文 鄭秋云 張信榮 盛劍霄 孟炳良
1北京大學工學院 2北大工學院紹興技術研究院 3北京大學包頭研究院
熱泵在運行過程中消耗的高位能較少,而所供給的熱量是消耗的高位能與吸取的低位熱量的總和,因此,采用熱泵裝置可以充分利用低品位廢熱能量而節(jié)約電、煤等高品位能源。而且熱泵在利用低溫廢熱制取高溫熱源的同時,在蒸發(fā)端進一步降低低溫熱源端的溫度,對低溫熱源具有制冷的作用,所以對同時需要供冷和供熱的場合,采用熱泵裝置將非常有效減少高品位能源的消耗。由熱泵制熱的能效比(COP值)計算公式:
所以,熱泵在廢熱回收利用過程中制熱的COP>1。故熱泵一方面其從廢熱過程中吸取熱量,減少廢熱產生的熱污染;另一方面高效制取的高品位高溫熱源可供工業(yè)、民用等,減少了企業(yè)、城市等對石化能源或電力資源的依賴,充分體現了清潔、環(huán)保能源技術在廢熱回收過程中的經濟、環(huán)保優(yōu)勢。
目前常見的熱泵一般只能制取60~70℃的高溫熱源溫度,偶爾有實現80℃以上的超高溫熱泵,且其COP值較低,使用的流體工質一般含氟,對大氣有一定的破壞作用。而對實現制取85℃以上超高溫熱源,且具有較高的COP值,流體工質對大氣破壞(主要指造成地球溫暖化和臭氧層破壞)很小的熱泵主要有以下幾項關鍵技術:
(1)高效且適應于高溫應用的壓縮機技術:壓縮機是熱泵系統(tǒng)中的主要能耗設備,降低壓縮機的功率可大大提高熱泵的COP值。
(2)流體工質:流體工質是熱泵系統(tǒng)中從低溫廢熱吸取熱量并轉換為高溫熱源的攜帶體,采用大熱容、低粘性、能在較高溫差下易實現壓縮和蒸發(fā)的流體工質是實現超高溫熱泵高效回收廢熱的關鍵。采用無氟流體工質,則可大大減少對環(huán)境的破壞。
(3)蒸發(fā)器和冷凝器換熱技術:采用耐腐蝕、高換熱效率的材料制取蒸發(fā)器和冷凝器可明顯提高廢熱回收的效率。另外在一些特殊情況下,蒸發(fā)器和冷凝器的換熱面積,以及換熱結構優(yōu)化,使得蒸發(fā)器和冷凝器與整個熱回收系統(tǒng)匹配,從面提高超高溫熱泵系統(tǒng)的穩(wěn)定性和制取熱水的溫度。
(4)控制技術:采用與熱泵系統(tǒng)匹配的智能自動化控制技術,一方面增加熱泵系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性,另一方面可減少人力成本。
浙江省紹興市某印染企業(yè)45℃左右的印染廢水,利用超高溫熱泵每天將100t的41℃溫水制取85~95℃的熱水供印染漂洗、鍋爐補水等用,整套超高溫系統(tǒng)采用智能自動控制。案例的設備現場圖見圖1。
圖1 設備制造現場檢測設備
在實際運行過程中,經檢測可生產116.3t/d的熱水,溫度由41℃提升到90.1℃,溫升為49.1℃,產生熱量23878MJ/d,超高溫熱泵的COP=5.207。若水的比熱c=4.2kJ/(kg·K);1kg標準煤熱量=5000kcal;鍋爐效率=35.52%。將采用超高溫技術與傳統(tǒng)鍋爐加熱相對比進行核算,則有上述超高溫熱泵產生的熱量相當于每天需煤量L1為:
每年(按350天計算)對應的煤鍋爐運行成本為:
(1)設備(35萬元×0.1)+人工成本(6人×4500元/月×12月)+燃煤(3200kg×350d×0.8元/kg)+電(336kWh/d×350d×0.76元/ kWh)=134.44萬元;
(2)脫硫脫硝設備(15萬元×0.1)+人工成本(3人×4500元/月×12月)+電(120 kWh /d×350d×0.76元/ kWh)=20.9萬元。
而采用超高溫熱泵技術,由于智能自動控制,人力成本可以忽略不計,其COP=5.207,所以需電量L2=1273.8 kWh,折合運行費用為:1273.8 kWh×0.76元/ kWh×350d=33.88萬元。
所以采用超高溫熱泵技術后,印染企業(yè)可以節(jié)省成本為:134.44+20.9-33.88=121.46萬元。
