熱泵技術(shù)在我國(guó)鋼鐵冶金行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展

單士賓

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司煉鋼廠，山東濟(jì)南 271104）

0 引言

我國(guó)是鋼鐵冶金工業(yè)方面的大國(guó)，多年來(lái)隨著科技的不斷進(jìn)步以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國(guó)鋼鐵冶金行業(yè)發(fā)展較快。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，2015 年我國(guó)生鐵總產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)64 000 萬(wàn)噸，粗鋼總產(chǎn)量超出750 002 萬(wàn)噸，鋼材總產(chǎn)量超出110 000 萬(wàn)噸，各種有色金屬總產(chǎn)量約5000 萬(wàn)噸，依舊保持增長(zhǎng)率高、產(chǎn)量高的發(fā)展趨勢(shì)。但是在我國(guó)眾多行業(yè)中鋼鐵冶金行業(yè)是一種能源消耗高的行業(yè)，在社會(huì)能源總消耗中能量消耗占據(jù)的比例高于12%，而且能源有效利用率不高，甚至排放大量的粉塵、SO2等，在很大程上嚴(yán)重污染環(huán)境。近年來(lái)，隨著我國(guó)資源供應(yīng)的緊缺，環(huán)境污染問(wèn)題突出，鋼鐵冶金行業(yè)在發(fā)展過(guò)程中必須要高度重視節(jié)能減排，盡可能減少能耗，保護(hù)環(huán)境，這樣不僅可以增加鋼鐵冶金企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，而且有利于實(shí)現(xiàn)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展。

1 熱泵技術(shù)的基本原理和種類

熱泵技術(shù)是以逆卡諾循環(huán)原理為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的，熱泵是將低品位熱源向高品位熱源轉(zhuǎn)移的裝置，其主要作用是從附近環(huán)境吸收一定的熱量，且將其傳送給溫度較高的對(duì)象。

通常，按照驅(qū)動(dòng)能源進(jìn)行劃分，熱泵主要有兩大類，分別是吸收式和壓縮式熱泵[1]。吸收式熱泵，是通過(guò)熱能來(lái)直接驅(qū)動(dòng)，一般是由溶液熱交換器、蒸發(fā)器以及再生器等多部分組成，是合理運(yùn)用不同沸點(diǎn)的物質(zhì)構(gòu)成的溶液氣液特性進(jìn)行工作[2]。壓縮式熱泵通過(guò)機(jī)械能或者電能來(lái)驅(qū)動(dòng)，其組成部分主要有膨脹閥、蒸發(fā)器以及壓縮機(jī)等等，利用工質(zhì)連續(xù)完成從蒸發(fā)到壓縮，到冷凝、節(jié)流，最后到再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)制熱功能。

冶金工業(yè)的許多工序都難免會(huì)出現(xiàn)一些低品位的余熱，所以在冶金工業(yè)中應(yīng)用熱泵技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。相對(duì)來(lái)說(shuō)，壓縮式熱泵不僅要運(yùn)用余熱，而且要運(yùn)用電能等多種二次能源，但吸收式熱泵因?yàn)闊o(wú)需其他類型的能源，能夠直接運(yùn)用余熱來(lái)制熱，所以能源消耗成本不高，可以節(jié)省能源，但壓縮式熱泵的能源效益COP 高于吸收式熱泵，其在提高熱品位熱量方面是相當(dāng)強(qiáng)的。按照不同的循環(huán)原理劃分，熱泵技術(shù)也可以分成兩大類，分別是第一類和第二類熱泵。

2 熱泵技術(shù)在鋼鐵冶金行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國(guó)鋼鐵冶金工業(yè)中充分運(yùn)用多樣化的余熱方法具體有以下2 種。

