溴化鋰吸收式機組在沖渣水余熱回收領域的應用

蘇盈賀 張紅巖 劉明軍 陶海臣

摘 要：沖渣水余熱提取型溴化鋰吸收式機組，主要應用于冶金行業(yè)的高爐沖渣水的余熱回收領域。該機組利用水的沸點會隨著環(huán)境壓力的降低而降低的特性，通過制造一個負壓環(huán)境，使高爐沖渣水在該負壓環(huán)境內發(fā)生閃蒸，產(chǎn)生的負壓蒸汽作為溴化鋰吸收式機組的驅動熱源進行制冷和供暖，從而實現(xiàn)冶金行業(yè)高爐沖渣水的余熱回收。當環(huán)境壓力降至約19 kPa時，60 ℃以上的高爐沖渣水會達到沸點發(fā)生閃蒸，而在該工況下，溶解于水中的各類污染物并不會蒸發(fā)汽化，因此閃蒸出的負壓蒸汽是清潔的水蒸氣，不會對溴化鋰吸收式機組造成污染和腐蝕。

關鍵詞：吸收式機組;沖渣水;余熱回收;節(jié)能減排

0? 引言

環(huán)境和能源問題已成為制約我國國民經(jīng)濟和社會持續(xù)高速發(fā)展的主要因素。發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)、推動我國工業(yè)清潔綠色轉型，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、建設“美麗中國”的重要途徑。為此，“中國制造2025”規(guī)劃了綠色工程，以發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)為基礎，以工業(yè)節(jié)能、清潔生產(chǎn)、末端治理、資源循環(huán)利用為切入點，重點實施傳統(tǒng)制造業(yè)綠色改造，推進資源循環(huán)利用綠色發(fā)展，構建涵蓋綠色產(chǎn)品、綠色工廠、綠色園區(qū)、綠色供應鏈的綠色制造體系。

2015年底，國家發(fā)改委、住建部制定了《余熱暖民工程實施方案》，“到2020年，通過集中回收利用低品位余熱資源，替代燃煤供熱20億m2以上，減少供熱用原煤5 000萬t以上……選擇150個示范市（縣、區(qū)），探索建立余熱資源用于供熱的經(jīng)濟范式、典型模式……”;2016年9月，余熱暖民工程推進大會暨中國工業(yè)節(jié)能與清潔生產(chǎn)協(xié)會余熱利用專業(yè)委員會成立大會在京召開，積極推進工業(yè)余熱利用，充分回收利用低品位余熱資源用于城鎮(zhèn)供熱，提高能源利用效率，減少煤炭消耗，改善空氣質量。

“十三五”規(guī)劃將新能源和節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)作為重要發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，各領域的節(jié)能環(huán)保工作迅速發(fā)展;另一方面，隨著國家能源結構的調整及各種可再生能源的發(fā)展，電力不再緊張。在這樣的發(fā)展大背景下，溴化鋰吸收式機組的主要應用方向朝著節(jié)能環(huán)保，特別是各領域的余熱回收利用方向發(fā)展。今后需要對各領域的余熱進行深度挖掘，且需對各領域的工藝進行研究，使余熱回收設備既能進行余熱回收，又能適應工藝的要求。本文主要對溴化鋰吸收式機組在沖渣水余熱回收領域的應用進行了分析，希望為溴化鋰吸收式機組在余熱深度回收利用及節(jié)能減排工作上提供參考。

1? 市場調研

工業(yè)余熱主要集中在鋼鐵、石化、焦化、有色冶金、化工、造紙、建材、水泥、紡織、玻璃、陶瓷等行業(yè)（圖1），這些工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中消耗了大量的煤炭資源，均伴隨著大量余熱的放散。隨著能源的日益緊張，節(jié)能問題成為當今全球關注的焦點。為緩解能源緊張的局面，國家越來越重視高效回收和利用余熱資源。實際上，在許多工業(yè)領域存在著大量的難以直接回收利用的余廢熱資源，如鋼鐵高爐沖渣水、高爐冷卻循環(huán)水、有色金屬冶煉爐沖渣水、濃酸冷卻器及爐體冷卻循環(huán)水、濕法脫硫的脫硫漿液、濕法除塵的煙氣除塵水、焦化濕法熄焦的熄焦水等，這些低溫熱水雖然蘊含著大量的余熱資源，但其中雜質成分復雜，很容易將換熱器賭塞或腐蝕，導致無法直接回收利用。