另外,該企業(yè)采用超高溫熱泵回收印染廢熱制取高溫熱水后,可以每年節(jié)省燃煤鍋爐的蒸汽冷凝水3249.02t,減排NOx 4337.95kg、煙塵1535.87kg、SO24982.78kg。同時,還可以減少循環(huán)水向環(huán)境的散熱和散濕,有利于改善該印染企業(yè)周邊的大氣環(huán)境,具有很好的環(huán)保和社會效益。
利用0.7MPa的低壓蒸汽驅動超高溫無氟熱泵從凝汽器的乏汽中吸取熱量,一方面使得乏汽冷凝成水,增加發(fā)電機組的真空度,另一方面利用超高溫熱泵制取高溫熱水作為鍋爐補給水或供暖,超高溫熱泵機組在運行過程中采用智能自動控制。案例運行時,冷凝器乏汽進口壓力5.2kPa(查表得此壓力下蒸汽冷凝溫度34.2℃,相變熱2419.7kJ/kg)。雖然進入熱泵的冷水溫度隨著季節(jié)變化較大,但在進水冷水溫度低于30℃時,COP值都大于4,最高可到5.42,在運行過程中進水溫度與COP、出水溫度的對應關系見圖2。
(1)真空度提高后的經濟、環(huán)保效益。據有關資料顯示300MW機組,真空度每提高1%,標準煤消耗下降3.07g/kWh,對于300MW機組運行一年(按350天計算),則可節(jié)省的煤為:300MW×3.07g/kWh×24h/d×350d=7736.4t。煤按照800元/t計算,則可以節(jié)省用煤費為:7736.4t×0.08萬元/t=618.912萬元。
(2)節(jié)省抽汽量的經濟、環(huán)保效益。電廠需要利用蒸汽加熱冷水為鍋爐補給和給居民供暖,采用超高溫無氟熱泵,則可以大大地節(jié)省抽汽量。0.7MPa下,水的飽和溫度是164.95℃,蒸汽等壓熱容為2.5393 kJ/kg·K,水等壓熱容為4.3509 kJ/kg·K,潛熱值為2065.8 kJ/kg。假設蒸汽是在等壓下換熱的,即蒸汽換熱端保持0.7MPa壓力,那么,每千克330℃的蒸汽冷卻到130℃的水(此時為液態(tài))所放出的熱量為:2065.8 kJ+(330-164.95)K×2.5393kJ/℃+(164.95-130)K×4.3509kJ/K≈2637kJ。直接采用蒸汽制取100MW的熱量則需抽汽:100MW÷2637kJ≈37.9kg/s≈137t/h。
而采用蒸汽驅動熱泵回收乏汽熱量則若電廠的汽輪機低壓缸(0.7MPa)的做功效率是在80%左右,不妨假設這些機械功之中只有80%是能成功推動壓縮機工作的有效功,則蒸汽推動壓縮機工作的效率近似為60%。另外,取熱泵COP=4,所以利用0.7MPa的低壓蒸汽驅動熱泵的抽汽量為:100MW÷4÷0.6÷2637kJ/kg≈15.75kg/s≈56.88t/h。
若0.7MPa的這類蒸汽按照200元/t計算,則年(按350天計算)可節(jié)省蒸汽費用為:(137t/h-56.88 t/h)×24h/d×350d×200元/t=13460.16萬元。
(3)對冷卻系統(tǒng)的經濟效益。電廠需要對乏汽進行冷卻而確保其真空度,300MW機組的電廠需要1500t/h的冷水對乏汽進行冷卻。若采用超高溫熱泵,則不需要冷卻水冷卻乏汽,工業(yè)用水按照3.2元/t,則電廠每年(按350天計算)可節(jié)省水費為:1500t/h×24h/d×350d×3.2元/t=4032萬元。
(4)電廠采用超高溫無氟熱泵技術帶來的節(jié)水、節(jié)煤,從而對水資源的平衡以及二氧化碳、氮氧化物、硫化物的減少等環(huán)境效益則更加明顯、優(yōu)越。
目前我國在印染、火電、冶金、煉油等眾多高能耗行業(yè)存在大量的廢熱資源,沒有實現回收再利用。要實現這些行業(yè)的轉型,降低其對石化、電力等高品位能源的消耗和依賴,對其廢熱資源回收再利用是一項關鍵任務。
超高溫熱泵技術在廢熱回收利用過程中具有經濟、綠色、環(huán)保等特點,它不僅可以降低高能耗行業(yè)中廢熱產生的熱污染,實現供冷,而且制取的高溫熱源能用于工業(yè)、供暖、物料烘干等領域。這對實現國家的節(jié)能減排目標,實現國民經濟的可持續(xù)發(fā)展等夠具有十分重要的意義。