液体干燥剂回收、输送及利用再生热氧化器热量的技术经济评估

《International Journal of Refrigeration》：Techno-economic assessment of liquid desiccant recovery, transport and use of regenerative thermal oxidiser heat

　　

技术经济模型将RTO（再生热氧化器，Regenerative Thermal Oxidiser）热回收与液体干燥剂（liquid desiccant）再生和利用耦合。评估了两种策略：现场闪干干燥（flash-off drying）和远程体育馆气候控制。比较了水性LiCl（氯化锂）和CaCl₂（氯化钙）在可变RTO排气和室外条件下的性能。现场闪干干燥是最可行的过程。经济性主要由能源价格、管道距离和工作流体驱动。

# 论文解读：液体干燥剂回收、输送及利用再生热氧化器热量的技术经济研究

## 研究背景与问题

汽车制造业面临降低成本和排放的双重压力，涂装车间是能耗最密集的环节之一，占整车生产总能耗的三分之一以上。该过程中，再生热氧化器（RTO）被广泛用于处理挥发性有机物（VOCs），通过高温氧化和陶瓷介质内部热回收实现减排，但RTO出口排气温度仍高达150°C以上，构成潜在的可回收热源。已有研究探索了RTO废热回收用于制备过热蒸汽、预热电泳槽、集成有机朗肯循环（ORC）或卡诺电池系统，但均未充分考虑RTO排气温度波动对回收热量的影响，以及液体干燥剂输送距离对技术经济性能的制约。液体干燥剂（如LiCl和CaCl₂水溶液）可通过浓度变化实现热化学储热，并支持长距离低损耗输送，但缺乏将RTO热回收与液体干燥剂输送、现场和远程应用对比的系统研究。为此，本研究旨在评估利用液体干燥剂回收RTO废热，并用于现场闪干干燥或远程体育馆温湿度控制的技术经济可行性，填补了同时考虑溶液输送、RTO温度波动及本地与远程利用差异的研究空白。论文发表在《International Journal of Refrigeration》。

## 关键方法

研究人员采用以下关键技术方法：
1. **RTO热回收与液体干燥剂再生耦合模型**：利用RTO排气（温度155–195°C）加热热水，再加热液体干燥剂溶液，驱动再生过程。
2. **性能评估相关性**：基于理论-经验方法开发了除湿和再生过程的湿度效率（ε_ω）和焓效率（ε_h）关联式，用于求解系统能量和质量平衡方程。
3. **管道输送模型**：计算溶液管道直径、压降（使用Darcy摩擦因子公式）及泵耗电量，假设管道为高密度聚乙烯（HDPE）材质。
4. **经济分析**：估算资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX），包括热交换器、液体干燥剂、管道及安装成本，采用投资回收期（PP）、净现值（NPV）和内部收益率（IRR）评估，并基于英国东北部涂装车间典型气象年（TMY）数据，考虑英国电价、天然气价格及碳价。样本来源为涂装车间现场及300米外体育馆。

## 研究结果

### 3.1 RTO热与液体干燥剂的耦合
通过模拟RTO排气温度波动（每180秒在155–195°C间变化）对热水和LiCl溶液温度的影响，发现热水温度稳定在72–76.6°C，溶液温度在47.9–50.2°C，足以驱动再生过程。在固定室外条件（15°C、70% RH）下，闪干干燥过程可实现水分吸收与解吸平衡，除湿器出口空气湿度比稳定在7.96–7.99 gH₂O/kg_da，满足目标要求。但全年变温变湿条件下，再生效率下降，需采用再生排气再循环和辅助热源（天然气锅炉）维持平衡。

### 3.2 性能分析
- **闪干干燥现场应用**：使用32% wt. LiCl溶液时，全年除湿器出口空气湿度比在7.9–8.1 gH₂O/kg_da，100%满足要求；再生热需求平均129.3 kW，需辅助热源。使用40% wt. CaCl₂溶液时，湿度比范围7.7–8.7 gH₂O/kg_da，达标率75%，辅助热较少，但供应空气温度较低（平均19.1°C vs. LiCl的22.1°C）。
- **体育馆远程温湿度控制**：使用28% wt. LiCl溶液时，全年除湿器出口温度18.3–20°C、RH 52.4–59.3%，100%达标；再生热需求平均127.1 kW。使用35% wt. CaCl₂溶液时，温度17.9–19.3°C、RH 57.3–62.3%，达标率96%，但高负荷期间难以维持。

### 3.3 经济分析
- **现场应用**：CaCl₂方案CAPEX和OPEX分别比LiCl低38.4%和42.4%，回收期5.3年（NPV ￡134.4k，IRR 18.1%），而LiCl为10.9年（NPV ￡22.9k，IRR 6.6%）。若利用涂装车间其他废热提供辅助热，LiCl回收期可降至8年，CaCl₂降至5年。
- **远程应用**：LiCl回收期32.1年（NPV -￡187.6k，IRR -4.1%），CaCl₂回收期17.7年（NPV -￡57.1k，IRR 1.2%），均不经济。敏感性分析表明，能源价格和管道距离是主要驱动因素，CaCl₂在有利条件下（高能源价格/短距离）才可能可行。

## 讨论与结论

研究人员在讨论中指出，RTO热回收与液体干燥剂再生在技术上是可行的，排气温度波动可通过热回收和再生过程缓冲，但全年平衡需借助再循环、储液和辅助热源。现场闪干干燥应用具有最强的经济性，而远程体育馆应用因管道成本高、节能有限而缺乏吸引力。CaCl₂在成本上优势明显，但性能略逊于LiCl，未来可研究混合盐溶液。此外，利用液体干燥剂的热化学储热能力，可设计集中式热回收系统，在体育馆关闭时段优先再生溶液并储存，但需解决大容量储液成本问题，低流量系统或可降低CAPEX。

**研究结论部分翻译**：
本研究评估了在涂装车间回收RTO废热并用于现场闪干干燥或远程体育馆温湿度控制的技术经济可行性。结果表明，RTO热回收与液体干燥剂再生在技术上是可行的，短期排气温度波动可通过热回收和再生过程容纳，但全年除湿与再生平衡可能需要再生排气再循环、液体干燥剂储存和辅助热源。现场应用具有最高的成本效益，使用CaCl₂水溶液时回收期为5.3年（NPV ￡134.4k，IRR 18.1%），LiCl水溶液为10.9年（NPV ￡22.9k，IRR 6.6%）。相反，远程应用在该案例中不具优势，主要由于更高的运输成本（包括管道CAPEX和额外工作流体）以及有限的节能效果。分析还表明，利用涂装车间其他废热源供应辅助热可改善经济性，但需考虑额外集成成本。液体干燥剂的选择影响性能和经济性：LiCl水溶液在温湿度控制上可靠性更高，而CaCl₂水溶液虽难以全年满足最严格需求，但经济性更强。未来工作应研究CaCl₂/LiCl混合溶液以兼顾目标条件和成本效益，并评估低流量液体干燥剂系统以降低成本。最后，基于集中式液体干燥剂的热回收策略，利用溶液的热化学能力，可同时服务多个终端用户，但其设计、成本和优化需进一步研究。