一种可用于化工冷却用途的低温蓄冷方法的可行性研究

肖 鹏

(浙江美阳国际工程设计有限公司,杭州200233)

1 项目提出的背景

随着我国经济的快速发展,电力需求激增,电力负荷的峰谷差也进一步拉大,为满足高峰时的用电负荷,国家不得不增设新电厂。但是这并不符合经济原则,因为在用电低谷的时间里很多的发电设备是闲置的。

为鼓励企业和居民多用谷电,少用峰电,国家出台了峰谷电分时电价等倾向性政策,目前峰谷电价差最大的地区是上海市,其峰谷电价比已达到5∶1。蓄冷技术能够转移电力高峰电量,平衡电网峰谷差,因此,发展蓄冷技术是符合国家的产业政策的。

化工行业在许多生产工段需要低温条件,其温度范围大多集中在-35～0℃之间。因此绝大多数化工厂都设有冷冻站,用以提供工艺生产需要的冷量,工艺冷冻在化工行业中的应用是非常广泛的。然而,笔者在对多个化工厂的冷冻站进行调研后发现,冷冻站的运行电费惊人,往往不到一年的运行电费就比购置冷冻设备的投资还要多。冷冻站是化工厂的用电大户,如何能节约运行电费就成为企业非常想解决的问题。

企业也采取了一些解决上述问题的办法,如加大盐水槽容积以增加蓄冷量,尽量在夜间谷电时开足制冷机,尽量减少白天峰电时的开机时间,利用峰谷电价差来节约电费。但是这些只利用盐水的显热蓄冷的办法,其效果非常有限,冷冻站运行电费巨大的问题依然没有解决。如果能研究出可应用于化工大生产的蓄冷装置,既能为企业节约大量的生产成本,又能产生良好的社会效益,市场前景将非常广阔。

2 两项关键技术

2.1 二元共晶系的凝固特点

二元共晶系的相图可用图1来表示。

图1 二元共晶系相图

图1为典型的二元共晶系相图。α、β分别代表组元A、B的固相。根据凝固点降低定律,纯A的凝固点在C,由于加入溶质B,A的凝固点沿CE线随B成分的增加逐渐下降直到E。同样,B的凝固点也沿DE下降直至E。在E点,两组元同时结晶下来,形成具有确定组分的A和B的固态低共熔混合物,E点因此被称为共晶点。CE和ME线之间为固相A与液相平衡共存的两相区,DE和NE线之间为固相B与液相平衡共存的两相区。E点为2条液相线与固相线的交点,它是液相能够存在的最低温度,E点具有固定不变的温度与组分,以共晶点E比例混合的相变介质性能稳定,且与纯物质的相变性能一样,具有确定的单一溶点和融解热。

用于-35～0℃这样的温度范围,利用二元共晶系的凝固特点,可以采用水-盐溶液的二元共晶系作为蓄冰介质。此时,C点为纯水的凝固点,对应的温度为0℃,D点为盐的凝固点。CE线成为析冰线,ED为析盐线,E为共晶点。

换言之,纯水的凝固点是0℃,盐水溶液具有低于0℃的凝固点,不同浓度的盐水溶液的凝固点是不同的。小浓度的盐水溶液其凝固过程是先析出淡水冰,析冰的过程中,溶液的浓度逐渐变大,凝固点也逐渐降低,直到浓度增大到共晶浓度时,才在共晶温度下全部凝成固体;大浓度的盐水溶液其凝固过程是先析出盐,析盐的过程中,溶液的浓度逐渐变小,凝固点也逐渐降低,直到浓度减小到共晶浓度时,才在共晶温度下全部凝成固体。

利用上述特性,对于实际工程中需要的特定温度,从理论上说都可以找到某种盐类,它的水溶液共晶温度与此特定温度相同或接近。在工程应用中只需要配制出与此盐类水溶液的共晶温度对应的浓度,就可以实现在共晶温度下的相变,从而实现在此温度下的蓄冷和放冷。例如配制22.4%的氯化钠水溶液,-21.2℃就是22.4%的氯化钠水溶液的冰点,就可以使其在-21.2℃时稳定结冰和熔化;配制19.5%的氯化钾水溶液,-10.7℃就是19.5%的氯化钾水溶液的冰点,就可以使其在-10.7℃时稳定结冰和熔化。

2.2 开式动态制冰技术

空调供冷系统多为盘管换热,因此水系统宜采用闭式系统。而化工行业用冷多用于反应釜,为夹套换热,无法密闭,因此其水系统只能采用开式系统。用冷端采用开式系统的方式,就使得传统的用于空调制冰的盘管或冰球设备都不是很合适了,而现在食品及染料行业中得到广泛应用的板冰机却很适合这一系统。在板冰机制冰系统中,共晶盐溶液既作为蓄冷介质,又作为供冷介质,中间无需再有其他载冷介质。换热过程的减少对于系统能效比的提高是有利的,而且冰与盐水直接接触,消除了传热温差,传热效率得以提高。

