湯川平楊志勇鐘云飛

（1.長沙鴻發(fā)印務(wù)實業(yè)有限公司，湖南 長沙410137；2.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲412007）

全球變暖及其導(dǎo)致的氣候變化可以追溯到人類活動、工業(yè)生產(chǎn)過程以及由此產(chǎn)生的溫室氣體排放[1-2]。溫室氣體排放的主要來源是化石燃料在能源生產(chǎn)中的應(yīng)用。綠色發(fā)展是21世紀(jì)人類社會的共同追求，也是新時代中國共產(chǎn)黨推動國家發(fā)展的重要理念之一。據(jù)統(tǒng)計，2021年我國包裝印刷企業(yè)共有近千余家，在當(dāng)前“碳達峰、碳中和”的時代背景下，如何深化改革、推動創(chuàng)新、推進綠色印刷、綠色包裝的可持續(xù)發(fā)展，成為包裝印刷企業(yè)的必經(jīng)之路。因此，減少溫室氣體排放的途徑之一就是減少化石燃料的消耗。然而，這只有在能量被有效地產(chǎn)生和利用的情況下才是可行的，即具有最小的能量損失并回收能量損失，這部分能量通常是以余熱的形式出現(xiàn)的。工業(yè)過程中產(chǎn)生的余熱熱量多，但由于熱量較為分散、回收效率低，回收受到限制，這也是能源效率低的原因之一。余熱余能回收再循環(huán)利用是為了降低能耗、物耗，提高資源利用效率和綜合效益，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)與生活系統(tǒng)之間資源順暢循環(huán)利用，資源節(jié)約與循環(huán)利用就要從生產(chǎn)工藝和設(shè)備上進行改良，最大限度地將資源從生產(chǎn)環(huán)節(jié)貫穿至生活環(huán)節(jié)全過程循環(huán)利用，使生產(chǎn)系統(tǒng)和生活系統(tǒng)循環(huán)鏈接。對于印刷企業(yè)來說，要發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，致力節(jié)能減排資源節(jié)約，踐行綠色印刷，必須要加強生產(chǎn)過程的余熱余能的回收再循環(huán)利用。本文主要綜述了低溫余熱回收在發(fā)電、制冷及蓄熱等不同方面的應(yīng)用，并對其未來的發(fā)展趨勢提出了更加全面的認(rèn)識。

1 低溫余熱發(fā)電

1.1 有機朗肯循環(huán)發(fā)電

在熱力學(xué)中，卡諾循環(huán)被描述為可能的最有效的熱循環(huán)，沒有熱量損失，由4個可逆過程組成，兩個等溫過程和兩個絕熱過程。它也被描述為一個可逆熱機的膨脹和壓縮循環(huán)，并沒有熱量損失。有機朗肯循環(huán)(ORC)技術(shù)已被證明是一種將熱能轉(zhuǎn)化為機械能或電能的解決方案。它已被提出并應(yīng)用于回收低/中焓熱流(如工業(yè)廢熱、內(nèi)燃機和燃氣輪機)和可再生熱源(生物質(zhì)能、太陽能、地?zé)崮芑蚝Ｑ竽?[3-4]。在循環(huán)過程中，低沸點有機物發(fā)生吸熱汽化，膨脹做功驅(qū)動發(fā)電機。ORC機組設(shè)備主要包含蒸發(fā)器、冷凝器、工質(zhì)泵、透平膨脹機以及發(fā)電機等[5]。ORC工作原理如圖1所示。蒸發(fā)器是ORC系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是將低溫?zé)崃總鬟f給工作流體引起相變。與其他廣泛使用的發(fā)電技術(shù)相比，ORC系統(tǒng)具有幾個優(yōu)點。但ORC的轉(zhuǎn)換效率隨系統(tǒng)規(guī)模的不同而有很大差異：大型尖端工廠的電效率可高達25%，而小規(guī)模和微型ORC應(yīng)用的電效率幾乎不超過10%[6]。

