余热回收梯级利用系统在制药企业中的应用
2017-04-11董琍梅
董琍梅
（河北省电力需求侧管理指导中心 河北 石家庄 050010）
余热回收梯级利用系统在制药企业中的应用
董琍梅
（河北省电力需求侧管理指导中心 河北 石家庄 050010）
简要介绍了中温余热回收、热泵余热利用、高温凝结水热量回收的原理，并对热泵的工作特性及节能情况进行了分析。详细介绍了某制药企业余热回收应用的实例，在保证生产工艺正常运行的情况下，不但节约了能耗，而且消除了对环境的“热污染”。
热泵；余热回收；蓄热球；相变；节能
制药企业属于高耗能单位，设备复杂、工艺路线较长，频繁的升温、降温，对冷、热源的需求量非常大。但以目前普遍的能源供给情况看，存在着诸多不合理之处，例如高品位热源的低级利用，像加热温度70-80°C的生产工艺仍然延续高温蒸汽换热。还有就是大量生产余热的浪费严重。例如压缩空气的降温水、冷水机组循环冷却水等所含有的热量直接通过冷却塔散入大气，不仅造成热能的浪费，还造成了对环境的“热污染”。
第一部分 中温热源
“中温热源”的概念是指，通过中温余热回收，低温余热的热泵升温等方式得到的成本远低于高温蒸汽的中温热源。通过整合为工厂提供70-80°C稳定的中温热水。
一、中温余热回收：
例如，1000 Nm /min空压机采用双级压缩，中冷、后冷器需要将130-140 C的压缩空气降温至60 C以下，为此设置两台翅片管换热器，回收高温压缩空气的热量。
首先使用循环热水提取热量，压空温度从130 C降温至95 C，降温35 C，之后再使用常温冷却水将压缩空气降温至60 C以下。
可供热回收空压机总排气量2000Nm /min（两级），回收热量,制取75——85 C循环热水1300吨/小时，蒸汽热值按2500kJ/kg计算，空压机回收热量5.45*106kJ/h，折合蒸汽2.18T/h,蒸汽资费按200元/T计算,每年可节约支出：200*2.18*24*330=345万元(每天24小时工作，年工作330天)。
二、热泵余热利用
常规制冷或热泵系统遵循逆卡诺循环和热力学第一定律。以离心制冷机为例，制取5KW冷量需要消耗1KW电能，排出6KW热量。即制冷系数5.0，制热能效比6.0 。当然随着冷热端温差不同，制冷系数和制热能效比也会有变化.
下面从经济角度计算热泵节能效益：
1、60 C中温热水，热源为32 C循环冷却水，制热能效比5.0
制取100KW热量需耗电20KW，费用13元（平均电费按0.65元计算）
如果采用蒸汽供热，需消耗蒸汽150公斤，费用30元（蒸汽资费按200元计算）
2、80 C高温热水，热源为32 C循环冷却水，制热能效比3.5
制取100KW热量需耗电28.6KW，费用18.6元（平均电费按0.65元计算）如果采用蒸汽供热，需消耗蒸汽150公斤，费用30元（蒸汽资费按200元计算）
由此可见，在生产工艺中采用热泵供热的效益还是非常可观的。
三、高温凝结水热量回收
蒸汽喷射式热泵其工作机理是利用高压驱动蒸汽的喷射，抽吸低压蒸汽或凝结水闪蒸汽并将其参数提高至用户所需要的水平。我们将这种装置称为蒸汽喷射式热泵。其工作机理与蒸汽喷射器、水喷射器相似。这种热泵没有任何运动部件，其结构简单，运行可靠，可自动调节。如图 1所示，蒸汽喷射式热泵由喷嘴①、吸引室②、混合室③、扩压室④等四个部件组成。高压驱动蒸汽通过喷嘴后，绝热膨胀，压力由PO降为Pp（Pp低于被引射蒸汽的压力Ph）由于压差作用，被引射的低压蒸汽或凝结水闪蒸汽被抽吸至吸引室，两股汽流在混合室内混合后压力为P3，经扩压管增压到用户所需要的压力Pg。
第二部分 制药企业余热回收应用实例
一、余热热源：
1、实消发酵罐：
主要包括 30m³发酵罐 8台，产生的余热有实消高温冷却水（可回收温度60——96°C，产生于实消降温阶段的初始 30分钟）和实消尾汽（可回收温度110——120°C，产生于实消保温保压阶段）
2、连消发酵罐：
主要包括320m³发酵罐10台和140m³发酵罐5台，产生的余热有连消高温冷却水（可回收温度 40——50°C，产生于连消进料阶段）和空消尾汽（可回收温度110——120°C，产生于空消保温保压阶段）
