热泵技术及其在工业节能中的应用

1、1.能量系统的转换1.1能量的品位能量是物质的基本特性参数,它表示物质所具有的做功能力。热力学第一定律说明了不同形式的能量可以转换，但在转换过程中数量守恒，热力学第二定律指出，能量除了有量的多少外，还有品位的高低，不同品位的能量转变为功的能力不同。物质的总能中可用能所占的比例代表了能量的品质。世界各国学者对“可用能”的理论和在各个领域中的应用进行了深入的研究和广泛的实践。1960年至1963年间，南斯拉夫学者郎特把能量分为可转变为技术功部分火用（Exergy）和不可转变为技术功部分火无（Anergic）。火用表示热力系统中物质在任意状态下相对于环境零态（dead state）所具有的最大做功能

2、力。火无表示物质所具有的总能中，相对于环境零态，不可转变为技术功部分。根据火用的定义，对于开口系物质所具的比火用为：e = h-h0-T0(s-s0) （1-1）根据火无 的定义，物质流的物理火无为：e = h-e = h0+T0(s-s0) （1-2） 火用的概念是建立在热力学第一定律和第二定律基础上的热力参数,它表示能量在给定的环境条件下(P0、T0及其它参数），所能产生的最大有用功。它既可以表示能量的数量，又可以表示能量的品位及其可利用程度，火用的单位与焓的单位相同。稳流工质可逆变化到环境状态，可设想由等熵和可逆等温两个过程组成。当忽略流动工质动能和位能的变化，由状态1可逆变化到环境状态

3、零态（P0、T0）。稳定物流火用的数值可以用工质热力性能参数表计算得出，也可用火用 - 熵图（e-s）表示。在实际过程中流入火用一定大于流出火用 。即ex1ex2+ew 。它同能量概念不同，进出设备的火用并不守恒，只会减少，其减少的数值就是火用损失，见公式（1-3）。ex表示能量的变质。ew 表示火用转变为机械功部分。ex = ex1 ex2 -ew （1-3） 根据孤立体系熵增原理，对于整个体系来说，不可逆过程熵只会增加，即产生有用功的能力减少。在数量上熵的增加等于火用的减少。流入火用等于流出火用和火用损失之和，称为火用平衡方程式：ex = ex2 + ew +ex （1-4）火用效率表示传

4、热设备的能量在数量上和质量上利用的完善程度，对于减压器，则表示流出的火用占流入的火用比值。 （1-5）热力学第一定律说明了不同形式的能量可以转换。热力学第二定律指出，能量除了有量的多少外，还有品位的高低。应该避免在能量转换过程中有效能的无效贬值，即减少能量转换过程中的不可逆过程。在实际能量转换过程中，火用只会减少，不会守恒。1.2常规热力系统蒸汽节流减压的能量损失蒸汽减压方法可以分为三类：节流式减压是典型的不可逆过程;回转式减压即利用汽轮机将蒸汽减压的能量差转换为机械功，热电厂的汽轮发电机组运行属于回转式减压。引射式减压即利用蒸汽喷射式热泵进行减压，在蒸汽减压过程中，将废热蒸汽增压后，使其一并

5、供给加热设备用汽。引射式减压可以向热用户提供介于工作流体和被引射流体两种流体不同压力中间任何一种所需要的压力等级蒸汽。采用阀门利用其阻力特性控制调节蒸汽压力的方法一律称为蒸汽节流减压，它是对外界不作功的熵增等焓过程，蒸汽在节流减压过程中，由于摩擦、涡流使大量有规则运动的分子变为无序运动，产生耗散功，导致熵的增加，致使蒸汽能量产生无形的损失。采用阀门及利用其阻力特性控制调节蒸汽压力的方法一律称为蒸汽节流减压，它是对外界不做功的熵增等焓过程，蒸汽在节流减压过程中，由于摩擦、涡流使大量有规则运动的分子变为无序运动，产生耗散功，导致熵的增加，致使蒸汽能量产生无形的损失。（见图1-1）假定蒸汽节流减压在

6、绝热状态下进行，为了导出绝热节流减压的能量方式，首先列出流入系统1Kg流体稳定流动的能量方程式： （1-6）绝热节流的热力过程具有以下特点，热力系统同环境间用绝热壁包围，热流q=0，节流前后适当距离处截面速度基本不变，并且它的动能和焓值相比甚小，所以速度平方差可以忽略不计，即： 。由此得出蒸汽节流减压过程的能量方程式：h2 = h1 （1-7）从热力学第一定律热效率观点分析，蒸汽节流减压前后焓值相等即h2=h1,反应不出能量的损失。但是，熵的增加反映了在孤立的热力系统中，能量产生变质，转变为可用功的能力减少了，无疑这是能量的无效贬值和用能的浪费。蒸汽节流减前后的损失，可以表达为： ex1-ex

7、2 T0(s2-s1) （1-8）根据火用效率的定义： （1-9）以下用计算对比说明，将P10.80MPa,t1210蒸汽减压到P20.20MPa，采用蒸汽节流减压和热泵供热有效能火用 值的变化。根据计算得出：P10.8MPa,t1210工作蒸汽的火用为864.57KJ/Kg,用上述参数蒸汽作为热泵的工作动力将P20.03MPa的二次蒸发汽增压至P30.20MPa,采用热泵供热和蒸汽节流减压的两种方式，其火用值所占比例的变化比较见图1-2。从图1-2中可以看出，由于低于热用户能量品味低温热流如热力系统中，部分排弃的火用转变为有效火用 。蒸汽喷射式热泵替代节流式减压还有利于热力系统能级的匹配，有

