王国栋：我国高端不锈钢管制造技术
在“2021（第二届）中国不锈钢管高峰论坛”上，王国栋院士发布了东北大学2011钢铁共性技术协同创新中心姜周华教授团队的高端不锈钢管制造技术研究成果，本文根据东北大学王国栋院士在“2021（第二届）中国不锈钢管高峰论坛”上的报告整理。
1、当前我国不锈钢发展现状
据中国特钢企业协会不锈钢分会数据，2020年我国不锈钢粗钢产量为3013.9万吨，增长了2.51%，其中：Cr-Ni钢（300系）1437.96万吨，占比47.71%；Cr钢（400系）592.50万吨，占比19.66%；Cr-Mn钢（200系）964.32万吨，占比32.007%。进口不锈钢为180.59万吨，同比增加68.62万吨，增长61.33%；出口不锈钢为341.69万吨，同比减少25.54万吨，降低了6.95%。不锈钢表观消费量为2560.79万吨，增长6.64%。
2、高端不锈钢管产品
2.1 高氮不锈钢
高氮钢是近年来出现的一种新型工程材料，是材料中的实际氮含量超过常压下（0.1MPa）制备材料所能达到的极限值的钢。其中，高氮奥氏体不锈钢的氮含量在0.40%以上，高氮铁素铁、马氏体不锈钢的氮含量均大于0.08%。采用氮做合金元素，不仅可以稳定奥氏体组织，提高强度，使韧性无显著下降，而且还可以提高耐腐蚀性能。
目前，高氮不锈钢成为主要研究热点，尤其是高氮奥氏体不锈钢。比如用P900（18Cr-18Mn-0.6N）制成的护环，具有高的屈服强度和塑性，良好的耐腐蚀性能特别是耐应力腐蚀，低的导磁性能。高端无磁钻铤，具有低磁导率、高强度的机械性能、优越的耐腐蚀能力、耐晶间腐蚀开裂性能及优越的耐磨性能。
2.2 双相不锈钢
双相不锈钢主要由铁素体和奥氏体相组成，是一类集优良耐腐蚀、高强度和易于加工等诸多优异性能于一身的钢种。物理性能介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间。具有优异的耐氯化物应力腐蚀和耐孔蚀性能；良好的腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能；综合力学性能优异，有较高的强度和疲劳强度；良好的焊接性能；材料成型性能优良，广泛应用于造船及运输、石油和化工等领域。
双相不锈钢典型品种：第一类属低合金型，代表牌号UNS S32304（23Cr-4Ni-0.1N），钢中不含钼，PREN值为24-26，在耐应力腐蚀方面可代替AISI304或316使用。第二类属中合金型，代表牌号是UNS S31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N，即2205），PREN值为32-35，其耐蚀性能介于AISI316L和6%Mo+N奥氏体之间。第三类属高合金型，一般含25%Cr，还含有钼和氮，有的还含有铜和钨，标准牌号UNS32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N），PREN值为37-39，这类钢的耐蚀性能高于22%Cr的双相不锈钢。第四类属超级双相不锈钢型，含高钼和氮，标准牌号UNS S32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N，即2507），有的也含钨和铜，PREN值大于40，可适用于苛刻的介质条件，具有良好的耐蚀与力学综合性能，可与超级奥氏体不锈钢相媲美。
双相不锈钢品种发展趋势是经济型，超级和特超级。其中，LDX 2101(UNS S32101)为经济型最成功的低镍高氮双相不锈钢，具有高强度和良好耐氯化物应力腐蚀开裂性能，现已广泛用于造纸工业设备、食品加工设备、海上石油平台、脱盐(海水淡化)设备等特殊化工环境设备。SAF 3207 HD 抗拉强度极高，980-1180 MPa，PREN为50，临界点腐蚀（CPT）为90℃，可在更深的水下、更高的温度和压力环境下开采油、气田，是用于深水项目的理想材料。DP-3W高耐蚀超级双相不锈钢板主要用于食品工业中制盐、酱油酿造含有高氯化物的生产设备，以及海底石油开采的泵等氯离子腐蚀严重的环境。
2.3 超级奥氏体不锈钢
超级奥氏体不锈钢是一种特种不锈钢，与普通奥氏体不锈钢相比，Ni、Cr、Mo、N等合金元素含量均高于一般值，特别是Mo，可达4.5%～7%。其特点主要是：1）高合金化，主要是铬、钼、氮，尤其是钼，含量显著高于常规不锈钢；2）高纯化，尤其是C含量；3）高性能，具有高的耐局部腐蚀性能，抗应力腐蚀开裂性能。金相组织是100%的奥氏体。但由于铬和钼含量均较高, 处理不好 会出现金属中间相, 如sigma相。
超级奥氏体不锈钢主要用于制造海水处理设备、湿法烟气脱硫吸收塔、烟气净化设备、热交换机、制药工业、造纸工业中的漂白设备等。
2.4 特种不锈钢
特种不锈钢产品主要应用于耐蚀塑料模具（如4Cr13、 4Cr13Mo、 4Cr13MoN）；能源领域（核电、火电、水电）的核电主管道、高压锅炉管、叶片、护环、水轮机导叶和叶片；油气开采（如超级13Cr、15Cr、双相不锈钢）；石油化工的高温、耐蚀部件（管道、阀门）；海洋工程（海水淡化、深海采油、建筑）（如超级双相不锈钢、超级奥氏体不锈钢、双相不锈钢钢筋）；航空领域（如高强不锈轴承钢（CSS-42L、X30CrMoN152），高强紧固件PH13-8Mo,15-5PH）；环保领域（如烟气脱硫用超级不锈钢NAS 254N、 NAS 354N）。
此外，还有热核聚变实验堆用不锈钢材料、核电用不锈钢材料——主管道、航空用超高强度不锈钢等。
3、高端不锈钢冶炼技术
