采用熱泵技術(shù)回收工業(yè)循環(huán)水余熱

閆曉燕

(太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司規(guī)劃發(fā)展部,山西太原030003)

熱電

采用熱泵技術(shù)回收工業(yè)循環(huán)水余熱

閆曉燕

(太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司規(guī)劃發(fā)展部,山西太原030003)

如何利用工業(yè)余熱，特別是30耀50益低溫余熱，是行業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的問題，熱泵技術(shù)在這方面具有很大潛力，是一項(xiàng)值得推廣的節(jié)能技術(shù)。介紹了太鋼自備電廠采用熱泵技術(shù)回收工業(yè)循環(huán)水余熱的方案與效益計(jì)算。

鋼鐵行業(yè)；低溫余熱；熱泵技術(shù)；節(jié)能

1 前言

隨著全球氣候變化形勢的日益嚴(yán)峻，鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排也變得刻不容緩，淘汰落后工藝，采用先進(jìn)的技術(shù)裝備，提高能源利用率，降低能源消耗，減少二氧化碳排放，是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

在鋼鐵行業(yè)冶煉生產(chǎn)中，會產(chǎn)生大量的循環(huán)冷卻水，水溫大約在40~50益。目前大部分企業(yè)采用敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻，循環(huán)水中存在的大量低溫余熱被白白浪費(fèi)，如果通過熱泵技術(shù)回收這部分能量用于加熱自備電廠鍋爐、轉(zhuǎn)爐及加熱爐氣化冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水，不僅節(jié)能，更能提高能源利用率。

2 熱泵的工作原理及分類

熱泵技術(shù)是基于逆卡諾循環(huán)原理實(shí)現(xiàn)的。按照驅(qū)動力的不同，熱泵可以分為壓縮式熱泵和吸收式熱泵。壓縮式熱泵主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥組成，通過讓工質(zhì)不斷完成蒸發(fā)（吸收熱量）—壓縮—冷凝（放出熱量）—節(jié)流—再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，將低溫?zé)嵩吹臒崃總鬟f給熱用戶。吸收式熱泵主要由再生器、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器、溶液熱交換器等組成，是利用兩種沸點(diǎn)不同的物質(zhì)組成的溶液的氣液平衡特性來工作的。按照制熱目的不同，吸收式熱泵又可以分為增熱型熱泵和升溫型熱泵。

本文主要就增熱式熱泵說明其循環(huán)特性并進(jìn)行實(shí)例分析。

2.1 增熱式熱泵工作原理

增熱式熱泵通常以蒸汽為驅(qū)動熱源，溴化鋰濃溶液為吸收劑，水為工質(zhì)，利用水在低壓真空狀態(tài)下低沸點(diǎn)的特性，提取低位余熱熱源的熱量，通過吸收劑回收熱量并轉(zhuǎn)換抽取工藝或采暖用熱水。如原理圖1所示，熱泵工作時，蒸發(fā)器中的冷卻水吸收低溫?zé)嵩矗◤U熱源）的熱量而蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入吸收器，被吸收器中的吸收劑（溴化鋰）溶液吸收，從而形成富含工質(zhì)的溶液，該溶液由泵送入再生器，通過驅(qū)動熱源加熱使之沸騰，富含工質(zhì)的溶液發(fā)生分離，分離出的高溫高壓蒸汽進(jìn)入冷凝器，而濃溶液則回流至吸收器。高溫高壓蒸汽在冷凝器中冷卻放熱后凝結(jié)成冷凝水，冷凝水進(jìn)入蒸發(fā)器開始新一輪的熱力循環(huán)。為進(jìn)一步提高效率，在吸收器和再生器之間放置了溶液熱交換器。

圖1 吸收式熱泵原理圖

2.2 增熱式熱泵的性能系數(shù)

增熱式熱泵的熱力平衡可表示為：

式中：Qg為再生器吸收的熱量（驅(qū)動熱量）

Qe為蒸發(fā)器中吸收的熱量（廢熱源釋放的熱量）

Qa為吸收器放出的熱量

Qc為冷凝器放出的熱量

增熱式熱泵的性能系數(shù)

此類熱泵的COP通常大于1，大約在1.5~1.9之間，其可以利用15~40益的廢熱源，將20~50益的水加熱成50~90益的熱水供使用。

3 熱泵技術(shù)在鋼鐵企業(yè)低溫余熱回收方面的應(yīng)用分析

在鋼鐵行業(yè)冶煉生產(chǎn)中，會產(chǎn)生大量的工藝?yán)鋮s水，水溫大約在40~50益。目前大部分企業(yè)采用敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)冷卻，這種冷卻系統(tǒng)在能源的高效利用及設(shè)備運(yùn)行方面主要存在以下弊端：