8、利于建立合理的用热网络。蒸汽节流减压仍然是目前各工业企业普遍采用的调节蒸汽压力的方法，通过减压阀将高品味蒸汽节流减压得到所需要的用汽参数。由热力系统排放出的蒸汽冷凝水夹带大量二次蒸发汽，造成能量浪费，这是一种常规的传统供热模式。应该建立新的热泵供热系统替代上述传统供热模式，在工业生产中充分利用能量，降低成本，发展生产，保护环境。1.3 疏水系统产生的能量损失 蒸汽在换热器中加热无聊后，大量蒸汽冷凝水的显热，二次蒸发汽及疏水器漏损蒸汽的潜热，在常规热力系统中，经常没有得到回收利用，致使蒸汽能量产生有形损失。蒸汽冷凝水的余热损失QK为： QK= （1-10） 公式中：GK 排出冷凝水的流量 kg/

9、h XS 疏水器的漏气率 r1 换热器工作压力下蒸汽的汽化潜热 kJ/kg XT 产生二次蒸发汽的比例 % r2 二次蒸发汽的汽化潜热 kJ/kg iK 排出的冷凝水焓值 kJ/kg 蒸汽冷凝水系统产生的有效能损失e为： e= e1 + e2 + e3 （1-11） 式中e1 、e2 、e3分别表示排出的冷凝水，疏水器漏气及二次蒸发汽的有效能。另外，在工业生产过程中产生的低品位付产蒸汽由于其压力低、品位不相匹配排放到环境中，同样是用能的浪费。2、蒸汽喷射式热泵2.1 热泵的原理蒸汽喷射式热泵或称热能压缩机，它利用热电站或锅炉供出蒸汽压力和工艺设备用汽的能量品位差转换为热泵的动力。其工作能力即供

10、出的蒸汽压力、抽吸二次蒸发汽的能力和消耗的新蒸汽量等均同工作蒸汽的膨胀比和被抽蒸汽的压缩比密切相关。2.2 热泵分类蒸汽喷射式热泵按其调节控制方式可以分为两种类型：2.2.1 蒸汽质量调节热泵（见图2-1）图2-1 不可调节式热泵习惯将其称为不可调节热泵，其工况变化通过调节热泵入口新蒸汽的压力和流量来实现，而热泵本身不带调节装置，因此通常称为不可调节热泵。一般热泵即不可调式热泵，当生产运行工况（即用汽压力和流量）发生变化，则需要调节热泵进口工作蒸汽干管上蒸汽调节阀。在调节过程中，由于蒸汽调节阀开度变化，就会改变和降低进入热泵的工作蒸汽压力，从而改变了工作蒸汽的膨胀比及热泵进口新蒸汽做功的能力，

11、将明显影响热泵工作效率。调节阀开度减少，流通阻力增大，调节阀后的蒸汽压力降低，即降低了热泵工作效率。这是不可调节热泵共性缺点和不足，不可克服。我们专门设计的质量调节热泵特点如下； 按不同热用户特点、不同的新蒸汽压力，专门设计热泵使其高效率运行。 热泵本体设计采用流线型通道，流体阻力小，热泵效率高。 喷咀关键部件均采用专门工艺加工成形，运转耐久可靠。 热泵及热泵系统产品，列入国家重点新产品和国家级科技成果推广计划。 采用高新技术设计，其研究成果评为国家科学技术进步三等奖，中国轻工业科技进步二等奖，国家环保科技进步二等奖，天津市科技进步一等奖及黑龙江省重大效益奖等。2.2.2蒸汽流量调节热泵（见图

12、2-2）（专利号：ZL2006200735598）图2-2 可调式热泵流量调节热泵通常称为可调节热泵，在热泵进口工作蒸汽干管上不需设置调节阀，热泵本身配置调节机构和喷嘴调节针芯等，当热力系统运行工况发生变化时，通过热泵自身调节机构调节和改变喷嘴通过蒸汽的有效断面积。在调节过程中它不会改变新蒸汽压力，使其在适应各种运行工况变化的调节过程中，只需调节喷嘴的有效断面积，通过热泵喷嘴工作蒸汽压力保持不变，其单位流量新蒸汽做功能力不会改变。在各种生产运行变工况条件下可调节热泵均可高效运行。可调式热泵本身配有调节机构、阀门定位器及调节针芯等，关键部位均采用不锈钢材质，喷镀特殊耐磨金属材料，通过改变热泵的喷

13、嘴有效断面实现热泵工况（即供汽压力、供汽负荷）调节。在热泵调节过程中，热泵入口新蒸汽压力均不变，即热泵的作功能力不变，调节性能好、热泵效率高。专门设计的可调节热泵可以按各种装置工艺特点、新蒸汽的压力及能量品位，提供各种高效运转可调式热泵。特点如下： 按热力系统的特点、不同的新蒸汽压力专门设计热泵，使其高效运行。 喷嘴等重要部件采用特殊的硬质合金，耐磨损，耐冲刷。 紧密结合热力流程工艺特点，严格设计蒸汽冷凝水系统。 可调式热泵设计采用7项专门的新技术。 专门设计的可调式热泵，可以用于在各种压力等级蒸汽工况下，均可以保证热泵高效率运行。2.3 热泵的特性参数2.3.1热泵引射系数热泵是其热泵供热系

14、统的关键设备，热泵引射系数表示单位工作流体引射低品位流体的能力，可以通过以下简化的数学表达式，通过计算机计算得出： = （2-1）可以采用以下数学表达式计算工作流体的膨胀比E和被引射流体的压缩比K。Pp/PH = E （2-2）PC/PH = K （2-3）其中E值表示工作流体的压力Pp与被引射流体的压力PH的比值，称为工作流体的膨胀比（公式2-2），K值表示混合流体的压力Pc和被引射流体压力PH的比值，称为被引射流体的压缩比（公式2-3），热泵的引射系数伴随工作流体膨胀比增大和被引射流体压缩比减小而增大。则其热泵的引射系数为： = （2-4）蒸汽喷射式热泵用于纸机干燥部，其高品位工作流体及低