1.1? 常規(guī)沖渣水工藝流程

常規(guī)沖渣水工藝流程圖如圖2所示。

鋼鐵企業(yè)在高爐煉鐵工序中，沖制1 t水渣需消耗新水1～1.2 t，循環(huán)用水量約10 t，循環(huán)水溫約85 ℃，由沖渣水帶走的高爐渣的物理熱量占煉鐵能耗的8%左右。傳統(tǒng)的高爐沖渣水處理工藝是將沖渣后的高溫沖渣水經(jīng)過水渣池和沉淀池的簡單處理后，進入冷卻塔冷卻降溫到55 ℃左右，降溫后的沖渣水再次沖渣。傳統(tǒng)的沖渣水循環(huán)系統(tǒng)，將熱量通過冷卻塔排放到外界環(huán)境，造成了巨大的余熱浪費。

沖渣水特性分析：反復使用的沖渣水中必然會溶解部分硅酸鹽，同時溶進了爐渣中含有的多種無機鹽和氧化物，形成了飽和狀態(tài)的硅酸鹽類水溶液。

1.2? 沖渣水水質成分復雜

高爐沖渣水在沖渣過程中直接接觸1 450～1 500 ℃的高爐渣，高爐熔渣與水充分混合，渣水進行熱量交換，渣溫降至65～90 ℃，水溫升高至同等溫度。與高溫爐渣進行熱交換的沖渣水直接進入沖渣水池。沖渣水池通常占地幾千平方米，沖渣水池上方熱汽騰空，沖渣水溫度常年保持在60～85 ℃，這是一個巨大的潛在熱能能源。高爐爐渣主要成分為CaO、SiO2、MgO、Al2O3以及少量的Fe2O3，高爐沖渣水同樣成分復雜，碳酸鈣、硅酸鈣、硅酸鎂等硅酸鹽類的水溶液，由于常年反復利用，已經(jīng)達到了飽和狀態(tài)。

1.3? 沖渣水水質易結垢、腐蝕

高爐沖渣水富含大量的CO32-、HCO3-、OH-，pH值大于7，略顯堿性，沖渣水中含有大量的雜質，極易造成各種換熱設備的堵塞結垢和腐蝕。

高爐沖渣水的水質不達標，高懸浮物、高硬度、高電導率，很大程度上限制了沖渣水的余熱回收利用，因此，沖渣水有效利用率非常低，既浪費能源，又污染周邊環(huán)境。如何實現(xiàn)高爐沖渣水的余熱回收利用，且實現(xiàn)余熱回收資源化利用是節(jié)能工作的重點，也是鋼鐵等冶金行業(yè)實施節(jié)能減排的重要課題。

2? 技術方案

為解決以上問題，采用沖渣水余熱提取型溴化鋰吸收式機組，通過高效用能系統(tǒng)實現(xiàn)低排放、低能耗，旨在解決高能耗產(chǎn)業(yè)節(jié)能和再生資源有效利用，其主要應用于鋼鐵、焦化、石化、建筑等行業(yè)領域，以工廠廢熱水等作為熱源，提供舒適性空調或工藝用水，直接將低溫余廢熱資源進行回收并通過制冷、制熱進行資源化利用，實現(xiàn)余熱制冷和供暖，節(jié)約能源。同時，降低了二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放，為企業(yè)帶來效益的同時，達到節(jié)能減排的目的，符合國家的環(huán)保導向和政策。