3 项目的实施方案

3.1 实施方案简述

针对不同的工程应用温度,选用合适的盐类水溶液,使其共晶温度与工程应用温度相同或相近,将此盐类水溶液按共晶浓度进行配制,配制好的盐类水溶液作为载冷剂,兼作蓄冰介质。采用板冰机作为制冰设备,板冰机置于蓄冰槽上方,板冰机选取的蒸发温度以共晶温度为基础,考虑合适的传热温差(传热温差一般取8℃),制取的冰从蒸发板片上脱落后,落入蓄冰槽,储存在蓄冰槽中。采用高温制冷剂热气脱冰技术可以方便、自动地实现制冰和脱冰工况的转换。采用独立的制冰流程,独立的外供低温盐水流程,使得制冰和供冷可完全独立地进行也可同时进行,根据实际生产情况可灵活调度。

3.2 实施方案说明

冷冻盐水循环泵从蓄冰槽下部吸取盐水溶液,输送至喷淋装置,将其喷洒在板冰机的蒸发板片上,此时板冰机为制冰工况,即将节流后的低温液态制冷剂引入蒸发板片,设定板冰机的蒸发温度比共晶温度低6～10℃,能实现在共晶温度下制冰;冰层附着在板冰机上,厚度逐渐增加,至8～10mm时,将板冰机的工况变为脱冰工况,即将压缩冷凝装置的高温气态制冷剂引入蒸发板片,蒸发板片受热,附着在上面的冰从蒸发板片上脱落下来,落入蓄冰槽内,浮于蓄冰槽的上部;上述即为完整的制冰、脱冰过程,重复以上过程就可实现连续的制冰、脱冰。

图2 方案系统原理图

冷冻盐水外送泵从蓄冰槽下部吸取盐水溶液,将其输送至工艺用冷岗位,换热后温度升高的盐水溶液可直接回至蓄冰槽或接至喷淋装置经过蒸发板片后再回至蓄冰槽。如果直接回至蓄冰槽,则盐水溶液喷洒在浮于蓄冰槽上方的冰上,较高温度的盐水与冰直接接触,使冰融化,融冰的过程同时实现冷量的释放。在用冷高峰时,则可以使盐水回水先至喷淋装置,经过蒸发板片冷却后再回至蓄冰槽,此时可调高板冰机的蒸发温度,使蒸发板片仅起冷却作用,而不产生制冰效果。蓄冰槽中一直处于冰水混合物的状态,这样就可以保证供冷介质的温度与盐水溶液的共晶温度是基本相等的。对外供冷的过程和制冰的过程是独立的,可以实现制冰,供冷,以及制冰和供冷同时进行等运行方式,根据实际生产情况可灵活调度。

方案系统原理图见图2。

4 采用板冰蓄冷方案的经济效益分析

现以浙江省台州市某化工厂-20℃冷冻站为例,对采用板冰蓄冷方案与常规制冷方案的经济性进行比较。

(1)设计条件如下:

1)峰值负荷420kW。

2)各时段负荷率不同,见表1“负荷率”项。

3)浙江省台州市实行三段分时电价政策,高峰时段的电价是低谷时段电价的3倍,平峰时段的电价是低谷时段电价的2.17倍,具体分时电价为:8时～11时,电价0.841元 (平峰);11时～13时,电价1.05元 (高峰);13时～18时,电价0.841元(平峰);18时 ～22时,电价1.05元 (高峰);22时～8时,电价0.388元 (低谷)。见表1“电费单价”项。

(2)常规冷冻方案为:选择氯化钙溶液作为载冷剂,浓度为30%;选择两台螺杆式低温盐水机组,总制冷量430kW(蒸发温度-25℃,冷凝温度35℃,耗电量112.2kW);配备相应的盐水循环泵,盐水外送泵;采用有效容积为75m3的盐水槽一只。

(3)板冰式蓄冷的方案为:选择氯化镁溶液作为载冷剂,其共晶温度为-19.4℃,共晶浓度为25%;选择一台板冰机,制冷量400kW(蒸发温度-28℃,冷凝温度35℃,耗电量112kW);配备相应的盐水循环泵,盐水外送泵;经计算,需要的最大蓄冰容积为60m3,采用有效容积为75m3的蓄冰槽一只。

(4)两个方案的盐水循环泵和盐水外送泵的用电量相等,在比较时略去,两方案的电费差异分析如下:

