吳 尚，李瑞深

（1.安徽皖維高新材料股份有限公司，安徽巢湖238002；2.天津大學(xué)石油化工技術(shù)開發(fā)中心，天津300072）

化工裝置多需要低于冷卻循環(huán)水溫度的冷卻介質(zhì)，因此需設(shè)置冷凍站制取低溫公用工程。目前冷凍站制冷機(jī)主要有活塞式制冷機(jī)、離心式制冷機(jī)、蒸汽噴射式制冷機(jī)、溴化鋰吸收式制冷機(jī)[1]等，需要消耗較多高品位的電能。隨著能源的短缺，節(jié)能減排成為重要的課題[2-3]。

化工裝置會(huì)產(chǎn)生大量的余熱，如冷卻循環(huán)水的低溫余熱、煙氣余熱[4-5]等，大多余熱無法回收，能量利用率較低。因此，余熱進(jìn)行有效利用是很有必要的。溴化鋰吸收式制冷機(jī)可以利用工業(yè)余熱進(jìn)行制冷，將品位較低的能量加以利用，節(jié)省高品位能量，提高能源利用率。目前，利用余熱制冷多采用熱水型或蒸汽型溴化鋰機(jī)組，制取0℃以上的冷凍水[3]。但利用余熱制冷存在較多的問題，主要有設(shè)備成本高、機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定、工質(zhì)易結(jié)晶、較難檢修、無法滿足化工工藝可靠性要求等，因此目前在公用工程領(lǐng)域應(yīng)用較少。本文簡述了溴化鋰吸收式制冷機(jī)的原理和其在余熱回收中的應(yīng)用，對吸收式制冷機(jī)組循環(huán)方式、制冷技術(shù)耦合和新工質(zhì)對的開發(fā)等技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，并對其在公用工程中的應(yīng)用做出展望。

1 吸收式制冷機(jī)原理

吸收式制冷分為開式和閉式兩種，主要為閉式液體吸收循環(huán)[6]，多使用LiBr/H2O作為循環(huán)工質(zhì)。溴化鋰沸點(diǎn)1 265℃，高溫下只產(chǎn)生水蒸氣，污染小，環(huán)境友好，系統(tǒng)簡單[7]。對于低于80℃的低溫?zé)嵩?，單級溴化鋰吸收式制冷機(jī)無法利用，故余熱回收多使用雙效串聯(lián)制冷系統(tǒng)，原理如圖1所示。

吸收器底部的低溫低壓稀溶液吸收濃溶液放出熱量后，分流進(jìn)入高壓發(fā)生器和低壓發(fā)生器，在高壓發(fā)生器中沸騰產(chǎn)生高溫水蒸氣和濃溶液，濃溶液進(jìn)入低壓發(fā)生器，再一次產(chǎn)生水蒸氣循環(huán)回吸收器，吸收水蒸氣變?yōu)橄∪芤海桓邏汉偷蛪喊l(fā)生器產(chǎn)生的高溫水蒸氣混合后在冷凝器中冷凝，經(jīng)節(jié)流閥變?yōu)榈蜏氐蛪阂后w，在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)，帶走冷媒熱量，產(chǎn)生制冷效果。水蒸氣進(jìn)入吸收器后被濃溶液吸收[7]。

目前，部分化工工藝已采用吸收式制冷系統(tǒng)進(jìn)行制冷，如低溫乙烯裝置、鋼鐵冶煉裝置、反應(yīng)釜[4,8-9]等。

2 吸收式制冷機(jī)研究進(jìn)展

雖然化工工藝存在大量余熱，但部分余熱溫度較低，無法利用[4]。另外，余熱吸收式制冷機(jī)故障率較高，運(yùn)行不穩(wěn)定，仍有大量的能量耗散。目前研究主要在制冷系統(tǒng)循環(huán)方式、制冷技術(shù)耦合、新工質(zhì)對開發(fā)等方面。

2.1 制冷系統(tǒng)循環(huán)方式

針對現(xiàn)有雙效吸收式制冷機(jī)高壓發(fā)生器余熱回收率較低的問題，胡慧莉等[5]設(shè)計(jì)了兩臺結(jié)構(gòu)不同的低壓發(fā)生器串聯(lián)，第一低壓發(fā)生器與傳統(tǒng)雙效制冷系統(tǒng)相同，第二低壓發(fā)生器利用經(jīng)高壓發(fā)生器的煙氣余熱，產(chǎn)生水蒸氣，與第一低壓發(fā)生器產(chǎn)生的冷劑蒸汽一同進(jìn)入冷凝器。通過模型計(jì)算，得到新型雙效制冷利用煙氣程度更高，機(jī)組獲得制冷量更大，但同時(shí)所需換熱面積更大，設(shè)備投資更高，需結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本做出分析。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能系數(shù)，提出了三效吸收式循環(huán)。但高壓發(fā)生器工質(zhì)溫度過高，機(jī)組易被腐蝕，胡磊[10]在普通三效吸收式循環(huán)基礎(chǔ)上在低溫發(fā)生器和冷凝器之間增設(shè)一壓縮機(jī)，降低低溫、中溫和高溫發(fā)生器出口溶液溫度和壓力。結(jié)果表明，在壓縮機(jī)壓縮比為3.5時(shí)，高溫發(fā)生器溫度從218.9℃降至183.6℃，性能系數(shù)為1.43，高于單效和雙效吸收式制冷系統(tǒng)；輸入機(jī)械功僅占制冷量的3.68%，少量機(jī)械能即可增加系統(tǒng)性能。

