吳 尚，李瑞深

（1.安徽皖維高新材料股份有限公司，安徽巢湖238002；2.天津大學石油化工技術開發(fā)中心，天津300072）

化工裝置多需要低于冷卻循環(huán)水溫度的冷卻介質，因此需設置冷凍站制取低溫公用工程。目前冷凍站制冷機主要有活塞式制冷機、離心式制冷機、蒸汽噴射式制冷機、溴化鋰吸收式制冷機[1]等，需要消耗較多高品位的電能。隨著能源的短缺，節(jié)能減排成為重要的課題[2-3]。

化工裝置會產生大量的余熱，如冷卻循環(huán)水的低溫余熱、煙氣余熱[4-5]等，大多余熱無法回收，能量利用率較低。因此，余熱進行有效利用是很有必要的。溴化鋰吸收式制冷機可以利用工業(yè)余熱進行制冷，將品位較低的能量加以利用，節(jié)省高品位能量，提高能源利用率。目前，利用余熱制冷多采用熱水型或蒸汽型溴化鋰機組，制取0℃以上的冷凍水[3]。但利用余熱制冷存在較多的問題，主要有設備成本高、機組運行不穩(wěn)定、工質易結晶、較難檢修、無法滿足化工工藝可靠性要求等，因此目前在公用工程領域應用較少。本文簡述了溴化鋰吸收式制冷機的原理和其在余熱回收中的應用，對吸收式制冷機組循環(huán)方式、制冷技術耦合和新工質對的開發(fā)等技術進行總結，并對其在公用工程中的應用做出展望。

1 吸收式制冷機原理

吸收式制冷分為開式和閉式兩種，主要為閉式液體吸收循環(huán)[6]，多使用LiBr/H2O作為循環(huán)工質。溴化鋰沸點1 265℃，高溫下只產生水蒸氣，污染小，環(huán)境友好，系統(tǒng)簡單[7]。對于低于80℃的低溫熱源，單級溴化鋰吸收式制冷機無法利用，故余熱回收多使用雙效串聯(lián)制冷系統(tǒng)，原理如圖1所示。

吸收器底部的低溫低壓稀溶液吸收濃溶液放出熱量后，分流進入高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器，在高壓發(fā)生器中沸騰產生高溫水蒸氣和濃溶液，濃溶液進入低壓發(fā)生器，再一次產生水蒸氣循環(huán)回吸收器，吸收水蒸氣變?yōu)橄∪芤海桓邏汉偷蛪喊l(fā)生器產生的高溫水蒸氣混合后在冷凝器中冷凝，經節(jié)流閥變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，帶走冷媒熱量，產生制冷效果。水蒸氣進入吸收器后被濃溶液吸收[7]。

目前，部分化工工藝已采用吸收式制冷系統(tǒng)進行制冷，如低溫乙烯裝置、鋼鐵冶煉裝置、反應釜[4,8-9]等。

2 吸收式制冷機研究進展

雖然化工工藝存在大量余熱，但部分余熱溫度較低，無法利用[4]。另外，余熱吸收式制冷機故障率較高，運行不穩(wěn)定，仍有大量的能量耗散。目前研究主要在制冷系統(tǒng)循環(huán)方式、制冷技術耦合、新工質對開發(fā)等方面。

2.1 制冷系統(tǒng)循環(huán)方式

針對現(xiàn)有雙效吸收式制冷機高壓發(fā)生器余熱回收率較低的問題，胡慧莉等[5]設計了兩臺結構不同的低壓發(fā)生器串聯(lián)，第一低壓發(fā)生器與傳統(tǒng)雙效制冷系統(tǒng)相同，第二低壓發(fā)生器利用經高壓發(fā)生器的煙氣余熱，產生水蒸氣，與第一低壓發(fā)生器產生的冷劑蒸汽一同進入冷凝器。通過模型計算，得到新型雙效制冷利用煙氣程度更高，機組獲得制冷量更大，但同時所需換熱面積更大，設備投資更高，需結合經濟成本做出分析。