15、品位引射流体均为水蒸汽。工作蒸汽的临界速度px同混合流体的临界速度基本相等，用于计算分析热泵引射系数的公式（2-4）可以简化为：=0.834 （2-5）其中，Hp工作流体从压力Pp到引射流体PH产生的焓降 KJ/Kg HC引射流体从压力PH到热泵出口混合流体Pc热焓的增值 KJ/Kg2.3.2 影响低压蒸汽热泵引射系数的相关因素通过对于上述热泵引射系数数学分析式，可以通过以下热工参数的变化分析低压蒸汽热泵引射系数的相关影响因素。 工作蒸汽流入和流出热泵喷嘴的蒸汽焓差降低，致使热泵引射系数降低。对比锅炉供汽压力为P1=0.9MPa（饱和蒸汽），热电站汽轮机背压（或抽汽）压力为P1=0.5MPa（

16、通过蒸汽减温后的饱和蒸汽）。热泵供出压力高温、中温及低温分别为Pc=0.25MPa，Pc=0.12MPa及Pc=0.05MPa三个压力等级蒸汽。由计算得出，采用P10.9MPa做为热泵的工作流体。其中热泵出口用汽压力高温、中温、低温如上所述，则其工作蒸汽的焓降Hp分别为1.0、1.48、1.90。如果采用P1=0.50MPa蒸汽做为工作流体，热泵供出蒸汽压力同上所述，则其工作流体蒸汽的焓降Hp分别为P=0.90MPa做为蒸汽的工作流体焓降的0.58、0.72和0.78倍。显然，由于工作蒸汽压力降低，则按公式（2-5）计算工作流体焓降减少，采用低压蒸汽作为热泵的工作流体，其热泵引射系数将会明显降

17、低。 热泵工作蒸汽的膨胀比降低致使热泵值降低低压工作流体的热泵同高压工作流体热泵相比，其工作蒸汽的膨胀比E明显降低，致使热泵引射系数降低。以下对比说明工作蒸汽为0.9MPa、0.5MPa对E值的影响。采用P=0.9MPa和P=0.5MPa作为热泵的工作蒸汽，热泵供出高温、中温及低温蒸汽压力仍同上所述，热泵的工作蒸汽膨胀比E值列表说明如下： 表2-1Pc=0.25MPaE KJ/KgPc=0.12MPa E KJ/KgPc=0.05MPa E KJ/KgP = 0.9 MPa3.1255.2638.333P = 0.5 MPa1.8753.1585.000E0.5 / E0.90.6000.60

18、00.600通过表中数据分析得到，采用P=0.90MPa和P=0.50MPa作为热泵的工作蒸汽，其热泵工作蒸汽膨胀比相比，采用P=0.50MPa蒸汽作为热泵工作蒸汽，其工作蒸汽膨胀比只为前者0.6倍，热泵引射系数明显降低。 工作蒸汽有效能降低致使热泵引射系数降低。通过上述分析：工作蒸汽流入和流出热泵喷嘴焓差HP降低 ，工作蒸汽膨胀比降低。其实质就是进入热泵喷嘴工作蒸汽的有效能火用值的降低，导致热泵的引射系数降低。通过分析单位工质比火用的表达式得出热力系进出状态1到状态2 火用值及其火用值变化的表达式为：EC= EP1-EP2 =（HP1-T0S1）-（HP2-T0S2） （2-6）可以认为，进

19、出热泵为状态1至状态2。其工作蒸汽进口及出口火用值变化代表工作流体作出有用功的大小。由于进入热泵喷嘴工作流体蒸汽压力降低，新蒸汽熵值SP1增大，工作蒸汽的焓降HP降低，热泵供出的混合蒸汽压力蒸汽量及焓值均不改变，工作蒸汽的膨胀比E减少，则其热泵引射系数降低。取用工作蒸汽压力为P=0.9MPa及P=0.5MPa，热泵作为开口系热力设备，流入为新蒸汽压力HP1，流出压力为热泵出口焓值HP2。当工作蒸汽压力为0.9MPa及0.5MPa时，工作蒸汽流体可以利用的有效能及其两种工作蒸汽压力的比值列表说明如下： 表2-2Pc=0.25MPaE KJ/KgPc=0.12MPa E KJ/KgPc=0.05M

20、Pa E KJ/KgP = 0.9 MPa162.322237.0998303.058P = 0.5 MPa90.3525165.1303231.6885E0.5 / E0.90.55660.69650.76253.热泵供热系统的基本流程3.1热泵供热流程蒸汽喷射式热泵供热系统由喷射式热泵、高效闪蒸罐、专门设计的压差疏水器和换热器组成。以下分析一个典型的石没化工生产实例。（见图3-1）在某石油化工联合企业硫铵车间的蒸发工序，采用单效减压蒸发，以已内酰胺生产的副产硫铵母液为原料，将硫铵母液浓度由3033%，浓缩至70%，经过蒸发、结晶、搅拌、离心分离及干燥得到粒状固体硫铵化肥外销。生产每吨硫铵产