常规冷冻方案每天电费:3486.039元

常规冷冻方案每年电费:1272404元

常规冷冻方案造价:74万元

板冰蓄冷方案每天电费:2307.81元

板冰蓄冷方案每年电费:842350元

板冰蓄冷方案造价:170万元

每年电费节省:1272404-842350=430054元

两方案造价差异:170-74=96万元

静态回收期:96/43=2.24年

方案比选表见表1。

(5)采用板冰蓄冷方案每年可节省运行电费约43万元,增加投资的静态回收期为2.24年,本方案经济性是比较好的,明显优于一般的空调冰蓄冷项目5～6年的投资回收期。分析本项目经济性优于一般的空调冰蓄冷的原因在于:

表1 方案比选

1)使用时间长。工艺用冷全年12个月都需要使用,而空调的使用期一般是3～5个月,使用时间的变长,使得用年为计算单位的投资回收期变得很有优势。

2)载冷剂兼作蓄冰介质,系统比一般的空调冰蓄冷项目有所简化,造价就会有所下降,从而缩短了投资回收期。

3)冰,水直接接触,换热效率比间接换热有所提高,系统能效比有所提高。

5 用户适应性分析

5.1 化工企业用冷的一些特点

(1)企业的用冷负荷是波动的,不同时段的冷负荷都是变化的,可以用小时负荷图形来表示。

(2)末端的用冷设备一般是反应釜,换热方式一般是夹套换热,因此供冷方式只能采用开式系统的方式。

(3)末端的换热温差是不稳定的,因此夹套回水的温度是波动很大的,而这对于提供稳定的供水温度都是不利的。企业往往通过加大盐水槽容积,增加缓冲能力来减小回水温度的变化的影响。

(4)企业往往在夜间利用盐水槽进行蓄冷,其方法是,将盐水槽的温度尽量降低,用温差进行蓄冷。在调研中发现,有的盐水槽在一天之内的温度变化范围在-20～-4℃。夜间负荷低时,盐水槽温度在-20℃,白天用冷高峰时,盐水槽温度只有-4℃。温度过低,对于制冷机的效率有很大影响,温度过高,对于工艺冷却速度又有很大影响,如此大的温度波动对于生产和节能都是不利的。

5.2 采用板冰蓄冷方案的适应性分析

(1)企业的用冷负荷是波动的,如果按常规冷冻系统设计,制冷机应按最大负荷选型。而采用本技术可有移峰填谷的效果,制冷机的选型可减小。与制冷机对应的水泵等附属设备也可减小。

(2)板冰式蓄冷很适合开式系统的方式,可直接供冷,载冷剂可兼作蓄冷介质,无需其他中间环节,系统也非常简化。

(3)板冰式蓄冷的冰和盐水直接接触,换热效率高,放冷速度快,可很好地解决回水温度波动影响盐水供水温度的问题。

(4)水的比热只是其潜热的八十分之一,用温差蓄冷既增加了制冷机的耗电量,又不能获得很好的蓄冷效果。如果改用板冰式蓄冷,既能真正起到蓄冷的作用,又可减小盐水槽的温度波动。温度波动的减小对于工艺反应速度的控制是非常有利的。

6 板冰式蓄冷方案的社会效益分析

尽管国家近年来大力进行电力建设,但电力的增长仍然满足不了每年用电量增长的要求,全国缺电的局面仍未得到根本的改变。而同时电力系统峰谷差却在增加,电网负荷率明显下降,峰电不足,谷电有余。将峰时用电转移到谷时用电是国家鼓励的发展方向。本项目正是从电力用户着手,参与电力调峰,平衡电网,充分利用谷期电力,将部分峰期电力需求转移到谷期,削减供电量,减少电力建设投资,保护大气环境。对缓解高峰电力压力,提高能源使用效率和保护环境都将有巨大的社会效益。

7 本项目的评价结论

综上所述,利用盐水溶液的共晶温度,采用板冰机制冰用于化工冷却的方法,在技术上是可行的。按此方案实施的项目,在初投资上虽有所增加,但是增加的投资用2年左右时间可以就收回,并且每年可以节约大约三分之一的运行电费,因此经济效益是非常显著的。本项目能实现工业用电的移峰填谷效果,提高能源的利用效率,平衡电网峰谷负荷,减缓电厂和输变电设施的建设,这些都是符合国家倡导的节能减排的总体目标的。

因此本项目是一项技术可行,经济效益显著,社会效益良好的项目。

[1] 李兴仁,童明伟,吴碧容.共晶盐低温蓄冷材料的实验.重庆大学学报,2004,27(8):113-115

[2] 郑丹星武向红.低温蓄冷用共晶盐的综合特性评价.低温工程,2002,(1):37-44