(1)在冷卻過程中，循環(huán)冷卻水所含的低溫顯熱全部排入大氣，完全沒有被有效利用，造成了極大的能源損失。

(2)冷卻水在循環(huán)過程中與空氣接觸，產(chǎn)生大量蒸發(fā)損失，而系統(tǒng)中剩余的冷卻水被濃縮，礦物質(zhì)和離子含量不斷增加。為了使礦物質(zhì)和離子含量維持在一定范圍內(nèi)，系統(tǒng)必須補(bǔ)充一定工業(yè)新水，并排出一定的濃縮水即排污水，這些造成了水資源的極大浪費(fèi)。

(3)冷卻水在循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)使用，由于水溫升高，水流速度不斷變化，水的蒸發(fā)損失和空氣中灰塵雜物落入，各種無機(jī)離子和有機(jī)物質(zhì)的濃縮以及設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料等多種因素的綜合作用，造成循環(huán)水水質(zhì)惡化。這些會加重冷卻水系統(tǒng)的腐蝕、結(jié)垢，嚴(yán)重威脅和影響生產(chǎn)設(shè)的安全運(yùn)行，維修成本高。

通過熱泵機(jī)組，提取工業(yè)循環(huán)冷卻水低溫余熱，然后加熱自備電廠鍋爐、轉(zhuǎn)爐及加熱爐氣化冷卻系統(tǒng)等工業(yè)爐窯補(bǔ)水，再經(jīng)少量蒸汽加熱除氧后，就可達(dá)到入爐給水溫度，從而起到利用低溫余熱，減少高品位蒸汽消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

另外采用熱泵機(jī)組冷卻循環(huán)水，可以簡化循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，廢除冷卻塔、冷水池，整個系統(tǒng)成為閉式循環(huán)，減少了循環(huán)水的蒸發(fā)損失，解決了因水質(zhì)惡化而導(dǎo)致的設(shè)備及管道腐蝕等問題，保障了設(shè)備的安全運(yùn)行，減少了維修成本。

4 采用熱泵技術(shù)回收工業(yè)循環(huán)水低溫余熱實(shí)例分析

某鋼廠自備電廠現(xiàn)運(yùn)行5臺中溫中壓煤氣鍋爐、4臺供熱用汽輪發(fā)電機(jī)組和2臺汽動鼓風(fēng)機(jī)，機(jī)爐采用母管制運(yùn)行方式，汽輪機(jī)組循環(huán)冷卻水全部通過3座自然通風(fēng)冷塔冷卻，能量散失嚴(yán)重。而電廠鍋爐補(bǔ)水又需用高品位蒸汽加熱除氧后進(jìn)入鍋爐。本文擬利用吸收式熱泵機(jī)組提取循環(huán)冷卻水低溫余熱后，加熱鍋爐補(bǔ)水,探討余熱利用和減少高品位蒸汽消耗的目的。

4.1 方案

來自汽輪機(jī)凝汽器的40益循環(huán)冷卻水通過循環(huán)泵后的旁路送至吸收式熱泵的取熱端，經(jīng)熱泵機(jī)組吸收余熱后，水溫降至30益送回循環(huán)水回水母管；同時將鍋爐補(bǔ)水引入熱泵的加熱端，經(jīng)熱泵加熱后，水溫度由30益升至95益，再送入熱力除氧器，用少量蒸汽加熱進(jìn)行熱力除氧后送入鍋爐。另外從汽輪機(jī)抽汽引出一路蒸汽送至熱泵作為驅(qū)動熱源，蒸汽放熱后變成凝結(jié)水送回凝結(jié)水回收裝置。

4.2 工藝流程圖

工藝流程圖見圖2。

4.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

循環(huán)冷卻水入口溫度:40益

循環(huán)冷卻水出口溫度:30益

循環(huán)冷卻水:516 m3/h

熱泵驅(qū)動熱源（蒸汽）壓力:0.6 MPa

熱泵驅(qū)動熱源（蒸汽）溫度:200益

鍋爐補(bǔ)水入口溫度:30益

鍋爐補(bǔ)水出口溫度:95益

圖2 工藝流程圖

熱泵工作時間:8000 h/a

4.4 熱負(fù)荷計(jì)算

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，采用吸熱式熱泵機(jī)組，提取循環(huán)冷卻水余熱加熱鍋爐補(bǔ)水。鍋爐補(bǔ)水溫度由30益升至到95益，流量200 m3/h。循環(huán)冷卻水溫度從40益降到30益，流量為每小時516 m3/h。