為了進一步提高系統(tǒng)性能系數(shù)，提出了三效吸收式循環(huán)。但高壓發(fā)生器工質溫度過高，機組易被腐蝕，胡磊[10]在普通三效吸收式循環(huán)基礎上在低溫發(fā)生器和冷凝器之間增設一壓縮機，降低低溫、中溫和高溫發(fā)生器出口溶液溫度和壓力。結果表明，在壓縮機壓縮比為3.5時，高溫發(fā)生器溫度從218.9℃降至183.6℃，性能系數(shù)為1.43，高于單效和雙效吸收式制冷系統(tǒng)；輸入機械功僅占制冷量的3.68%，少量機械能即可增加系統(tǒng)性能。

潘權穩(wěn)[11]設計了一種可以串聯(lián)回熱回質的吸附床，以解決切換過程熱量損失較大的問題，原理如圖2所示。通過閥門控制，系統(tǒng)分為兩個制冷過程、兩個回質和回熱過程，通過熱水和冷水的流動，將兩個吸附制冷過程串聯(lián)，實現(xiàn)余熱回收。結果表明，系統(tǒng)性能系數(shù)大于0.5，串聯(lián)促進了回質和回熱過程，提高了中間熱量的利用率。在余熱溫度大于75℃的情況下，系統(tǒng)性能系數(shù)滿足需要。

圖2 回熱回質循環(huán)原理

2.2 制冷技術耦合

針對吸收式制冷系統(tǒng)存在機組運行不穩(wěn)定、余熱利用不充分的問題，研究多采用吸收式制冷技術與壓縮、噴射技術耦合，吸收式制冷技術與熱泵、蓄冷等其他技術耦合的方法，以提高機組的穩(wěn)定性和能量的利用率，滿足工業(yè)裝置的需要。

唐鵬武等[12]采用壓縮和吸收式制冷耦合，壓縮系統(tǒng)采用R22制冷劑，吸收系統(tǒng)采用LiBr/H2O,吸收系統(tǒng)低品位熱源產生的較高溫度的冷量等量轉變?yōu)閴嚎s系統(tǒng)輸出的較低溫度的冷量。結果顯示，在相同單位制冷劑情況下，該新型復合循環(huán)比傳統(tǒng)方法性能系統(tǒng)提高了10%，并且設置回熱器回收壓縮機排氣余熱，進一步提高了余熱利用率。何麗娟等[13]采用低品位熱源驅動吸收式制冷，機械驅動壓縮制冷的壓縮—復合制冷系統(tǒng)。結果表明，壓縮—復合制冷系統(tǒng)的發(fā)生溫度要求更低，在低至60℃情況下，吸收式系統(tǒng)仍能正常工作，為化工低溫余熱的利用提供可能。

劉恩海等[14]為降低發(fā)生溫度提出一種吸收—噴射復合制冷系統(tǒng)。在吸收器和蒸發(fā)器中間設置噴射器，使制冷劑蒸汽引射發(fā)生壓力和蒸發(fā)壓力的制冷劑蒸汽，提高了吸收器的工作壓力，并降低了發(fā)生器的工作壓力。結果表明，該系統(tǒng)可利用更低品位的熱源，發(fā)生溫度在75℃時制冷機組可正常工作，且性能系數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化較為平緩。文章同時研究了不同發(fā)生溫度的噴射最佳壓縮比。

金香菊等[3]提出一種復疊式制冷循環(huán)，對余熱加以利用，增加了循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)在原有電動壓縮式冷卻機組的基礎上在冷卻水路加設冷卻塔—余熱制冷機組—壓縮式冷卻機組三通閥，利用工藝裝置95℃余熱為余熱制冷機組提供熱源。系統(tǒng)可通過簡單切換操作保證余熱冷凍機發(fā)生故障情況下工藝裝置的穩(wěn)定性。對原有系統(tǒng)和復疊式制冷系統(tǒng)進行模擬計算，冷凍機額定制冷量1 213 kW，冷凍液出口溫度-6.5℃，復疊式系統(tǒng)可節(jié)省電能30%左右，效果明顯。

徐永生等[15]將自主研發(fā)的蒸發(fā)冷卻換流閥與溴化鋰制冷系統(tǒng)以增加中間換熱器的方法進行耦合。在左側蒸發(fā)冷卻模塊，有機工質送入換流閥蒸發(fā)，帶走換流閥熱量，并產生飽和蒸汽進入中間換熱器。通過中間換熱器換熱變?yōu)榈蜏毓べ|送回冷卻模塊，回路進口溫度35℃，出口溫度55℃；溴化鋰機組側水在中間換熱器加熱作為余熱送入溴化鋰制冷機進行制冷，后循環(huán)回中間換熱器，熱冷不足部分使用儲水箱進行調節(jié)。經計算，系統(tǒng)性能系數(shù)為0.60。