21、品需耗用标准煤275.5kg,其中蒸汽占95%，电占3.9%，水占0.4%.节省蒸汽是该装置节能降耗的重要环节。在原来生产过程中，采用蒸汽节流减压，加热蒸发及疏水器组成常规的热力系统向硫铵母液蒸发器供热。由于节流减压造成蒸汽能量贬值和通过疏水器产生大量低品位废热排放于环境中，造成用能的浪费，并对周围环境产热污染和噪声污染。 我们采用热泵供热流程如下：由外管来的P1=0.88MPa（表压、下同），t1=240的工作蒸汽通过蒸汽喷射式热泵吸入高效闪蒸罐产生的二次蒸发汽，将其增压到P2=0.24MPa进入蒸发器加热室,由硫铵蒸发器排出的蒸汽冷凝水经过专门设计的压差排水器进入高效闪蒸罐产生的二次蒸发汽

22、再由蒸汽喷射式热泵进行压缩提高能量品位后供生产使用。由闪蒸罐排出的蒸汽冷凝水靠其液位及余压经过物料换热器预热物料，冷凝水降至60左右，再由系统中排出。3.2热泵供热系统的运行及效益热泵供热系统于1984年9月投入工业生产运行,一直正常运转,取得了明显的技术经济效果其效益如下: 提高了能量利用率,由热泵供热系统排出的蒸汽冷凝水温度只有60,其余焓只占蒸汽焓值的8.57%。 提高了蒸汽有效能利用率,通过热泵供热供热系统代替了蒸汽节流减压,蒸汽能量的品位得到了合理的应用。 改善了劳动环境，蒸汽节流减压阀门产生的噪声为104分贝，热泵系统投入运行后降低到74分贝以下，并消除了车间周围环境的热污染。 提

23、高了经济效益，每吨硫铵产品单耗蒸汽由2.34t/t,下降到1.84t/t，产品单耗蒸汽下降了21.4%。投资回收时间不到半年。上述热泵供热系统运行实例曾由中国石化总公司推荐参加了国际能源管理及节能技术展览会展出。并荣获部、省级科技进步奖。4、热泵供热在工业生产中的应用4.1废热蒸汽回收及换热网络4.1.1 热力系统运行工况分析某大型石油化工企业2PE装置在生产过程中耗用P=0.5MPa、1.3MPa、3.0MPa三种压力等级的蒸汽，在化工生产过程中，每小时连续排放低压付生蒸汽约3t/h，排放压力P=0.40-0.55 MPa。 2PE装置排放的付生蒸汽通过专门设置的废热蒸汽管线，除采暖季节供给

24、采暖用户外，其它季节均排放到环境中去。 该企业PP装置耗用的P=0.65MPa，t=172过热蒸汽，其蒸汽来源于本公司热电厂,在本厂热力入口将P= 1.30MPa，t=230的蒸汽减压至0.75MPa，再通过设在PP装置内的过热蒸汽减压减温设备,由0.75MPa减至0.65MPa,由温度220减温至172（过热度为5）,供给PP装置工艺设备用汽。通过上述分析，2PE及PP两套装置的热力系统有以下明显缺点,2PE装置产生的付生蒸汽排放到大气中，没有进行能量回收利用。PP装置采用的新蒸汽却从工厂的热力入口至本装置先后两次采用蒸汽节流减压，造成蒸汽热能无效贬值方法，得到所需要参数的蒸汽。应该建立一个

25、新的热泵供热系统回收2PE装置排放的二次蒸发汽，采用热泵将其增压后，供给满足PP装置所要求的压力、温度和数量的蒸汽。4.1.2 热泵供热流程 工艺装置用汽的特点可以利用2PE及PP两套装置间的互补条件建立热泵供热系统,回收利用2PE装置排放的付生蒸汽，替代蒸汽节流减压向PP装置提供所需数量、压力和过热度的蒸汽。由于热力系统运行同工艺生产密切相关，热泵供热系统设计和运行必须克服以下难点l 热力系统运行须安全可靠。2PE装置紧急停车时不能影响PP装置用汽。l 不改变上游2PE装置付生蒸汽的排放工况。付生蒸汽接入PP装置管道后,不能影响2PE装置排放付生蒸汽，也就是2PE装置排放背压不能提高。l 热

26、泵供热系统同现有热力系统转换方便。付生蒸汽与新蒸汽切换不能有波动，不能影响PP装置生产用汽。l 免维护稳定运行。该设备投运后不具备经常检修条件，即需要“免维护”。l 选择合适的付生蒸汽及热泵供热系统切入点位置及切入点工况。 热力流程如图4-1所示，由2PE装置排出的付生蒸汽进入一级汽水分离罐102进行汽水分离和扩容闪蒸，再进入二级汽水分离罐103继续进行汽水分离和扩容闪蒸，利用热泵101将经过二级汽水分离和扩容闪蒸后的付生蒸汽进行增压和提高温度。热泵101出口蒸汽达到控制参数后，通过现有的蒸汽管线供PP装置生产用汽。 热泵供热系统运行2PE装置付生蒸汽回收项目于2001年6月投入运行已经八年，

27、解决了引进装置原热力系统设计存在的问题，完全满足了生产要求。该热泵系统具有以下特点：首先2PE装置付生蒸汽排放压力和原来对外排放工况相同，仍保持在0.45-0.55MPa之间。热泵供热系统适应付生蒸汽压力和流量变化的影响，少则少收，多则多收。当付生蒸汽压力波动及流量变化时，热泵供出的蒸汽压力、温度及流量均能满足PP装置的生产要求。 其次，下游PP装置供热系统可靠，热泵系统投运和退出均无扰动；再次，该热泵系统控制回路简便，投运和退出方便，付生蒸汽流量采用自动控制和调节，就是在2PE装置紧急停车时,付生蒸汽突然下降，蒸汽喷射式热泵压力调节系统仍会根据热泵出口压力参数值进行自动调节，保证PP装置生产

