黃雄軍，溫亦欽，黃益雄，張思原，羅煥祥，蘇喜德，林春玲，黃慧玲

（1廣西來賓永鑫糖業(yè)有限公司，廣西來賓546100；2廣西永鑫華糖集團(tuán)有限公司，廣西南寧530021；3廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧530004）

0 前言

能源危機(jī)以及環(huán)境惡化問題已經(jīng)成為國際社會關(guān)注的熱點。隨著我國人口激增以及國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加劇了化石燃料的消耗與枯竭，造成生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重污染。目前我國是世界上第2能源消耗大國，但能源的利用率不到 30%[1]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于先進(jìn)的發(fā)達(dá)國家。因此，節(jié)約有限的資源，減少能源的浪費，即加強(qiáng)工業(yè)生產(chǎn)中余熱、廢熱的回收利用，提高一次能源的利用率，是緩解能源危機(jī)、保護(hù)環(huán)境的根本措施，也是實現(xiàn)我國經(jīng)濟(jì)增長方式從粗放型向節(jié)約型轉(zhuǎn)變的重要途徑。

糖廠是余熱資源豐富的能耗大戶，其中最大的熱能損耗在于蒸發(fā)和煮糖冷凝器的汁汽排放[2]，其熱量通過循環(huán)水系統(tǒng)，從冷卻水塔排放到大氣中。這部分巨大的余熱熱量排放到大氣中，造成局部區(qū)域形成“熱島效應(yīng)”。但由于這部分余熱資源溫度較低，一般都在45℃左右，人們對這部分能量的利用不夠重視，往往直接排放到大氣中。不但造成能源浪費，而且給環(huán)境帶來了熱污染。值得注意的是這部分熱量很大，如果能夠?qū)⑦@部分低溫?zé)嵩椿厥绽茫粌H能夠提高糖廠的能源利用率，而且對保護(hù)環(huán)境有益。

熱泵是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置。1824年法國科學(xué)家薩迪·卡諾(Sadi Karnot)首次提出“卡諾循環(huán)”理論，這成為熱泵技術(shù)的起源。1852年英國科學(xué)家開爾文(L. Kelvin)提出將逆卡諾循環(huán)用于加熱的熱泵設(shè)想。他第一個提出了正式的熱泵系統(tǒng)，當(dāng)時稱為“熱量倍增器”[3]。之后許多科學(xué)家和工程師對熱泵進(jìn)行了大量研究。目前熱泵以其能吸收環(huán)境熱能或回收低溫廢熱來高效制取中、高溫?zé)崮艿耐怀鰞?yōu)勢，在余熱回收領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。廣西來賓永鑫糖業(yè)有限公司利用成熟先進(jìn)的吸收式熱泵系統(tǒng)進(jìn)行低溫余熱回收，將45℃循環(huán)冷卻水熱量回收制得80℃熱水作為混合汁的二級加熱熱源，并引用蒸發(fā)末效汁汽廢熱或者蒸發(fā)Ⅱ效汽凝水熱量作為混合汁的一級加熱熱源，全面回收末效汁汽和循環(huán)冷卻水中的余熱，滿足穩(wěn)定的生產(chǎn)運(yùn)行。

1 生產(chǎn)工藝熱水和末效汁汽余熱回收

1.1 原生產(chǎn)工藝熱水和末效汁汽流程

來賓永鑫糖業(yè)有限公司原生產(chǎn)工藝：首先由鍋爐燃燒蔗渣產(chǎn)生蒸汽供汽輪機(jī)組發(fā)電，同時得到約130℃乏汽供制糖生產(chǎn)過程中糖汁蒸發(fā)和煮糖使用。高溫乏汽經(jīng)降溫器后作為糖汁加熱熱源，糖汁受熱沸騰，繼而產(chǎn)生大量的汁汽，前一效蒸發(fā)罐的汁汽作為下一效蒸發(fā)罐的熱源或者作為煮糖的熱源，而蒸發(fā)罐的末效汁汽以及煮糖產(chǎn)生汁汽溫度約70℃，由于溫度較低，不能直接作為糖汁加熱熱源而進(jìn)入水噴射冷凝器冷凝，其凝結(jié)水與冷卻水一起排至冷卻塔冷卻后循環(huán)使用。加熱蒸汽或者蒸發(fā)汁汽由于放出潛熱溫度下降，凝結(jié)成水。I效汽凝水溫度約120℃，由于水質(zhì)好，常作為鍋爐補(bǔ)充用水，II效汽凝水溫度約110℃，II效以及后面各效汽凝水混合作為制糖工藝用水。

