包装印刷行业的余热回收再利用技术现状及展望

汤川平杨志勇钟云飞

（1.长沙鸿发印务实业有限公司，湖南 长沙410137；2.湖南工业大学，湖南 株洲412007）

全球变暖及其导致的气候变化可以追溯到人类活动、工业生产过程以及由此产生的温室气体排放[1-2]。温室气体排放的主要来源是化石燃料在能源生产中的应用。绿色发展是21世纪人类社会的共同追求，也是新时代中国共产党推动国家发展的重要理念之一。据统计，2021年我国包装印刷企业共有近千余家，在当前“碳达峰、碳中和”的时代背景下，如何深化改革、推动创新、推进绿色印刷、绿色包装的可持续发展，成为包装印刷企业的必经之路。因此，减少温室气体排放的途径之一就是减少化石燃料的消耗。然而，这只有在能量被有效地产生和利用的情况下才是可行的，即具有最小的能量损失并回收能量损失，这部分能量通常是以余热的形式出现的。工业过程中产生的余热热量多，但由于热量较为分散、回收效率低，回收受到限制，这也是能源效率低的原因之一。余热余能回收再循环利用是为了降低能耗、物耗，提高资源利用效率和综合效益，实现生产系统与生活系统之间资源顺畅循环利用，资源节约与循环利用就要从生产工艺和设备上进行改良，最大限度地将资源从生产环节贯穿至生活环节全过程循环利用，使生产系统和生活系统循环链接。对于印刷企业来说，要发展循环经济，致力节能减排资源节约，践行绿色印刷，必须要加强生产过程的余热余能的回收再循环利用。本文主要综述了低温余热回收在发电、制冷及蓄热等不同方面的应用，并对其未来的发展趋势提出了更加全面的认识。

1 低温余热发电

1.1 有机朗肯循环发电

在热力学中，卡诺循环被描述为可能的最有效的热循环，没有热量损失，由4个可逆过程组成，两个等温过程和两个绝热过程。它也被描述为一个可逆热机的膨胀和压缩循环，并没有热量损失。有机朗肯循环(ORC)技术已被证明是一种将热能转化为机械能或电能的解决方案。它已被提出并应用于回收低/中焓热流(如工业废热、内燃机和燃气轮机)和可再生热源(生物质能、太阳能、地热能或海洋能)[3-4]。在循环过程中，低沸点有机物发生吸热汽化，膨胀做功驱动发电机。ORC机组设备主要包含蒸发器、冷凝器、工质泵、透平膨胀机以及发电机等[5]。ORC工作原理如图1所示。蒸发器是ORC系统的重要组成部分，其主要功能是将低温热量传递给工作流体引起相变。与其他广泛使用的发电技术相比，ORC系统具有几个优点。但ORC的转换效率随系统规模的不同而有很大差异：大型尖端工厂的电效率可高达25%，而小规模和微型ORC应用的电效率几乎不超过10%[6]。

图1 ORC原理图

1.2 Kalina循环(KC)

20世纪80年代，Kalina提出了以氨-水为工质的热电效率高的热力动力循环。适用于低、中温热源及小功率需求场合[7]。混合工质在加热过程中氨气挥发，残余液浓度的降低使饱和蒸汽压增大，系统比共沸蒸发更灵活。Kalina循环第一个版本的特点是在分离器之后的第二个冷凝器，在一个中间压力下，允许沸腾混合物的组成有额外的自由度，并允许蒸馏装置在比最大压力更低的压力下操作。卡利纳循环的显著效率优势是通过蒸发器中的集热和冷凝器中的放热的换热过程来实现的。当氨水混合物被加热时，挥发性较强的氨水比纯水更容易先蒸发。随着剩余液体氨浓度的降低，饱和温度上升，提供了一个更好的匹配热气体热源，如燃气轮机排气比纯物质(水/蒸汽)的恒温蒸发。工作流体被分解成不同浓度的流，提供了极大的灵活性，以优化热回收，并允许在比大气压力更大的压力下冷凝。在不同的KC系统中，KCS-11(Kalina Cycle-11)是一种有效利用地热能的方法，得到了许多研究者的肯定。Hettiarachchi et al研究并比较了用于低温地热热源的ORC和KCS-11的性能[8]。他们得出结论，在特定条件下和中等涡轮进口压力下，KCS-11比ORC表现更好。Zare等提出了一种改进的低温地热发电Kalina循环设计，该发电循环设备利用KCS-11的部分余热转化为电能[9]。工业废热的不稳定性导致KC在非设计条件下运行，导致系统性能偏离设计值。而调节KC中氨的质量分数可以提高平均热效率。因此通过该设备可回收工业过程中被浪费的低温余热，促进企业的循环发展。

2 低温余热冷藏

以低温热能为动力的吸收式制冷，实现了无大气污染物的双层制冷和采暖的目的。在目前采用的不同余热回收系统中，吸收式传热是最有意义的节能装置之一，它消耗的一次能源可以忽略不计。这类系统可以将废热温度提升到更高的水平，以便在工业过程中重复使用，避免环境破坏，缓解气候变化。通常，热源提供的热量中有一半可以在一定温度下升级，而其余部分则在较低的温度下排放。此外，吸收式传热不需要很高的维护和运行成本。吸收式制冷系统的性能强烈依赖于工质对的性质。氨-水和水-溴化锂是热传递中常用的工质对。氨气(即毒性、挥发性和可燃性)和溴化锂(即溴化锂在高温或高冷凝下的腐蚀或结晶)的一些不良特性促使许多研究人员致力于研究新的工作对，以提高吸收系统的性能[10,11]。此外，吸收式制冷系统所利用的热源温度的限制和低能源效率，促使研究人员开发吸收式制冷机组的改进配置，包括先进的双效系统配置。