28、供汽系统安全可靠。最后，该蒸汽喷射式热泵本身没有运转设备，热泵的关键部位喷嘴等均采用合金材质经特殊加工而成，耐磨损、耐高温、耐腐蚀，不需检修。符合不间断供汽要求，热泵运转状态良好。该热泵供热系统投入生产运行后,每个月逐日统计了运行数据。现以2003年5月份运行数据为例说明如下：以热泵进口新蒸汽压力PP,付生蒸汽压力Ph，热泵供至PP装置蒸汽压力PC为纵坐标，时间日为横坐标，PP、Ph、PC日变化请见图4-2。以付生蒸汽流量GH为纵坐标，时间日为横坐标，热泵回收的付生蒸汽量日变化见图4-3。2PE装置排放的付生蒸汽冬天主要用于采暖，夏季分流部份付生蒸汽做为溴化锂吸收式制冷机发生器用汽，过渡季付生

29、蒸汽全部采用热泵增压后供PP装置生产用汽，所以供给热泵供热系统的付生蒸汽量是变值，在0至最大值 3.5t/h范围内变化。图4-3曲线显示，2005年5月份溴化锂制冷机开始投入运行，其制冷机用汽负荷伴随环境气温变化。5月15日、5月26日出现供给热泵供热系统的付生蒸汽流量峰值为3.18t/h，谷值为1.37t/h。由于我们专门设计的热泵具有较好的调节性能，热泵供热系统可以经受2PE装置付生蒸汽流量变化的影响。热泵供出的蒸汽压力、温度、流量均能满足PP装置的生产要求。热泵供热系统适应PP生产装置用汽压力的变化。按工艺生产需要，热泵供热系统自动调节热泵运行工况，满足工艺生产用汽要求。如图4-3曲线中

30、5月25日和5月28日PP压力峰值0.67MPa，PP压力谷值0.54MPa，热泵供热系统可以经受PP装置用汽压力变化的影响，热泵供热系统均能满足工艺生产用汽要求。当PP装置用汽压力较低时接近于付生蒸汽压力，由于付生蒸汽干度及蒸汽过热度并不能满足PP装置用汽参数要求，在这种工况下,蒸汽喷射式热泵主要用于提高付生蒸汽干度和过热度，同时也相应提高了付生蒸汽压力，以满足生产要求。4.1.3 经济效益 回收蒸汽效益。按全年工作时间8.5个月计算（扣除采暖季节3.5个月）,全年运行6120个小时，每小时回收付生蒸汽平均量2.5t/h，按418.7×104kJ(100万千卡)热量定价为100元计

31、算，全年回收蒸汽量15300吨，每年回收付生蒸汽费用折合人民币100.71万元。 生产成本下降 PP装置使用付生蒸汽运行效果良好，操作管理方便，并且消除了付生蒸汽产生的“白龙”，创造了良好的环境效益、社会效益和可观的经济效益。4.2 能级匹配及热力系统优化运行江苏某化工有限公司甲胺生产装置各段蒸发塔再沸器等工艺用汽设备，用汽压力不同，采用热泵供热系统替代原有热力系统，将蒸发塔、再沸器排出的蒸汽冷凝水产生的二次蒸发汽，经专门设计的流量调节热泵增压后，再供再沸器等工艺设备用汽，使其蒸汽能量和品位都得到充分的回收和利用。4.2.1 热力流程对比 常规热力流程本车间技术改造前采用直供汽和蒸汽冷凝水闪蒸

32、供汽系统。新蒸汽直供气化器E-106及E-101塔、E-102塔、E-103塔等再沸器用汽，蒸汽冷凝水排至汽水分离罐V-101。原设计拟采用汽水分离罐V-101产生的二次蒸发汽供E-104塔及E-105塔再沸器等用汽。由于二次蒸发汽压力及数量变化，不能满足塔及塔再沸器工艺生产要求。汽水分离罐V-101的工作压力P0.25MPa，排出的蒸汽冷凝水温度对应的饱和温度为138.19，蒸汽冷凝水由V-101排至冷凝水罐V-102，致使V-102工作温度和工作压力升高，在V-102的塔顶设置冷凝器消耗大量循环冷却水将其二次蒸发汽冷凝，造成冷却用水的浪费。（见图4-4） 热泵供汽热力流程图按生产工艺要求，

33、由于E-102塔及E-103塔再沸器生产用汽压力较高，采用新蒸汽直供。E-106气化器，E-101塔、E-104塔及E-105塔再沸器等工艺设备用汽压力较低，采用热泵供汽。上述相关各工艺设备的蒸汽冷凝水回至V-101进行扩容闪蒸，产生的二次蒸发汽由热泵H-101增压后供气化器、塔、塔及塔再沸器等工艺设备用汽。热泵供热系统投入运行后，V-101的工作压力由P=0.25MPa降至约0.02MPa。排出的蒸汽冷凝水温度由t138降至103104。同时致使V-102工作压力、温度降低，节省了V-102塔顶冷凝器消耗的冷却水。（见图4-5） 4.3 钢铁冶金焦化蒸氨塔热泵供热我国正在建设“节约型社会，“

34、其中要实施10大重点节能工程，包括余热、余压利用工程，能量系统优化。工业节能降耗又是循环经济的重要内容之一。我国把工业节能作为节能的重点领域，特别突出要抓好钢铁、有色金属、煤炭、电力等9个行业的节能工程，大幅度提高能源利用率，主要产品能耗达到国内和国际先进水平。本课题研究充分利用蒸汽有效能，用于引进的钢铁化工企业蒸氨工段的热力流程，建立蒸汽喷射式热泵供热系统，回收塔釜排出的含氨废水汽水混合物中夹带的二次蒸发汽，将其增压后再供塔釜加热用，节能降耗效果显著，热泵供热系统投入运行后，蒸氨装置蒸汽单耗由同期的102.66kg/m3氨水降至78.61kg/m3氨水，降幅达23.42%，预计年降低蒸汽消耗