圖1 ORC原理圖

1.2 Kalina循環(huán)(KC)

20世紀(jì)80年代，Kalina提出了以氨-水為工質(zhì)的熱電效率高的熱力動力循環(huán)。適用于低、中溫?zé)嵩醇靶」β市枨髨龊蟍7]。混合工質(zhì)在加熱過程中氨氣揮發(fā)，殘余液濃度的降低使飽和蒸汽壓增大，系統(tǒng)比共沸蒸發(fā)更靈活。Kalina循環(huán)第一個版本的特點是在分離器之后的第二個冷凝器，在一個中間壓力下，允許沸騰混合物的組成有額外的自由度，并允許蒸餾裝置在比最大壓力更低的壓力下操作?？ɡ{循環(huán)的顯著效率優(yōu)勢是通過蒸發(fā)器中的集熱和冷凝器中的放熱的換熱過程來實現(xiàn)的。當(dāng)氨水混合物被加熱時，揮發(fā)性較強的氨水比純水更容易先蒸發(fā)。隨著剩余液體氨濃度的降低，飽和溫度上升，提供了一個更好的匹配熱氣體熱源，如燃氣輪機排氣比純物質(zhì)(水/蒸汽)的恒溫蒸發(fā)。工作流體被分解成不同濃度的流，提供了極大的靈活性，以優(yōu)化熱回收，并允許在比大氣壓力更大的壓力下冷凝。在不同的KC系統(tǒng)中，KCS-11(Kalina Cycle-11)是一種有效利用地?zé)崮艿姆椒ǎ玫搅嗽S多研究者的肯定。Hettiarachchi et al研究并比較了用于低溫地?zé)釤嵩吹腛RC和KCS-11的性能[8]。他們得出結(jié)論，在特定條件下和中等渦輪進口壓力下，KCS-11比ORC表現(xiàn)更好。Zare等提出了一種改進的低溫地?zé)岚l(fā)電Kalina循環(huán)設(shè)計，該發(fā)電循環(huán)設(shè)備利用KCS-11的部分余熱轉(zhuǎn)化為電能[9]。工業(yè)廢熱的不穩(wěn)定性導(dǎo)致KC在非設(shè)計條件下運行，導(dǎo)致系統(tǒng)性能偏離設(shè)計值。而調(diào)節(jié)KC中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以提高平均熱效率。因此通過該設(shè)備可回收工業(yè)過程中被浪費的低溫余熱，促進企業(yè)的循環(huán)發(fā)展。

2 低溫余熱冷藏

以低溫?zé)崮転閯恿Φ奈帐街评?，實現(xiàn)了無大氣污染物的雙層制冷和采暖的目的。在目前采用的不同余熱回收系統(tǒng)中，吸收式傳熱是最有意義的節(jié)能裝置之一，它消耗的一次能源可以忽略不計。這類系統(tǒng)可以將廢熱溫度提升到更高的水平，以便在工業(yè)過程中重復(fù)使用，避免環(huán)境破壞，緩解氣候變化。通常，熱源提供的熱量中有一半可以在一定溫度下升級，而其余部分則在較低的溫度下排放。此外，吸收式傳熱不需要很高的維護和運行成本。吸收式制冷系統(tǒng)的性能強烈依賴于工質(zhì)對的性質(zhì)。氨-水和水-溴化鋰是熱傳遞中常用的工質(zhì)對。氨氣(即毒性、揮發(fā)性和可燃性)和溴化鋰(即溴化鋰在高溫或高冷凝下的腐蝕或結(jié)晶)的一些不良特性促使許多研究人員致力于研究新的工作對，以提高吸收系統(tǒng)的性能[10,11]。此外，吸收式制冷系統(tǒng)所利用的熱源溫度的限制和低能源效率，促使研究人員開發(fā)吸收式制冷機組的改進配置，包括先進的雙效系統(tǒng)配置。

2.1 LiBr吸收式制冷

LiBr制冷可以利用大量的余熱回收二次能源，包括發(fā)電機、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器等部件。通常通過調(diào)整吸收器的汽液界面面積來提高吸收器的性能，例如使用通過液體溶液的蒸汽的吸收器和使用細溶液液滴噴霧的吸收器[12]。為了縮小吸收器的體積，Zacarías等對LiBr/水溶液液滴使用全錐形噴嘴[13]。Osta-Omar等在LiBr微吸附/吸收式制冷系統(tǒng)中配置絕熱吸收器以優(yōu)化汽液界面面積和提高系統(tǒng)效率[14]。在LiBr循環(huán)中添加新的配置可以提高系統(tǒng)的性能。吸收式制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)比單一吸收式制冷系統(tǒng)高，溫升也較高。Majdi等將單效吸收式制冷系統(tǒng)與噴射器相結(jié)合，利用原有氣流的勢能，達到降低能耗、提高系統(tǒng)性能的目的[15]。同時噴射器件的制造成本降低了。Xu等提出了一種新型的LiBr循環(huán)，它包括吸收式發(fā)生器換熱器的吸收循環(huán)，可以使用80-150℃的熱量，也可以在單效和雙效模式下運行[16]。當(dāng)前大部分對LiBr吸收式制冷系統(tǒng)經(jīng)濟性的研究僅限于換熱器面積的計算和優(yōu)化。Wu等人將ORC和LiBr吸收式制冷循環(huán)性能進行了比較。使用非共沸工質(zhì)的吸收式制冷循環(huán)ORC比使用純工質(zhì)的ORC系統(tǒng)具有更好的熱經(jīng)濟性。

