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低温余热热泵利用系统:解锁工业能源的“隐藏宝藏”

来源: 瑞泽能源 发布时间: 2026-02-06 浏览次数: 71
在全球“双碳”目标深入推进、能源结构加速优化的背景下,工业领域“高耗能、低利用”的痛点日益凸显,其中低温余热(通常指温度低于200℃的烟气及100℃以下液态介质所含热能)的回收利用成为破解能源浪费、提升能源利用效率的关键突破口。低温余热热泵利用系统作为一种高效的能量品位提升装备,凭借“搬运热能而非产生热能”的核心优势,实现了低品位余热向高品位可用能的转化,为能源企业节能降本、绿色转型提供了系统性解决方案,成为能源行业高质量发展的核心支撑技术之一。

一、低温余热热泵利用系统核心原理与技术架构

低温余热热泵利用系统的核心逻辑,基于热力学第二定律,通过消耗少量高品位能源(如电能、少量蒸汽)作为驱动能,借助热泵循环的蒸发、压缩、冷凝、节流四大核心过程,将工业生产中闲置的低温余热(如锅炉尾部烟气、工艺冷却水、废汽废水等)进行吸收、提升,转化为可满足生产工艺加热、供暖、热水供应等需求的中高温热能(通常为70-95℃),实现“低品位余热回收—能量品位提升—高品位能再利用”的闭环循环,本质是一种高效的“热能搬运与升级系统”。

(一)核心工作原理

系统工作过程可分为四个关键阶段,形成完整的热力循环:一是蒸发阶段,低温余热载体(如40℃左右的循环冷却水、30-50℃的空调排热)流经蒸发器,将热量传递给蒸发器内的制冷剂,制冷剂吸热后蒸发为低温低压的气态;二是压缩阶段,气态制冷剂经压缩机(离心式、螺杆式等)压缩后,变为高温高压的气态,完成能量品位的提升;三是冷凝阶段,高温高压的气态制冷剂进入冷凝器,将自身热量传递给被加热介质(如供暖水、工艺用水),制冷剂冷凝为高温高压的液态;四是节流阶段,液态制冷剂经节流阀减压降温,变为低温低压的液态,重新进入蒸发器,开启下一轮循环,实现热量的持续搬运与利用。

相较于传统余热回收技术,低温余热热泵系统的核心优势的在于能量转化效率高,其性能系数(COP值,即制热量与驱动热量的比值)表现优异:吸收式热泵COP值可达1.7-1.8,即消耗1KW高温驱动热源,可制取1.7-1.8KW所需热水热量;压缩式热泵COP值维持在3-6.67,部分先进机组甚至超越世界领先水平,大幅降低了驱动能源的消耗。

(二)核心技术架构与关键组件

一套完整的低温余热热泵利用系统,由余热采集系统、热泵主机系统、热能输出系统及智能控制系统四大模块构成,各模块协同工作,确保系统高效、稳定、适配工业复杂工况:

1. 余热采集系统:作为系统的“热量入口”,核心作用是高效收集工业生产中的低温余热,关键设备包括余热换热器、余热收集管道、过滤器等。针对不同形态的低温余热(气态、液态),采用差异化采集方案:对于锅炉尾部烟气(55-200℃),采用耐腐蚀换热器,将烟气温度降至30℃左右,回收水蒸气凝结潜热,同时实现“消白”效果;对于工艺冷却水、废汽废水(13-70℃),采用壳管式或板式换热器,减少热量损耗,确保余热高效提取。需重点解决低温腐蚀问题,通过优化换热器材质、提升最低壁温至酸露点以上,保障系统长期稳定运行。

2. 热泵主机系统:系统的“核心心脏”,决定能量转化效率与运行稳定性,主要分为吸收式与离心式(压缩式)两大类型,适配不同工业场景:        

吸收式溴化锂热泵:以蒸汽或燃气为驱动热源,由蒸发器、吸收器、冷凝器、发生器、热交换器等组件构成,可利用13-70℃的废热水,制取不高于95℃的高品位热水,平均升温达40℃左右,适配大型工业场景(如电厂、炼化厂)的大规模余热回收,单机制热量可超过200MW。
离心式热泵:以电能为驱动,通过离心式压缩机实现制冷剂的压缩升级,工作分为蒸发、压缩、冷凝三个阶段,热负荷适应性强,经分段蒸发、分段冷凝技术优化后,能效比可提升15%-20%,适配中大型供热及工艺用热场景。