3.1 高端不锈钢冶炼技术——电渣重熔
电渣重熔生产的高端精品特钢，占我国特种冶金总产量90%以上。电渣重熔是生产高端特殊钢和合金的主要方法。它是在水冷结晶器中，通过渣阻热，将自耗电极重新熔化和精炼，顺序凝固成钢锭的特种冶金方法。具有渣洗精炼、顺序凝固、铸锭无大型夹杂物、宏观和微观偏析小，成分和组织均匀等显著特点。适用于生产服役条件苛刻（高温、高压、高速、重载、腐蚀）、凝固时偏析严重的大型钢锭，极易偏析和析出脆性相的高合金铸锭。模铸和连铸（大夹杂物和偏析）无法替代。
传统电渣重熔存在电耗高、污染严重、成本高、洁净度低、凝固质量差、优质大锭缺等问题，亟需开发新一代电渣重熔技术，来满足高端装备升级、服役条件苛刻、性能要求极高、机组参数升级的需求。
东北大学钢铁共性技术创新中心创新采用全参数过程稳定的洁净化理论(Constant State of all Parameters, 简称CSP)，实现低渗透率渣，全密闭惰性气保，渣温和成分、熔池、渣钢氧化性恒定；创新采用超快冷和最佳熔速下的浅平熔池均质化控制理论（Super-Cooling+Optimum Melting rate+Shallow Pool，简称SCOM-SP)，在兼顾表面成形质量的同时，最大限度地降低LST（局部凝固时间），减少钢锭的宏观和微观偏析，实现电渣过程的均质化凝固。创新开发半连续电渣重熔实心和空心钢锭成套技术及装备，与传统电渣重熔流程对比，创新流程减少了工序、提高了质量、降低了成本，实现了生产的连续化、高效化、低成本化；创新流程生产的半连续实心钢锭的材料收得率提高10%，生产效率提高60%，成本降低15%-20%；半连续空心钢锭的质量大幅提高，材料收得率提高10%，生产效率提高60%，成本降低30%-60%。该技术被中国钢铁工业协会专家组评价为总体技术达到国际领先水平。
宝武特冶提供的CRP1000及CAP1400核电及700℃示范电站用关键材料，为首次探月工程嫦娥卫星和长征三号甲运载火箭、神舟六号载人航天和运载火箭作出贡献。舞钢生产的20MnNiMo电渣型钢板，用于8万吨模压机支撑件，最大厚度达390mm；SXQ500D等水电钢板，最大厚度达305mm，满足白鹤滩和乌东德水电站关键部件要求，填补国内空白，替代进口，进口价格从6万元/t降至2万元/t。通裕重工生产的百吨级大型电渣钢成为世界首台AP1000核电主管道关键材料，填补了国际空白，并出口国外；为我国福建霞浦第四代核电示范工程提供特厚电渣钢板，实现了第四代核电用钢的国产化。大冶特钢已成为全球顶级轴承制造企业(SKF、FAG、TIMKEN等)电渣材料供应商。其供应份额占我国准高速铁路(160km/h)轴承材料供应60%以上。中钢邢机的电渣冷轧辊在板带市场国内占有率达70%，出口世界50多个国家。
3.2 高端不锈钢冶炼技术——加压冶金
加压不仅可以强化冶金过程，即提高元素溶解度、改善热力学条件、改善动力学条件，而且还可以改善凝固组织，即改变凝固过程相变、强化冷却效果、缩短局部凝固时间。
加压电渣重熔（PESR）是目前商业上生产高氮钢的有效方法。目前典型的合金化方式有两种：设有合金添加装置（德国）、制造复合电极（日本）。德国最大加压电渣炉为20t，熔炼室运行压力4.2MPa，最大生产铸锭直径1m重20t。
为促进辽宁航空和新材料等产业发展，东北大学钢铁共性技术创新中心与抚顺特钢、601（沈阳飞机设计研究所）、606（沈阳发动机研究所）、410（黎明）、112（沈飞），辽宁忠旺等达成了合作意向，2023-2024年将在沈抚示范区以10吨级工业化设备（10吨加压钢包炉、10吨加压电渣炉）实现高氮不锈轴承钢（X30-NEU）产业化，并将产品拓展到高端模具、医疗器械、军用刀具等领域。
3.3 特种合金冶炼技术
对于难变形高温合金GH4151铸锭冶金质量控制技术，东北大学钢铁共性技术创新中心从铸锭组织分析、合金凝固行为、合金偏析特征、裂纹形成机制、均匀化工艺研究等方面进行研究，制定了铸锭质量控制准则，经过挤压开坯、近等温锻造成形和最终热处理，最终对盘件的组织、γ'相和力学性能进行评估。通过控制GH4151合金铸锭冶金质量，制备的GH4151盘件具有优异的拉伸性能、持久性能和疲劳性能等力学性能，均超过了发动机设计厂家提供的技术指标要求。与其他盘件合金相比，GH4151合金的拉伸、持久性能与国外典型变形和粉末盘水平相当；超过了国内变形盘合金和粉末高温合金的拉伸性能和持久性能等力学性能；GH4151合金疲劳性能超过了国内粉末高温合金的性能。盘件性能的优越验证了锭型尺寸控制、热装退火、裂纹控制、均匀化工艺、元素偏析控制、γ’相组织控制的正确性与合理性。下一步将在沈抚新区工研院进行中试和产业转化。
在“2021（第二届）中国不锈钢管高峰论坛”上，王国栋院士发布了东北大学2011钢铁共性技术协同创新中心姜周华教授团队的高端不锈钢管制造技术研究成果，本文根据东北大学王国栋院士在“2021（第二届）中国不锈钢管高峰论坛”上的报告整理。
1、当前我国不锈钢发展现状
据中国特钢企业协会不锈钢分会数据，2020年我国不锈钢粗钢产量为3013.9万吨，增长了2.51%，其中：Cr-Ni钢（300系）1437.96万吨，占比47.71%；Cr钢（400系）592.50万吨，占比19.66%；Cr-Mn钢（200系）964.32万吨，占比32.007%。进口不锈钢为180.59万吨，同比增加68.62万吨，增长61.33%；出口不锈钢为341.69万吨，同比减少25.54万吨，降低了6.95%。不锈钢表观消费量为2560.79万吨，增长6.64%。
2、高端不锈钢管产品
2.1 高氮不锈钢