2.2 余熱氨吸收制冷裝置

氨吸收式制冷循環(huán)包括冷媒氨循環(huán)和吸收水循環(huán)兩個循環(huán)。NH3·H2O具有優(yōu)良的傳熱傳質(zhì)特性，但需要盡可能多地去除氨制冷劑中導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降的水蒸氣。一些研究人員試圖加入工作介質(zhì)對。而鹽的加入可以克服這一缺點[17]。LiBr的加入使氨分子更容易從發(fā)生器的水溶液中分離出來，使系統(tǒng)具有更高的性能，但會阻礙稀溶液對NH3分子的吸收。Liang等提出了一種新的NH3-H2O-LiBr吸收循環(huán)，利用電滲析裝置將LiBr從進入吸收器的溶液中分離出來，盡可能多地將LiBr留在發(fā)生器中[18]。當(dāng)LiBr質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時，LiBr的分離可以降低操作溫度，顯著提高三元吸收循環(huán)的性能，從而提高系統(tǒng)的吸熱制冷效率。同時該研究也證明了氨/鹽吸收制冷循環(huán)在風(fēng)冷條件下制冷的可行性和能力。因此，這種裝置的優(yōu)點是循環(huán)簡單，并且在使用太陽能制冷或低溫度熱源方面有更大的潛力。然而，所使用的工質(zhì)粘度高，不利于吸收器和發(fā)生器中的傳熱和傳質(zhì)過程。

3 低溫余熱蓄冷

TES(熱能存儲)技術(shù)在一定程度上解決了熱源和用熱用戶時間不一致的問題。它可以長時間儲存，也可以短時間儲存。TES主要包括顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和熱化學(xué)蓄熱。熱化學(xué)蓄熱能儲存較高質(zhì)量的熱量，但系統(tǒng)復(fù)雜。該顯熱蓄熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛。潛熱蓄熱傳遞過程穩(wěn)定，蓄熱密度高。同時，TES的成功實施取決于相變材料(PCM)的長期熱穩(wěn)定性和腐蝕特性。相變材料包括有機物，如脂肪酸、糖醇。無機物，如鹽、鹽水合物和金屬。相變材料應(yīng)保證相變溫度在系統(tǒng)的工作溫度范圍內(nèi)，并具有較高的存儲密度和導(dǎo)熱系數(shù)。相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低，長期不穩(wěn)定，與容器材料不相容。TES可以解決熱需求和熱源在距離和時間上的不匹配問題。Deckert等提出了一種以海水為儲能材料的移動式潛熱存儲系統(tǒng)[19]。通過使用移動式潛熱儲存系統(tǒng)作為余熱收集器，特別是對于到目前為止尚未利用的余熱有巨大潛力。

4 包裝印刷行業(yè)的余熱回收碳中和

綠色發(fā)展、低碳經(jīng)濟、能源轉(zhuǎn)型肯定是未來經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級的定位和目標(biāo)。包裝印刷行業(yè)是耗能大戶，如何在產(chǎn)品包裝印刷過程中回收余熱，是實現(xiàn)碳中和的重要舉措。2020年9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上的講話中向世界莊嚴(yán)承諾：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。全球已有127個國家承諾碳中和，這些國家溫室氣體排放量占全球排放的50%，經(jīng)濟總量在全球的總占比超過40%。要實現(xiàn)碳中和，包裝印刷企業(yè)在利用環(huán)保科技的基礎(chǔ)上，還要從原料開始改善，通過一些新材料、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的運用，減量減成本，但提供同等的產(chǎn)品保護。

在包裝印刷企業(yè)中利用中央集中供氣房的空壓機主機和冷卻器之間安裝空壓機余熱回收裝置（圖2），以此實現(xiàn)印刷企業(yè)的高效環(huán)保生產(chǎn)與循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展。

圖2 空壓機余熱回收裝置

5 總結(jié)

在印刷包裝類企業(yè)中，通過在中央集中供氣房的空壓機主機和冷卻器之間安裝空壓機余熱回收裝置，利用余熱回收裝置與空壓機的高溫潤滑油進行熱交換，在對高溫潤滑油降溫同時對余熱進行回收處理，用于發(fā)電、蓄冷、冷藏和加熱熱水機組中的冷卻水，使冷卻水變成高溫?zé)崴鴮崿F(xiàn)空壓機的余熱回收，高溫?zé)崴写鎯υ趦崴渲校偌邢蜉嗈D(zhuǎn)印刷設(shè)備墨槽上的油墨預(yù)加熱裝置提供循環(huán)加熱的熱水。除此，儲熱水箱中的高溫?zé)崴€提供員工浴室用水、食堂用水、取暖設(shè)備等多處使用，在解決傳統(tǒng)輪轉(zhuǎn)印刷油墨黏度和流動性穩(wěn)定、中央空調(diào)能耗大的問題之外，還將生產(chǎn)與生活環(huán)節(jié)打通，降低了能耗，而且集中供熱水更穩(wěn)定，維修費用更低，實現(xiàn)印刷企業(yè)的高效環(huán)保生產(chǎn)與循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展。