基于余热回收利用技术的吸收式热泵分类与分类

基于余热回收利用技术的吸收式热泵分类与分类

0低减少余热回收利用在我国《环境保护食为了尽快实现国家“十二五”节能减排计划目标，充分发挥科技创新和创新对经济发展模式转变的重要作用，积极开发和推广应用新技术。低品位余热回收利用可以提高能源的综合利用率,具有巨大的节能潜力,是当前可以大力开发利用的技术之一。基于余热回收利用技术的吸收式热泵在火电厂的推广应用将会带来巨大的节能、环保及社会效益。1吸收式热容量技术的介绍吸收式热泵是以水为换热介质,以特殊工质溶液为吸收剂(如溴化锂溶液),将低温余热中的热量提取、转移,进而得到较高品位热媒的设备。1.1吸收式热泵应用机理吸收式热泵按制热目的可分为2类:第1类吸收式热泵(AbsorptionHeatPumps,简称AHP)。该类热泵将蒸汽、燃气以及工业废热水等作为驱动热源,把热能提升到中高品位,从而达到提高能源利用率和回收余热的目的;第二类吸收式热泵又称吸收式热变换器(AbsorptionHeatHransformer,简称AHT)。主要利用中温废热和低温热源的热势差,制取温度高于中间废热的热媒,从而提高废热品质。本文仅针对第1类吸收式热泵进行分析。此外,吸收式热泵还有其他分类方式,如按驱动热源可分为蒸汽型、直燃型、烟气型;按吸收工质可以分为溴化锂吸收、氨水吸收及其他工质吸收型;按循环结构可分为单效、双效、多级、开式等。1.2吸收式热泵热泵第1类溴化锂吸收式热泵机组(以下简称为吸收式热泵)工作原理如图1所示,发生器的驱动热源为蒸汽或燃料,吸收器和冷凝器构成供热回路对热媒进行加热。蒸发器通过余热回路从低品位热源吸收热量,产生冷剂蒸汽。溴化锂稀溶液流从溶液泵排出后经溶液热交换器升温(提纯)后进入吸收器,喷淋在传热管表面,吸收来自蒸发器的冷剂蒸汽后又变为溴化锂稀溶液。热媒在进入吸收器后,利用溴化锂溶液吸收的热量完成第一次升温过程。在冷凝器内,利用来自发生器的高温二次蒸汽的凝结潜热,对来自吸收器的已经过一次加热的热媒进行再次加热,最终成为达到要求温度的热媒,蒸汽则凝结为凝结水后再次被输送到蒸发器,继续进行循环蒸发。根据吸收式热泵机组结构,可列出系统热平衡式:式中Qg—蒸发器中余热放出的热量,kJ;Qe—发生器中驱动热源加入的热量,kJ;Qc—加热器中热媒吸收的冷凝热量,kJ。Qg+Qc为吸收式热泵的输出热量,其性能系数COP为:由上可知:吸收式热泵的总供热量等于从低品位余热中提取的热量与驱动热源的补偿热量之和,机组供热量总大于高品位热源放出的热量,即COP>1。根据实际工况条件的不同,COP值一般为1.65~1.85,驱动热源一般为0.2~0.8MPa的蒸汽。可回收利用的低温余热介质温度>15℃时,热泵提供的热水温度会随着余热热水温度的升高而升高,且一般不超过98℃。COP会随着供水温升幅度的增大而逐渐降低。2吸收热技术的研究现状2.1双良公司蒸汽型冷水机组h型发电系统日本荏原公司早在1971年就研制出世界首台溴化锂吸收式热泵机组,拥有众多技术专利,如高智能化控制盘,采用环保型缓蚀剂—钼酸锂等。该公司在机组生产运行的稳定性及节能性研究等方面均居于世界前列,并一直在探索工业余、废热的有效利用途径。双良节能系统股份有限公司(以下简称双良公司)是我国最早开展吸收式热泵技术研究的公司之一。双良公司在全性能试验台、双泵无喷嘴的开发、国家行业标准编制等方面做出了重要贡献,该公司研制的吸收式制冷机组采用了双泵无喷嘴和蒸发器—吸收器—蒸发器的左、中、右布置方式,冷却水采用并联方式供给,冷剂水为专利流动方式,传热管的形状和布置进行了特殊设计,开发了H型机组等。