王進國等[2]將第二類吸收式熱泵技術與制冷系統(tǒng)耦合，第二類吸收式熱泵可利用環(huán)境溫度和余熱溫度的溫差，回收較低溫余熱，同時通過制冷系統(tǒng)完成冷量注入。為節(jié)省公用工程設施，兩者聯(lián)合布置于廠房中。將此技術應用于新疆某化工廠，每年創(chuàng)造了2億元的經濟收益，為化工廠的節(jié)能改造項目提供參考。

雷歡等[16]通過耦合有機朗肯循環(huán)和吸收式制冷循環(huán)，回收中溫煙氣余熱進行發(fā)電，同時利用有機朗肯循環(huán)冷凝放熱為吸收式制冷系統(tǒng)提供余熱。原理如圖3所示，頂層為有機朗肯循環(huán)，底層為單效吸收式制冷循環(huán)。有機朗肯循環(huán)側中溫煙氣熱量傳遞給有機工質，工質進入透平做功發(fā)電，然后進入冷凝—發(fā)生器（GEN）冷凝，將冷凝余熱傳遞給吸收式制冷循環(huán)側。制冷循環(huán)側溴化鋰溶液在GEN中吸熱放出水蒸氣，水蒸氣通過冷凝和節(jié)流操作進入蒸發(fā)器制取冷媒。通過計算，若采用雙效制冷循環(huán)，系統(tǒng)損失可進一步減少，同時可降低有機朗肯循環(huán)冷凝溫度，更大程度提高系統(tǒng)余熱回收率。

圖3 有機朗肯循環(huán)—吸收式制冷耦合結構圖

目前，工業(yè)用電費用多以梯級計費，因此提出采用水蓄冷和余熱回收技術耦合的方法[17-18]，利用夜間廉價的低谷時間續(xù)存冷水，蓄存冷量，移峰填谷；同時回收壓縮機系統(tǒng)的余熱，利用吸收式制冷進行回收，在不增加制冷機組容量的同時增加制冷量的制取，減少電力消耗。

2.3 新工質對開發(fā)研究

吸收式制冷機多采用LiBr/H2O作為工質對，對驅動熱源的溫度要求較高，工業(yè)余熱應用受到限制，因此研究新的工質對是改進吸收式制冷系統(tǒng)性能的途徑之一。李藝群等[19]設計了CaCl2-LiCl/H2O工質對，通過實驗篩選出對驅動熱源溫度要求更低且腐蝕性更小的工質對。結果表明，CaCl2的加入可以有效降低需要驅動熱源發(fā)生溫度，隨著其占比增大，所需發(fā)生溫度降低。綜合考慮結晶溫度、成本、腐蝕性等因素，CaCl2-LiCl(2∶1)/H2O具有最佳的綜合性能，發(fā)生溫度較LiBr/H2O降低6.8℃，性能系數(shù)提高0.041，成本也低于LiBr/H2O，具有工程應用價值。蘇成睿[20]設計[EMIM][DEP]+H2O離子液體體系作為工質對，同時加入LiBr強化制冷效果。結果表明，三元體系制冷系數(shù)高于原二元體系，并降低了飽和蒸氣壓。

3 總結

吸收式制冷余熱利用已在多個工業(yè)實例中證實可行，其可利用低溫余熱進行制冷，節(jié)省電能等高品位能量。但是，其機組投資資本高，工質易結晶，運行不穩(wěn)定的情況成為了阻礙其大規(guī)模應用的因素，需對其進行多個方面的優(yōu)化。化工冷凍站使用該技術，需從經濟性和安全性角度出發(fā)，確定最優(yōu)制冷方案。同時，工廠低品位熱能需盡可能與對應吸收式制冷技術相匹配，盡可能提高機組性能系數(shù)，提高能量回收率。采取多種制冷技術耦合的方案，或是化工廠冷凍站重要的發(fā)展方向。