熱泵技術在化工生產低位熱能回收中的研究應用

葉露陽，董 梁

（1.平頂山學院化學與環境工程學院，河南平頂山 467000；2.中國平煤神馬集團 尼龍科技公司，河南平頂山 467000）

1 概述

隨著我公司產能的不斷擴大，對蒸汽需求也日益增加。熱電車間送出的高、中、低壓蒸汽被各化工裝置利用后的冷凝液須回到熱電化學水裝置回收精制后重復利用，因該冷凝液溫度較高（約110℃），先在動力車間冷凍站兩級利用，回到化學水裝置的冷凝液溫度仍有約70℃，超過化學水精制混床內樹脂最高允許溫度（50℃），需用循環水降溫至50℃以下。目前該凝結水量約為260 t/h，年合計達200萬t，存在大量的熱能流失，而精制后的冷凝液作為鍋爐給水需要加熱至158℃（高壓除氧）送至鍋爐，又需要消耗大量熱量。本課題在研究熱泵技術的基礎上，對上述冷凝液熱量進行第三級利用，采用雙良公司溴化鋰熱泵技術將精制前冷凝液中的廢熱提取出來加熱鍋爐給水，既回收了大量廢熱，又減少了循環水的消耗，從而達到節能降耗的目的。

另一方面熱電車間內部還存在部分閃蒸廢熱直排，浪費能源且影響環境。通過對定連排擴容器的水進行收集，然后送入閃蒸罐獲取蒸汽系統自用，再設換熱器用除鹽水回收排污水的熱量，既回收了閃蒸廢熱又解決了現場冒白煙問題。

另外對熱電的疏水進行分類回收，高壓疏水直接去除氧器回用，低壓疏水先去熱泵吸收熱量升溫后再去除氧器回用，節能降耗的同時，也解決了閃蒸帶來的環保問題。此研究為化工生產中低位熱能回收工藝路線的選擇提供了可靠基礎。

2 改造思路

遵循節能思想，盡量減少對高品位能源的消耗，減少循環水消耗。為了能夠達到設計要求，專門成立研究小組，對熱電車間存在問題具體分析改造，實現了冷凝液余熱回收利用目標。研究小組主要從以下4個方面來考慮 ：①熱泵技術在低位熱能回收方面的應用 ；②冷凝液余熱回收的研究 ；③閃蒸熱能回收利用及疏水分類回收的研究 ；④冬季采暖熱源利用余熱降低能耗的研究。

本課題研究不僅可以解決熱電車間的能源浪費問題，同時也為以后熱泵技術在低位熱能回收方面的應用提供可靠基礎。關鍵點是利用熱泵技術回收低品位能源熱量并再次應用，以少量蒸汽為動力，溴化鋰熱能回收升溫技術為核心，通過換熱器和熱泵技術將原本散失的低溫余熱回收給系統，最終達到節能減排的目的。

3 低品位熱源主要工藝參數

表1 進熱泵工藝參數

4 熱泵工作原理

該項目以溴化鋰熱能回收機組升溫技術為核心，通過換熱器和熱泵技術將原本散失的熱量回收給系統。具體為利用溴化鋰熱泵技術將原來被循環水帶走的70℃以下低溫余熱（蒸汽冷凝液）中的熱能進行回收，提取出的熱量用來加熱進除氧器的鍋爐給水，在回收利用冷凝液和閃蒸廢熱的同時，節省了循環水和蒸汽消耗，達到了顯著的節能效果。

一類熱泵遵循卡諾逆循環原理和熱力學定律中關于低溫熱能不可能無代價地轉變成為高品位熱能。熱泵系統以蒸汽為動力，溴化鋰溶液為吸收劑，水為蒸發劑，利用水在高真空狀態下低沸點沸騰的特性，來制取滿足生產生活應用的更高品質能源。