采用的技術方案如下：工業(yè)廢水余熱回收技術的難點在于各類高污染工業(yè)廢水由于其自身水質特性，在換熱過程中由于溫度迅速降低，溶解于廢水中的各類鹽堿類物質由于溫度的降低而出現(xiàn)過飽和，必然析出并與廢水中的懸浮物及固體污雜物混合后附著在換熱壁表面，對換熱壁面造成污染、腐蝕甚至堵塞，長時間運行導致?lián)Q熱設備損毀甚至系統(tǒng)癱瘓。成分復雜的工業(yè)廢水余熱回收，必須有效解決換熱過程中由于廢水雜質在換熱壁表面析晶、結垢對換熱設備造成的污染、堵塞以及腐蝕問題。因此，最有效的方法是徹底杜絕工業(yè)廢水與換熱壁面直接接觸。沖渣水余熱提取型溴化鋰吸收式機組正是利用水的沸點會隨著環(huán)境壓力的降低而降低的特性，通過制造一個負壓環(huán)境，使高爐沖渣水在該負壓環(huán)境內發(fā)生閃蒸，產(chǎn)生的負壓蒸汽作為溴化鋰吸收式機組的驅動熱源進行制冷和供暖，從而實現(xiàn)了余廢熱資源的回收利用。當環(huán)境壓力降至約19 kPa時，60 ℃以上的高爐沖渣水會達到沸點發(fā)生閃蒸，而在該工況下，溶解于水中的各類污染物并不會蒸發(fā)汽化，因此閃蒸出的負壓蒸汽是清潔的水蒸氣，不會對溴化鋰吸收式機組造成污染和腐蝕。

3? 技術原理

3.1? 吸收式制冷機原理

吸收式制冷機是利用水在低壓下蒸發(fā)壓力降低及溴化鋰溶液的吸水性實現(xiàn)的，當水蒸發(fā)時吸收外界熱量實現(xiàn)制冷目的，溴化鋰溶液作為吸收劑，主要利用其自身的吸水性保證機組內部維持較低壓力，機組主要部件有蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、再生器，具體循環(huán)原理如圖3所示。

溴化鋰吸收式機組的主要特點：以各種低品質熱能為動力，且可回收利用各種各樣的低品質熱能;安全環(huán)保，機組采用溴化鋰溶液為吸收液，水為制冷劑 ;維護保養(yǎng)方便，振動小，噪聲低;放置場所要求低，可根據(jù)項目改造情況靈活放置;智能化控制，可實現(xiàn)機房無人管理;可根據(jù)低品質熱能實際情況進行“量身定制”，實現(xiàn)最佳的解決方案。

溴化鋰吸收式機組主要分為吸收式制冷機和吸收式熱泵，吸收式制冷機主要利用再生器回收60 ℃以上余熱，通過蒸發(fā)器制取5～30 ℃冷水滿足制冷需求;吸收式熱泵主要利用蒸發(fā)器回收60 ℃以下余熱，通過吸收器、冷凝器制取45 ℃以上熱水滿足供熱或工藝需求。溴化鋰吸收式機組可回收各種液態(tài)和氣態(tài)載體余熱，如水、導熱油、煙氣、乏汽等。

3.2? 沖渣水余熱提取型溴化鋰吸收式機組的結構組成及工作原理

沖渣水余熱提取型溴化鋰吸收式機組結構如圖4所示。高爐沖渣水進入氣液分離裝置分離不凝性氣體后，進入負壓閃發(fā)器發(fā)生閃蒸，從而將非清潔的沖渣水變?yōu)榍鍧嵉呢搲赫羝?，再通過噴射裝置進行噴射，作為吸收式機組的驅動熱源進行制冷和供暖，從而實現(xiàn)了冶金行業(yè)的沖渣水的余熱回收。