35、折合费用人民币136.86万元。4.3.1 热能转换能量是物质的基本特性参数,它表示物质所具有的做功能力。热力学第一定律说明了不同形式的能量可以转换，但在转换过程中数量守恒，热力学第二定律指出，能量除了有量的多少外，还有品位的高低，不同品位的能量转变为功的能力不同。物质的总能中可用能所占的比例代表了能量的品质。把能量分为可转变为技术功能份火用和不可转变为技术功部份火无。在能量转换过程中火用值不会守恒，不会增加，只会减少。火用值减少即熵值增加过程，通常将其能量贬值熵值增加称为能量转换过程中的“无形损失”。 系统能量的流失，通常称为能量的“有形损失”。4.3.2能量损失必须减少本系统能量转换过程中

36、的“无形损失”及“有形损失”，现对蒸氨塔釜热力过程中能量损失进行如下分析。 蒸汽能量转换过程中能量贬值。能量除了有量的多少外，还有品位的高低，不同品位的能量转变为可用功的能力不同。应该避免在能量转换过程中有效能的贬值，减少能量转换过程中的不可逆过程。由蒸汽外管供给的P=0.7MPa,t210过热蒸汽直接用于P0.039MPa，t108氨水溶液加热，通过调节阀将其蒸汽能量进行节流减压产生能量贬值。由于供热和用热能级不同，新蒸汽进入氨水溶液中压力降低，水蒸汽的焓值全部用于氨水加热，但是其蒸汽有效能属于对外界不作功，无效贬值过程。计算蒸汽有效能火用的表示式见（11）：计算得出P0.7MPa，t210

37、和P0.039MPa，t108蒸汽有效能分别为e1851.594 kJ/kg和e2567.089 kJ/kg。由于蒸汽压力降低，计算得出新蒸汽火用损失为284.505 kJ/kg,损失率为284.505/851.594=33.41%，可以将上述能量贬值过程称为能量的“无形损失”。可以采用喷射式热泵，以新蒸汽做为热泵的动力，利用蒸汽减压过程中的有效能差值作功，回收含氨废水中的二次蒸发汽，将二次蒸发汽提高压力后供蒸氨塔釜加热用，以降低蒸氨塔的蒸汽耗量。 蒸汽能量转换过程中的热量损失在蒸氨塔中是氨蒸汽发生和精馏过程，在塔釜直接将蒸汽通入含氨溶液中，直接加热氨溶液，使其氨水汽化，而含氨的稀溶液从塔釜排

38、出，由于采用蒸汽直接加热，由塔釜排出的含氨废水则为含有蒸汽的两相流，其中含汽量即为主要的余热资源。难以通过计算得出含氨废水中的含汽量，我们力图通过热平衡计算，得出由塔釜排出含氨废水中的含汽量，分析方法如下：按实测数据计算得出由塔釜排出含氨废水中显热量Q1，计算得出换热器E-1301热回收量Q2和换热器E-1303热回收量Q3。根据上述测试数据，如果计算得出Q1Q2+ Q3，则说明塔釜排出的废水是含有水蒸汽的两相流，即由塔釜排出的含氨废水中其显热及含有水蒸汽的潜热构成其余热资源，其中水蒸汽的潜热是其主要部份。厂方在现场经过多次测试,按实测数据计算得出汽化率为515，由于水泵输送、设备及管道散热损

39、失及生产运行情况等原因，测试得出数据均不同，尚需依靠生产运行验证。通过上述分析，按能源系统优化工程原则，应该充分利用蒸汽的余热、余压，减少和回收蒸氨塔釜用汽能量转换过程产生的能量“无形”及“有形”损失。4.3.3 蒸氨塔热泵供热系统 常规工艺流程某化工有限公司煤气精制厂蒸氨塔工艺从国外引进。其蒸氨塔釜通过调节阀直接通入P0.7MPa，t210的过热蒸汽用于氨水溶液加热蒸发。塔釜压力为0.039MPa，t108。通过塔顶冷凝器得到99氨气，塔釜排出温度t108含氨气水混合物，进入沥青分离罐T-1303。采用水泵P-1303将含氨废水经过换热器E-1301及E-1302回收余热后，排至工业污水处理

40、装置。蒸氨塔热工参数 表4-1序号项目压力MPa温度流量t/h比容m3/kg焓KJ/kg备注1新蒸汽0.702107.80.27292.862×1032塔 釜0.03910882.5m3/h1.2593塔 顶0.02010010m3/h(蒸氨量0.281t/h)4物 料0.19478775m3/h蒸氨塔釜采用P0.7MPa t210的过热蒸汽在加热氨水溶液的过程中，只利用了蒸汽汽化潜热，在加热过程中由于供热及用热两者能级相差较大，蒸汽能量的品位没有得到合理匹配，蒸汽能量品位产生了贬值，同时由蒸氨塔釜排出的含氨汽水混合物夹带着蒸汽，能量的数量也没有得到充分的回收利用。本课题研究的目的就

41、是利用热力管网供给的新蒸汽和蒸氨塔用热的能量差做为热泵的动力，建立可调式蒸汽喷射式热泵系统，回收由塔釜排出的含氨汽水混合物中夹带的二次蒸发汽，采用喷射式热泵将其增压后，同新蒸汽一并做为供给氨蒸发塔釜加热用蒸汽，从而降低氨蒸发塔生产汽耗。具体数据，列表说明如下： 表4-2项 目二期蒸氨处理量，m3二期蒸氨蒸汽消耗量，吨蒸汽单耗，kg/m3氨水改造前2004年11月45764418691.472004年12月466125125109.952005年1月533845653105.89累计（平均值）14576014964102.66改造后2005年11月494963993.1680.682005年12