熱能轉換主要步驟有：驅動蒸汽進入濃縮器間接加熱工質稀溶液，將工質稀溶液分成水蒸汽和工質濃溶液，水蒸汽在冷凝器凝結成液態，實現對被加熱介質（鍋爐水）的二次加熱，這兩個組合相當于對工質稀溶液進行負壓精餾；得到的液態水進入取熱器，與外來低溫余熱（蒸汽冷凝液）換熱得到比冷凝液溫度低5℃左右的水蒸汽，該水蒸汽進入加熱器被工質濃溶液快速吸收，由于工質濃溶液具有快速吸收水蒸汽并釋放大量熱的特性（類似于濃硫酸吸收水蒸汽沸騰），從而實現對被加熱介質（鍋爐水）的初次加熱，實現熱量回收。

圖1 熱泵工作原理

5 改造效果

1）蒸汽冷凝液經冷凍站利用余熱后送至化學水裝置時溫度平均約70℃，超過化學水混床最高允許進水溫度50℃，會損壞混床內樹脂，原流程采用傳統循環水冷卻工藝，會消耗大量循環水，并且伴隨著換熱器結垢的問題；改造后冷凝液來水通過熱泵吸收熱能降溫至50℃以下，這樣就降低了循環水的消耗，也避免了換熱器的結垢問題。

2）鍋爐水進入除氧器前需要升溫至120℃以保證除氧器工作穩定，該升溫是通過前置加熱器解決，要消耗大量中壓蒸汽；改造后進除氧器的三股水（汽封換熱器出口的水、冷渣機出口的水、疏水箱來水）分別先與熱泵機組交換熱量升溫至90℃，再去前置加熱器，這樣就節省了加熱器的蒸汽消耗。

3）熱電車間疏水擴容器、定排擴容器閃蒸直排，廢熱未被利用，造成能源浪費；改造后對疏水進行分類回收，即高壓疏水經高壓擴容器獲取蒸汽系統自用，剩余水泵送至除氧器；低壓疏水經疏水泵與冷渣機出口的水匯合送至熱能回收機組吸熱升溫后去加熱器，再進入除氧器，節省了加熱器的蒸汽消耗；另外熱電疏水、定排擴容器的水收集后送入閃蒸罐獲取蒸汽系統自用，再設換熱器用除鹽水回收排污水的熱量以回用，同時也能實現消除白煙問題；

4）我公司冬季采暖熱源全部采用低壓蒸汽加熱，能源消耗巨大。改造后冬季采暖熱源先通過熱泵機組吸收冷凝液的余熱升溫約15℃，可以節約大量新鮮蒸汽。

表2 出熱泵工藝參數

6 經濟效益

熱泵技術在改造中得到成功應用，隨著公司生產負荷從試車轉入到正常，該技術充分回收了各類別冷凝液熱量，水量及熱量回收達到90%以上，達到了該技術的設計目的，表明該技術是可行的。該技術的應用為全公司的高效節能運行打下了良好的基礎，同時為熱泵技術在化工生產低位熱能回收工藝的選擇提供可靠依據。

熱泵技術實施后，2018年底調試合格，進入試運行階段，通過一年的運行情況看，平均小時節能量達到8 t 多（按蒸汽計），月產生節能收益50多萬元，年可節約700多萬元，達到并超過設計要求。冷渣水去加熱器前溫度由60℃提高到90℃；汽封水去加熱器前溫度由50℃提高到90℃，系統運行穩定，達到了設計目的，全年節約蒸汽折合72 641，減少循環水281 t/h，起到了良好的節能效果。

7 結論

因動力來冷凝液溫度持續偏高，比設計值高6 ～7℃，一直在80℃以上，造成可回收的熱量比設計值要高，另外現在公司運行負荷高，冷凝液量大，故此冷凝液熱能回收項目節能收益比設計值大。

本項目利用熱泵技術充分回收冷凝液等低品位能源熱量，達到節能減排的顯著效果，經過尼龍科技公司現場運用，效果良好，為低位熱能回收工藝路線的選擇打下了可靠的基礎，該技術的應用可以在同行業生產中推廣，社會效益不可估量。

熱泵應用仍將處于高速發展的上升階段，作為節能減排的技術，熱泵技術前景廣闊，會有越來越多的國家及政府、企業意識到熱泵可以帶來的節能及環保效益，市場數據也表明未來發展趨勢良好。