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超级热泵 让低品位余能实现回收利用

2019-07-19 07:11 来源:科技日报

  “我国年工业用能约29.1亿吨标准煤,但其中150摄氏度以下余热(低品位热能)往往是‘废热’,其总量相当于工业用能的14.2%。如果40%的余热能得到有效利用,一年就能节约1.65亿吨标煤,意义巨大。”上海交通大学制冷与低温工程研究所所长王如竹说。

  王如竹教授已经和绿色能源“磕”了30余年,藏着20多项顶尖的绿色能源技术的中意绿色能源实验室,是他多年技术攻坚的集成体现。在这里,基于数十载制冷、换热技术的研发,王如竹带领团队开展了“低品位余能回收技术及热泵装备研发与示范”项目,破解节能减排“痛点”。

  热泵作为一种节能技术,可将低温废热变成有用的高品位热能,例如替代常规煤锅炉进行供暖,可极大缓解北方集中供热热源紧张局面,同时实现工业生产的节能降耗,让天更蓝、地更绿。

  超强热泵背后的“引擎”

  不同温度的废热有不同的用武之地。如中高温余热通过热机对外做功可发电,中低温余热通过回收可发电、制冷和供热,低温余热可通过热泵供应生活热水等。通过消耗少量的化石能源或电力,可以把回收的余热转化为有用的高品位热能,再用于工业流程或供暖工程。

  “温度低、能量密度低且分散等原因是低温余热难以回收利用的大难题。”王如竹说。压缩式热泵、吸收式热泵和化学热泵是余热品位提升的主要途径。三种热泵技术虽已有一定发展,但一直以来难以突破热泵容量、能效比、温升与可靠性兼得的瓶颈。项目不仅需要攻克技术难题,还要考虑经济效益。如果节能不节钱,这些技术与装备也难以推广应用。

  对此,王如竹带领的项目组攻坚克难,通过单个技术的研发和对流程、工艺等方面的创新优化,研制出效率高、容量大、热负荷适应性强的“超级”热泵,突破了低品位余能规模化应用的技术壁垒,并促进了新兴热泵装备产业发展。

  性能提升和系统优化匹配是提高压缩式热泵能效的关键。“一般设备采用蒸发器和冷凝器各一个的单一系统。”王如竹说。项目组将压缩式热泵蒸发和冷凝温度各分为两段,采用独立逆流双系统进行分段蒸发和分段冷凝,减少了蒸发和冷凝的换热温差,降低压缩机压比,从而提升能效。

  “高性能吸收式热泵示范机组容量特别大,只能实地组装,任何返工或修改都要付出巨大代价。”项目组的潘权稳博士说,由于机组体积大,还需根据运输的极限尺寸进行分割设计与制造,并对每个部件进行严格的测试和质量把关,保证实地组装一次成功。

  相比而言,化学热泵的技术成熟度远低于压缩式和吸收式热泵。项目团队研究的50千瓦级化学热泵在国际上没有先例可参考,研究人员的不懈努力,保证了示范工程的一次成功。

  “沿途下蛋”,产业化溢出效应显著

  研究的产业化应用为项目团队研制的超级热泵提供了广阔天地。

  用于鞍钢灵山供暖改造工程的压缩式热泵示范机组,制热能效比较技术突破前提升了15%—20%,达6.67,热输出容量9兆瓦,可年节省3500余吨标煤。“目前世界最先进的机组能效比也仅约5.5—5.8,我们的机组已超世界最先进水平。”王如竹很自豪,“该热泵系统示范成功后,客户马上又加订了5台。”

  在大唐甘肃发电有限公司西固热电厂余热回收供暖的示范项目中,项目研发的高效吸收式热泵供热效率是蒸汽供热的1.77倍,目前已稳定运行了两个供暖季。“第一个供暖季就回收了约4.34万吨标煤的余热,节省了52.9万吨的水,减排13.5万吨二氧化碳排放。”王如竹说,这相当于15900台常规家用空调热泵的制热量。

  废热利用,除了热能转化,储热技术也相当关键。对此,团队研发了相变储热材料和系统,并直接“沿途下蛋”,在江苏昂彼特堡能源集团实现了成果转化。“该储热器完全可以满足我国北方地区的冬季供暖需求。”王如竹说。储热供暖示范工程也已落地北京延庆区政府大楼,3年不到就可回收投资。

  此外,在行业难点“高温水蒸气热泵”方面,团队研制出采用双螺杆带中间喷水冷却的压缩式热泵技术,并在汉钟精机股份有限公司成功转化应用。

  同时,与项目牵头单位上海交大合作的企业和单位也在不断发展壮大:珠海格力电器股份有限公司已开发出13项压缩式制冷和热泵相关的国际领先技术;双良节能系统股份有限公司建成了亚太地区规模最大的溴化锂中央空调制造基地;中国科学院工程热物理研究所建成国内首台50千瓦级化学热泵样机……

  基于示范工程,工业余热的网络化利用、规模化应用还在探索中。项目团队编著的《低品位余能网络化利用导则》将成为工业余热规模化利用的指导书。“未来要综合考虑余热热源、余热转换技术,根据用户的需求,按照能量目标和匹配准则实现优化匹配,形成解决工业余能电、热、冷、储高效利用的整体网络化解决方案,这对量大面广的节能减排具有重要意义。”王如竹说,“希望我们的这本指导书能为工业节能减排的大规模应用提供经验。”

(责任编辑:王蔚)

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