王梦颖
（中石化石油化工科学研究院有限公司，北京 100083）
“双碳”目标的提出标志我国将进入能源低碳化转型的新阶段。由于经济条件和环境要求发生了变化，炼油企业面临巨大挑战，炼油技术亟待创新升级，其中，低品位余热回收的有用性和可行性也发生了变化。低温余热的高效利用对减少炼油过程中的碳排放至关重要。
余热资源是指用现有技术回收可利用但被废弃的热量或能量，一般来源于一次能源或燃料。余热，尤其是200℃以下的低温余热，在世界范围内含量大且分布广泛，回收和再利用的潜力巨大。我国有15%～40%的工业能耗以废热排放到环境中，造成了能源的直接浪费[1]。而低温工业余热量占工业余热总量的15%～23%[2]，低温余热未被合理利用是我国余热利用率低的原因之一，因此，充分并合理利用余热资源对提高能量利用率和节能降碳起双重作用[3]。
低温余热的温度品位低，有些余热温度接近于环境温度，不同的余热利用技术可能出现回收效率低的问题。在实际工业应用过程中，低温余热利用技术的选择和其在工艺过程的集成优化仍具有挑战性。
余热资源具有温度分布范围宽和余热特性复杂的特点，根据热用户的需求差异，选择不同特点的技术对提高余热利用过程的效率和经济性具有重要意义。
1.1 热功转换技术
根据循环工质种类的不同，适用于回收低温余热的热功转换技术包括有机朗肯循环和卡琳娜循环。
1.1.1 有机朗肯循环
有机朗肯循环是较为成熟且应用最普遍的余热回收利用技术。有机朗肯循环的工艺流程较简单，工艺参数优化空间较小，目前大部分研究主要集中于有机工质的筛选、系统集成等方面。工质筛选研究需要从价格、安全、性能和环境影响进行多方面的考量。在系统集成研究方面，Aboelazayem等[4]首次将有机朗肯循环应用于超临界生物柴油工艺中进行系统集成研究，为该工艺过程提高经济效益提供了新的途径。
1.1.2 卡琳娜循环
卡琳娜循环最早由俄罗斯科学家Alexander Kalina[5]于1980年提出，实质上是一种改进的蒸气朗肯循环，但该循环系统比有机朗肯循环更加复杂。它使用氨水代替纯水作为循环工质，由于氨水混合物在相变时温度发生变化，余热热源和循环工质的复合曲线能够更好的匹配，从而降低低温余热回收过程中的㶲损失，使得卡琳娜循环在热效率上比朗肯循环更有优势。Kalina表明该循环系统的㶲效率能上升到70%，比朗肯循环效率高20%～50%[6]。在相同的操作条件下，卡琳娜循环将低温余热用于发电比有机朗肯循环在效率上显著提高25%[7]。中国石化海南炼油化工有限公司芳烃联合装置中成功应用了卡琳娜循环热水发电系统和有机朗肯发电系统进行塔顶低温热回收，达到了节能降碳的良好效果[8]。
1.2 吸收式制冷技术
当热用户有冷量需要时，也可以将余热通过制冷技术进行回收利用。在余热制冷技术中，吸收式制冷技术比传统的压缩式制冷技术环境友好，它利用制冷工质对的不断混合分离，在蒸发过程中吸收外界的热量产生制冷的效果，而不需要消耗电能。制冷工质一般为天然的氨—水、溴化锂水溶液等。以氨—水为工质对的吸收式制冷适用的蒸发温度可低于–70℃，且环境友好[9]，但存在设备占地面积大、系统性能系数低的问题[10]。溴化锂吸收式制冷适用的蒸发温度一般高于0℃，对热源的温度要求不高，可以有效利用低温余热，具有较好的节能和经济效益[9，11]。中国石化广州分公司应用溴化锂制冷技术回收120℃的高温蒸汽冷凝水，冷量用于重整装置反应单元，实现了液化气增产和经济效益提高的双重效果[12]。
1.3 热泵技术
对于高于环境的低温余热（30～90℃）可以使用热泵技术进行回收利用。目前工业中使用最多的热泵类型包括压缩式热泵、吸收式热泵和蒸汽喷射式热泵。
1.3.1 压缩式热泵
压缩式热泵通过电能将低品位余热提升到更高品位，有开放式和封闭式两种类型。目前，压缩式热泵的商业应用较广。Wang等[13]将热泵技术应用于乙二醇分离过程中，对于该过程中乙二醇产品塔的塔顶和塔底温差较小（7.53℃）的情况，采用压缩式热泵来提升塔顶的低温余热的品质，通过压缩式热泵和有机朗肯循环对乙二醇分离过程进行余热回收利用，不仅提高了系统的能量效率，同时降低了整个分离过程的㶲损失和经济费用。