42、月467603488.4574.602006年1月534944289.780.19累计（平均值3178.61 蒸氨塔热泵供热系统由蒸氨塔K-1301排出的含氨废水利用现有管道进入沥青分离罐T-1303，可以利用T-1303现有人孔设置接至可调热泵HP-1001,在现有热力管道调节阀101V前引出P0.7MPa t210等级新蒸汽做为可调热泵HP-1001的工作蒸汽，利用蒸汽喷射式热泵将沥青分离罐T-1303分离出的二次蒸发汽增压至P0.12MPa，并同新蒸汽一并供给蒸氨塔K-1301塔釜用汽。通过设定的流量值由FICQ-1303控制热泵HP-1001的供汽压力和供汽量

43、。（详见热力流程图） 图4-6 蒸氨塔热泵供热流程图4.3.4 使用效果及技术指标 使用效果热泵供热系统投入运行后，蒸氨装置蒸汽单耗由同期的102.66kg/m3氨水降至78.61kg/m3氨水，降幅达23.42%。大大超过了项目预期值，年降低蒸汽消耗折合为人民币136.86万元，投资回收时间仅为3.5个月。 技术指标除上述蒸汽消耗指标大幅度降低外，同时蒸氨废水中含氨浓度明显降低，含氨量基本在0.01%以下，大大降低了后序废水处理成本。 结论采用蒸汽喷射式热泵替代蒸汽节流减压，回收二次蒸发汽，同时又将废水中的含氨蒸汽做为资源回收至蒸氨塔，减少了废水中含氨量，生产运行实例证明，本热泵供热系统起到

44、了节能、环保、废物资源化等多重效益。本项目在钢铁冶金及化工企业将有广泛的应用前景。4.4酒精蒸馏塔釜废热回收4.4.1酒精蒸馏的节能潜力酒精行业是耗用热能的用户，目前我国酒精工业每生产1吨酒精平均用标准煤800kg。但是，生产技术落后的企业以及中、小型酒精装置生产1吨酒精耗用标准煤高达1500kg，进行以节能为中心的技术改造是酒精工业降低产品成本、投入市场竞争的重要技术措施。在酒精工业生产中热能浪费集中表现在以下三个方面：其一热能的品位没有得到合理的区配使用，在酒精工厂耗用大量低品位蒸汽的工序(如蒸馏等)，都是采用较高压力蒸汽进行节流减压获得所需要参数的蒸汽，从而造成能量的无效贬值。其二、对蒸

45、煮和蒸馏等工序中排出的大量废热蒸汽的能量。没有进行回收利用。浪费了能量，污染了环境。其三，在工艺过程中出现反复加热，冷却的生产过程。物料余热没有进行回收利用，浪费了能量。 在酒精生产中，蒸馏工艺是酒精生产耗用热能最多、热效率最低的工序。其热能耗用量是酒精生产热能总耗量的50%左右，蒸馏工艺的任务是将成熟发酵醪通过蒸馏把酒精分离出来，在酒精粗馏工序中，要用蒸汽将发酵成熟醪加热到108，分离出酒精后的废糟液带有大量的显热和潜热排放到糟液池。以江苏省句容酒厂为例，年产5000t酒精装置。根据该厂的运行参数，按日产酒精15000kg计算，则粗馏塔塔釜排出的废热液带出的热量全年为3.39X1010KJ。

46、在酒精生产当中，锅炉供出蒸汽至酒精车间压力为0.500.55MPa(绝)，粗馏塔生产耗用蒸汽压力为O.14-0.16MPa(绝)，一般采用蒸汽节流减压的方法将新蒸汽压力减至粗馏塔用汽所需要的蒸汽压力。蒸汽节流减压是能量贬值的过程，新蒸汽减压造成能量贬值，产生的火用损失为199.07kkg，相当于新蒸汽火用值的26。蒸汽的压差越大，产生的有效能损失越大。回收和利用新蒸汽的火用损失做为热泵工作的动力，回收糟液带出的废热蒸汽，提高其能量品位，再供给粗馏塔釜用汽。4.4.2酒精蒸馏热泵废热回收系统在蒸馏工艺中，蒸馏塔的塔釜加热器、塔顶冷凝器排出的大量废热都可以回收利用。本文以年产5000吨酒精装置为实

47、例，研究建立合理的热泵废热回收系统，将酒精粗馏塔排出的糟液废热提高品位后，再供塔釜加热用。 热泵废热回收热力系统由粗馏塔201塔釜排出的废热糟液经过可调压力排糟器103排出废热糟液，并使粗馏塔的塔釜保持所需要的蒸汽压力。废热糟液进入糟液分离闪蒸罐101进行汽、液分离和闪蒸，产生的废热蒸汽利用热泵102将其提高到粗馏塔釜所需要的蒸汽压力。供给粗馏塔201的塔釜加热用。由糟液分离闪蒸器排出的废热糟液通过糟液泵106提高压力后，进入高效换热器105，将锅炉给水加热至90，废热糟液温度降低到50左右，排放到糟液池202。热泵工作蒸汽压力约0.5MPa(表)，热泵供出蒸汽压为0.140.16MPa(表)

