高温热泵在工业领域的应用

油田原油加热集输

 

  在原油产业中，原油在联合站的加热分离和集输都要消耗大量的热能，目前热能供给主要由燃油锅炉和天然气锅炉提供。高温水源热泵就是利用了热泵理论，采用余热回收的方式，回收在原油加热过程中含油污水的余热用来加热稠油外输，冬季一图2 离心热泵机组原油加热的温度范围为40℃～70℃，这种形式的能量利用方式实际是采用燃烧高品位能源获得低品位热能，有用能效率较低，对空气造成较大的污染，同时也存在着爆炸、火灾的危险。因此利用高温水源热泵对石油开采过程中油水分离产生的余热水进行热回收，输出70℃～90℃的高温热水，取代原油加热炉对输油管道进行加热，降低原油的粘度，提高原油输送效率，节约能源。这样不仅提高了能源的利用率，降低了能耗，起到了节能的作用，还可以限制污水的排放，更加环保，减少“热”污染。我国油田的开采多属于中后期开采，原油中的含水量巨大，由于这些废热能温度低而不能直接加以利用，因此大部分低焓余热水多数未能充分利用就排到环境中。例如胜利油田的含油污水在夏季可以达到57℃，在冬季可以达到53℃；大庆油田含油污水的温度一般在36℃～42℃。我国油田每天含油污水日产量为190 万立方米（来自1998 年陆地油田统计数据），海上油田每年含油污水排放4648万吨（2000年中国海洋环境质量公报）。

 

  可见，我国油田含油污水的余热回收潜力巨大。就胜利油田而言，目前采油污水站52个，外排污水量72万立方米/天，污水水温在50℃～70℃，其中水温在60℃以上的有14个站，外排水量约26万立方米/天，这是一笔很可观又可利用的热能财富。如果采用高温热泵从中提取5℃的热量进行回收，则可回收能量73000 kW。考虑到热泵输出端的热量，可达10万kW左右。相当于10t/h原油全部燃烧的热值；如果照此计算，相当于每年87600t原油的产能；如果利用热泵将含油污水温度下降20℃，达到30℃排放，则每年可以节约原油35万吨，相当于胜利油田1%的原油产量。高温水源热泵的研制及使用将使油田和石化行业的余热资源得到最大限度的利用，开创出一条节能降耗的新途径，可创造几十亿元乃至上百亿的经济价值，具有良好的社会经济效益及广阔的应用推广前景。

 

  化工工艺高温蒸汽热泵技术

 

  石油化工装置有2个主要的基本过程，一是反应过程，另一是分离过程。通常，分离过程的能耗要占装置总能耗的80%左右。在分离过程中最常用而有效的方法是精馏，精馏过程是以热能的消耗换取石油化工产品的分离提纯，由于过程的不可逆性很大，而热力学效率很低(10%左右)，因此能耗很高。精馏过程的能耗要占整个石油化工装置总能耗的60%左右，因此要降低石油化工装置的能耗关键是要做好精馏过程的节能。我国石油化工行业的能耗是亚太地区平均水平的1.5倍左右，其主要原因是对节能技术开发及应用不够，尤其对能耗高的精馏过程，多数装置只是简单地采用普通精馏，只是在操作条件、塔内分离构件上做文章，虽然能取得一定的成效，却不能大幅度降低能耗。

 

  热泵是一种利用少量高品位机械能，将低品位热能的温度提高到更高的水平的装置，获得热泵的基本方式是机械压缩。对于精馏塔，如果能把塔顶气相的热量用于加热塔底物料，就能节省外供热和外供冷。将制冷循环与精馏塔的塔顶冷凝器和塔底再沸器结合起来，使制冷工质汽化向塔顶供冷，同时工质通过冷凝向塔底供热，就能使能量从低温处流向高温处，从而获得节能效果。热泵精馏即是依据热力学第二定律给系统加入一定的机械功，将温度较低的塔顶蒸汽加压升温，作为高温塔釜的热源。因为回收的潜热用于过程本身，又省去了塔顶冷凝器、冷却水和塔釜加热蒸汽，可使精馏的能耗明显降低。

 

  污水热量的回收利用

 

  利用高温水源热泵可以回收工业废水和城市污水排放中所含的热量。城市污水水源热泵的优点是结构简单；渠道中的二级出水与管道中的热泵工质直接换热，效率较高。缺点是，主机的机房必须设置在二级出水渠道旁。如果空调服务区离渠道较远，就需要埋设较长的冷—热循环水（内循环）管道，这样会造成在输送过程中的能量损失。因此，这种热泵只适用于中小型污水处理厂自身的冷暖空调服务[16] 。也可以满足污水处理厂附近的住宅小区的供暖情况。工业废水的出水温度往往比较高，回收锅炉等能量转化设备产生大量的低温余热，提高其温度用于直接供热，既可解决除尘污水循环利用需要降温的问题，避免余热直接排放到周围环境造成的热污染；又可以把低温余热提高到可直接供热的温度，提高能源的利用率。

 

  这样，在增加供热面积的同时又可以显著地降低能耗，且不会对环境造成进一步的污染。因此可以利用高温水源热泵回收污水中的热量，回收后的能量用于冬季供暖或生产工艺，并逐渐应用于石油、化工、冶金、纺织、食品等各行业。2009年，烟台冰轮集团也开发了污水源热泵可以提供45℃～65℃的热水，可以满足供暖的需要，可以替代锅炉采暖，出水55℃时，制热COP达到4.1。

 

  海水淡化技术应用

 

  众所周知，中国是一个缺水国家，水资源匮乏的问题将严重制约我国国民经济发展，海水淡化技术将成为唯一能够解决该问题的途径。目前海水淡化技术已经得到了技术突破，存在的问题是通过蒸馏还原水的技术成本较高，需要燃烧能源加热海水实现蒸馏。按目前成本计算，每吨水提取需要耗10元人民币。如果采用CO2作为制冷剂的热泵热水器，可直接将海水加热到90℃，一次能源节约率提高50%，成本降低50%，并且不会造成环境污染。

 

  高温热泵干燥技术

 

  将热泵用于食品和木材的干燥越来越受到人们的关注。热泵干燥的温度范围调节比较广。两级压缩的高温热泵干燥系统，可以实现单双级压缩，以便达到更高的需求温度。通过两级或多级串联的阶梯状升温，干燥温度可达到95℃，如果进一步优化设计，就可以实现更高的温度的目标。采用两级压缩的高温热泵进行干燥过程中的含水率、温度、湿度变化与常规干燥装置的趋势一致。并且可以根据干燥基准表调整温度；干燥箱内湿度随着时间的增加不断下降,以便食品和木材内水分的蒸发。20世纪80年代我国在木材加工中已经引进热泵干燥技术，在谷物干燥中，利用热泵可以节能50%以上。

 

  目前在欧洲一些发达国家热泵已经用于谷物干燥技术。我国也在1998年的重点粮库建设中，开始引进这项技术。另外，种子、果蔬、烟草等干燥中，都可以应用热泵技术。目前来看，高温热泵干燥技术可以大大缩短产品的干燥时间，并且减少干燥成本。