热泵技术回收工业低温余热的探讨

文 / 尚建程 赵文喜 张建军 天津市环境保护科学研究院

面对我国日益严峻的能源和环境问题，如何提高我国工业的综合能源利用效率并降低环境污染，已成为当前亟待解决的关键问题之一。

工业中的高品质余热资源可以通过余热锅炉发电等形式进行回收；而类似于循环冷却水或低温蒸汽凝液等工业低温余热资源，因其温度低而无法直接送回生产工艺过程中，一般难以利用，多通过冷却塔与空气进行换热而排放掉这部分热能。因此，如何利用低位热源成为新的课题，而热泵技术在此课题中占有重要的地位。

热泵技术是回收和利用低位热能的有效手段之一。随着热泵及其各种驱动装置的研制和热泵系统的试验研究工作的开展，热泵技术将在我国得到日益广泛的应用，在节能工作中发挥其应有的作用。

1 工业余热资源及利用

我国工业余热资源丰富，特别是在钢铁、有色、化工、水泥、建材、石油与石化、轻工、煤炭等行业，余热资源约占其燃料消耗总量的17%～67%，可回收率达60%。目前，我国余热资源利用比例低，大型钢铁企业余热资源利用率约为30%～50%，其他行业更低，余热利用提升潜力大。

工业余热资源从其来源可分为高温烟气余热；冷却介质余热；废水、废气余热；化学反应余热；可燃废气、废液和废料余热；高温产品和炉渣的余热六类，其中，高温烟气余热和冷却介质余热占比最高，分别达到余热总资源的50%和20%左右，是余热回收利用的主要来源。

高温烟气余热、化学反应余热、可燃废气/废液和废料余热等，通常温度较高，可直接用于余热锅炉产生蒸汽或发电，是目前工业余热利用的主要方式；高温产品和炉渣余热，可通过与原料进行换热以提升燃料预热温度的方式进行利用；而对于工业冷却介质余热、废水废气余热（低品位的蒸汽和凝结水余热），温度一般较低，如循环冷却水温度一般不超过30℃，回收利用相对困难。

2 热泵技术

热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的装置，目前主要分为压缩式和吸收式两类。

2.1 压缩式热泵

压缩式热泵由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流装置及水源、热水侧管路等部分组成。机械压缩式热泵系统的工作过程如下：低佛点工质流经蒸发器时蒸发成蒸汽，此时从低温位处吸收热量，来自蒸发器的低温低压蒸汽，经过压缩机压缩后升温升压，达到所需温度和压力的蒸汽流经冷凝器，在冷凝器中，将从蒸发器中吸取的热量和压缩机耗功所相当的那部分热量排出。放出的热量就传递给高温热源，使其温位提高。蒸汽冷凝降温后变成液相，流经节流阀膨胀后，压力继续下降，低压液相工质流入蒸发器，由于沸点低，因而很容易从周围环境吸收热量而再蒸发，又形成低温低压蒸汽，依此不断地进行重复循环。

2.2 吸收式热泵

吸收式热泵是利用工质的吸收循环实现热泵功能的一类装置，它采用热能直接驱动，而不是依靠电能、机械能等其他资源。目前常用的溴化锂吸收式热泵包括两类：第一类溴化锂吸收式热泵机组是一种以高温热源（蒸汽、高温热水、燃油、燃气）为驱动热源，溴化锂溶液为吸收剂，水为制冷剂，回收利用低温热源（如废热水）的热能，制取所需要的工艺或采暖用高温热媒，实现从低温向高温输送热能的设备；第二类溴化锂吸收式热泵机组也是一种回收利用低温热源（如废热水）的热能，制取所需的工艺或采暖用高温热媒，实现从低温向高温输送热能的设备，它以低温热源为驱动热源，在采用低温冷却水的条件下，制取比低温热源温度高的热媒。它与第一类溴化锂吸收式热泵机组的区别在于，它不需要更高温度的热源来驱动，但需要较低温度的冷却水。

