽。低溫段的蒸汽基本全部來(lái)源于中溫段閃蒸罐，取消了低溫段閃蒸罐與可調(diào)熱泵。

3.2 可行性論證

為定量計(jì)算出升溫型吸收式熱泵應(yīng)用于紙機(jī)干燥部的節(jié)能效果，筆者利用LabVIEW軟件對(duì)瓦楞紙機(jī)干燥部的冷凝水熱力系統(tǒng)（不加入施膠部）進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真計(jì)算是在分別應(yīng)用升溫型吸收式熱泵與傳統(tǒng)熱泵兩種節(jié)能設(shè)備情況下，根據(jù)紙機(jī)確定的運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備工作機(jī)理和干燥過(guò)程能量守恒計(jì)算出供汽系統(tǒng)中的能耗流量。

紙機(jī)運(yùn)行參數(shù)提供了紙機(jī)干燥部熱力流程計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，表1為瓦楞紙機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)。

設(shè)備工作機(jī)理主要包括閃蒸罐閃蒸機(jī)理、傳統(tǒng)熱泵和升溫型吸收式熱泵熱源品位提升機(jī)理[17]，具體內(nèi)容見(jiàn)表2。

烘缸內(nèi)蒸汽的耗汽量一般通過(guò)紙張干燥過(guò)程能量守恒進(jìn)行計(jì)算，而紙張?jiān)诟稍镞^(guò)程中吸收的能量主要有3個(gè)流向，作用分別為使液態(tài)水汽化、使紙張溫度升高和使未汽化水溫度升高。因此，紙機(jī)干燥部第n段烘缸理論耗熱量（kJ/kg成紙）計(jì)算見(jiàn)公式（3）[18]。

第n段烘缸理論耗汽量（kg/h）計(jì)算見(jiàn)公式（4）。

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)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(nèi)蒸汽平均壓力和各段烘缸耗汽量見(jiàn)表3。

在分別應(yīng)用升溫型吸收式熱泵與傳統(tǒng)熱泵兩種節(jié)能設(shè)備情況下，計(jì)算出供汽系統(tǒng)中主要管道的能耗流量見(jiàn)圖4、圖5。圖4、圖5結(jié)果表明，應(yīng)用升溫型吸收式熱泵回收低溫段烘缸余熱之后，系統(tǒng)遵循蒸汽量不夠再補(bǔ)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(tǒng)熱泵混合供汽系統(tǒng)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(tǒng)的熱力流程中新鮮蒸汽輸入流量為41709.91 kg/h，節(jié)約5.7%的新鮮蒸汽。冷凝水排出溫度降至60℃，整個(gè)烘缸冷凝水系統(tǒng)剩余能量相對(duì)傳統(tǒng)熱泵烘缸冷凝水系統(tǒng)較少。

4 結(jié) 語(yǔ)

本課題設(shè)計(jì)出一種基于升溫型吸收式熱泵的多段供汽系統(tǒng)，并通過(guò)仿真計(jì)算可以得出如下結(jié)論：降低了現(xiàn)有烘缸冷凝水系統(tǒng)冷凝水排出溫度（降至60℃以下），并節(jié)省5.7%的熱能輸入，達(dá)到紙機(jī)干燥部節(jié)能的目的;熱力流程中將升溫型吸收式熱泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱泵進(jìn)行余熱回收，擺脫了傳統(tǒng)熱泵對(duì)驅(qū)動(dòng)能品位要求過(guò)高的依賴(lài)。

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（責(zé)任編輯：黃 舉）