2.1 LiBr吸收式制冷

LiBr制冷可以利用大量的余热回收二次能源，包括发电机、吸收器、冷凝器、蒸发器等部件。通常通过调整吸收器的汽液界面面积来提高吸收器的性能，例如使用通过液体溶液的蒸汽的吸收器和使用细溶液液滴喷雾的吸收器[12]。为了缩小吸收器的体积，Zacarías等对LiBr/水溶液液滴使用全锥形喷嘴[13]。Osta-Omar等在LiBr微吸附/吸收式制冷系统中配置绝热吸收器以优化汽液界面面积和提高系统效率[14]。在LiBr循环中添加新的配置可以提高系统的性能。吸收式制冷系统的性能系数比单一吸收式制冷系统高，温升也较高。Majdi等将单效吸收式制冷系统与喷射器相结合，利用原有气流的势能，达到降低能耗、提高系统性能的目的[15]。同时喷射器件的制造成本降低了。Xu等提出了一种新型的LiBr循环，它包括吸收式发生器换热器的吸收循环，可以使用80-150℃的热量，也可以在单效和双效模式下运行[16]。当前大部分对LiBr吸收式制冷系统经济性的研究仅限于换热器面积的计算和优化。Wu等人将ORC和LiBr吸收式制冷循环性能进行了比较。使用非共沸工质的吸收式制冷循环ORC比使用纯工质的ORC系统具有更好的热经济性。

2.2 余热氨吸收制冷装置

氨吸收式制冷循环包括冷媒氨循环和吸收水循环两个循环。NH3·H2O具有优良的传热传质特性，但需要尽可能多地去除氨制冷剂中导致系统性能下降的水蒸气。一些研究人员试图加入工作介质对。而盐的加入可以克服这一缺点[17]。LiBr的加入使氨分子更容易从发生器的水溶液中分离出来，使系统具有更高的性能，但会阻碍稀溶液对NH3分子的吸收。Liang等提出了一种新的NH3-H2O-LiBr吸收循环，利用电渗析装置将LiBr从进入吸收器的溶液中分离出来，尽可能多地将LiBr留在发生器中[18]。当LiBr质量分数较高时，LiBr的分离可以降低操作温度，显著提高三元吸收循环的性能，从而提高系统的吸热制冷效率。同时该研究也证明了氨/盐吸收制冷循环在风冷条件下制冷的可行性和能力。因此，这种装置的优点是循环简单，并且在使用太阳能制冷或低温度热源方面有更大的潜力。然而，所使用的工质粘度高，不利于吸收器和发生器中的传热和传质过程。

3 低温余热蓄冷

TES(热能存储)技术在一定程度上解决了热源和用热用户时间不一致的问题。它可以长时间储存，也可以短时间储存。TES主要包括显热蓄热、潜热蓄热和热化学蓄热。热化学蓄热能储存较高质量的热量，但系统复杂。该显热蓄热系统结构简单，应用广泛。潜热蓄热传递过程稳定，蓄热密度高。同时，TES的成功实施取决于相变材料(PCM)的长期热稳定性和腐蚀特性。相变材料包括有机物，如脂肪酸、糖醇。无机物，如盐、盐水合物和金属。相变材料应保证相变温度在系统的工作温度范围内，并具有较高的存储密度和导热系数。相变材料导热系数低，长期不稳定，与容器材料不相容。TES可以解决热需求和热源在距离和时间上的不匹配问题。Deckert等提出了一种以海水为储能材料的移动式潜热存储系统[19]。通过使用移动式潜热储存系统作为余热收集器，特别是对于到目前为止尚未利用的余热有巨大潜力。

4 包装印刷行业的余热回收碳中和

绿色发展、低碳经济、能源转型肯定是未来经济发展和产业升级的定位和目标。包装印刷行业是耗能大户，如何在产品包装印刷过程中回收余热，是实现碳中和的重要举措。2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话中向世界庄严承诺：中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。全球已有127个国家承诺碳中和，这些国家温室气体排放量占全球排放的50%，经济总量在全球的总占比超过40%。要实现碳中和，包装印刷企业在利用环保科技的基础上，还要从原料开始改善，通过一些新材料、新技术、新结构的运用，减量减成本，但提供同等的产品保护。

在包装印刷企业中利用中央集中供气房的空压机主机和冷却器之间安装空压机余热回收装置（图2），以此实现印刷企业的高效环保生产与循环经济发展。

图2 空压机余热回收装置

5 总结

在印刷包装类企业中，通过在中央集中供气房的空压机主机和冷却器之间安装空压机余热回收装置，利用余热回收装置与空压机的高温润滑油进行热交换，在对高温润滑油降温同时对余热进行回收处理，用于发电、蓄冷、冷藏和加热热水机组中的冷却水，使冷却水变成高温热水而实现空压机的余热回收，高温热水集中存储在储热水箱中，再集中向轮转印刷设备墨槽上的油墨预加热装置提供循环加热的热水。除此，储热水箱中的高温热水还提供员工浴室用水、食堂用水、取暖设备等多处使用，在解决传统轮转印刷油墨黏度和流动性稳定、中央空调能耗大的问题之外，还将生产与生活环节打通，降低了能耗，而且集中供热水更稳定，维修费用更低，实现印刷企业的高效环保生产与循环经济发展。