以蒸汽型吸收式热泵机组为例,双良公司较国外其他公司的同类型机组有以下优势:(1)驱动热源压力范围大,可利用0.2~0.8MPa的蒸汽;(2)可用热源温度低,最低可至15℃;(3)性能系数COP值可高达1.7~2.4;(4)机组电耗小,用电量仅为30kWh/h;(5)热泵机组属真空静态设备,可靠性高,噪音低,无振动,运行平稳,寿命长等。2.2工质改进的应用目前吸收循环最常用的工质对为LiBr·H2O溶液。由于溴化锂和水的沸点相差很多,因此两者容易分离,获得的溴化锂浓溶液的纯度高。水制冷剂价格低廉、易得、无毒无味、汽化潜热大,且安全性较高。溶液的比热较小,有利于提高循环效率。溴化锂溶液对金属具有普遍的腐蚀性(有氧条件下会加快腐蚀速度),因此对全套装置气密性的要求很高,溴化锂的结晶和水的凝固问题也限制了其应用。针对以上不足,很多科技人员开展了大量的工质对改进和替代实验研究工作。例如,从工质角度出发,进行了添加第3种组分的实验,用以改进原工质对的理化性质,添加剂有ZnCl2、CaCl2、C2H6O2等。另一方面,新工质对也不断涌现,如LiCl·H2O、NaOH·H2O等,四元、五元工质对也有开发。新工质虽然克服了传统溴化锂等工质的不足,但也出现了诸如性能系数偏低、黏度和溶解度不理想等问题,所以在短时间内溴化锂水溶液作为主要工质对的现状不会改变。2.3膜降膜liptho吸收器占整个吸收式热泵系统体积的25%左右,因此吸收式热泵系统的性能很大程度是由吸收器本身决定的。虽然设计时要尽量保持吸收器的结构紧凑,但为了保证热交换的正常进行,需要有足够的换热面积,吸收器的性能预测和各部分静态变量的可视化工作十分重要。KimJK等人进行的微观表面处理对降膜LiBr·H2O吸收器性能的影响研究结果表明,对表面进行微观处理(如表面的斜纹、液膜雷诺数和表面粗糙度的增大)有利于提高传热、传质性能。NobuyaNishimura研究了1种新型立板式吸收器,试验表明膜的雷诺数从8.5增加至29时,制冷量大约增加了60%,即采用板式吸收器能够有效改善吸收效率。ChoHC则探讨了微观凹凸管的表面粗糙度对吸收性能的影响,发现表面凹凸的管子吸收性能比光管好1倍以上。这些研究成果对提高吸收器的性能提供了帮助。2.4多种吸收式循环随着技术的不断进步,吸收式热泵正向着高温升、高效率、高经济性和适用范围广等方向发展,国内、外科研人员在吸收循环的改进方面做了大量研究工作。目前具有代表性的循环有:利于提高性能系数COP值的三效、高效吸收循环,两类热泵相结合的多用途HPT循环,由两级AHT组成的吸收式热变换器(温升可高达70℃),投资较低的开式循环,以及GAX循环等。此外,还提出了多种新型吸收式循环,如双级复叠吸收式循环。该循环采用LiBr·H2O工质对作为高温级,NH3·H2O工质对作为低温级,系统中冷、热工质同时产生,且温升幅度大、制冷温度范围广,有着良好的应用前景。另外,在倡导低碳、环保的社会环境下,利用太阳能、地热能等可再生能源作为驱动热源的吸收式热泵的研发工作也成了近期热点。2.5absim计算机模拟吸收式热泵由多种设备共同组成,系统内各设备之间存在着复杂的匹配或耦合关系,设计过程中应充分考虑系统的优化问题,但现有的流程模拟软件大都不能很好地实现吸收式热泵的模拟和结构优化。以色列GrossmanG等人近20年内做了许多吸收式制冷(热泵)相关技术的研究工作并取得了开创性成果,开发出了ABSIM计算机模拟程序。该程序能够方便灵活地模拟单效、双效、闭式、开式、甚至结构更加复杂的循环系统,并对其进行分析、比较、优化,促进了新吸收循环的开发研究工作,对本领域的发展有着深远影响。