3. 热能输出系统:作为系统的“热量出口”,负责将提升后的高品位热能输送至终端用能场景,关键设备包括保温管道、储能装置、换热机组等。可根据能源企业的实际需求,灵活输出热水、热风或蒸汽,适配生产工艺加热、厂区供暖、生活热水供应等多场景用能,同时可与现有热力系统无缝对接,提升能源综合利用效率。

4. 智能控制系统:采用PLC控制系统与物联网技术,实现系统的自动化运行、参数实时监测与智能调控。可实时采集余热温度、制冷剂压力、输出热能温度等关键参数,自动调节压缩机转速、阀门开度等,确保系统在不同工况下始终处于最佳运行状态,同时具备故障报警、数据统计、远程调控功能,降低人工运维成本,提升系统运行可靠性,保障全年可用率不低于95%。

二、低温余热热泵利用系统的行业适配性与典型应用场景

能源行业(电力、炼化、冶金、化工等)是低温余热产生的核心领域,各类生产环节均会产生大量可回收的低温余热,低温余热热泵利用系统凭借广泛的适用性、灵活的配置方式,可精准适配不同能源企业的生产工况,实现余热资源的规模化、高效化回收利用,以下为典型应用场景解析:

(一)电力行业:热电联产机组余热回收与灵活性改造

在火电、热电联产项目中,汽轮机低压缸排汽、循环冷却水(25-45℃)、锅炉尾部烟气(55-120℃)等环节会产生大量低温余热,传统方式下多通过冷却塔排放,造成能源浪费与热污染。低温余热热泵利用系统可实现此类余热的深度回收,核心应用价值体现在两个方面:一是回收循环水、烟气余热,加热热网回水,替代部分高品位蒸汽加热,降低供热煤耗,提升机组综合能源利用效率,将热电联产综合能效从80%左右提升至90%以上;二是助力热电解耦,在维持供热量不变的前提下,减少“以热定电”约束,降低机组最小技术出力10%-20%,提升深度调峰能力,获取调峰收益。

(二)炼化行业:工艺余热回收与清洁供暖

炼化企业生产过程中,催化裂化、常减压、加氢等工艺环节会产生大量低温余热(如循环水余热、工艺废水余热,温度30-80℃),此类余热分散但总量巨大。低温余热热泵利用系统可针对性回收此类余热,用于工艺伴热、厂区供暖、员工生活热水供应等场景,替代传统电加热、燃气加热方式,大幅降低化石能源消耗与碳排放。

(三)冶金行业:生产废水余热回收与节能降耗

冶金企业(钢铁、有色金属)的高炉冷却、转炉除尘、轧钢等环节,会产生大量低温生产废水(温度40-60℃),此类废水中含有大量余热,传统处理方式为冷却后排放,不仅浪费能源,还可能造成水体污染。低温余热热泵利用系统可回收此类废水余热,用于高炉热风炉预热、厂区供暖、酸洗工艺加热等,实现余热资源化利用,降低生产能耗。

三、低温余热热泵利用系统的核心优势与综合效益

对于能源企业而言,低温余热热泵利用系统不仅是一种余热回收技术,更是一种“节能降本、绿色转型、提质增效”的综合性解决方案,其核心优势与综合效益主要体现在以下四个方面:

(一)能源利用效率高,节能效果显著

系统核心优势在于“低投入、高产出”,通过消耗少量驱动能源,实现大量低温余热的回收利用,COP值远高于传统加热设备(如电锅炉COP≈0.9,燃气锅炉COP≈0.85,而热泵系统COP可达1.7-6.67)。据统计,我国工业领域每年约有50%的中低温余热未被有效利用,相当于每年浪费近2亿吨标准煤,若40%的余热能通过热泵系统回收利用,一年可节约1.65亿吨标煤,节能潜力巨大。对于能源企业而言,可大幅降低生产过程中的能源消耗,提升能源综合利用效率,破解“高耗能、低效益”的发展困境。

(二)降本增效明显,投资回报可观

能源企业的能源消耗成本占生产总成本的比重较高,低温余热热泵利用系统可替代传统电、燃气、蒸汽加热方式,大幅降低能源采购成本;同时,系统运行稳定、运维成本低,无明火、无污染物排放,可减少环保治理成本与安全运维成本。从投资回报来看,系统投资回收期通常为3-6年,部分大型工业项目(如电厂、炼化厂)因余热资源丰富,投资回收期可缩短至3年以内,长期运行可为企业创造显著的经济效益。

