一种新型反向吸收式热泵的多目标优化及其在黑水废热回收中的综合性能分析

《Energy》：Multi-objective optimization and comprehensive performance analysis of a novel reverse absorption heat pump for blackwater waste heat recovery

基于逆吸收热泵技术的高效黑水闪蒸余热回收系统及多目标优化研究，通过整合优化的闪蒸蒸发过程与创新的熱泵循環配置，实现了123℃高温蒸汽的稳定生产，综合能量效率达92.6%。采用遗传算法对黑水流量、冷凝温度等7个关键参数进行多目标优化，在降低变工况成本至0.20美元/千瓦时同时提升蒸汽产量，环境指标降低20.2%。

　　

王宗润|戴白倩|程家宝|史娟|孙莉

太原理工大学化学与化学工程学院，中国太原，030024

摘要

为了解决煤气化过程中低/中等级废热回收效率低的问题，本研究提出在黑水闪蒸热回收系统中应用新型吸收式热泵技术。该技术解决了传统热泵通过逆向加热过程无法产生蒸汽的问题。对这种新型逆向吸收式热泵系统进行了全面的性能评估，涵盖了能量、熵、经济性、环境性和环境-经济性（5E）等方面。随后，采用遗传算法实施了基于帕累托的多目标优化，其双重目标是降低可变运营成本和最大化蒸汽产量。系统研究了包括黑水流量和冷凝温度在内的七个关键运行参数的影响。分析结果表明，参数耦合效应产生了协同作用。热力学结果显示，优化后的系统总能量效率达到了92.60%。从经济角度来看，热能平准化成本降低到了0.20美元/千瓦时，回收期缩短至4年。从环境角度来看，核心组件的环境-经济性指标下降了20.2%。这项研究为复杂运行条件下的高效工业废热回收提供了新的视角。

引言

全球能源消耗速度迅速，随之而来的是一系列问题，如大量温室气体排放、频繁的极端天气事件以及生态环境的持续恶化[1]。提高能源利用效率是解决这些紧迫问题的关键策略[2]。煤化工行业涉及将煤炭转化为各种化工产品和燃料的一系列工业过程，例如甲醇、氨、烯烃和天然气的合成[3,4]。然而，该行业也面临着二氧化碳排放高、能源效率低以及冷却水需求大等问题[5]。因此，有效回收和利用化工过程中的废热可以提高整个系统的效率，并有助于减少碳排放[6]。

在煤气化过程中，会产生大量含固体的黑水。经过除尘和净化后，这些水在闪蒸蒸发装置中处理，在三个不同的压力水平（高压、低压和真空）下依次释放蒸汽。目前的废热回收策略主要依赖于优化闪蒸系统配置或直接利用高温蒸汽。然而，这些方法在整体能源利用效率方面仍存在局限性。一个关键瓶颈是缺乏对多级蒸汽的有效级联利用，导致大量废热损失，从而限制了整个系统的能源效率[7]。

吸收式热泵是一种通过热力学循环提升热能质量的热驱动装置[8]。其工作原理依赖于由外部热源驱动的解吸-吸收循环，无需机械压缩即可循环工作流体。这一过程使系统能够高效地将低温废热或残余热转化为有价值的中高温工艺热。因此，吸收式热泵技术在工业节能和减少碳排放方面具有巨大潜力。