高氮钢是近年来出现的一种新型工程材料，是材料中的实际氮含量超过常压下（0.1MPa）制备材料所能达到的极限值的钢。其中，高氮奥氏体不锈钢的氮含量在0.40%以上，高氮铁素铁、马氏体不锈钢的氮含量均大于0.08%。采用氮做合金元素，不仅可以稳定奥氏体组织，提高强度，使韧性无显著下降，而且还可以提高耐腐蚀性能。
目前，高氮不锈钢成为主要研究热点，尤其是高氮奥氏体不锈钢。比如用P900（18Cr-18Mn-0.6N）制成的护环，具有高的屈服强度和塑性，良好的耐腐蚀性能特别是耐应力腐蚀，低的导磁性能。高端无磁钻铤，具有低磁导率、高强度的机械性能、优越的耐腐蚀能力、耐晶间腐蚀开裂性能及优越的耐磨性能。
2.2 双相不锈钢
双相不锈钢主要由铁素体和奥氏体相组成，是一类集优良耐腐蚀、高强度和易于加工等诸多优异性能于一身的钢种。物理性能介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间。具有优异的耐氯化物应力腐蚀和耐孔蚀性能；良好的腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能；综合力学性能优异，有较高的强度和疲劳强度；良好的焊接性能；材料成型性能优良，广泛应用于造船及运输、石油和化工等领域。
双相不锈钢典型品种：第一类属低合金型，代表牌号UNS S32304（23Cr-4Ni-0.1N），钢中不含钼，PREN值为24-26，在耐应力腐蚀方面可代替AISI304或316使用。第二类属中合金型，代表牌号是UNS S31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N，即2205），PREN值为32-35，其耐蚀性能介于AISI316L和6%Mo+N奥氏体之间。第三类属高合金型，一般含25%Cr，还含有钼和氮，有的还含有铜和钨，标准牌号UNS32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N），PREN值为37-39，这类钢的耐蚀性能高于22%Cr的双相不锈钢。第四类属超级双相不锈钢型，含高钼和氮，标准牌号UNS S32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N，即2507），有的也含钨和铜，PREN值大于40，可适用于苛刻的介质条件，具有良好的耐蚀与力学综合性能，可与超级奥氏体不锈钢相媲美。
双相不锈钢品种发展趋势是经济型，超级和特超级。其中，LDX 2101(UNS S32101)为经济型最成功的低镍高氮双相不锈钢，具有高强度和良好耐氯化物应力腐蚀开裂性能，现已广泛用于造纸工业设备、食品加工设备、海上石油平台、脱盐(海水淡化)设备等特殊化工环境设备。SAF 3207 HD 抗拉强度极高，980-1180 MPa，PREN为50，临界点腐蚀（CPT）为90℃，可在更深的水下、更高的温度和压力环境下开采油、气田，是用于深水项目的理想材料。DP-3W高耐蚀超级双相不锈钢板主要用于食品工业中制盐、酱油酿造含有高氯化物的生产设备，以及海底石油开采的泵等氯离子腐蚀严重的环境。
2.3 超级奥氏体不锈钢
超级奥氏体不锈钢是一种特种不锈钢，与普通奥氏体不锈钢相比，Ni、Cr、Mo、N等合金元素含量均高于一般值，特别是Mo，可达4.5%～7%。其特点主要是：1）高合金化，主要是铬、钼、氮，尤其是钼，含量显著高于常规不锈钢；2）高纯化，尤其是C含量；3）高性能，具有高的耐局部腐蚀性能，抗应力腐蚀开裂性能。金相组织是100%的奥氏体。但由于铬和钼含量均较高, 处理不好 会出现金属中间相, 如sigma相。
超级奥氏体不锈钢主要用于制造海水处理设备、湿法烟气脱硫吸收塔、烟气净化设备、热交换机、制药工业、造纸工业中的漂白设备等。
2.4 特种不锈钢
特种不锈钢产品主要应用于耐蚀塑料模具（如4Cr13、 4Cr13Mo、 4Cr13MoN）；能源领域（核电、火电、水电）的核电主管道、高压锅炉管、叶片、护环、水轮机导叶和叶片；油气开采（如超级13Cr、15Cr、双相不锈钢）；石油化工的高温、耐蚀部件（管道、阀门）；海洋工程（海水淡化、深海采油、建筑）（如超级双相不锈钢、超级奥氏体不锈钢、双相不锈钢钢筋）；航空领域（如高强不锈轴承钢（CSS-42L、X30CrMoN152），高强紧固件PH13-8Mo,15-5PH）；环保领域（如烟气脱硫用超级不锈钢NAS 254N、 NAS 354N）。
此外，还有热核聚变实验堆用不锈钢材料、核电用不锈钢材料——主管道、航空用超高强度不锈钢等。
3、高端不锈钢冶炼技术
3.1 高端不锈钢冶炼技术——电渣重熔
电渣重熔生产的高端精品特钢，占我国特种冶金总产量90%以上。电渣重熔是生产高端特殊钢和合金的主要方法。它是在水冷结晶器中，通过渣阻热，将自耗电极重新熔化和精炼，顺序凝固成钢锭的特种冶金方法。具有渣洗精炼、顺序凝固、铸锭无大型夹杂物、宏观和微观偏析小，成分和组织均匀等显著特点。适用于生产服役条件苛刻（高温、高压、高速、重载、腐蚀）、凝固时偏析严重的大型钢锭，极易偏析和析出脆性相的高合金铸锭。模铸和连铸（大夹杂物和偏析）无法替代。
传统电渣重熔存在电耗高、污染严重、成本高、洁净度低、凝固质量差、优质大锭缺等问题，亟需开发新一代电渣重熔技术，来满足高端装备升级、服役条件苛刻、性能要求极高、机组参数升级的需求。
