低碳技术 余热回收制蒸汽技术

工业蒸汽是重要的生产能源，在很多生产工艺中都有应用。随着环保低碳政策的实施，燃煤蒸汽锅炉被禁止使用，独立供蒸汽的场合大多由燃气锅炉供应，成本很高，给企业生产带来沉重的负担。蒸汽的热量在使用后不会消失，只是在降温、降低品位后排放。这些热量不能在工艺中应用，却是优质的低品位热源，直接排放是极大的浪费。将低品位余热回收后再制取蒸汽，能够大幅度降低蒸汽成本，减少生产蒸汽的碳排放。

使用余热制蒸汽有一个前提和三种方式。

一个前提：降低传热温差，尽量提高余热品位

生产工艺中除了对空直排的蒸汽、空气等，低品位余热一般通过冷却水散热，而冷却水温度一般较低。这样一来，余热和冷却水的传热温差巨大，余热品位被大幅度降低，给再利用带来极大的困难。

为了实现低成本余热利用制蒸汽，需要减小传热温差，提高外排的余热品位。工艺余热尽量直接利用，如果不适合直接回收，通过大面积换热器将热量传递给中介水，提高中介水温度。这样换热器投资增加，但给余热回收带来很大的好处。举例来说，80℃的余热不能直接应用，也不应该直接向32/37℃的冷却水散热，而是增大换热面积，将水加热至70℃左右，再通过余热回收装置回收70℃中介水制取蒸汽。

余热制蒸汽方式1：水蒸气压缩式热泵

当可用余热源的温度超过50℃时，可以用水蒸气压缩式热泵直接制取高压蒸汽。水蒸气压缩式热泵的核心是水蒸气压缩机，辅以蒸发罐等设备。

水蒸气压缩机以少量电力驱动，将低压蒸汽压缩至高压可用蒸汽。电力只承担气体压缩过程所需的能量，汽化潜热的能量由余热提供，耗电量较少，能效比很高，制取蒸汽成本很低。

蒸发罐等设备用于余热介质是水的场景。水蒸气压缩机只能压缩蒸汽，因此蒸发罐用于将余热水转化为低压水蒸气，再进入压缩机加压。水蒸气压缩式热泵系统简单，在高温余热的利用中有很好的应用前景。当余热温度较低时（如低于50℃），余热蒸汽压力低、体积大，水蒸气压缩机的流通面积增加，造价升高、效率降低，密封结构也不足以保证低温水蒸气高真空环境下的密封，不凝气体较多。因此，这种方式不适用于低温余热制蒸汽领域。低温余热制蒸汽需要采用高温压缩式热泵技术。

余热制蒸汽方式2：高温压缩式热泵

压缩式热泵内部采用制冷剂作为循环工质，电力驱动压缩机，通过制冷剂的蒸发吸热和冷凝放热过程实现余热回收和产生高温热的效果。常用制冷剂的低温性能较好，在低温段具有体积小、效率高的特点，因此在制冷、低温余热回收中有很好的应用效果。

高温压缩式热泵可以产生120℃左右的热水或115℃左右的蒸汽。这种温度范围远远超过了常用制冷剂，需要采用高温制冷剂。如需回收低温余热取热制取蒸汽，高温制冷剂又无法满足低温余热回收的需求，要采用复叠式热泵结构，即低温制冷剂循环吸收余热，产生的热量作为高温制冷剂的余热源，再产生高温出水。

简单的复叠式热泵流程如下图所示：

 

从复叠压缩式热泵流程来看，低温侧可以将余热升温至较高温度，再把热量传递到高温循环中，最后产生水蒸汽。整个过程换热环节较多，系统复杂，且第二级是高温循环，这个温度更适合水蒸气压缩机，由此产生了第三种方式——复合式热泵。

余热制蒸汽方式3：复合式热泵

复合式热泵也是采用了方式2中的复叠式热泵的流程，只是高温段改成了水蒸气压缩机，取消了冷凝器、节流阀等设备，系统更简单，造价更低。

 

压缩式热泵内部填注的是制冷剂，水也是一种制冷剂（R718就是水），因此两级原理上是一致的。与高低温制冷剂复叠循环相比，复合式热泵减少了节流阀、冷凝器，与产蒸汽的目的相匹配，在低温余热制蒸汽场景中更适用。

工业蒸汽是重要的生产用能，常规制取方法成本高、碳排放大，而低品位余热直接排放，也是一种巨大的能源浪费。利用余热制取蒸汽，大幅度降低了蒸汽的生产成本，减少了碳排放，特别是与光伏发电等新能源结合，具有巨大的市场前景和社会效益，是未来工业领域节能降碳技术的重要方向之一。