(三)绿色低碳环保,助力双碳目标

系统核心是回收利用闲置的低温余热,无需燃烧化石能源,可大幅减少二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染物的排放,同时减少冷却塔白雾排放与热污染,改善周边生态环境。以电厂应用为例,一套大型吸收式热泵系统每年可减排二氧化碳10万吨以上,相当于种植近55万棵成年树木,既能帮助能源企业满足环保排放要求,又能助力企业实现碳减排目标,提升企业绿色品牌形象。

(四)适配性强,灵活适配多场景需求

系统可根据能源企业的余热类型(气态、液态)、余热温度(13-200℃)、用能需求(供暖、工艺加热、热水供应),灵活配置热泵类型(吸收式、离心式)、机组容量与运行参数,可单独运行,也可与现有热力系统、储能系统无缝对接,适配电力、炼化、冶金等不同能源行业的生产工况。同时,热泵机组可实现大型化、小型化灵活配置,单台溴化锂热泵制热量可超过200MW,满足大型能源企业大规模余热回收需求,也可配置小型机组,适配分布式余热回收场景。

四、低温余热热泵利用系统的技术突破与行业发展趋势

随着能源行业低碳转型的不断推进,低温余热热泵利用系统的技术研发持续突破,应用场景不断拓展,未来将朝着“高效化、大型化、智能化、多元化”的方向发展,逐步成为能源综合利用体系的核心组成部分。

(一)技术突破方向

当前,行业技术突破主要聚焦于三个核心领域:一是高效热泵工质研发,开发适配低温余热场景的环保、高效工质,提升系统COP值,降低驱动能源消耗,如新型复合工质可使吸收式热泵制热温度提升至130℃,COP值突破2.0;二是抗腐蚀、高效换热技术优化,针对烟气、含硫废水等腐蚀性余热载体,研发新型耐腐蚀换热材料,优化换热器结构,提升余热采集效率与系统使用寿命;三是系统耦合技术创新,推动低温余热热泵与有机朗肯循环(ORC)、相变储热系统、碳捕集系统耦合,实现“余热回收—储能—发电—碳减排”一体化运行,提升能源综合利用价值,如热泵系统回收碳捕集系统再生塔低温余热,可降低碳捕集能耗。

(二)行业发展趋势

1. 应用场景多元化:从传统电力、炼化、冶金行业,逐步拓展至新能源(光伏、风电)配套储能、区域综合能源服务、建筑供暖等领域,实现低温余热资源的跨行业、跨区域利用,推动形成“余热回收—梯级利用—综合服务”的产业模式。

2. 设备大型化与标准化:随着大型能源企业规模化余热回收需求的提升,热泵机组将朝着大型化方向发展,同时行业将逐步完善技术标准与规范,如《低品位余能网络化利用导则》的编制,推动设备制造、系统设计、安装运维的标准化,降低项目投资与运维成本。

3. 智能化水平提升:融合物联网、大数据、人工智能技术,打造智能监控与调控平台,实现系统运行参数的实时监测、故障预警、智能调控,优化系统运行效率,降低人工运维成本,推动系统从“自动化运行”向“智能化优化”转型。

4. 政策驱动下规模化推广:随着“双碳”目标推进,国家将出台更多支持低温余热回收利用的政策,加大对热泵技术研发与项目应用的扶持力度,推动低温余热热泵利用系统在能源行业的规模化推广,成为能源企业低碳转型的标配装备。

在能源短缺与环境压力日益突出的今天,低温余热作为一种“放错地方的能源”,其回收利用成为能源行业实现节能降本、绿色转型的关键抓手。低温余热热泵利用系统凭借高效的能量转化效率、广泛的行业适配性、显著的综合效益,破解了低温余热“回收难、利用价值低”的行业痛点,为能源企业提供了可持续的低碳发展解决方案。

作为能源行业的核心技术装备,低温余热热泵利用系统不仅能够帮助企业挖掘余热资源价值、降低生产成本,更能助力企业实现碳减排目标,提升核心竞争力。未来,随着技术的持续突破与政策的大力扶持,低温余热热泵利用系统将在能源综合利用、区域低碳发展中发挥更重要的作用,推动能源行业向“高效、清洁、低碳、可持续”的方向高质量发展,让每一度热量都创造价值——这正是现代能源管理的核心要义。
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