潘權(quán)穩(wěn)[11]設(shè)計(jì)了一種可以串聯(lián)回?zé)峄刭|(zhì)的吸附床，以解決切換過程熱量損失較大的問題，原理如圖2所示。通過閥門控制，系統(tǒng)分為兩個(gè)制冷過程、兩個(gè)回質(zhì)和回?zé)徇^程，通過熱水和冷水的流動(dòng)，將兩個(gè)吸附制冷過程串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)余熱回收。結(jié)果表明，系統(tǒng)性能系數(shù)大于0.5，串聯(lián)促進(jìn)了回質(zhì)和回?zé)徇^程，提高了中間熱量的利用率。在余熱溫度大于75℃的情況下，系統(tǒng)性能系數(shù)滿足需要。

圖2 回?zé)峄刭|(zhì)循環(huán)原理

2.2 制冷技術(shù)耦合

針對吸收式制冷系統(tǒng)存在機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定、余熱利用不充分的問題，研究多采用吸收式制冷技術(shù)與壓縮、噴射技術(shù)耦合，吸收式制冷技術(shù)與熱泵、蓄冷等其他技術(shù)耦合的方法，以提高機(jī)組的穩(wěn)定性和能量的利用率，滿足工業(yè)裝置的需要。

唐鵬武等[12]采用壓縮和吸收式制冷耦合，壓縮系統(tǒng)采用R22制冷劑，吸收系統(tǒng)采用LiBr/H2O,吸收系統(tǒng)低品位熱源產(chǎn)生的較高溫度的冷量等量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s系統(tǒng)輸出的較低溫度的冷量。結(jié)果顯示，在相同單位制冷劑情況下，該新型復(fù)合循環(huán)比傳統(tǒng)方法性能系統(tǒng)提高了10%，并且設(shè)置回?zé)崞骰厥諌嚎s機(jī)排氣余熱，進(jìn)一步提高了余熱利用率。何麗娟等[13]采用低品位熱源驅(qū)動(dòng)吸收式制冷，機(jī)械驅(qū)動(dòng)壓縮制冷的壓縮—復(fù)合制冷系統(tǒng)。結(jié)果表明，壓縮—復(fù)合制冷系統(tǒng)的發(fā)生溫度要求更低，在低至60℃情況下，吸收式系統(tǒng)仍能正常工作，為化工低溫余熱的利用提供可能。

劉恩海等[14]為降低發(fā)生溫度提出一種吸收—噴射復(fù)合制冷系統(tǒng)。在吸收器和蒸發(fā)器中間設(shè)置噴射器，使制冷劑蒸汽引射發(fā)生壓力和蒸發(fā)壓力的制冷劑蒸汽，提高了吸收器的工作壓力，并降低了發(fā)生器的工作壓力。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可利用更低品位的熱源，發(fā)生溫度在75℃時(shí)制冷機(jī)組可正常工作，且性能系數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化較為平緩。文章同時(shí)研究了不同發(fā)生溫度的噴射最佳壓縮比。

金香菊等[3]提出一種復(fù)疊式制冷循環(huán)，對余熱加以利用，增加了循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)在原有電動(dòng)壓縮式冷卻機(jī)組的基礎(chǔ)上在冷卻水路加設(shè)冷卻塔—余熱制冷機(jī)組—壓縮式冷卻機(jī)組三通閥，利用工藝裝置95℃余熱為余熱制冷機(jī)組提供熱源。系統(tǒng)可通過簡單切換操作保證余熱冷凍機(jī)發(fā)生故障情況下工藝裝置的穩(wěn)定性。對原有系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，冷凍機(jī)額定制冷量1 213 kW，冷凍液出口溫度-6.5℃，復(fù)疊式系統(tǒng)可節(jié)省電能30%左右，效果明顯。

徐永生等[15]將自主研發(fā)的蒸發(fā)冷卻換流閥與溴化鋰制冷系統(tǒng)以增加中間換熱器的方法進(jìn)行耦合。在左側(cè)蒸發(fā)冷卻模塊，有機(jī)工質(zhì)送入換流閥蒸發(fā)，帶走換流閥熱量，并產(chǎn)生飽和蒸汽進(jìn)入中間換熱器。通過中間換熱器換熱變?yōu)榈蜏毓べ|(zhì)送回冷卻模塊，回路進(jìn)口溫度35℃，出口溫度55℃；溴化鋰機(jī)組側(cè)水在中間換熱器加熱作為余熱送入溴化鋰制冷機(jī)進(jìn)行制冷，后循環(huán)回中間換熱器，熱冷不足部分使用儲(chǔ)水箱進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)性能系數(shù)為0.60。