瑞典的KlasAbrahanmsson则以GrossmanG等人的研究为基础,开发出了具有研究和应用价值的SHPUMP软件。3低温余热利用目前,火电、石化、冶金等工业领域的生产过程中,广泛存在循环冷却水、低压废蒸汽、采油分离水、工艺废热水等无法被有效利用的余热。但从余热回收利用角度分析,这些废热都是很好的低温余热资源。由于废热规模巨大,若根据余热条件和供热需求的不同加以合理规划,通过配置相应的溴化锂吸收式热泵机组,这些废热大都可以用于建筑采暖供热和生产工艺加热等环节,实现回收余热的目的。3.1吸收式热热机在火电工程中的应用3.1.1冷却剂的回收利用图2为吸收式热泵在某台150MW湿冷供热机组上的应用原理图,原有供热机组采用带机力通风冷却塔的湿式循环水冷却系统。为适应当地采暖需求,机组进行了增加吸收式热泵回收冷凝热的改造工作。为满足热泵对驱动热源的要求,对汽轮机进行了相应改造,抽汽压力由原来的0.245MPa提高至0.42MPa。机组以35℃的冷却水作为回收热源,以0.42MPa的抽汽作为驱动热源用以提纯溴化锂稀溶液,热网循环水被一次性加热至90℃,回水降至30℃后再进入机力通风冷却塔冷却到28℃后循环利用。原机组承担的供热面积为2.3×106m2,改造后增加了1.0×106m2的供热面积,每年可节约标煤1.94×104t。3.1.2新增供热以热计划某电厂的2台300MW空冷机组各设置了1台热泵,分别回收每台汽轮机的乏汽。热网首站循环水的流量约为6000t/h,回水温度为53℃,从热网循环水泵后将循环水接入热泵,利用部分汽轮机乏汽进行加热,然后再进入热网首站热网加热器,利用其余热网抽汽将热网循环水加热至95℃后供应至一次热网。采暖抽气来自主机中低压连通管道抽气(五段抽气),压力为0.2MPa,温度为230℃,抽汽量200t/h。主机排汽量150t/h,允许回收排汽量100t/h,其余50t/h留作空冷防冻。项目实施后,回收余热功率126MW,1个采暖季余热供热量为1.96×106GJ,按新增供热区域内建筑综合热指标为60W/m2计算,可新增供热面积2.1×106m2。在不增加热源的同时,承担了更多的供热面积,每年约可节约标准煤6.69×104t,SO2排放量减少1.60×103t,CO2排放量减少1.55×105t,NOx排放量减少1.52×102t,烟尘排放量减少1.3×103t,灰渣减排2.51×104t。3.2供热技术高效节约对于火电厂而言,经汽轮机做功后低品位的热量占总热量的比例很大,即使大型超临界机组的排汽损失也在50%以上。这部分热量的散失是能源的极大浪费,如果能够回收再利用,将为整个社会的节能做出重大贡献。利用吸收式热泵技术回收汽轮机冷凝余热,回收利用电厂循环冷却水携带的低温热能,通过热能转换集中供热,可以将电厂效率提高30%以上;在原有燃煤量及发电量不变的情况下,可增加电厂的供热能力,节约电厂的燃煤量。以内蒙古自治区为例,截至2011年2月月底,总装机容量约为6.70×104MW,其中火电装机5.53×104MW,占总装机容量的82.47%。以内蒙古地区平均集中供热综合热指标65W/m2计算,如果采用吸收式热泵的机组容量达到总装机容量的30%,则1个采暖期内可回收利用循环水余热1.75×108GJ,增加2.55×108m2供热面积。按照内蒙古地区年平均供热标准煤耗40.7kg/GJ折算,每年可节约标煤量约7.12×106t。采用吸收式热泵代替燃煤锅炉集中供热,每年可减少CO2排放量1.77×107t,SO2排放量2.22×105t,NOx排放量1.06×105t。吸收式热泵节能技术不但可以提高机组的供热能力和可靠性,而且可以回收目前排至环境的废热,缓解