东北大学钢铁共性技术创新中心创新采用全参数过程稳定的洁净化理论(Constant State of all Parameters, 简称CSP)，实现低渗透率渣，全密闭惰性气保，渣温和成分、熔池、渣钢氧化性恒定；创新采用超快冷和最佳熔速下的浅平熔池均质化控制理论（Super-Cooling+Optimum Melting rate+Shallow Pool，简称SCOM-SP)，在兼顾表面成形质量的同时，最大限度地降低LST（局部凝固时间），减少钢锭的宏观和微观偏析，实现电渣过程的均质化凝固。创新开发半连续电渣重熔实心和空心钢锭成套技术及装备，与传统电渣重熔流程对比，创新流程减少了工序、提高了质量、降低了成本，实现了生产的连续化、高效化、低成本化；创新流程生产的半连续实心钢锭的材料收得率提高10%，生产效率提高60%，成本降低15%-20%；半连续空心钢锭的质量大幅提高，材料收得率提高10%，生产效率提高60%，成本降低30%-60%。该技术被中国钢铁工业协会专家组评价为总体技术达到国际领先水平。
宝武特冶提供的CRP1000及CAP1400核电及700℃示范电站用关键材料，为首次探月工程嫦娥卫星和长征三号甲运载火箭、神舟六号载人航天和运载火箭作出贡献。舞钢生产的20MnNiMo电渣型钢板，用于8万吨模压机支撑件，最大厚度达390mm；SXQ500D等水电钢板，最大厚度达305mm，满足白鹤滩和乌东德水电站关键部件要求，填补国内空白，替代进口，进口价格从6万元/t降至2万元/t。通裕重工生产的百吨级大型电渣钢成为世界首台AP1000核电主管道关键材料，填补了国际空白，并出口国外；为我国福建霞浦第四代核电示范工程提供特厚电渣钢板，实现了第四代核电用钢的国产化。大冶特钢已成为全球顶级轴承制造企业(SKF、FAG、TIMKEN等)电渣材料供应商。其供应份额占我国准高速铁路(160km/h)轴承材料供应60%以上。中钢邢机的电渣冷轧辊在板带市场国内占有率达70%，出口世界50多个国家。
3.2 高端不锈钢冶炼技术——加压冶金
加压不仅可以强化冶金过程，即提高元素溶解度、改善热力学条件、改善动力学条件，而且还可以改善凝固组织，即改变凝固过程相变、强化冷却效果、缩短局部凝固时间。
加压电渣重熔（PESR）是目前商业上生产高氮钢的有效方法。目前典型的合金化方式有两种：设有合金添加装置（德国）、制造复合电极（日本）。德国最大加压电渣炉为20t，熔炼室运行压力4.2MPa，最大生产铸锭直径1m重20t。
为促进辽宁航空和新材料等产业发展，东北大学钢铁共性技术创新中心与抚顺特钢、601（沈阳飞机设计研究所）、606（沈阳发动机研究所）、410（黎明）、112（沈飞），辽宁忠旺等达成了合作意向，2023-2024年将在沈抚示范区以10吨级工业化设备（10吨加压钢包炉、10吨加压电渣炉）实现高氮不锈轴承钢（X30-NEU）产业化，并将产品拓展到高端模具、医疗器械、军用刀具等领域。
3.3 特种合金冶炼技术
对于难变形高温合金GH4151铸锭冶金质量控制技术，东北大学钢铁共性技术创新中心从铸锭组织分析、合金凝固行为、合金偏析特征、裂纹形成机制、均匀化工艺研究等方面进行研究，制定了铸锭质量控制准则，经过挤压开坯、近等温锻造成形和最终热处理，最终对盘件的组织、γ'相和力学性能进行评估。通过控制GH4151合金铸锭冶金质量，制备的GH4151盘件具有优异的拉伸性能、持久性能和疲劳性能等力学性能，均超过了发动机设计厂家提供的技术指标要求。与其他盘件合金相比，GH4151合金的拉伸、持久性能与国外典型变形和粉末盘水平相当；超过了国内变形盘合金和粉末高温合金的拉伸性能和持久性能等力学性能；GH4151合金疲劳性能超过了国内粉末高温合金的性能。盘件性能的优越验证了锭型尺寸控制、热装退火、裂纹控制、均匀化工艺、元素偏析控制、γ’相组织控制的正确性与合理性。下一步将在沈抚新区工研院进行中试和产业转化。
研究背景
来源：中国制冷学会 如有侵权，请联系删除。
Contact：138 181 54378 ;13818154378@qq.com;
现代生产生活中存在大量的用热需求，区域供暖、生活热水、工艺浓缩等等，甚至农产品干燥等流程也需要大量热能。工业生产往往还需要大量的蒸汽，蒸汽的产生也需要消耗大量热能。传统热能提供的方法主要通过化石燃料的燃烧或电加热，需要耗费巨大能量，燃料燃烧还造成了环境污染，而热泵技术则可以通过消耗少量的电能从低温热源中提取能量，以热泵工质为载体将热能温度升高并供给用户，因此热泵可以比传统的加热方法节约数倍的能量消耗。就余热回收式热泵而言，其主要利用生产生活中产生的废热形成低温热源，同时部分系统也采用空气、土壤、水源作为辅助低温热源，选取合适的热泵工质和循环系统，即可大幅度提升热能品质，并供给用户侧。
目前用于余热回收的热泵系统主要包括压缩式热泵和吸收式热泵，在包括热电和化工等行业的余热回收中扮演了重要角色。除此之外，基于特定场景的吸收式换热技术和热泵干燥技术的重要性也越来越明显，并在远距离供热和工农业干燥中发挥了重要作用。
压缩式热泵
蒸汽压缩式热泵系统是最常见的热泵系统之一，热泵工质在低温热源的加热下，发生蒸发相变，之后低温的热泵工质蒸汽进入压缩机，在压缩过程中增压升温，压缩机出口排出的高温高压热泵工质进入冷凝器相变放热，将蒸发、压缩中吸收的能量传递到高温侧。近年来兆瓦级的压缩式热泵在工业余热回收中取得了快速进展，下图所示的就是应用于钢铁厂余热回收供暖的独立双系统离心式压缩热泵机组，在实现30℃以上的温度提升下可以保证系统COP在6以上，单机制热量达到了9 MW以上。
图1用于余热回收的独立双系统离心式压缩热泵机组