迄今为止，已经探索了多种热泵配置，以整合不同温度级别的多个热源，实现高效和级联的能源利用[9]。白等人[10]提出了一种新型混合开放式吸收式热泵系统，用于从燃煤电厂的烟气中回收废热。该系统通过结合开放式（OAHP）和封闭式吸收式热泵循环（CAHP）分别回收烟气中的显热和潜热。结果表明，与传统OAHP系统相比，混合配置将热回收效率提高了75%，性能系数（COP）达到了1.7。王等人[11]提出了一种与碳捕获电厂集成在一起的吸收式热泵。他们的研究表明，所提出的低压缸式零抽取碳捕获联合热电（CHP）系统在热经济性方面优于抽取-冷凝碳捕获CHP系统，平均可减少26.35克/千瓦时的煤炭消耗和771.28千焦/千瓦时的热消耗。Shahzad等人[12]开发了一种基于开放式循环吸收式热泵的海水淡化系统。该系统采用多能源驱动的并行两级开放式吸收式热泵从烟气中回收潜热，通过有效利用从FlashME中回收的低温热，整个热力学循环的淡水回收效率高达89.42%。Jeong等人[13]提出了一种结合热能存储的混合冷却/加热吸收式热泵系统。该系统包括低压和高压吸收器/蒸发器，能够同时实现冷却和加热。仿真结果表明，在相同条件下，这种混合循环的最大总COP达到了0.80，与单效吸收式制冷机相当。随着制冷剂分配比的降低和溶液循环比的增加，系统的整体传热系数呈指数级增长。然而，尽管有这些成功应用，仍存在关键技术差距。文献中大多数传统吸收式热泵都是主要为空间供暖或生活热水制备设计的I型系统，输出温度通常限制在60–90°C[14]。这一温度范围无法满足工业过程的严格要求，因为在工业过程中蒸汽是主要的热载体[15]。因此，关于能够将低等级废热提升为适合直接用于煤化工过程的高温蒸汽（>120°C）的产蒸汽热泵的研究较少。

为了解决这一关键技术差距，与受其热力学循环设计限制、只能输出低温热水的传统吸收式热泵不同，本研究提出了一种专为高质量蒸汽生成设计的新型逆向吸收式热泵（RAHP）系统。通过建立全流程模型，从能量、熵、经济性、环境性和环境-经济性（5E）角度进行了全面评估。本研究的主要贡献如下：

(1)

提出了一种新型的吸收式热泵运行策略和闪蒸室配置，并开发了全流程仿真模型。

(2)

新型热泵采用逆向阶梯式加热结构，突破了传统系统的温度限制，实现了123°C的高温蒸汽生成。

(3)

建立了综合考虑能量、熵、经济性和环境因素的多维评估框架。基于分析结果，提出了具有实际意义的优化建议。

(4)

以六种运行参数作为优化变量，并应用多目标优化方法，系统在可变运营成本和蒸汽产量之间实现了最佳平衡，实现了具有实际工程价值的能力提升。

部分内容摘要

模型开发

本节简要描述了所提出的系统，并详细介绍了模型开发中使用的方程式。

应用场景

黑水闪蒸是煤气化过程中的一个关键步骤。在初始条件为280°C和6.5 MPa的情况下，黑水经过三个连续的闪蒸阶段，压力逐渐降低至1 MPa、0.2 MPa和0.09 MPa，最终转化为灰水并排出系统。本研究在实验室规模上进行，使用了来自中国河南省某化工厂的黑水数据。

单因素影响分析

为了优化系统性能，本研究系统评估了七个关键因素（黑水流量、冷凝器温度、换热器温度、发生器温度、吸收器温度、蒸发器温度和冷凝器水流量）对多个系统性能指标（包括能量效率（η_en）、热泵性能系数（COP）、蒸汽产量和可变运营成本（VOC）的综合影响。

如图4(a)所示，系统

结论

本研究提出了一种新型逆向吸收式热泵系统，旨在解决黑水废热利用效率低的问题。通过将优化的闪蒸蒸发过程与创新的热泵循环配置相结合，该系统实现了高温蒸汽的生成，同时提高了运行灵活性。此外，分析了七个关键运行参数的影响，并实施了多目标优化策略。

作者贡献声明

王宗润：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。戴白倩：撰写 – 审稿与编辑、软件、调查。程家宝：方法论、调查。史娟：监督、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究是在Huairou实验室（ZD2023011A）支持的项目中进行的。