化工企业低温余热源热泵节能技术

朱 琳，李桂保

（亿利化学工业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 014300）

在化工企业的生产中，化工原料在反应的同时会产生大量的低温余热，为了避免化工企业余热资源的浪费，化工企业采用热泵技术将余热资源回收并利用。在近几十年的化工工业发展中，低温余热源热泵技术虽然在中国得到了一定程度的普及，但由于多数化工企业的余热通常被直接废弃处理，低温余热源热泵技术的发展受到了限制。在对化工企业的低温余热源热泵节能技术进行研究的过程中，为了进一步提高方案的切实性，以企业的余热源处理技术为基础，通过对不同化工企业的余热源能量进行调研与研究，对比不同类型余热源热泵系统中项目的能量输入和能量支出，并在数据基础上更为合理地分配余热回收系统的装机容量，使不同类型化工企业的余热源得到科学的分配与管理。

1 化工企业低温余热源热泵技术概述

1.1 低温余热源热泵工作原理

与水泵的工作原理相类似，低温余热源热泵技术是将化工作业中的剩余热量传递到高温处，从而使得化工设备中的热量进一步增加，以满足化工生产中的高温需求，在这一热量提升的过程中，余热源热泵装置起到了重要作用。不仅通过收集利用化工设备周边的余热避免了能量的浪费，也有效促进了化工作业中高温反应的实现。由于在热泵的实际工作中驱动力的不同，在不同的化工反应中所采用的余热吸收装置也存在差异[1]。在处理工质蒸汽热源的过程中，为了实现对工质蒸汽中高质热能的有效回收，通常选用吸收式热泵见图1，该热泵的设备构成主要包括吸收器、蒸发器、冷凝器和溶液换热器等装置。通电后，化工产生的水蒸气被吸收器中的浓工质吸收，浓工质在与水蒸气结合的同时，放出热量，这些热量又被蒸发器吸收，蒸发器中的水分在吸热后变为水蒸气，并与稀工质溶液结合。稀工质溶液与浓工质溶液共同流入发生器，在化工反应余热源的作用下，稀工质溶液被蒸浓，同时，从稀工质中蒸浓出的水分又会进入冷凝器中，在热泵的作用下，冷凝器中的凝液与浓工质共同被送回吸收器和蒸发器，从而进行下一周期的循环。

图1 吸收式热泵工作原理图

化工低温余热源热泵中较为常见的还有压缩式热泵（如图2），在这一热泵的运行过程中，首先要通过消耗电能对蒸发器中的蒸汽进行压缩，从而提高工质的压力和温度。当蒸发器中的温度高于热用户时，就将蒸汽通入冷凝器中为热用户供热，直至工质温度低于余热源温度，这时再利用热泵将冷却的蒸汽压缩，并进行下一周期的供热循环。

图2 压缩式热泵工作原理图

1.2 低温余热源热泵分类

化工企业的低温余热源热泵类型主要包括热量获得型热泵和温度提高型热泵。热量获得型热泵是利用热泵将化工反应产生的余热传递给高温热源，而温度提高型热泵则是通过电能做功，提高低温余热的温度，从而使得低温余热在加热后能够重新应用于化工生产。在化工企业的低温预热源热泵的实际应用中，热泵的分类还可以根据热泵的工作原理以及循环方式进行划分，划分依据的不同，也使得化工企业热泵的分类出现差异。

2 余热源热泵的热力学分析

2.1 热力学分析方法探究

在对化工企业的低温余热源进行研究的过程中，为了有效保证数据测量的准确性，必须采用科学有效的分析方法，最为常用的是利用均衡法和热平衡法进行测量[2]。在利用均衡法对化工企业余热源进行热力学测量的过程中，为了有效保证余热源系统的热量利用效率，还要针对余热源热泵进行系统性的节能效果诊断，通过对系统中不同设备进行检测与考量，进一步完善化工企业的余热源热泵系统。由于化工企业中的余热收集场所主要是在余热源中，而热量的输出场所主要是在供暖系统中，为了更加高效率地开发和利用化工反应余热源，还要对不同种类的热量交换通道加以完善，并利用均衡法计量系统中各个热量交换口的余热转换效率，从而为余热源热泵系统性能的进一步完善提供有效的数据参考。热力学分析方法中的热平衡法是在牛顿热力学第一定律的基础上提出的，与余热源热泵系统的均衡法计量方式不同，利用热平衡法进行热力学分析时，主要采用的是热泵系统中的能量守恒关系，通过对系统能量转换过程的守恒推断系统的余热源开发效率，但这一方法在应用中仅强调了系统中能量的守恒，而忽略了能量交换过程中余热资源回收所造成的能量贬值和能量品质的变化。因此，随着化工企业对余热源开发利用的深化，这一热力学计量方法的应用也在逐渐减少。

2.2 化工企业余热源热泵能量平衡分析

在化工企业的余热源热泵应用技术中，为了进一步提高热泵的制热效率，必须消耗一定的电能，从而保证热泵系统在化工生产中能量的平衡。在对余热源热泵进行能量平衡分析的过程中，其性能的主要考量指标是制热系数φ。热泵制热系数是指热用户所得热量和热泵运行所消耗电能的比值，其公式表示为φ=QH/W，其中，W 表示热泵压缩机运行消耗功率，而QH 则表示热泵向热用户输送的热能。在化工生产中，由于热泵中不同反应室的蒸汽和工质温度不同，为了实现系统与环境之间能量的平衡，就必须利用热泵做功，使得外部热源的能量能够输送到热压缩机和热用户中，通过降低热泵热量损耗，实现对余热源能量的有效控制。在化工企业的余热源热泵系统中，在能量转换的同时，必然伴随能量的损失，因此，为了更加有效地实现热泵对能量的平衡调节，就要严格控制热泵的电能消耗，通过提高热泵做功的效率而减少余热源能量的损失，从而将更多的热能提供给热用户，实现对化工企业余热源的高效开发与利用。

3 化工低温余热源热泵应用探究

随着化工企业中热泵对余热源开发利用效率的提高，工业中的干燥，蒸馏等多项工艺领域也开始引入该技术，并以此提高余热利用效率，促进企业的盈利与发展。低温余热源热泵在化工干燥的应用中，为了有效避免热泵排气造成湿热源的废弃，应在湿热源处设立循环排气系统，并利用热泵技术将冷凝器中的空气带入干燥器，并对化工物料进行干燥处理和热处理，干空气在吸收了化工物料中的水分之后，被引风机直接吸收并输送到蒸发器中；而湿空气在冷凝处理后变为干空气并进入下一循环，这不仅使得化工企业的物料质量得到了提高，也极大地节约了化工热能。热泵在化工蒸馏的应用过程中，能够对塔顶出来的化工蒸汽直接进行压缩处理，压缩后的蒸汽温度得以提高，再将其注入塔底进行沸腾处理。在蒸馏系统中蒸汽冷凝的过程中，热泵将冷凝放出的低温热进行收集并用于物料的化工反应的加热，这使得化工蒸馏过程的效率得到了极大的提高，也在一定程度上节省了化工生产的成本投入。

4 结论

在化工企业中低温余热资源的开发与利用中，热泵技术直接决定着余热源的开发效率，因此，为了进一步提高化工企业的余热资源利用效率，就要针对热泵工作环境的温差进行控制与调节，通过降低温差以提高热泵的工作效率，这对于化工企业经济效益的提升也有着重要意义。

［1］李 阳.化工企业节能原理与技术.西安：西安交通大学出版社，2013：21.

［2］彭 琪.低温废热高校回收系统及其评价.热能动力工程，2012（12）：20－35.