王進(jìn)國等[2]將第二類吸收式熱泵技術(shù)與制冷系統(tǒng)耦合，第二類吸收式熱泵可利用環(huán)境溫度和余熱溫度的溫差，回收較低溫余熱，同時(shí)通過制冷系統(tǒng)完成冷量注入。為節(jié)省公用工程設(shè)施，兩者聯(lián)合布置于廠房中。將此技術(shù)應(yīng)用于新疆某化工廠，每年創(chuàng)造了2億元的經(jīng)濟(jì)收益，為化工廠的節(jié)能改造項(xiàng)目提供參考。

雷歡等[16]通過耦合有機(jī)朗肯循環(huán)和吸收式制冷循環(huán)，回收中溫?zé)煔庥酂徇M(jìn)行發(fā)電，同時(shí)利用有機(jī)朗肯循環(huán)冷凝放熱為吸收式制冷系統(tǒng)提供余熱。原理如圖3所示，頂層為有機(jī)朗肯循環(huán)，底層為單效吸收式制冷循環(huán)。有機(jī)朗肯循環(huán)側(cè)中溫?zé)煔鉄崃總鬟f給有機(jī)工質(zhì)，工質(zhì)進(jìn)入透平做功發(fā)電，然后進(jìn)入冷凝—發(fā)生器（GEN）冷凝，將冷凝余熱傳遞給吸收式制冷循環(huán)側(cè)。制冷循環(huán)側(cè)溴化鋰溶液在GEN中吸熱放出水蒸氣，水蒸氣通過冷凝和節(jié)流操作進(jìn)入蒸發(fā)器制取冷媒。通過計(jì)算，若采用雙效制冷循環(huán)，系統(tǒng)損失可進(jìn)一步減少，同時(shí)可降低有機(jī)朗肯循環(huán)冷凝溫度，更大程度提高系統(tǒng)余熱回收率。

圖3 有機(jī)朗肯循環(huán)—吸收式制冷耦合結(jié)構(gòu)圖

目前，工業(yè)用電費(fèi)用多以梯級計(jì)費(fèi)，因此提出采用水蓄冷和余熱回收技術(shù)耦合的方法[17-18]，利用夜間廉價(jià)的低谷時(shí)間續(xù)存冷水，蓄存冷量，移峰填谷；同時(shí)回收壓縮機(jī)系統(tǒng)的余熱，利用吸收式制冷進(jìn)行回收，在不增加制冷機(jī)組容量的同時(shí)增加制冷量的制取，減少電力消耗。

2.3 新工質(zhì)對開發(fā)研究

吸收式制冷機(jī)多采用LiBr/H2O作為工質(zhì)對，對驅(qū)動(dòng)熱源的溫度要求較高，工業(yè)余熱應(yīng)用受到限制，因此研究新的工質(zhì)對是改進(jìn)吸收式制冷系統(tǒng)性能的途徑之一。李藝群等[19]設(shè)計(jì)了CaCl2-LiCl/H2O工質(zhì)對，通過實(shí)驗(yàn)篩選出對驅(qū)動(dòng)熱源溫度要求更低且腐蝕性更小的工質(zhì)對。結(jié)果表明，CaCl2的加入可以有效降低需要驅(qū)動(dòng)熱源發(fā)生溫度，隨著其占比增大，所需發(fā)生溫度降低。綜合考慮結(jié)晶溫度、成本、腐蝕性等因素，CaCl2-LiCl(2∶1)/H2O具有最佳的綜合性能，發(fā)生溫度較LiBr/H2O降低6.8℃，性能系數(shù)提高0.041，成本也低于LiBr/H2O，具有工程應(yīng)用價(jià)值。蘇成睿[20]設(shè)計(jì)[EMIM][DEP]+H2O離子液體體系作為工質(zhì)對，同時(shí)加入LiBr強(qiáng)化制冷效果。結(jié)果表明，三元體系制冷系數(shù)高于原二元體系，并降低了飽和蒸氣壓。

3 總結(jié)

吸收式制冷余熱利用已在多個(gè)工業(yè)實(shí)例中證實(shí)可行，其可利用低溫余熱進(jìn)行制冷，節(jié)省電能等高品位能量。但是，其機(jī)組投資資本高，工質(zhì)易結(jié)晶，運(yùn)行不穩(wěn)定的情況成為了阻礙其大規(guī)模應(yīng)用的因素，需對其進(jìn)行多個(gè)方面的優(yōu)化?；だ鋬稣臼褂迷摷夹g(shù)，需從經(jīng)濟(jì)性和安全性角度出發(fā)，確定最優(yōu)制冷方案。同時(shí)，工廠低品位熱能需盡可能與對應(yīng)吸收式制冷技術(shù)相匹配，盡可能提高機(jī)組性能系數(shù)，提高能量回收率。采取多種制冷技術(shù)耦合的方案，或是化工廠冷凍站重要的發(fā)展方向。