当前中国能源结构仍以煤炭为主,替代难度大,非化石能源发展面临多重制约,产业的高耗能、高排放、低能效问题并存,绿色低碳技术亟需加强。工业过程供热占据能源消耗的 50%,因此实现工业过程供热的低碳化是实现碳中和的重要部分。为达到工业过程供热所需的体量和温度,高温/ 蒸汽热泵需要深入研究和广泛推广。本文从国内外工业热泵技术现状,分析目前工业热泵通常采用的系统循环型式、制冷剂压缩技术、水蒸气压缩技术;结合第四代低全球变暖潜值制冷剂发展现状,给出环保工业热泵的适用制冷剂;提出工业热泵技术发展展望,最后结合双碳目标的实现和工业锅炉替代市场分析,展开了工业热泵应用场景的拓展分析。
关键词 工业热泵;高温热泵;蒸汽热泵;低GWP制冷剂
图文导读
作为一种主动热回收装置,工业热泵可借助外部能源将工业过程中的余热温度提至更高温度,以用于同一过程或其他过程的热需求。工业热泵的价值在于通过使用低碳电力减少供暖碳排放的能力,具有提供大规模、灵活性的热能潜力以及降低平衡电力系统和在用户端消耗热能的成本。因此,工业热泵可从应用上实现热量和电力的脱碳。
本文将回顾国内外工业热泵的发展现状,对高温/蒸汽热泵及其在工业领域的应用潜力进行分析,对节能和碳减排潜力进行估算,为后续推进高温/蒸汽热泵技术进一步发展以及在工业领域的应用发展提供指导。
01 工业热泵技术现状
·系统循环
蒸汽压缩热泵系统是基于逆卡诺循环并通过理想等熵压缩和等焓膨胀进行改进。最常见的循环是单级压缩循环,包括原始的单级、带有补气增焓或喷射器以改善循环性能的单级循环以及配有经济器和中间换热器的单级循环。多级系统采用多次压缩,以机械能消耗为代价,实现更高的输出温度。复叠式热泵系统将两种或多种工质的循环耦合起来,以实现更大的温升。混合热泵系统将蒸汽压缩热泵与吸收、吸附、太阳能或化学热泵等其他热力系统集成在一起。
·热水(热空气)制备循环
在供暖、干燥、洗涤和消毒等工艺过程中均需使用大量热水,通常由工业锅炉供应,锅炉以煤炭、石油或天然气为燃料,生产过程中产生的余热由冷却塔冷却。采用热泵技术生产热水(热空气),可根据温升的大小,采用单级压缩、双级压缩、复叠压缩等循环方式,在热源温度较低时可采用跨临界 CO2循环。循环流程如图 1~图 3 所示。
·蒸汽制备循环
微压蒸汽热泵机组应用于低品位回收领域,可回收余热水、乏汽、乏风等余热,生产微压蒸汽。微压蒸汽的制备可视温升的不同采用单级压缩、双级压缩、复叠压缩等配合闪蒸罐的循环方式,循环流程见图 4~图 6。
在 120~175 ℃ 的温度区间内,低压蒸汽热泵机组进一步提升了高温热泵的使用范围,可推广至过去未能触及的领域(如医药与食品的消毒和灭菌、化学行业的分离、纸张行业的烘干) 。低压蒸汽的制备可视温升的不同采用单级压缩、双级压缩、复叠压缩等配合闪蒸罐的循环方式, 循环流程见图7~图 9。
·制冷压缩机技术
热泵机组是制冷剂、结构、部件的集成,对热泵性能具有决定性影响,压缩机是热泵机组的核心部件,本节总结了目前适用于工业热泵的主要压缩机型式。
·往复压缩机
·涡旋压缩机
·双螺杆压缩机
·单螺杆压缩机
·透平压缩机
（具体分析见原文）
·水蒸气压缩机技术
由于水蒸气的特殊物理性质,机械压缩机应满足如下技术要求:1) 由于水蒸气的高比体积而产生的大体积流量;2)避免腐蚀和侵蚀的特殊材料;3)严格的轴封要求,以保证压缩蒸汽纯度;4) 压力比高,使压缩蒸汽的饱和温升足够高,以取代锅炉蒸汽;5)压力较高时,排放蒸汽温度低或压缩蒸汽过热度低;6)效率高,成本合理。
不同于开式循环中的机械式蒸汽压缩技术，用于高温热泵的水蒸气压缩机在系统中运行温升高、压比大,适用于温升较低的罗茨水蒸气压缩机与单级透平水蒸气压缩机已不能胜任,而多级透平压缩机与带喷水功能的双螺杆压缩机开始进入人们的视野。
·多级透平压缩机
·双螺杆压缩机
（具体分析见原文）
02 低GWP制冷剂技术
制冷剂的选择在蒸汽压缩热泵中起着关键作用,制冷剂的物性决定了蒸汽压缩热泵的性能。目前,制冷剂选择原则优先考虑制冷剂的全球变 暖 潜值和臭氧损耗潜值为保护环境,首选ODP为 0,GWP 小于150 的制冷剂。基于上述要求,低 GWP(GWP<150)制冷剂,如天然制冷剂、碳氢化合物(HCs)、氢氟烯烃(HFOs)、氢氯氟烃(HCFOs)近期在蒸汽压缩热泵中得到广泛使用和研究。
·HFOs
适用于高温热泵的HFOs工质包括R1336mmz(Z)、R1336mmz(E)、R1234ze(Z)、R1234ze(E)。在HFOs制冷剂中,R1336mmz(Z)可以在相对较低的压力(2 900 kPa)下提供较高的临界温度171.3 ℃。该制冷剂不易燃(安全级别为 A1)、ODP为0、GWP为2、大气寿命为22 d。R1336mmz(Z)在250 ℃以下稳定,因此适用于余热回收、ORC 和蒸汽产生等应用。（其他制冷剂分析见原文）