蒸汽压缩式热泵这个名词经常与工业热泵联系在一起，主要用于热供应过程的余热回收，也称之为高温热泵，这也是近年来压缩式热泵的研究热点。在实际应用中，由于存在热源温度较低，用热温度高等问题，常常要对热泵系统进行一些优化设计，由此形成了如喷射压缩式热泵、双级压缩等热泵系统。在循环以外，高温循环工质是压缩式高温热泵的“血液”，热泵工质往往从制冷剂中选取，同时制冷剂与润滑油混合后的热稳定性也是系统设计中需要重点考虑的因素，此外热泵工质需要具有与金属材料或其他化学材料良好的相容性，避免在运行过程中降解。下图就是以水蒸气为工质的超高温压缩式热泵（VHTHP），当系统温升为40℃时，此时冷凝温度为127℃，系统COP为4.2。
图2 热泵技术的划分与水蒸气热泵
对高温热泵来说，目前的研究方向主要集中在新型制冷剂的开发和利用，系统循环形式的优化与系统供热温度的提升这几个方面。而为了实现如上目标，R1336mzz(Z)、R1233zd(E)或R718（水）等新工质的应用，抑或是大型离心式压缩机、螺杆式压缩机的开发都引起了学界和产业界的关注和研究。尽管高温热泵技术已经在许多工业和生活应用场景下开始发挥了作用，然而由于缺乏对工业用热的明确认识、低GWP环保制冷剂的匮乏以及相比与电力与化石燃料的较高的投入成本，高温热泵技术的推广仍然存在着许多困难。未来高温热泵领域的研究主要将集中在以下几个方面：高温换热器和压缩机的设计、高效热力循环构建和热泵系统部件材料优化。
吸收式热泵
工业余热具有体量大和温度分布复杂的特点，此外在进行工业余热回收时用户侧的需求也通常是多变的，除了低温段的供暖和生活热水需求外，还包括中温段的工业流程预热和高温段的工业蒸汽供给等。吸收式热泵以高温蒸汽、余热热水、化石能源燃烧等的热能为驱动能源，通过不同的循环方式实现热能的品位提升或体量增加等目的，在采用不同热源、余热和热泵循环时可以满足60~150℃的热能输出，是工业余热利用的重要方式之一。与只有升温型的压缩式热泵不同，吸收式热泵不但具有升温型的热泵循环还具有增量型的热泵循环方式，一般增量型的吸收式热泵被称为第一类吸收式热泵，而升温型吸收式热泵被称为第二类吸收式热泵或吸收式热变温器。增量型吸收式热泵在采用高温热源驱动的时候可以回收低温余热并进行温度提升，而中温输出热量是高温热源量与低温余热回收量之和，因此可以达到热能增量的目的。升温型吸收式热泵在仅以中温余热进行驱动时，可以产生高温的输出，因此可以达到热能品位提升的目的。吸收式热泵对于热能品位和体量的灵活转换也使得它非常适合于工业余热回收与转换。
第一类吸收式热泵在用于余热回收时输出温度不高，因此其主要目的是供暖。IEA热泵中心的工业热泵报告中介绍了吸收式热泵应用于奥地利一家生物质能发电站的案例，该电站采用77%的木材和23%的内部加工残留物作为燃料，可提供5 MW的电量输出和30 MW的热输出。本案例中用了容量为7.5 MW的吸收式热泵回收烟气中的余热，当吸收式热泵蒸发温度低于50 ℃时即可达到烟气露点温度并从烟气中回收水蒸气的冷凝热。吸收热泵的驱动热源来自蒸汽轮机中温度为165 ℃的蒸汽，并向区域供暖提供95 ℃的热输出。
图3 用于低温余热回收供暖的一类吸收式热泵
第二类吸收式热泵的输出温度高，因此其主要目的是工业用热供给。例如在橡胶合成工业中，反应釜顶部产生温度约为96.5℃的热气需要被冷却从而回收其中温度约为80℃的冷凝水，另一方面反应釜底部需要持续地供给102.5℃热输入，这部分原本需要采用蒸汽进行加热，而如果采用二类吸收式热泵一方面回收反应釜顶部气体释放的冷凝热，另一方面为反应釜底部提供高温热输入就可以达到节省蒸汽的目的。
现阶段基于常规流程的吸收式热泵的应用已经逐渐成熟，包括一类二类热泵和单效、双效以及两级等多种流程也可以满足余热回收的基本需求，并已经在工业余热回收中广泛使用，一些具体实施的案例也具有可观的经济和环境效益，其进一步推广仍然依赖于系统的经济性，因此吸收式热泵的未来发展主要包括：（1）结合余热回收的实际场景进一步提升吸收式热泵效率、适应性和整个余热回收系统的能量回收效率是进一步推广应用的关键。（2）结合实际余热回收场景进行带有热能转换的复杂余热换热网络优化以及因地制宜地开发多种先进吸收式热泵技术仍然是需要高校和产业共同努力的方向。
吸收式换热技术
低品位余热源与需求间往往存在显著的空间差异性，例如在余热回收供暖中余热往往在工业园区比较集中，但用热方则是居民区并远离工业园区。作为提取低品位工业余热实现供热的重要手段，吸收式热泵与吸收式换热器被广泛应用在集中供热系统中，其中吸收式换热器更擅长低品位热量的长距离输送，并可以分为第一类和第二类吸收式换热器。
第一类吸收式换热器可以实现小流量侧的热源出口温度低于大流量侧热汇的进口温度，其本质上是第一类吸收式热泵与水-水换热器的组合，一次网水（热源测热水）首先经过吸收式热泵的发生器作为热源，将一部分热量通过冷凝器传递给一部分二次网水（热汇侧热水），之后发生器的一次网出水进入水-水板式换热器，将热量进一步释放给一部分二次网水，进而板换出口的一次网水最终进入吸收式热泵的蒸发器进一步降温，其热量抬升品位后用于加热一部分二次网热水，最终实现一次网出水温度低于二次网进水温度。第一类吸收式换热器可以在末端热力站比常规技术实现更低的回水温度，并提升热能输配能力。
第二类吸收式换热器可以实现小流量侧热汇的出口温度高于大流量侧热源的进口温度，实质上是第二类吸收式热泵与水-水换热器的组合。热源分成三部分，一部分进入发生器，将热量通过冷凝过程释放给热汇侧进口热水，同时热源温度与热汇侧进口段温度之间形成驱动温差，制备出浓溶液；之后冷凝器出口的热汇侧热水进入水-水板换被一部分热源加热，之后热汇侧热水进入吸收器，同时最后一部分低品位热源被送入蒸发器，在驱动温差的作用下，低品位热源抬升品位后将热量释放给溶液进而释放给热汇侧热水，使得热汇侧热水经过吸收器后输出系统最高温度的出水，从而使得热汇侧出水高于热源侧进水。第二类吸收式换热器可以在低品位热源供给段提升低品位热源供给温度，并提升热能输配能力。