通過熱力計(jì)算可得出以下數(shù)據(jù)：

循環(huán)水可提取熱量：Qy=6 MW

補(bǔ)水加熱所需的總熱量：QR=15.12 MW

0.6 MPa蒸汽需求：耗量為13 t/h。

熱泵的性能系數(shù)按1.8考慮。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

5.1 節(jié)省蒸汽計(jì)算

總制熱量15 MW鍋爐補(bǔ)水直接采用0.6 MPa蒸汽加熱需要年耗蒸汽約為:

23t/h×8000h=18.4萬t/a

采用吸收式熱泵機(jī)組，每年蒸汽消耗：13.07t/h×8000h=10.4萬t/a

年節(jié)省蒸汽為：18.4萬t原10.4萬t=8萬t/a

綜合節(jié)能：8÷18.4=43%

5.2 節(jié)省冷卻水計(jì)算

原循環(huán)冷卻水系統(tǒng)為敞開式，由于水蒸發(fā)、排污等問題，循環(huán)水損耗大，需要大量補(bǔ)水，而且還存在設(shè)備腐蝕及水質(zhì)穩(wěn)定處理導(dǎo)致的水污染問題。采用吸收式熱泵機(jī)組后，該冷卻系統(tǒng)可改為閉式循環(huán)，這樣就可以減少因水蒸發(fā)、排污等導(dǎo)致的補(bǔ)水量。

敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水量按3%計(jì)算：每年節(jié)省冷卻水：

516m3/h×8000h×3%=12.4萬m3

6 社會效益測算

該方案實(shí)施后，每年預(yù)計(jì)可節(jié)約0.6 MPa蒸汽8萬t，節(jié)約工業(yè)循環(huán)水12.4萬m3。

根據(jù)2008年國家發(fā)布的《綜合能耗計(jì)算通則》，低壓蒸汽折標(biāo)煤系數(shù)：0.1289 kgce/kg；新水折標(biāo)煤系數(shù)：0.0857 kgce/t。

方案實(shí)施后年節(jié)能折合標(biāo)煤約：

8×104×0.1289+12.4×104×0.0857=10298 t

方案實(shí)施后，每年折合節(jié)約標(biāo)煤約10298 t，按照國家發(fā)改委能源所推薦的排放因子，即：標(biāo)準(zhǔn)煤排放二氧化碳2.457 kg/kg計(jì)算，本項(xiàng)目共可減排二氧化碳25302 t。

7 結(jié)論

采用熱泵技術(shù)回收鋼廠冶煉生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的循環(huán)冷卻水余熱,加熱工業(yè)爐窯補(bǔ)水，既實(shí)現(xiàn)了循環(huán)冷卻水的降溫，又降低了工業(yè)爐窯補(bǔ)水加熱用蒸汽的消耗，達(dá)到了節(jié)能和二氧化碳減排的效果。熱泵技術(shù)在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上和環(huán)境生態(tài)上的優(yōu)點(diǎn)決定了由它來代替部分熱水鍋爐的合理性。我們知道，整個鋼廠含有低溫余熱的循環(huán)水量很大，如果都能加以合理利用，那么能源節(jié)約和二氧化碳減排潛力是相當(dāng)大的。

[1]郭小丹,胡三高等.熱泵回收電廠循環(huán)水余熱利用問題研究[J].現(xiàn)代電力.2010年02期.

Recovery of W aste Heat from Industrial Circulating W ater Using Heat Pum p

YAN Xiaoyan
（Planning&DevelopmentDepartmentofTaiyuanIronandSteel(Group)Co.,Ltd.,Taiyuan，Shanxi030003,China）

It has been an issue of common concern in the steel sector to recover indus原trial waste heat,especially 30-50益low temperature waste heat.With great potential in this field the heat pump is of an energy saving technology deserving promotion.The project of recovering waste heat from industrial circulating water using heat pump technology at the self-supply power plant of Taiyuan Steel is introduced and economic benefit of the project is calculated as well.

steel sector;low temperature waste heat;heat pump technology;energy saving

TK115

B

1006-6764（2014）02-0031-03

2013-07-02

閆曉燕（1974原），女，大學(xué)本科，熱能動力工程師，現(xiàn)在太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司規(guī)劃發(fā)展部從事能源管理工作。