此外，在提高效率、寻找新型制冷剂、开发新的制冷循环等方面，目前已涌现出许多新的研究成果，例如吸收压缩式循环（ACHP）系统。与常见的压缩式系统不同，ACHP 系统由于引入了高沸点的工质，使得溶液性质有了很大变化。吸收和发生过程压力变化较小，但温度却随着溶液成分的变化有着较为显著的变化，因此能满足大范围热源温度的需要。ACHP 具有容积排量小、吸收器压力低、能效比（COP）高、可提升温差大、可利用的余热温度低等优点。尽管ACHP的优点被很多学者认可，但是到目前为止基本上没有商业化的产品出现，大多数装置都局限于实验。

3 循环水余热利用工程案例

天津市某工业区内拥有发电、机械、化工等诸多大型工业企业，工业余热资源丰富，根据调研，该工业区内某化工厂循环冷却水循环流量较稳定，为1.5万m3/h，冬季最低水温为25℃。同时，该工业区周边建设有综合配套服务区，主要包括住宅区、厂房区和公建区，供热总建筑面积440万m2。为解决配套服务区建筑供热问题，工业区以该化工厂的工业循环冷却水作为低位热源，采用溴化锂吸收式热泵机组，将低位热能转变成高位热能，实现余热利用的同时，减少污染物的排放。

3.1 建筑供热负荷估算

根据综合配套服务区各建筑功能单元的建筑面积及热指标，估算建筑采暖热负荷详见表1。

表1 拟供热建筑技术指标

综合配套服务区建筑总建筑面积约440万m2，设计总热负荷约245MW。

3.2 供热方式及供回水温度

根据目前规划，三种供热功能区的末端形式及供回水温度见表2。

表2 各功能建筑末端形式及供回水温度

3.3 方案设计

集中供热站采用溴化锂吸收式热泵机组，通过天然气作为驱动能源，将来自化工厂循环冷却水中的低位热能转换成较高位热能，通过供热管网将热量与综合配套服务区的末端换热站进行换热后用于冬季供热。本工程设计供水温度75℃，设计回水温度38.8℃，系统流程见图1。

图1 溴化锂吸收式热泵系统流程示意图

3.4 环境影响及经济性分析

该项目工程投资包括站房土建、管网、吸收式热泵机组资、水源热泵机组、附属设备及安装投资等，总投资费用为42623万元；年运行能源费用主要为天然气费、电费，为8419.8万元；年收入37215万元；所得税后回收期为4.92年，借款偿还期为3年，具有良好的经济效益。

该项目集中供热系统是一种利用可再生能源的供热系统，相对传统供热系统，不仅减少了燃煤的消耗，而且减少了污染物的排放，是一种节能环保的供热系统。工程天然气年消耗量为5184万m3，折标煤6.3万t，可从循环水中获得热量约6.4万t（吸收式热泵机组在设计工况下的平均COP值为2.01）。若采用直接燃煤的245MW燃煤锅炉，年约消耗煤炭15.12万t，全年折标准煤10.8万t。

因此，与直接燃煤供热相比，本工程采用燃气溴化锂吸收式热泵机组，每年可节约标准煤4.5万t，相当于减排CO211.7万t、SO21080t、NOx 315t。（按每燃烧一吨标煤排放CO2约2.6t，SO2约24kg，NOx约7kg）。

目前，该工业区一期内进驻企业的循环冷却水规模共计约5.6万t/h，若全部采用水源热泵技术回收工业循环水余热，将产生更大的经济效益和环境效益，因此可作为示范工程进行推广。

综上分析，工业低温余热资源的资源量较大，可通过热泵技术进行回收利用，生产较高品质热源，用于建筑物的冬季采暖。

4 结论

工业冷却循环水水源热泵集中供热系统的利用，回收了工业冷却循环水的余热资源，扩大了工业冷却循环水用途，同时可减少由于厂区内冷却塔散热产生的大量水蒸汽造成的污染。