吸收式换热器的典型应用是利用两类吸收式换热器实现低品位余热的长距离输送。如图所示，在热源处通过第二类吸收式换热器将热量从小的供回水温差变换为一次网大的供回水温差以进行长距离输热；在末端热力站，通过第一类吸收式换热器，将热量自一次网的大供回水温差变换为二次网的小供回水温差，用于建筑末端的供热。从而加大热量的输送温差，实现低品位工业余热的长距离输送。
图4 基于吸收式换热器的远距离热输送
热泵干燥技术
采用热泵进行余热回收所产生的热量不但可以用于供暖，还可以广泛应用于工农业生产中的干燥过程。干燥是以热的方式将水分从物料中脱除的过程，也是高耗能生产单元，在一些产品生产中，干燥过程所消耗的能量甚至占到生产总能耗的30%-70%，因此在保证物料干燥品质的前提下需要寻求降低能耗的方式十分重要。和传统干燥方式相比，热泵干燥具有很多优点，包括具有更高的能源利用效率以及受外部天气因素影响较小等，在与余热回收结合后可以达到进一步提升能效的目的。
图5 热泵除湿干燥技术原理与半开式烟草热泵干燥系统实物
目前热泵干燥系统多采用蒸汽压缩式的空气源热泵，其具有更广泛的适应性。根据实际应用需求将热泵干燥技术分为如下几类：除湿型、双热源型、半开式、密闭主机室型、多级串联型和水蒸气直接压缩型。为了实现更加节能和高效的热泵干燥，近年来该技术主要在以下方面取得了进展。
（1）结合多能互补的新思路开展研究工作，包括与太阳能、微波、余热和电热等的结合。与太阳能结合的主要特点是以太阳能为主，晚上利用热泵补热。与微波干燥结合的特点是干燥初期高湿阶段采用热泵，后期以微波为主进行干燥以降低干燥时间。与蒸汽、电热耦合主要是在热泵达不到的80ºC以上的高温升温阶段使用。
（2）结合干燥工艺开展相关研究工作，围绕热泵特点开发不同的干燥工艺设备。相关研究非常多，农业方面包括烟叶、玫瑰花、红枣、山药等都已得到一定的应用，最大宗是南方稻谷干燥开始大量采用热泵，东北的热泵玉米干燥技术也在发展。工业方面包括污泥、挂面、蚊香、木材、树脂等的热泵烘干技术也在逐渐展开。当前，传统工业干燥的废气排放愈来愈严格，白烟和异味的控制成为重点，采用热泵干燥有可达到近零排放的要求，会有很大的发展空间。
（3）结合具体干燥物料对象的不同，有针对性的开展新技术、新装备的开发，这对热泵干燥技术应用领域的不断开拓有重要的意义。南方由于四季温度较高，空调制热模式的热泵干燥技术得到了快速的发展；但对于北方地区冬季低温的特定情况，国内开发了密闭主机室配合低温空气源热泵和相变材料蓄热的新思路，系统操作简单易行，得到了一定的发展推广。针对东北冬季粮食干燥的特点，国内开发了综合多级串联除湿、梯级加热及热管回热的完整方案，表明在冬季严寒条件下可以得到高于南方环境条件下的热泵干燥效率。
热泵的余热回收集中供暖解决方案。
余热回收解决方案通过回收低品位工业余热，生产高温热水用于市政供暖或工艺加热，帮助企业实现节能、减排目标。可广泛应用于热电厂、企业自备电厂、市政污水厂、工矿企业及石油化工等领域。
江森自控通过技术创新，以高性能产品及创新方案为企业带来经济、环境及社会综合收益，为中国节能、减排事业做出积极贡献。
江森自控工业级余热回收式热泵，采用开式设计，驱动方式可灵活选用电机驱动或蒸汽透平驱动。热泵产品主要包括电驱动的YEWS，YS，YK，CYK及蒸汽驱动的Titan OM。单机制热量范围从400KW 到30MW，热水出水温度范围从45℃到82℃。
特色产品
约克TITAN™多级离心式热泵
江森自控旗下约克TITAN™工业级离心式热泵机组，单机制热能力达30MW，单机热水出水温度可达82℃，可广泛应用于区域能源中心、大型工业厂房、城市集中供暖等大型集中供热/采暖场合。
约克YDST单级离心式高温热泵机组
此机组回收利用电厂凝汽器冷却水低品位热量，用于城市大规模集中供暖，也可增加热电厂供热能力，降低热电厂运行能耗，节能、节水、减排。
成功案例
沈阳市政污水余热回收集中供暖
山东某热电厂冷却水余热回收集中供暖
市场活动
第四届中国国际分布式能源及储能技术设备展览会
约克TITAN™多级离心式热泵
约克YDST单级离心式高温热泵机组
离心式热泵工业余热回收解决方案
论文蒸汽驱动型压缩式热泵在热电厂余热回收中的应用
蒸汽驱动型离心式热泵在热电厂及市政污水厂余热回收集中供暖中的应用
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现代生产生活中存在大量的用热需求，区域供暖、生活热水、工艺浓缩等等，甚至农产品干燥等流程也需要大量热能。工业生产往往还需要大量的蒸汽，蒸汽的产生也需要消耗大量热能。传统热能提供的方法主要通过化石燃料的燃烧或电加热，需要耗费巨大能量，燃料燃烧还造成了环境污染，而热泵技术则可以通过消耗少量的电能从低温热源中提取能量，以热泵工质为载体将热能温度升高并供给用户，因此热泵可以比传统的加热方法节约数倍的能量消耗。就余热回收式热泵而言，其主要利用生产生活中产生的废热形成低温热源，同时部分系统也采用空气、土壤、水源作为辅助低温热源，选取合适的热泵工质和循环系统，即可大幅度提升热能品质，并供给用户侧。
目前用于余热回收的热泵系统主要包括压缩式热泵和吸收式热泵，在包括热电和化工等行业的余热回收中扮演了重要角色。除此之外，基于特定场景的吸收式换热技术和热泵干燥技术的重要性也越来越明显，并在远距离供热和工农业干燥中发挥了重要作用。
压缩式热泵
