热泵技术在化工生产低位热能回收中的研究应用

叶露阳，董 梁

（1.平顶山学院化学与环境工程学院，河南平顶山 467000；2.中国平煤神马集团 尼龙科技公司，河南平顶山 467000）

1 概述

随着我公司产能的不断扩大，对蒸汽需求也日益增加。热电车间送出的高、中、低压蒸汽被各化工装置利用后的冷凝液须回到热电化学水装置回收精制后重复利用，因该冷凝液温度较高（约110℃），先在动力车间冷冻站两级利用，回到化学水装置的冷凝液温度仍有约70℃，超过化学水精制混床内树脂最高允许温度（50℃），需用循环水降温至50℃以下。目前该凝结水量约为260 t/h，年合计达200万t，存在大量的热能流失，而精制后的冷凝液作为锅炉给水需要加热至158℃（高压除氧）送至锅炉，又需要消耗大量热量。本课题在研究热泵技术的基础上，对上述冷凝液热量进行第三级利用，采用双良公司溴化锂热泵技术将精制前冷凝液中的废热提取出来加热锅炉给水，既回收了大量废热，又减少了循环水的消耗，从而达到节能降耗的目的。

另一方面热电车间内部还存在部分闪蒸废热直排，浪费能源且影响环境。通过对定连排扩容器的水进行收集，然后送入闪蒸罐获取蒸汽系统自用，再设换热器用除盐水回收排污水的热量，既回收了闪蒸废热又解决了现场冒白烟问题。

另外对热电的疏水进行分类回收，高压疏水直接去除氧器回用，低压疏水先去热泵吸收热量升温后再去除氧器回用，节能降耗的同时，也解决了闪蒸带来的环保问题。此研究为化工生产中低位热能回收工艺路线的选择提供了可靠基础。

2 改造思路

遵循节能思想，尽量减少对高品位能源的消耗，减少循环水消耗。为了能够达到设计要求，专门成立研究小组，对热电车间存在问题具体分析改造，实现了冷凝液余热回收利用目标。研究小组主要从以下4个方面来考虑 ：①热泵技术在低位热能回收方面的应用 ；②冷凝液余热回收的研究 ；③闪蒸热能回收利用及疏水分类回收的研究 ；④冬季采暖热源利用余热降低能耗的研究。

本课题研究不仅可以解决热电车间的能源浪费问题，同时也为以后热泵技术在低位热能回收方面的应用提供可靠基础。关键点是利用热泵技术回收低品位能源热量并再次应用，以少量蒸汽为动力，溴化锂热能回收升温技术为核心，通过换热器和热泵技术将原本散失的低温余热回收给系统，最终达到节能减排的目的。

3 低品位热源主要工艺参数

表1 进热泵工艺参数

4 热泵工作原理

该项目以溴化锂热能回收机组升温技术为核心，通过换热器和热泵技术将原本散失的热量回收给系统。具体为利用溴化锂热泵技术将原来被循环水带走的70℃以下低温余热（蒸汽冷凝液）中的热能进行回收，提取出的热量用来加热进除氧器的锅炉给水，在回收利用冷凝液和闪蒸废热的同时，节省了循环水和蒸汽消耗，达到了显著的节能效果。

一类热泵遵循卡诺逆循环原理和热力学定律中关于低温热能不可能无代价地转变成为高品位热能。热泵系统以蒸汽为动力，溴化锂溶液为吸收剂，水为蒸发剂，利用水在高真空状态下低沸点沸腾的特性，来制取满足生产生活应用的更高品质能源。

热能转换主要步骤有：驱动蒸汽进入浓缩器间接加热工质稀溶液，将工质稀溶液分成水蒸汽和工质浓溶液，水蒸汽在冷凝器凝结成液态，实现对被加热介质（锅炉水）的二次加热，这两个组合相当于对工质稀溶液进行负压精馏；得到的液态水进入取热器，与外来低温余热（蒸汽冷凝液）换热得到比冷凝液温度低5℃左右的水蒸汽，该水蒸汽进入加热器被工质浓溶液快速吸收，由于工质浓溶液具有快速吸收水蒸汽并释放大量热的特性（类似于浓硫酸吸收水蒸汽沸腾），从而实现对被加热介质（锅炉水）的初次加热，实现热量回收。

图1 热泵工作原理

5 改造效果

1）蒸汽冷凝液经冷冻站利用余热后送至化学水装置时温度平均约70℃，超过化学水混床最高允许进水温度50℃，会损坏混床内树脂，原流程采用传统循环水冷却工艺，会消耗大量循环水，并且伴随着换热器结垢的问题；改造后冷凝液来水通过热泵吸收热能降温至50℃以下，这样就降低了循环水的消耗，也避免了换热器的结垢问题。

2）锅炉水进入除氧器前需要升温至120℃以保证除氧器工作稳定，该升温是通过前置加热器解决，要消耗大量中压蒸汽；改造后进除氧器的三股水（汽封换热器出口的水、冷渣机出口的水、疏水箱来水）分别先与热泵机组交换热量升温至90℃，再去前置加热器，这样就节省了加热器的蒸汽消耗。

3）热电车间疏水扩容器、定排扩容器闪蒸直排，废热未被利用，造成能源浪费；改造后对疏水进行分类回收，即高压疏水经高压扩容器获取蒸汽系统自用，剩余水泵送至除氧器；低压疏水经疏水泵与冷渣机出口的水汇合送至热能回收机组吸热升温后去加热器，再进入除氧器，节省了加热器的蒸汽消耗；另外热电疏水、定排扩容器的水收集后送入闪蒸罐获取蒸汽系统自用，再设换热器用除盐水回收排污水的热量以回用，同时也能实现消除白烟问题；

4）我公司冬季采暖热源全部采用低压蒸汽加热，能源消耗巨大。改造后冬季采暖热源先通过热泵机组吸收冷凝液的余热升温约15℃，可以节约大量新鲜蒸汽。

表2 出热泵工艺参数

6 经济效益

热泵技术在改造中得到成功应用，随着公司生产负荷从试车转入到正常，该技术充分回收了各类别冷凝液热量，水量及热量回收达到90%以上，达到了该技术的设计目的，表明该技术是可行的。该技术的应用为全公司的高效节能运行打下了良好的基础，同时为热泵技术在化工生产低位热能回收工艺的选择提供可靠依据。

热泵技术实施后，2018年底调试合格，进入试运行阶段，通过一年的运行情况看，平均小时节能量达到8 t 多（按蒸汽计），月产生节能收益50多万元，年可节约700多万元，达到并超过设计要求。冷渣水去加热器前温度由60℃提高到90℃；汽封水去加热器前温度由50℃提高到90℃，系统运行稳定，达到了设计目的，全年节约蒸汽折合72 641，减少循环水281 t/h，起到了良好的节能效果。

7 结论

因动力来冷凝液温度持续偏高，比设计值高6 ～7℃，一直在80℃以上，造成可回收的热量比设计值要高，另外现在公司运行负荷高，冷凝液量大，故此冷凝液热能回收项目节能收益比设计值大。

本项目利用热泵技术充分回收冷凝液等低品位能源热量，达到节能减排的显著效果，经过尼龙科技公司现场运用，效果良好，为低位热能回收工艺路线的选择打下了可靠的基础，该技术的应用可以在同行业生产中推广，社会效益不可估量。

热泵应用仍将处于高速发展的上升阶段，作为节能减排的技术，热泵技术前景广阔，会有越来越多的国家及政府、企业意识到热泵可以带来的节能及环保效益，市场数据也表明未来发展趋势良好。