在进行余热回收之前，上述热量主要通过尾汽排空和冷却水直接蒸发冷却散入大气环境，加重了环境热污染和水资源浪费。
二、余热回收措施：
1、消毒尾汽：（实消尾汽和空消尾汽）
该方案分三个组成部分：罐顶消毒尾气与正常发酵排气分离；废汽输送管道；连交废液汽水直接换热器热能回收。
（1）、消毒尾气与正常发酵排气分离
气—汽分离的目的是把消毒尾汽与发酵排气进行分离，以提高废汽利用温度。目前，发酵用温度较低的空气与消毒用温度较高的蒸汽排至同一套管道，造成混合气体温度和其中蒸汽的凝结温度都显著下降，这会大大降低它的利用价值。
气—汽分离的实现是通过另外敷设一套独立的高温尾汽管道实现的，各发酵罐消毒尾气汇入集中热回收管道输送至连交废液排出口。通过手动截止阀切换控制气、汽走向：正常发酵时，主排气阀打开，尾汽阀关闭；消毒操作时，主排气阀关闭，尾汽阀打开。
（2）、废汽输送管道：
为防止管道内凝结水倒流，所有汇集管和尾气输送管做出5‰坡度。为避免热力损失，所有汇集管和尾气输送管做保温处理。
2、高温冷却水：
发酵车间目前可回收高温冷却水有两种温度：实消降温冷却水 60——96°C，连消高温冷却水40——50°C。
（1）、对60——96°C冷却水采用蓄热回收再利用：
相变蓄热是依靠物质相变过程（固－液态转化）中必须吸收或放出大量相变潜热的物理现象进行能量的存储和释放。
相变蓄热球是相变蓄热产品和相变蓄热应用工程中最基础的结构产品。它以良好的热传导材料为载体，填充不同的相变蓄热材料，在保持良好的相变蓄热性能的情况下，大大方便了产品的安装和工程的实施，它可广泛应用于各种蓄热产品和场所，在相同的效能下，它比取代传统的水蓄热体积将缩小7倍以上。
典型的发酵实消余热回收和再用流程如下图8：
■ 余热回收：高温冷却水由温度控制的电动三通阀将实消降温过程中冷却水的高温部分导入低温蓄热罐（55°C）进行储存，低温部分直接并入冷却循环水系统。
■ 进料时，通过循环泵、换热器，将储存在低温蓄热罐的热量取出，对培养基进行升温预热。
（2）、对40——50°C冷却水采用塑料沉浸式换热器直接加热环保污水
鉴于发酵车间与环保污水距离较近，这部分较高温度的冷却水可以直接作为热源加热环保污水，冷却水压力高于污水，不会因换热器泄露造成冷却水污染。
三、经济效益估算：
1、实消高温冷却水：
每天实消30m³发酵罐六罐，实消降温时罐温由120 C降至78 C时间30分钟左右，冷却水出水温度为96 C——60 C，通过相变蓄热将高温冷却水中的热量予以储存，存储热量用于配料水预热。
30m³发酵罐实消时的培养基重量为15吨，降温40 C放出热量：
15*1000 *1*40*4.2=2.52*106kJ
每天实消8罐可回收热量2.016*107kJ，折合每天节省蒸汽：
2.016 *107÷2500÷1000=8.1吨
折合蒸汽费用1620元(蒸汽资费按200元计算)
年节能：53.46万元(年运行330天)。
由于各发酵罐实消过程非同时进行，每罐实消间隔大致相等，因此仅采用10 m ³蓄热容积，满足一个发酵罐的蓄热需求即可。各发酵罐冷却水回水均通过旁通管引致蓄热罐，放出热量、降低温度后再汇入冷却水回水总管。
2、消毒尾汽（实消、空消）：
根据各罐实测数据及频次计算。
3、沉浸式塑料换热器直接加热污水：
可按连消冷却水的水流量乘以5°C温差计算回收热量：
例如：平均水流量为50吨/小时，平均每天20小时，则每天回收热量为
50*1000 *1*5*20*4.2=2.1*107kcal，折合蒸汽量8.4吨/天。年效益55.44万。
四、结束语
制药企业余热回收梯级利用的实现，确保生产工艺正常运行的情况下，不但节约了能耗，而且消除了高品位热源的低级利用，解决了大量生产余热的严重浪费，具有较大的经济效益；并且余热回收梯级利用系统在制药企业的应用也取得了显著的社会效益。
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1007-6344（2017）02-0279-01