蒸汽压缩式热泵系统是最常见的热泵系统之一，热泵工质在低温热源的加热下，发生蒸发相变，之后低温的热泵工质蒸汽进入压缩机，在压缩过程中增压升温，压缩机出口排出的高温高压热泵工质进入冷凝器相变放热，将蒸发、压缩中吸收的能量传递到高温侧。近年来兆瓦级的压缩式热泵在工业余热回收中取得了快速进展，下图所示的就是应用于钢铁厂余热回收供暖的独立双系统离心式压缩热泵机组，在实现30℃以上的温度提升下可以保证系统COP在6以上，单机制热量达到了9 MW以上。
图1用于余热回收的独立双系统离心式压缩热泵机组
蒸汽压缩式热泵这个名词经常与工业热泵联系在一起，主要用于热供应过程的余热回收，也称之为高温热泵，这也是近年来压缩式热泵的研究热点。在实际应用中，由于存在热源温度较低，用热温度高等问题，常常要对热泵系统进行一些优化设计，由此形成了如喷射压缩式热泵、双级压缩等热泵系统。在循环以外，高温循环工质是压缩式高温热泵的“血液”，热泵工质往往从制冷剂中选取，同时制冷剂与润滑油混合后的热稳定性也是系统设计中需要重点考虑的因素，此外热泵工质需要具有与金属材料或其他化学材料良好的相容性，避免在运行过程中降解。下图就是以水蒸气为工质的超高温压缩式热泵（VHTHP），当系统温升为40℃时，此时冷凝温度为127℃，系统COP为4.2。
图2 热泵技术的划分与水蒸气热泵
对高温热泵来说，目前的研究方向主要集中在新型制冷剂的开发和利用，系统循环形式的优化与系统供热温度的提升这几个方面。而为了实现如上目标，R1336mzz(Z)、R1233zd(E)或R718（水）等新工质的应用，抑或是大型离心式压缩机、螺杆式压缩机的开发都引起了学界和产业界的关注和研究。尽管高温热泵技术已经在许多工业和生活应用场景下开始发挥了作用，然而由于缺乏对工业用热的明确认识、低GWP环保制冷剂的匮乏以及相比与电力与化石燃料的较高的投入成本，高温热泵技术的推广仍然存在着许多困难。未来高温热泵领域的研究主要将集中在以下几个方面：高温换热器和压缩机的设计、高效热力循环构建和热泵系统部件材料优化。
吸收式热泵
工业余热具有体量大和温度分布复杂的特点，此外在进行工业余热回收时用户侧的需求也通常是多变的，除了低温段的供暖和生活热水需求外，还包括中温段的工业流程预热和高温段的工业蒸汽供给等。吸收式热泵以高温蒸汽、余热热水、化石能源燃烧等的热能为驱动能源，通过不同的循环方式实现热能的品位提升或体量增加等目的，在采用不同热源、余热和热泵循环时可以满足60~150℃的热能输出，是工业余热利用的重要方式之一。与只有升温型的压缩式热泵不同，吸收式热泵不但具有升温型的热泵循环还具有增量型的热泵循环方式，一般增量型的吸收式热泵被称为第一类吸收式热泵，而升温型吸收式热泵被称为第二类吸收式热泵或吸收式热变温器。增量型吸收式热泵在采用高温热源驱动的时候可以回收低温余热并进行温度提升，而中温输出热量是高温热源量与低温余热回收量之和，因此可以达到热能增量的目的。升温型吸收式热泵在仅以中温余热进行驱动时，可以产生高温的输出，因此可以达到热能品位提升的目的。吸收式热泵对于热能品位和体量的灵活转换也使得它非常适合于工业余热回收与转换。
第一类吸收式热泵在用于余热回收时输出温度不高，因此其主要目的是供暖。IEA热泵中心的工业热泵报告中介绍了吸收式热泵应用于奥地利一家生物质能发电站的案例，该电站采用77%的木材和23%的内部加工残留物作为燃料，可提供5 MW的电量输出和30 MW的热输出。本案例中用了容量为7.5 MW的吸收式热泵回收烟气中的余热，当吸收式热泵蒸发温度低于50 ℃时即可达到烟气露点温度并从烟气中回收水蒸气的冷凝热。吸收热泵的驱动热源来自蒸汽轮机中温度为165 ℃的蒸汽，并向区域供暖提供95 ℃的热输出。
图3 用于低温余热回收供暖的一类吸收式热泵
第二类吸收式热泵的输出温度高，因此其主要目的是工业用热供给。例如在橡胶合成工业中，反应釜顶部产生温度约为96.5℃的热气需要被冷却从而回收其中温度约为80℃的冷凝水，另一方面反应釜底部需要持续地供给102.5℃热输入，这部分原本需要采用蒸汽进行加热，而如果采用二类吸收式热泵一方面回收反应釜顶部气体释放的冷凝热，另一方面为反应釜底部提供高温热输入就可以达到节省蒸汽的目的。
现阶段基于常规流程的吸收式热泵的应用已经逐渐成熟，包括一类二类热泵和单效、双效以及两级等多种流程也可以满足余热回收的基本需求，并已经在工业余热回收中广泛使用，一些具体实施的案例也具有可观的经济和环境效益，其进一步推广仍然依赖于系统的经济性，因此吸收式热泵的未来发展主要包括：（1）结合余热回收的实际场景进一步提升吸收式热泵效率、适应性和整个余热回收系统的能量回收效率是进一步推广应用的关键。（2）结合实际余热回收场景进行带有热能转换的复杂余热换热网络优化以及因地制宜地开发多种先进吸收式热泵技术仍然是需要高校和产业共同努力的方向。
吸收式换热技术
低品位余热源与需求间往往存在显著的空间差异性，例如在余热回收供暖中余热往往在工业园区比较集中，但用热方则是居民区并远离工业园区。作为提取低品位工业余热实现供热的重要手段，吸收式热泵与吸收式换热器被广泛应用在集中供热系统中，其中吸收式换热器更擅长低品位热量的长距离输送，并可以分为第一类和第二类吸收式换热器。
第一类吸收式换热器可以实现小流量侧的热源出口温度低于大流量侧热汇的进口温度，其本质上是第一类吸收式热泵与水-水换热器的组合，一次网水（热源测热水）首先经过吸收式热泵的发生器作为热源，将一部分热量通过冷凝器传递给一部分二次网水（热汇侧热水），之后发生器的一次网出水进入水-水板式换热器，将热量进一步释放给一部分二次网水，进而板换出口的一次网水最终进入吸收式热泵的蒸发器进一步降温，其热量抬升品位后用于加热一部分二次网热水，最终实现一次网出水温度低于二次网进水温度。第一类吸收式换热器可以在末端热力站比常规技术实现更低的回水温度，并提升热能输配能力。
