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Process Heat Applications and
Development Introduction Introduction of Industrial Heat Pump
Applications
- 化工節能技術應用 By 陸文俊
Nov. 2013
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1
Agenda
1.製程熱能整合
-熱整合基本理論
-換熱器網路設計
2.熱能之回收
3.化工節能技術應用
-石化製程節能方式
4.案例分享與
意見交流
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前言
• 能源成本大漲(油價已突破100元/桶) ，能源短缺意識強
烈。
• 燃料油持續上漲(20,000元/公秉)
• 替代性能源(太陽能、風能、生質能)尚未能量產商業化
(投入產出比仍低)
• 節能行動應即刻開展，聚小成多，延緩油荒時代來臨
• 科技進步，能源使用效率提升，節能誘因曾加
• 太陽能發電成本15~20NT$KWH (裝置20萬/KW)
• 風力發電成本2NT$KWH (裝置3萬/KW)
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92年1月6日
91年9月6日
91年5月6日
91年1月6日
90年9月6日
90年5月6日
90年1月6日
89年9月6日
89年5月6日
89年1月6日
88年9月6日
88年5月6日
88年1月6日
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96年9月6日
96年5月6日
96年1月6日
95年9月6日
95年5月6日
95年1月6日
94年9月6日
94年5月6日
94年1月6日
93年9月6日
93年5月6日
93年1月6日
92年9月6日
92年5月6日
低硫燃油價格趨勢
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
熱能管理的目的
以汽車引擎為例：花費100元油錢(Qin),真正用在車子
行進可能只有20元(W),其餘80元(Qout)由排氣管風扇排熱
等損耗掉了!效率只有20%!

W
Q in
1
Q out
Q in
如果能將廢熱回收利用,亦即降低不可用 Qout ,
就能提高熱效率,等同於減少能源消耗!
達到節能減碳的效果!
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熱整合基本理論
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熱整合基本理論
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製程系統節能技巧
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
空氣預熱
鍋爐飼水預熱
鍋爐連續排放顯熱回收
除氧櫃排氣熱回收
冷凝水回收槽閃沸蒸汽熱回收
蒸餾塔熱回收
……
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熱泵節能應用
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熱泵節能原理
• 熱泵係利用卡諾循環原理將低能階的能量(低熱焓)
往高能階(高熱焓)的能量”搬送”(pumping) 。
• 熱泵不是”製”熱的設備，而是”搬”能的設備，
故使用上須有低能階熱源的供應。而所指的低能
階能源為現場既存而勿需價購者。
• 一旦低能階能源經熱泵進行能源的搬送後，將使
得能階更低(熱焓更低)即低溫，而可作為低溫能
量之使用。
• 系統的耗能即為”搬”動能量所需作的”功” ，
並無傳統加熱設備的能源消耗。
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Carnot cycle
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Rankine cycle
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蒸汽循環配置圖
朗肯循環
7
蒸汽
輪機
再
熱
器
6
1
過
熱
器
再
熱
器
溫度
鍋
爐
T
8
2
冷凝器
5
3
給水泵
4
熵 s
再熱蒸汽配置圖
省煤器:給水預熱
冷凝器:回收工作流體
再熱循環
空氣預熱器:降低排煙溫度，提升進鍋爐空氣溫度
再熱器:提高熱效率
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熱泵組成
Main Components
1. 蒸發器 (evaporator)
2. 壓縮機 (compressor)
3. 冷凝器 (condenser)
4. 膨脹閥 (expansion valve)
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熱泵操作基本原理
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熱泵的節能效益
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熱泵COP
@ 性能係數 COP : Coefficient of Performance
=設備單位時間抽走的熱量 / 設備消耗的功率
Performanc e 
Desired output
Required
input
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Refrigerators and Heat Pumps
(冷凍機及熱泵 )
冷凍機的目的是將 QL 熱量
從冷的空間移走。
熱泵的目的在提供 QH 的熱量
進入較暖和的空間。
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Refrigerators and Heat Pumps
(冷凍機及熱泵 )
C O PR 
C O PH P 
D esired output

C ooling effect

QL
R equired input
W ork input
W net , in
D esired output
H eating effect
QH
R equired input
COP HP 
QH
W net , in