48、。闪蒸罐排出的糟液温度约为96，其工作压为0.09MPa(绝)，即闪燕罐在真空条件下工作。热泵废热回收系统热力流程图见图4-7。 主要技术要点 在本项技术研究中，采用蒸汽喷射式热泵供热系统替代常规供热系统，该系统由一系列专门研制的高效传热、传质设备组成，主要技术要点如下：1、研究热泵供热系统用蒸汽喷射式热泵替代常规蒸汽节流减压。蒸汽喷射式热泵是不以电为动力的热泵，利用蒸汽减压的能量差为动力，提高蒸汽冷凝水和工艺过程中产生的废热蒸汽的压力，使其一井供给工艺设备用汽。本研究课题中，热泵是废热回收的主要动力设备。运行实践证明，专门研制的喷射式热泵具有启动方便、运行稳定、噪音低、安全可靠，经济效果显著

49、等优点。2、采用离心惯性和扩容闪蒸的机理研制高效糟液分离闪蒸器，将酒糟和高温冷凝水分离。进一步闪蒸获得二次闪蒸汽，在容器内设有导流的弧形板和所需要的闪蒸分离空间以及汽、液流动相互干扰较小的通道，使其具有闪蒸完全、分离效果好的优点，该设备在负压工况下运行。 3、调整进入粗馏塔蒸汽分配管的几何尺寸。减少阻力损失，降低粗馏塔的用能品位，提高热泵的供热系数。4、采用高效换热器。利用糟液分离闪蒸器排出糟液的显热加热锅炉给水，使锅炉给水由常温升至90左右，降低锅炉耗煤量，糟液温度降低至约50再排至糟液池。应使高效换热器流动糟道没计合理，糟液流通侧活断面大于冷凝水流通活断面。5、在热泵供热系统的糟液分离闪蒸

50、器上还设有专门设计的定压器，使闪蒸器可以在正压或负压工况下工作。4.4.3 运行工况运行工况表明，热泵供出蒸汽压力稳定，满足粗馏塔运行要求。由于热泵系统投入工作，使糟液分离闪蒸器在真空工况下运行，热能利用充分，特别是加大了粗馏塔底排出糟液的压差，使塔釜分离后的糟液和蒸汽冷橱水排山通畅，强化了传热传质，提高了设备的生产量。热泵供热系统还具有管理方便，停车启动简便等优点。4.4.4 效果 经济效益显著。1991年8月完成项目实施，1991年9月投入试运行后，酒精单产能耗明显下降。1990年、1991年至1992年(1-11月)平均生产一吨65酒精综合能耗由0.73tt(1990)、0.612tt(

51、1991)下降到0.497tt(1992年111月)。以1992年1-11月份产量计算，1992年和1990年相比，综合能耗降低31.92。按每吨蒸汽45元（当时价格）计算，节省蒸汽获得直接经济效益62.87万元（已扣除增加糟液泵消耗的电费，下同）。 成品成本下降。以1992年1-6月份和1991年1-6月份相比。蒸汽费用占原材料和动力成本的比例由12.85%下降到11.74%。生产每吨65酒精成本下降了27.87元。 提高了热能利用率。从热泵供热系统高效换热器排出的糟液温度约为50，其余焓为209.30kJkg，占新蒸汽焓值的7.6%，热效率高，比常规热力系统热效率提高了30%以上。 提高了

52、蒸汽有效能的利用率。从热泵供热系统高效换热器排出糟液的余火用约为6.034kJkg，只占新蒸汽火用值的0.79%，蒸汽的有效能得到了充分的利用。 保护环境。有利于安全生产。以往酒厂的废糟液直接排入酒漕池，整天热气冲天，不仅污染环境，有时还会出现烫伤事故。现在的酒糟温度只有50左右。既保护了环境，又保证了安全。4.4.5结论酒精蒸馏热泵废热回收系统运转可靠，不需专人管理，长期耐用，具有显著的节能、环保和社会效益。该项技术可以广泛地用于化工、轻工、冶金、制药等以蒸汽为动力的生产企业，具有较好的使用价值和前景。本项目荣获江苏省科技进步奖。4.5 氨纶生产的热泵供热4.5.1 前言氨纶工程工艺生产耗用

53、的蒸汽由热电厂提供蒸汽压力为P12.0MPa（t380）及P21.0MPa（t320）两种过热蒸汽。经过车间分汽缸向用汽设备供给P12.0MPa（t220）及P21.0MPa（t200220）两种压力等级蒸汽。P12.0MPa压力等级蒸汽主要供空气加热器用汽。P21.0MPa压力等级蒸汽主要供精制工艺热水加热、喷射器、组件清洗和溴化锂制冷用汽。在热力系统运行中，存在明显的蒸汽节流减压能量贬值和二次蒸发汽排放没有得到回收利用问题。本项热泵系统流程的特点是在保证工艺生产稳定运行前提下，减少蒸汽减压过程中造成能量的无形损失，回收利用二次蒸发汽，消除蒸汽利用过程中的有形损失，使蒸汽能量的品位和数量都得

54、到合理利用。4.5.2 热泵供热及蒸汽节能流程 蒸汽冷凝水多级扩容闪蒸S20压力等级蒸汽供空气加热器用汽，排出压力约为P1.5MPa的汽水混合物，进入一级汽水分离罐203，产生的P0.60MPa的二次蒸发汽并入蒸汽管网一并供双效溴化锂制冷机用汽。高温冷凝水进入二级闪蒸罐204，产生P0.30MPa，流量约为0.32t/h的低压蒸汽供HW30、40、50、31、45的热水系统用汽，热水用汽量不会小于0.32t/h，其用汽量不足部分可以利用新蒸汽通过减压补汽。采用上述多级扩容闪蒸系统，空气加热器排出的蒸汽冷凝水产生的二次蒸发汽，全年都可以得到回收利用。 精制生产热泵101供汽外管供入蒸汽压力为P1.0MPa，而精制生产用汽压力约为0.30MPa，存