·HCFOs
适用于高温热泵的HCFOs工质包括R1233zd(E)与 R1224yd(Z)。在可用的HCFOs 中,R1233zd(E)被认为是适用于高温热泵的制冷剂。其ODP 为 0.0034、GWP 为1、临界温度为166.5 ℃ 、临界压力为 3 620kPa、安全类别为A1。已被证实用于高温热泵时具有优异的性能。（其他制冷剂分析见原文）
·天然工质
适合高温热泵的天然制冷剂有水(R718)、二氧化碳(R744)、氨(R717)、碳氢化合物(HCs)等。
·水
·二氧化碳
·氨
·碳氢化合物
（具体分析见原文）
03 工业热泵技术发展展望
·大容量半封闭高温制冷剂压缩机
采用封闭式结构将电动机和压缩机连成整体,装在同一机体内共用一根主轴,因此可取消开启式压缩机中的轴封装置,避免由此产生的泄漏。半封闭压缩机用于制冷循环及常规热泵循环已经成熟,但用于高温热泵仍然受到一些限制。
·高温蒸汽压缩机
在可供选择的低 GWP 制冷剂中,R1336mzz(Z)由于临界温度达到 164.1 ℃ ,不易燃且无毒,将高温热泵的供热温度推向 155 ℃。当高温热泵供热温度的目标值为 175 ℃或更高时,采用水作为制冷剂是目前的最佳选择,因此要求开发高温蒸汽压缩机来适应该要求。综合考虑压缩机的运行原理、结构特点与操作特性,双螺杆蒸汽压缩机与离心蒸汽压缩机成为高温蒸汽压缩机的两个选择。
·跨临界CO2高温热泵
20 世纪 90 年代跨临界CO2热泵就在日本率先商业化,通过采用工作压力超过 10 MPa 的高压往复压缩机,CO2热泵成功用于民用热水制备,并进一步拓展至工业领域的热空气制备,最高热水及热风温度可达 120 ℃ 。德国将工艺离心机技术引入跨临界CO2压缩,从而实现了大规模冷热电三联储能方案。
·带储能功能的高温热泵
热泵与热能存储相结合,可在一定程度上实现大型热泵机组的连续运行,避免了频繁启停机时热泵压缩机容易出现的可靠性问题。而储能功能甚至可替代热泵机组的调频,实现热泵压缩机在工频下运行,这对高可靠性的离心热泵压缩机在高温热泵领域拓展应用极为有利。
04 工业热泵应用场景拓展分析
·耦合空气源与可再生能源的集中式供热系统
工业领域用热温度较高(一般大于80 ℃ ),采用分布式空气源热泵给工业装置供热如图 10 所示,目前还存在如下局限性:1) 空气源热泵的热源侧是环境空气,供热与热源温差较大,且温差随季节及昼夜波动较大,使空气源热泵的 COP 偏低,且环境温度的波动必然导致运行工况波动进而降低热泵机组的可靠性;2) 空气源高温热泵采用工业电驱动,由于工业电价较高,导致高温热泵机组运行费用大幅高于天然气锅炉;3) 工业领域余热资源较为丰富,在有余热资源利用的前提下,利用环境空气作为热源不是一个经济的选择。
·基于工业循环水余热回收的集中式供热系统
在大型应用场景中(如企业或工业园区),大部分工业装置的余热被循环冷却水带走,冷却水汇集后通过大型冷却塔降温再回到工业装置循环使用。循环水水温随季节变化在 25~45 ℃ 之间,且在一定时间跨度内波动较小,循环水经过大型冷却塔释放掉的热量非常大,若对该循环水的热量加以利用并制备 80 ℃以上的高温热水,形成集中式供热系统给企业或园区的装置供热如图 11 所示,可大幅减少化石类燃料的消耗。
·耦合高温热泵与 DAC 的分布式碳捕集装置
采用高温热泵从工业余热中生产 100~120 ℃的蒸汽,用于 DAC 设备中吸附剂的再生和净化,如图 12 所示。通过该能源系统集成设计,以及新型高温工业热泵和基于吸附的DAC 系统耦合技术开发,降低 DAC 技术的总能耗,并将从空气中直接捕获 CO2 的运营成本大幅降低。
05 总结
面对 2030 碳达峰的阶段性目标,工业用能的转型迫在眉睫,工业热泵技术是高能耗工业锅炉的理想替代技术,本文对目前典型工业热泵、高温/蒸汽热泵的系统循环形式、关键制冷压缩机技术、水蒸气压缩技术进行总结,得到如下结论:
1)《基加利修正案》生效后,第四代低 GWP 制冷剂得到重点发展,工业热泵也需进一步发展以低GWP 制冷剂为工质的系统。
2)基于目前工业热泵的技术现状,结合工业锅炉替代应用场景,本文提出工业热泵技术在大容量半封闭高温制冷剂压缩机、高温蒸汽压缩机、CO2高温热泵、带储能功能的高温热泵方面未来将会有进一步的发展。
3)结合未来工业热泵技术进一步拓展的方向,分析拓展的应用场景,工业热泵将会进一步拓展至结合可再生能源的民用集中供热、余热回收的工业集中供热领域和碳捕集余热回收流程中。