国家重点研发计划“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项“低品位余能回收技术及热泵装备研发与示范”项目接近综合绩效评价关键阶段。由该项目研究开发的效率高、容量大、热适应性好、稳定性强的热泵、制冷、发电及能量储运技术,集成了高质化的余能利用网络化系统,实现工业余能的高效利用。

近日,中国科学院工程热物理研究所传热传质研究中心超强换热团队设计研发的我国首座异丙醇-丙酮-氢气化学热泵技术验证示范平台在江苏省高邮市江苏杨钢特钢有限公司建成。目前,平台已完成调试,各部件和系统性能均达到预期目标。该平台是国际上首个规模化有机工质化学热泵系统,填补了相关试验测试平台的空白。

项目研发的永磁同步变频、喷液冷却级间补气、强化换热和优化控制技术,通过凝水热回收、大容量机组的局部模拟实验、大型组件现场组装和远程智能控制,构建了大温升-高效率的增量型-升温型循环体系,形成了稳定高效的冷却塔余热回收供暖技术。同时还研发了闭式水蒸气热泵、变效溴化锂-水吸收、硅胶-水回热回质吸附、相变储热、扩散氨水吸收和热泵-ORC耦合等分散式余能利用技术。

化学热泵系统是利用可逆的吸放热化学反应,将低品位的热能以化学能的形式回收,然后在适宜的温度下释放出来用于供热、制冷、干燥及发电的装备,可以实现能量的品位提升和有效利用,具有升温幅度大、输出温度高、热损失小、兼具储能功能等优点,可与压缩式热泵、吸收式和吸附式热泵形成互补。其中,异丙醇-丙酮-氢气化学热泵适合80-110℃低温热能的回收,在低温太阳能及工业余热利用等领域具有广阔应用前景。

项目组研制的温升≥30℃、COP≥6.0的MW级压缩式热泵示范机组应用于鞍钢灵山供暖改造工程,实现年节煤3500余吨;研制的单机容量50MW级大温升吸收式热泵示范机组应用于大唐甘肃发电有限公司西固热电厂余热回收供暖工程,实现年回收余热127万GJ、节煤4.82万吨。

异丙醇-丙酮-氢气化学热泵技术验证示范平台包括催化吸热反应器、精馏塔、催化放热反应器、回热器等部件,吸热功率最大达300
kW,放热功率最大可达100
kW,该系统利用炼钢加热炉产生的蒸汽经汽轮机发电后排放的压强为1-2公斤的低压蒸汽,可获得160℃以上的过热蒸汽。

目前,低品位余能在总能源消费占比高,存在着温度低、能量密度低且分散、回收困难和利用难度大等问题。项目形成的大容量、大温升的高能效压缩式和吸收式热泵成果,突破了目前工业余能热利用中压缩式和吸收式热泵系统在效率、高温可靠性方面的难题;化学热泵系统成果弥补了已有压缩式与吸收式热泵技术在温度提升方面的限制,为工业热泵在余热回收的应用提供了理论指导和方案参考。

该研究是在低品位余能回收技术及热泵装备研发与示范国家重点研发计划项目中的低温热能品位提升的高效化学热泵课题支持下完成的。

图1 异丙醇-丙酮-氢气化学热泵技术验证示范平台

图2 示范平台控制系统

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