1.2 工藝熱水和末效汁汽余熱回收工藝流程

目前我區(qū)多數(shù)糖廠蒸發(fā)罐排入冷凝器的汁汽量對甘蔗比例約為5%～7%，個別較低的為2%～4%，比國外先進(jìn)糖廠高很多[4]。大量的汁汽進(jìn)入冷凝器，不但增加了冷卻水用量，而且汁汽帶走大量熱量。升溫后的冷卻水需利用冷卻塔對其降溫才能循環(huán)使用，冷卻水進(jìn)冷卻塔溫度約為45℃，出冷卻塔溫度降為32℃，這不僅導(dǎo)致其中大量的熱能被浪費掉，且還造成水資源的浪費。為了合理地利用這些余熱熱量，來賓永鑫糖業(yè)有限公司提出了全面回收及利用糖廠末效汁汽、II效汽凝水以及冷卻循環(huán)水余熱的工藝方案。

原有工藝混合汁要求從35℃加熱到70℃，分兩級加熱，混合汁一級加熱抽用蒸發(fā)IV效汁汽，二級加熱抽用蒸發(fā)III效汁汽。新余熱回收方案改為：混合汁的一級加熱熱源引用蒸發(fā)末效汁汽或蒸發(fā)II效汽凝水，加熱混合汁從35℃到45℃。采用熱泵系統(tǒng)回收45℃冷卻循環(huán)水余熱，以少量飽和蒸汽作為驅(qū)動熱泵的動力而獲得大量80℃高溫?zé)崴鳛榛旌现壖訜岬臒嵩?，將混合汁?5℃加熱到70℃，以減少加熱器的蒸汽用量，部分取代冷卻塔，節(jié)約冷卻水用量，降低冷卻塔負(fù)荷，從而達(dá)到節(jié)能的目的?；厥占袄锰菑S末效汁汽、Ⅱ效汽凝水以及冷卻循環(huán)水余熱工藝流程示意圖見圖1。

2 熱泵系統(tǒng)

2.1 熱泵系統(tǒng)的組成

熱泵系統(tǒng)主要是由冷凝器、發(fā)生器、蒸發(fā)器、吸收器、熱交換器組成（圖2），采用的是溴化鋰吸收式熱泵即第一類吸收式熱泵，熱泵機(jī)組的效率COP為1.7～2.48之間，即消耗1 kJ的高溫驅(qū)動熱量，可從低溫余熱源中提取1.7～2.48 kJ的熱量。

2.2 熱泵系統(tǒng)工作原理

圖1 末效汁汽、II效汽凝水以及冷卻循環(huán)水余熱回收利用工藝流程示意圖

第一類吸收式熱泵循環(huán)的基本工作原理[5]：利用飽和蒸汽加熱發(fā)生器中溴化鋰-水工質(zhì)對溶液，稀溶液經(jīng)過加熱產(chǎn)生高溫高壓的循環(huán)水蒸汽，進(jìn)入冷凝器；水蒸汽在冷凝器中凝結(jié)放熱，變成高溫高壓的循環(huán)水進(jìn)入節(jié)流閥，經(jīng)節(jié)流閥后變成低溫低壓的飽和汽液混合物，然后進(jìn)入蒸發(fā)器；在蒸發(fā)器中飽和汽液混合物吸收了循環(huán)冷卻水的熱量變成水蒸汽，進(jìn)入吸收器；在吸收器中，循環(huán)水蒸汽被溴化鋰-水工質(zhì)對溶液吸收，吸收后的工質(zhì)對溶液經(jīng)熱交換器升溫后被不斷泵送到發(fā)生器。在發(fā)生器中，溶液因為被加熱濃縮變成濃溶液，濃溶液經(jīng)過換熱器降溫后被不斷放入吸收器，這樣就完成了吸收式熱泵循環(huán)。其中在冷凝器中循環(huán)蒸汽凝結(jié)放熱，升溫的熱水作為加熱熱源。

3 熱泵余熱回收系統(tǒng)生產(chǎn)實踐

3.1 生產(chǎn)運(yùn)行情況

2013/14 年榨季來賓永鑫糖業(yè)有限公司的余熱回收加熱系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后進(jìn)行了生產(chǎn)運(yùn)行。該公司有2條生產(chǎn)線，新線甘蔗處理能力330 t/h，舊線處理能力170 t/h，具體運(yùn)行新線混合汁流量280 t/h、舊線混合汁流量160 t/h。新線余熱回收系統(tǒng)于3月17日10：20時正式啟用，一級加熱熱源為末效汁汽，可將混合汁由23℃提高至40～45℃；二級加熱熱源用熱泵機(jī)組制得熱水，熱水量約為500 t/h，溫度約75℃，熱泵機(jī)組平均耗廢汽量約4 t/h。經(jīng)兩級加熱混合汁溫度可由23℃提高至65℃，基本達(dá)到設(shè)計要求，同時節(jié)省的III效汁汽抽去煮糖，糖漿濃度穩(wěn)定。