2.1 熱利用

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是對(duì)余熱的熱能進(jìn)行直接利用，并不需要能源轉(zhuǎn)化，主要包括發(fā)酵、制冷、預(yù)熱以及供熱供暖等[4]。若供熱溫度需求<100 ℃，表示低溫預(yù)熱，如不同類型的加熱設(shè)備煙氣預(yù)熱，從燒結(jié)、煉鋼、焦化以及連鑄等多道工序中出現(xiàn)的余熱都能夠當(dāng)成熱源；一般來(lái)說(shuō)，若設(shè)計(jì)科學(xué)準(zhǔn)確，第二類熱泵可以合理運(yùn)用約70 ℃的熱水，產(chǎn)生的高溫?zé)崴?100 ℃，也可以有效運(yùn)用約35 ℃的熱水，產(chǎn)生約56 ℃的熱水，用于日常生活。比如：萊蕪鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)出高爐循環(huán)水余熱回收系統(tǒng)。運(yùn)用蒸汽壓縮式熱泵機(jī)組系統(tǒng)能夠置換出約45 ℃的高爐循環(huán)水熱量，完成換熱后放在鍋爐新水里，確保其溫度可以上升到約75 ℃，從而達(dá)到良好的預(yù)熱效果。

2.2 動(dòng)力利用

動(dòng)力利用，主要是將余熱轉(zhuǎn)換成機(jī)械能來(lái)使用。在鋼鐵企業(yè)的各種余熱資源中，轉(zhuǎn)爐煉鋼、燒結(jié)環(huán)節(jié)余熱資源充足，普遍應(yīng)用于鋼鐵余熱發(fā)電中。在一些特殊的場(chǎng)合可以選擇熱電聯(lián)產(chǎn)[5]。比如：江蘇蘇州新歡軟智能裝備有限公司生產(chǎn)余熱回收利用系統(tǒng)，把電能系統(tǒng)循環(huán)和熱能系統(tǒng)循環(huán)相混合，可以合理運(yùn)用低品位的能源，從溫度約16 ℃的熱源中將余熱提取出來(lái)，真正實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供和供熱，進(jìn)而大大的提升系統(tǒng)總體經(jīng)濟(jì)性，減少能源損耗。

3 熱泵技術(shù)的今后發(fā)展和研究

當(dāng)前，熱泵技術(shù)今后的發(fā)展和研究方向具體表現(xiàn)在以下2 點(diǎn)。

3.1 研究新型的工質(zhì)

一般，壓縮式熱泵的工質(zhì)都選擇氟氯碳?xì)浠衔?，由于其具有顯著的熱力學(xué)性質(zhì)，但因?yàn)槠淙菀讚p壞臭氧層，處于被代替的狀況；吸收式熱泵的工質(zhì)是氨水溶液，在各種類型的吸收劑中氨水溶液是一種性能優(yōu)越的溶液，但是其具有較強(qiáng)的鍍鋅，容易爆炸和點(diǎn)燃，可以腐蝕一些有色金屬。因此，在這種情況下，必須要積極開(kāi)展更加安全、可靠、節(jié)能的工質(zhì)取代物是最近幾年來(lái)的熱門研究話題。

專家范曉偉對(duì)比分析了HCs/R744 非共沸混合工質(zhì)，討論了混合工質(zhì)中關(guān)于R744 配比領(lǐng)域的問(wèn)題，針對(duì)熱泵系統(tǒng)使用HCs/R744 非共沸混合工質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格篩選；學(xué)者冷志勇理論研究了自然工質(zhì)CO2跨臨界循環(huán)在熱泵上的應(yīng)用，而且運(yùn)用CO2熱泵原理對(duì)車間供暖系統(tǒng)進(jìn)行合理的建造與設(shè)計(jì)[6]；學(xué)者劉學(xué)武對(duì)于跨臨界CO2熱泵循環(huán)壓力較高的情況，提出在跨臨界熱泵循環(huán)系統(tǒng)使用CO2混合制冷劑，而不是純CO2制冷劑，運(yùn)用理論對(duì)各種配比下的系統(tǒng)循環(huán)使用性能進(jìn)行計(jì)算，而且比較其和純CO2工質(zhì)性能；清華同方“R32 環(huán)保工質(zhì)代替項(xiàng)目”在2014 年利用環(huán)保部進(jìn)行驗(yàn)收，此項(xiàng)目在我國(guó)第一次使用低GWP 的HFC-32 將HFC-22 代替，彌補(bǔ)了我國(guó)當(dāng)前的不足，對(duì)臭氧層沒(méi)有損壞，安全可靠，技術(shù)較為先進(jìn)，具有較高的環(huán)境保護(hù)效益。