1.3.2 吸收式热泵
吸收式热泵采用热驱动进行低温余热的品位提升，根据驱动热源的温度品位，分为第一类吸收式热泵和第二类吸收式热泵。吸收式热泵以热能为动力，具有不消耗大量电能的优点。陈程等[14]提出综合考虑物料—水—能关系的新型脱硫废水工艺，并通过引入吸收式热泵，回收利用除尘器后的烟气余热和闪蒸器末效的汽水混合物的热量，实现低温废热的再利用和节能节水作用。
1.3.3 蒸汽喷射式热泵
蒸汽喷射式热泵是一种高效节能的专有设备，通过借助高品位蒸汽和热用户用汽的压力差转换的能量作为驱动能源，提高低压蒸汽的压力和温度，实现低温余热的升级利用。该技术具有投资少，对原有工艺过程改动较少等优点[15]，在低温余热回收方面具有良好的应用前景。刘金萍[16]采用蒸汽喷射式热泵将某芳烃抽提装置中的低品位蒸汽进行回收提质利用，降低了蒸汽系统能耗，提高了经济效益。
1.4 吸附式余热利用技术
吸附式余热利用技术也因其环境友好性受到了越来越多的关注。吸附式热泵可以利用太阳能或余热等低品位热能驱动，优于使用电能的压缩式热泵。但由于吸附式热泵设备占地大，投资高，效率低于电能驱动的热泵[17]，目前工业应用较少。吸附式热泵的吸附剂/吸附质工作对热泵的性能和效率具有决定性作用，大部分研究主要集中在高效吸附剂材料选择方面。近年来，MOF吸附剂材料由于具有高比表面积、高孔隙率、窄孔径分布、有利的S形和材料性质可调控等优势在吸附式热泵技术应用中得到广泛关注[18-20]。但MOF材料生产成本高，其在热泵中的应用还缺乏经济性[24]。
吸附式余热利用技术在理论和实验研究上具有可行性，但该技术的工业应用还有待进一步研究与发展。
在进行余热回收的应用过程中，选择合适的低温余热利用技术可以使系统更具高效性和经济性。而合适的评价指标对于低温余热利用技术的选择具有一定的指导意义。
2.1 余热温度
Hammond等[21]总结了不同余热利用技术适用的余热温度和余热量。对于温度小于100℃的低温余热，无论余热量多少，只能采用一种低温余热利用技术，即热泵技术。当低温余热温度在100～200℃时，对于余热量很小时，可以采用直接热利用进行余热回收；
对于余热量较大时，除了可以采用直接热利用技术，还可以利用多种余热利用技术，如热功转化技术和制冷技术。Lin等[22]对有机朗肯循环、朗肯循环和卡琳娜循环进行了热力学性能对比研究，结果发现当热源温度在135～200℃范围内时，卡琳娜循环的热效率高于朗肯循环。Wang等[23]通过对比卡琳娜循环和吸收式制冷的能量性能，当余热温度在100～175℃范围内时，低温余热利用技术优先考虑吸收式制冷；
当低温热源温度为175～200℃时，卡琳娜循环优于吸收式制冷。但是，由于余热资源特性的不同，炼厂中的余热复杂多样，余热温度并不能作为余热利用技术选择的唯一指标。
2.2 潜热显热比
在低温余热回收过程中，通过计算余热资源的潜热显热比将有利于热功转换技术的选择。王梦颖等[24]将余热资源分为潜热热源、显热热源和潜热显热复合热源，定义了余热资源的潜热显热比。研究发现当该比值为0，即余热全部为显热时，卡琳娜循环优于有机朗肯循环；
当该比值为1或者无穷大，有机朗肯循环优于卡琳娜循环。但是该指标也只是对余热资源的一种简化分类。
2.3 其他评价指标
为了更好地对复合热源进行分类，Wang等[25]通过定义较低温余热与较高温余热热容流率的比值，确定了不同余热情况下适用的热功转换技术。他们将低温余热分为凸、凹、直三种类型的热源，当该比值小于1时为凹余热，直余热的比值为1，比值大于1时为凸余热。研究发现当较低温余热与较高温余热的热容流率的比值不小于0.2时，即在这种情况下的直和凹余热，卡琳娜循环优于有机朗肯循环；
而对于凸余热，选择有机朗肯循环更好。唐启奎[26]也用该方法对余热进行分类分析，指出对于低温位余热量占比较大时，卡琳娜循环比有机朗肯循环更好。