舊線余熱回收系統(tǒng)于3月17日13:10時正式啟用，一級加熱熱源為末效汁汽，可將混合汁由23℃提高至40～45℃；二級加熱利用廠區(qū)內(nèi)85℃熱水，可將混合汁由 40～45℃提高至 50～65℃。舊線III效汁汽抽往糖漿加熱器，糖漿可被加熱至80℃，達(dá)到工藝指標(biāo)要求。

3.2 余熱利用基本計算

余熱利用項目運(yùn)行過程，甘蔗榨量新線為 290 t/h，舊線為170 t/h，混合汁流量新線280 t/h、舊線160 t/h，混合汁溫度可由 23℃提至 65℃，升高 42℃。

新線混合汁吸收熱量：

Q1= 280×1000×3.69×42 = 43394400 kJ/h舊線混合汁吸收熱量：

Q2= 160×1000×3.69×42 = 24796800 kJ/h；耗用蒸汽的熱量：

Q3= 4×1000×2229.3 = 8917200 kJ/h；

余熱回收系統(tǒng)吸收的熱量：

Q1+ Q2- Q3= 43394400+24796800-8917200 =59274000 kJ/h；

熱泵機(jī)組耗廢汽參數(shù) 0.15 MPa，汽化潛熱2229.3 kJ/kg；混合汁比熱3.69 kJ/kg℃[6]。經(jīng)生產(chǎn)查定余熱回收系統(tǒng)平均每小時電耗156 kW·h?？鄢姾膶嶋H回收熱量：

59274000-156×3600 = 58712400 kJ/h以上計算未計冷卻塔節(jié)能。

3.3 余熱回收效益

回收熱量折成含 45%水分蔗渣量，取熱效率70%：

58712400÷4.2 ÷2057÷1000÷0.70 = 9.7t/h；折成蔗渣打包率：

9.7÷(290+170) = 2.1%蔗。每榨萬噸甘蔗節(jié)約蔗渣量：2.1%×10000= 210 t。

采用這套余熱回收系統(tǒng)不僅避免了循環(huán)冷卻水余熱散失在自然界的空氣中，減弱其對環(huán)境形成局部“熱島效應(yīng)”，而且通過該余熱回收系統(tǒng)的使用運(yùn)行，每榨萬噸甘蔗相當(dāng)可節(jié)約蔗渣210 t，有力地支援了蔗渣造紙發(fā)展，節(jié)約大量木材，對我區(qū)森林資源和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有十分重要意義。

4 結(jié)論

來賓永鑫糖業(yè)有限公司熱泵余熱回收系統(tǒng)的生產(chǎn)試驗表明，利用熱泵系統(tǒng)回收糖廠余熱，取代原混合汁加熱系統(tǒng)是可行的，且具有顯著的節(jié)能效益，粗計每小時可回收熱量5.87×107 kJ，相當(dāng)于節(jié)約蔗渣量9.7 t/h。熱泵機(jī)組在初期耗廢汽量約7 t/h，調(diào)試后廢汽流量降至約4 t/h。加熱后混合汁溫度受熱水流量穩(wěn)定性影響較大，需加強(qiáng)控制管理。該余熱回收系統(tǒng)如能進(jìn)一步磨合調(diào)試提高穩(wěn)定性將會產(chǎn)生更大的節(jié)能效益。

[1] 邱中舉. 溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)的研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2011.

[2] 霍漢鎮(zhèn). 糖廠節(jié)能的措施與方向[J]. 廣西蔗糖，2007(2)：30-33.

[3] 陳東，謝繼紅. 熱泵技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4] 施灝，陳民勇，趙儒偉. 蒸發(fā)末效汁汽余熱收集系統(tǒng)在糖廠的應(yīng)用[J]. 廣西蔗糖，2011(3)：23-26.

[5] 茹毅. 吸收式熱泵技術(shù)在工業(yè)余熱回收利用中的應(yīng)用研究[D]. 山東：太原理工大學(xué)，2012.

[6] 華南工學(xué)院，無錫輕工業(yè)學(xué)院，大連輕工業(yè)學(xué)院，等. 制糖工業(yè)分析[M]. 北京：輕工業(yè)出版社，1979.

[7] 中國輕工總會甘蔗糖業(yè)質(zhì)量監(jiān)督檢測中心. 甘蔗制糖化學(xué)管理分析方法[M]. 廣州：中國輕工總會甘蔗糖業(yè)質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，1995.