学术报告

一、研究作者与发表信息

本文的主要作者为Xin Cai、Zhanbin Wang、Yuhao Han及Wei Su，研究分别隶属于Guoneng Sanhe Power Plant和Northeast Electric Power University。该研究发表在《Processes》期刊，文章标题为《Study on the Performance of a Novel Double-Section Full-Open Absorption Heat Pump for Flue Gas Waste Heat Recovery》，于2024年10月8日正式出版。该论文提出了一种新型双段全开式吸收热泵 (double-section full-open absorption heat pump, DS-FOAHP) 系统，并针对工业烟气低温余热回收进行了详尽研究。

二、研究背景

本研究聚焦于能源利用与环境保护领域。随着全球经济的快速发展，初级能源消费大幅增加，过度依赖化石燃料带来了严重的环境问题，如污染和全球变暖。根据国际能源署(International Energy Agency, IEA)的预测，到2030年全球能源需求将增长50%以上，而目前工业能耗和工业废热的低利用率已成为亟待解决的问题之一。

吸收式热泵 (absorption heat pump, AHP) 具备良好的工业废热回收潜力，尤其是开放式吸收热泵 (open absorption heat pumps, OAHPS)，能够有效回收烟气中的潜热和显热。然而，传统吸收热泵的工作温度范围有限，存在效率低下、适应性差等问题。此外，现有系统主要使用LiBr/H2O工作对，尽管其化学稳定性良好且应用广泛，但其易腐蚀性、适用温度下限较高和结晶风险也限制了其应用。

因此，本研究旨在提出一种改进的技术方案，通过研发一种新型双段全开式吸收热泵系统来扩展操作范围，提高热效率并改善经济适用性，同时替换掉传统的LiBr/H2O工作对，以解决其腐蚀性和结晶问题。

研究目的主要包括以下几点： 1. 设计一种具备更高热回收效率的吸收热泵系统。 2. 深入分析该系统的热力学性能及经济性。 3. 探讨系统在燃煤电厂中变速运行条件下的应用潜力。

三、研究方法与工作流程

1. 系统描述与设计

研究设计了双段全开式吸收热泵系统 (DS-FOAHP)，主要由以下核心组件构成：双层吸收器 (abs)、溶液热交换器 (SHX1-SHX6)、蒸发式发生器 (GEN1和GEN2)、循环水箱、冷凝器 (CON)、溶液泵、节流阀及烟囱。系统以LiCl/H2O作为工作对，并对各组件的热质传递过程进行建模和分析。

工作流程： - 烟气从脱硫塔引入双层吸收器，溶液从上部喷洒，吸收烟气中的水分和热量。 - 吸收的潜热通过热交换器转移至供暖回水，用于区域供暖。 - 浓缩溶液分层返回循环以实现吸湿和热回收。

2. 数学建模

研究采用热力学和传质原理建立了系统的数学模型，并假设以下条件以简化分析： 1. 系统运行在稳态条件下。 2. 忽略管道热损失及压力损失。 3. 节流过程视为等焓过程，溶液泵提升为绝热过程。

模型重点分析以下关键参数： - 热回收效率(ζ)和水回收效率(φ)。 - 系统性能系数(COP)。 - 供暖能力与烟气排放参数的动态变化。

3. 初始工况与案例分析

• 系统容量范围：40-100 kW。
• 烟气入口温度设置为50°C，烟气流量为3 kg/s。
• 区域供暖回水温度设为35°C，供水上限温度为70°C。

数学模型采用MATLAB (2022a版本)计算，以 Folkedahl (2006) 数据集为参照，对模拟结果进行实验验证，误差控制在5%以内。

四、研究结果

1. 烟气温度对性能的影响

研究表明，当烟气温度（Tmgi）从30°C升高至70°C时，系统COP和供暖能力呈现快速提升趋势。在烟气温度上升至70°C且流量为3 kg/s时，系统COP达到1.838，最大供暖能力为158.84 kW。此外，在吸湿能力增强的情况下，热回收效率达到87.227%，水回收效率维持在93%左右。

2. LiCl溶液浓度对性能的影响

随着LiCl溶液浓度(xsol)的增加，系统的COP、供暖温度和供暖能力均显著提升。当浓度达到0.38时，系统COP峰值为1.736，供暖温度最高达到75.34°C，最大供暖能力为149.48 kW。此外，此时烟气出口处湿度降至最低值7.57 g/kg。

3. 吸收剂入口温度对性能的影响

降低吸收溶液入口温度显著提升系统性能。当入口温度为10°C时，系统COP达到1.96，热回收效率与水回收效率分别提升至85%和97%，较传统开放式吸收热泵效率提高了30.67%。

4. 驱动热源温度对性能的影响

随着驱动热源温度(Th)从100°C上升至200°C，系统的热效率表现出稳步提升。Th为200°C时，COP达到1.79，供暖能力达96.39 kW，供暖温度达到71.52°C。

5. 经济性分析

通过ROI计算，发现系统的经济回报率随着烟气温度和流速的提高而改善。在烟气温度为70°C、流速为3 kg/s的条件下，ROI达到最大值34.1%。尽管系统初始投资和运行成本相对较高，但较高的能源回收效率使其具备良好的经济性。

五、研究结论与意义

本研究提出了一种新型双段全开式吸收热泵系统，显著改善了低温烟气余热回收能力。通过采用双层吸收设计，此系统扩展了操作范围，并通过LiCl/H2O工作对解决了传统LiBr/H2O的结晶性和腐蚀问题。

研究价值和应用意义： 1. 科学意义： 深化了对热质传递过程的理解，为余热回收和低品位热利用提供了理论支持。 2. 工程应用： 适用于燃煤电厂和工业余热回收，显著提高能效，减少烟气中白烟及污染排放。

六、亮点与创新点

1. 提出了双段设计的全开放热泵结构，实现了二次余热回收，大幅提升了热效率。
2. 引入LiCl/H2O作为工作对，克服了传统工作液的多种局限性。
3. 系统的经济性分析表明确保了商业应用的可行性。

七、其他有价值的内容

此外，研究还通过理论与实验验证相结合的方法，提升了模型的可信度，同时有效分析了多变量条件下的系统性能。这些成果为未来同类技术的推广应用提供了宝贵的参考依据。