对于热泵技术的选择，Wang等[27]提出新的㶲经济指标，基于该指标表明对于60℃以下的余热资源，当温升较低时，更适合选择压缩式热泵，当温升较高时，第一类吸收式热泵更合适；
对于60～95℃的低温热源，第二类吸收式热泵在较高温升时较优。
Xu等[28]采用多指标比较了压缩式热泵和吸收式热泵，即性能系数COP，热力学第二定律效率（㶲效率和㶲流率）。研究发现，驱动能源的㶲能比可以作为评价吸收式热泵和压缩式热泵的驱动能源的统一标准，采用㶲输出与驱动能源的㶲的比值，即㶲流率，可以用来评价不同驱动源提取余热的有效性。结果表明，压缩式热泵在小温升下更好，而吸收式热泵在较高温升下更好。
Tan等[29]以用户端的热量需求与余热热量之比为评价指标，比较了4种不同类型热泵的能量和经济性能，并总结了不同热泵的快速选择方法。当该比值大于0.5时，压缩式热泵的能量性能更好；
当该比值小于0.5时，第二类吸收式热泵表现更好的能量性能。在定性经济分析下，当该比值大于0.7时，优先选择蒸汽喷射式热泵，否则第二类吸收式热泵更好。
综上所述，低温余热在回收利用过程中应根据余热温度、余热量、余热显热潜热特性、余热性质、热用户需求和余热之比等特性，选择合适的低温余热利用技术。但是对于不同余热利用技术并没有统一的评价指标，加大了余热利用技术优选的难度。如何优选余热利用技术达到更高的余热回收效率、更好的经济性和更强的实际可行性需要进一步深入研究。
实现低温余热的高效利用，除了选择合适的余热利用技术，还应考虑怎样将余热利用技术与换热网络进行集成优化。
夹点技术[30]是目前最实用的过程集成方法，尤其在热回收换热网络的优化集成方面。但是该方法对含有低温余热回收的换热网络系统具有局限性。目前已有学者提出了不同的集成方法。Yu等[31-34]对有机朗肯循环和换热网络进行了大量的集成方法研究。为了解决单独使用有机朗肯循环时与余热的热匹配较差的问题，提出了一种系统的方法来确定有机朗肯循环和热泵中的工质以及集成系统的最佳运行条件。Sun等[35]对含有压缩吸收式复叠制冷系统的换热网络进行集成设计和优化，并提出了能够同时确定换热网络结构和制冷系统运行条件的优化方法。然而在大量的集成优化方法中，低温余热利用技术并没有针对特定案例进行严格的热力学模拟和优化。Lopez-Flores等[36]提出了一种混合优化方法，将元启发式和确定性技术与过程模拟结合在一起，使得余热回收和换热网络系统的数据更准确，并在考虑了经济、环境和社会方面时确定该集成系统的结构和操作参数。基于数学规划法的集成优化方法较夹点技术复杂，在工业实际应用较少，对于含有余热回收利用的换热网络系统也并没有一个简明通用的方法，需要对低温余热利用技术和换热网络开发类似于夹点技术这种容易应用的集成优化方法。
低温余热回收系统在工业应用过程中还面临很多挑战，各工业过程尤其是节能降碳潜力巨大的炼油行业，应积极推动低温热集成利用技术应用，可采用多种低温余热利用技术，如低温热发电、低温热制冷和热泵技术实现升级利用。助力实现“双碳”目标，未来应从如下几个方面展开低温余热利用研究及应用：①余热进行升级利用时应从余热利用技术的选择上提高余热利用率。根据余热温度、余热量、余热显热潜热特性、余热性质、热用户需求和余热之比等特性，建立合理的评价标准，选择最适用的低温余热利用技术。②除了在工业过程中合理选择低温余热利用技术，还应对新型的吸附式余热利用技术开展研究，开发具有良好性能、低价格和合理市场化的吸附剂，改进新型流程、优化组件和结构，提高技术经济性，更高效地进行工业应用。③应加强对不同余热利用技术的耦合、工艺设备及控制方面研究，提高热效率、经济性及操作稳定性。④加强对不同工艺过程的换热网络与低温余热利用技术的集成优化方法研究，开发简明通用的集成方法，提高低温余热利用技术的工业应用。
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