第二类吸收式换热器可以实现小流量侧热汇的出口温度高于大流量侧热源的进口温度，实质上是第二类吸收式热泵与水-水换热器的组合。热源分成三部分，一部分进入发生器，将热量通过冷凝过程释放给热汇侧进口热水，同时热源温度与热汇侧进口段温度之间形成驱动温差，制备出浓溶液；之后冷凝器出口的热汇侧热水进入水-水板换被一部分热源加热，之后热汇侧热水进入吸收器，同时最后一部分低品位热源被送入蒸发器，在驱动温差的作用下，低品位热源抬升品位后将热量释放给溶液进而释放给热汇侧热水，使得热汇侧热水经过吸收器后输出系统最高温度的出水，从而使得热汇侧出水高于热源侧进水。第二类吸收式换热器可以在低品位热源供给段提升低品位热源供给温度，并提升热能输配能力。
吸收式换热器的典型应用是利用两类吸收式换热器实现低品位余热的长距离输送。如图所示，在热源处通过第二类吸收式换热器将热量从小的供回水温差变换为一次网大的供回水温差以进行长距离输热；在末端热力站，通过第一类吸收式换热器，将热量自一次网的大供回水温差变换为二次网的小供回水温差，用于建筑末端的供热。从而加大热量的输送温差，实现低品位工业余热的长距离输送。
图4 基于吸收式换热器的远距离热输送
热泵干燥技术
采用热泵进行余热回收所产生的热量不但可以用于供暖，还可以广泛应用于工农业生产中的干燥过程。干燥是以热的方式将水分从物料中脱除的过程，也是高耗能生产单元，在一些产品生产中，干燥过程所消耗的能量甚至占到生产总能耗的30%-70%，因此在保证物料干燥品质的前提下需要寻求降低能耗的方式十分重要。和传统干燥方式相比，热泵干燥具有很多优点，包括具有更高的能源利用效率以及受外部天气因素影响较小等，在与余热回收结合后可以达到进一步提升能效的目的。
图5 热泵除湿干燥技术原理与半开式烟草热泵干燥系统实物
目前热泵干燥系统多采用蒸汽压缩式的空气源热泵，其具有更广泛的适应性。根据实际应用需求将热泵干燥技术分为如下几类：除湿型、双热源型、半开式、密闭主机室型、多级串联型和水蒸气直接压缩型。为了实现更加节能和高效的热泵干燥，近年来该技术主要在以下方面取得了进展。
（1）结合多能互补的新思路开展研究工作，包括与太阳能、微波、余热和电热等的结合。与太阳能结合的主要特点是以太阳能为主，晚上利用热泵补热。与微波干燥结合的特点是干燥初期高湿阶段采用热泵，后期以微波为主进行干燥以降低干燥时间。与蒸汽、电热耦合主要是在热泵达不到的80ºC以上的高温升温阶段使用。
（2）结合干燥工艺开展相关研究工作，围绕热泵特点开发不同的干燥工艺设备。相关研究非常多，农业方面包括烟叶、玫瑰花、红枣、山药等都已得到一定的应用，最大宗是南方稻谷干燥开始大量采用热泵，东北的热泵玉米干燥技术也在发展。工业方面包括污泥、挂面、蚊香、木材、树脂等的热泵烘干技术也在逐渐展开。当前，传统工业干燥的废气排放愈来愈严格，白烟和异味的控制成为重点，采用热泵干燥有可达到近零排放的要求，会有很大的发展空间。
（3）结合具体干燥物料对象的不同，有针对性的开展新技术、新装备的开发，这对热泵干燥技术应用领域的不断开拓有重要的意义。南方由于四季温度较高，空调制热模式的热泵干燥技术得到了快速的发展；但对于北方地区冬季低温的特定情况，国内开发了密闭主机室配合低温空气源热泵和相变材料蓄热的新思路，系统操作简单易行，得到了一定的发展推广。针对东北冬季粮食干燥的特点，国内开发了综合多级串联除湿、梯级加热及热管回热的完整方案，表明在冬季严寒条件下可以得到高于南方环境条件下的热泵干燥效率。
热泵的余热回收集中供暖解决方案。
余热回收解决方案通过回收低品位工业余热，生产高温热水用于市政供暖或工艺加热，帮助企业实现节能、减排目标。可广泛应用于热电厂、企业自备电厂、市政污水厂、工矿企业及石油化工等领域。
江森自控通过技术创新，以高性能产品及创新方案为企业带来经济、环境及社会综合收益，为中国节能、减排事业做出积极贡献。
江森自控工业级余热回收式热泵，采用开式设计，驱动方式可灵活选用电机驱动或蒸汽透平驱动。热泵产品主要包括电驱动的YEWS，YS，YK，CYK及蒸汽驱动的Titan OM。单机制热量范围从400KW 到30MW，热水出水温度范围从45℃到82℃。
特色产品
约克TITAN™多级离心式热泵
江森自控旗下约克TITAN™工业级离心式热泵机组，单机制热能力达30MW，单机热水出水温度可达82℃，可广泛应用于区域能源中心、大型工业厂房、城市集中供暖等大型集中供热/采暖场合。
约克YDST单级离心式高温热泵机组
此机组回收利用电厂凝汽器冷却水低品位热量，用于城市大规模集中供暖，也可增加热电厂供热能力，降低热电厂运行能耗，节能、节水、减排。
成功案例
沈阳市政污水余热回收集中供暖
山东某热电厂冷却水余热回收集中供暖
市场活动
第四届中国国际分布式能源及储能技术设备展览会
约克TITAN™多级离心式热泵
约克YDST单级离心式高温热泵机组
离心式热泵工业余热回收解决方案
论文蒸汽驱动型压缩式热泵在热电厂余热回收中的应用
蒸汽驱动型离心式热泵在热电厂及市政污水厂余热回收集中供暖中的应用
#沈阳公积金新政策#【沈阳：高层次人才购首套房首次公积金贷款最高可贷240万元】为支持高层次人才解决住房问题，9月8日，辽宁省沈阳住房公积金管理中心印发《沈阳市高层次人才住房公积金支持政策实施细则》。
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