W ork input
Q L  W net , in
W net , in

W net , in
 1  COP R
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蒸汽蓄熱器
§ 蓄熱器概述
有很多典型工廠，因為生產程序的安排及因應機器
操作的要求，經常會發生尖峰負載，因而使鍋爐的負荷
變動極大，當負荷突然增大時，蒸汽供應量不足，鍋爐
內壓力下降，引起嚴重的汽水共騰。為了解決上述問題，
國內工廠經常購置遠超過蒸汽平均需求量1~3倍的鍋爐，
以避免瞬間蒸汽需求量所造成的問題，鍋爐大部份都在
低燃燒的操狀況下，燃油的燃燒效率低，過剩空氣量增
多，由於鍋爐大負荷小，爐體的散熱損失也比例增加，
導致鍋爐效率降低，能源大量浪費。
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蒸汽蓄熱器 一種應用最廣泛的變壓式蓄熱器。當鍋
爐蒸發量大於用汽量時﹐多餘的蒸汽進入蓄熱器加熱其
中的儲水(飽和水)﹐蒸汽本身也凝結於其中﹐蓄熱器中的
壓力隨之上昇。當用汽量大於鍋爐的蒸發量時﹐蓄熱器
中的儲水(飽和水)因降壓而沸騰﹐提供蒸汽以保持鍋爐負
荷不變。
§ 原理及操作說明
蓄熱器係利用鍋爐產生的高壓蒸汽注入及貯存高壓飽
和水，當製程尖峰需求擴增時，即由自動減壓閥釋出低
壓閃沸再生蒸汽，由於容積較大，可彌補鍋爐內水室不
是的缺點。蓄熱器蒸汽發生量可由高壓飽和水熱焓及低
壓飽和水熱焓差與低壓蒸汽蒸發熱計算而得。
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蓄熱器構造圖
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吸收式熱泵
很多人可能不了解什麼是吸收式熱泵？如圖一所示，
其不使用CFC冷媒，而以水為冷媒，利用其近乎真空之壓力
製造低溫冰水，主要以熱能驅動熱泵，且可用的熱源不侷限
於蒸汽，還包括熱水、天然氣、燃料油、鍋爐油及廢熱等。
吸收式熱泵主要靠熱能驅動，因此使用吸收式熱泵將可大幅降低
用電契約容量。由於空調系統耗電量佔所有用電
量的相當大部份，而空調負載又大多集中於某一時段，因此
若使用吸收式熱泵作為空調主機，將可削減尖峰負載的耗電
量。往往這些節省的電費，將可使較高的初設投資成本在很
短時間內回收。
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(1)吸收式熱泵＋燃油發電機
燃油引擎排氣約為300～380℃，引擎缸套水約為85
～90℃，利用這二個廢熱源產生熱水驅動吸收式熱泵。
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(2) 吸收式熱泵＋燃氣渦輪發電機
燃氣渦輪機排氣約為450～600℃，利用該廢熱源經
由廢熱鍋爐產生蒸汽驅動吸收式熱泵。
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(3) 吸收式熱泵＋燃氣渦輪發電機＋蒸汽渦輪發電機
回收燃氣渦輪機排氣的熱源經由廢熱鍋爐產製蒸汽驅
動蒸汽渦輪機發電及驅動吸收式熱泵造冷。
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(4) 吸收式熱泵＋燃氣渦輪發電機＋電動離心式熱泵
除原燃氣渦輪機排氣經由廢熱鍋爐產生蒸汽驅動吸收
式熱泵造冷外，另將燃氣渦輪機所發的電再帶動離心式熱泵
產製冰水。
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(5)紙漿工廠製程低溫熱水排放應用
紙漿工廠始自木材纖維溶解至最後的排水，各製程需
投入巨大的熱能。若能藉排熱之便來達成熱能回收，如圖所見
，排煙脫硫裝置之吸收式熱泵，該吸收式熱泵可將此熱水作為
鍋爐飼水，減少鍋爐燃油消耗。
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(6)食品工廠製程低溫熱水排放應用
食品工業製程中有許多加熱冷卻反覆進行之步驟，生產製程中的冷卻
用水塔可作為第二類吸收式熱泵熱源，在第二類吸收式熱泵熱源前端
部份裝置熱交換器之作用下，該吸收式熱泵可將此熱水作為鍋爐飼水，
以減少鍋爐燃油消耗。
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化工廠應用
冷卻
再沸器
蒸發
冷卻
減壓
加熱
壓縮機
*Heat pump:蒸發(吸熱)---壓縮---冷卻(放熱) 循環運轉
*節能方式:流體經壓縮機壓縮後，所含內能予以再利用
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蒸餾塔熱回收
工廠內為分餾及精緻製產品皆有設置蒸餾塔，亦為
耗能重要設備。底部有蒸汽再沸器，加熱塔底溫度，
頂部往往用水冷卻器或空氣冷卻器將汽化產品冷凝
為液體，幾乎底部加之熱量完全由頂部冷卻器移除，
實為一大浪費。最有效可行方式為預熱本塔進料，
或其他流體之預熱，唯需注意進料位置之調整，以
免影響整體之平衡操作。
塔頂餘熱應先予以回收至某一程度後再用水
冷卻器或氣冷卻器冷凝至所須溫度。迴流溫度應以
飽和溫度為佳以減少熱能無謂消耗。
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化工廠應用
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化工廠應用
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丙烯回收工場熱泵壓縮
熱泵壓縮機
塔頂用電量
(KWH)
塔底蒸汽量
(MT/Hr)
壓縮機蒸汽量
(MT/Hr)
能耗成本(仟
元/Hr)
不設置
12,586
90
0
55.6
設置
0
0
116
48.7
差異
12,586
90
-116
6.9
效益:54,992(仟元/年)
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台塑仁武廠節約能源改善措施方案表
預計年效益
改善措施
利用”Heat Pump”方式，
以塔頂低階之冷擬遣熱
取代再沸器所使用之蒸
汽。
現況說明
1.台化VCM廠使用蒸汽
來加熱其再沸器，所使
用之蒸汽量分別為
25.1t/hr及27.3t/hr。
2.運轉時間: 8,000小時/
年。
4.平均電價2元/度。
省電效益
抑低千瓦
千度/年
省熱效益
萬元/年
公秉/年
改善方案
萬元/年
其他效益
萬元/年
預計效益
1.預期省能直（間）接效益：
52.4*.7*660/.8/9700000*18000*8000
= 44,924 萬NT$
1.建議設置蒸汽透品壓縮機，將塔頂EDC
氣体壓縮冷擬成液体(液化溫度約為
120oC )，然後送入EDC裂解爐。
2.現有系統不需大幅度便更，原蒸汽供應
量可做為開車時之備用熱源。
2.投資費用：
兩套系統分別投資於製一/二課。
2億 * 2 Sets = 4 億NT$
3.回收年限：
約需 1(壹) 年。
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熱整合案例
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熱整合案例
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Refinery Configuration
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Q&A
• 敬請指教
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Path Forward
•
Closure Day 1
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