3.2 通過(guò)不斷改善結(jié)構(gòu)部件或者運(yùn)用新型的循環(huán)方法

改善結(jié)構(gòu)部門或者運(yùn)用新型的循環(huán)方式，除了可以對(duì)熱泵系統(tǒng)性能進(jìn)行改善，而且可以提升資源的有效利用率，起到保護(hù)環(huán)境的目的。在2007 年北京科技大學(xué)提出將中低溫余熱轉(zhuǎn)換成蒸汽的系統(tǒng)，其熱泵開(kāi)路循環(huán)系統(tǒng)主要是有發(fā)生器以及蒸發(fā)器等部分組成，而且將固液分離板和冷卻晶析器設(shè)置在發(fā)生器與吸收器之間，還要將發(fā)生器蒸汽不斷引到外部，以便于冷凝和利用，使用溫度約（220～1200）℃的中高溫?zé)嵩串?dāng)成熱泵循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生其所使用的熱源，而溫度約（100～220）℃的低溫余熱當(dāng)成蒸發(fā)器所使用的熱源，并且其蒸汽來(lái)源于發(fā)生器及吸收器[7]。此系統(tǒng)具有較高的熱回收水平，發(fā)生器與吸收其能夠在同一時(shí)間不間斷的運(yùn)行，也能夠間歇運(yùn)行，與鋼鐵生產(chǎn)的特征相符合；2009年中治京塵工程技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)出余熱發(fā)電系統(tǒng)，其是由吸收式熱泵、發(fā)電機(jī)以及汽輪等部分組成，吸收式熱泵合理運(yùn)用氨水作為工質(zhì)，將汽輪機(jī)出口末端蒸汽的低品位熱源向高品位熱源轉(zhuǎn)換，而且由存儲(chǔ)系統(tǒng)向熱泵提供優(yōu)質(zhì)的驅(qū)動(dòng)熱源，確保濃氨水混合，可以在高壓中蒸發(fā)形成很多高壓飽和氨氣，將氨汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)氨氣出現(xiàn)的壓力能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳送給發(fā)電機(jī)，這樣可以實(shí)現(xiàn)低損耗。高質(zhì)量的目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，當(dāng)前我國(guó)鋼鐵冶金行業(yè)的節(jié)能環(huán)保形勢(shì)是相當(dāng)嚴(yán)峻的，而熱泵技術(shù)可以將工業(yè)余熱進(jìn)行回收利用，提升能源利用率，降低和避免環(huán)境污染，所以其廣泛應(yīng)用于我國(guó)鋼鐵冶金行業(yè)。如今，熱泵的類型是多樣化的，各種類型的熱泵具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，運(yùn)用熱泵技術(shù)將余熱回收利用也有很多方法，在使用過(guò)程中必須要根據(jù)外部環(huán)境、用戶實(shí)際需求、設(shè)備生產(chǎn)工藝等因素選擇合適的熱泵，以此實(shí)現(xiàn)最佳的匹配，達(dá)到顯著的效果。

熱泵技術(shù)今后的主要研究方向是積極開(kāi)發(fā)新的工藝、改善現(xiàn)有的部件結(jié)構(gòu)以及升級(jí)循環(huán)方法，目前已經(jīng)出現(xiàn)很多最新的研究成果。大力開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熱泵技術(shù)，提升工業(yè)余熱有效利用率，可以減少鋼鐵冶金行業(yè)對(duì)一次性能源的依賴程度，減少能源的損耗，加強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)的意義。