通過真空泵的運轉，將氣液分離裝置中的不凝性氣體排出，使負壓閃發(fā)器內壓力降至約19 kPa，利用水的沸點會隨著環(huán)境壓力降低而降低的特性，使高爐沖渣水進入負壓閃發(fā)器后發(fā)生閃蒸，而在該工況下，溶解于水中的各類污染物并不會蒸發(fā)汽化，因此，閃蒸出的負壓蒸汽是清潔的水蒸氣，不會對溴化鋰吸收式機組造成污染和腐蝕。

4? 技術創(chuàng)新

（1）負壓蒸汽回收技術。增加氣液分離裝置，將非清潔熱源中的不凝性氣體有效分離，利用負壓閃發(fā)器和噴射裝置，制造一個負壓環(huán)境，使高爐沖渣水在該負壓環(huán)境內發(fā)生閃蒸，將非清潔的低溫余廢熱資源轉換成清潔的負壓蒸汽，作為驅動熱源進行制冷和供熱，實現(xiàn)資源化利用，節(jié)約能源。

1）乏汽物理性質如表1所示。

2）乏汽管道的內徑根據(jù)乏汽壓力和管內流速來確定，如圖5所示。乏汽系統(tǒng)、乏汽凝結水系統(tǒng)的設計和管道安裝施工需要確保系統(tǒng)密封性，以提高余廢熱資源轉換成清潔的負壓蒸汽的效率。

乏汽系統(tǒng)：乏汽系統(tǒng)管道的內表面在安裝施工階段形成的任何銹跡必須在封閉管道前用機械方法清除掉。在機組運行期間，乏汽系統(tǒng)為真空狀態(tài)，為保持系統(tǒng)一直處于真空狀態(tài)，乏汽系統(tǒng)雖裝有抽真空系統(tǒng)，但在管路設計上應盡可能地減少泄露點，以保證機組換熱性能。

乏汽凝結水系統(tǒng)：凝結水管道上應設置止回閥，防止停機時凝結水倒流。外部系統(tǒng)與機組接通前必須清洗干凈，否則水、乏汽中的焊渣等雜物進入機組將堵塞傳熱管，造成機組性能下降，并引起機組傳熱管凍裂等嚴重后果。

（2）高效換熱技術。采用全新循環(huán)流程、新型高效換熱管、新型高效換熱器、多段吸收蒸發(fā)技術（圖6），實現(xiàn)余熱回收最大化，同時制取更多的冷量，既滿足低溫熱水降溫需求，又滿足了工廠制冷、制熱需求。

（3）先進的真空系統(tǒng)設計。采用真空系統(tǒng)設計方法、部件氦氣檢漏、系統(tǒng)正壓氦氣檢漏等手段保證系統(tǒng)真空密閉性，系統(tǒng)初期空氣及運行中不凝性氣體通過高性能真空泵抽出，保證系統(tǒng)壓力，且機組采用負壓保證及自動抽真空技術（圖7），保護機組真空度，保證余熱資源高效回收利用。

（4）余熱資源化利用技術。通過冷暖轉換閥的切換，實現(xiàn)了吸收式機組的冷暖轉換，并且通過高效換熱技術，實現(xiàn)余熱回收最大化，將低溫余廢熱資源進行回收并通過制冷、制熱進行資源化利用。

余熱回收進行制冷獲得5～30 ℃冷水（圖8），滿足舒適性或工藝性制冷需求。

余熱回收進行供熱獲得45～210 ℃熱水（圖9），滿足供暖或工藝加熱需求。

（5）智能化控制技術。采用系統(tǒng)自我診斷技術、多重防結晶安全控制、系統(tǒng)智能控制技術，使機組在運行時自動診斷冷卻水污垢狀態(tài)、吸收液濃度、機組真空度等相關信息進行智能預警，保證機組安全、穩(wěn)定運行。并配置無線Wi-Fi通信技術、云服務技術、手機APP操作終端、電子郵件推送及微信端推送等前沿科技，保證信息推送的及時性、準確性、安全性，如圖10所示。

5? 經(jīng)濟可行性分析

通過回收高爐沖渣水余熱進行夏季制冷、冬季供暖，如果余熱回收不能全部滿足制冷或供暖需求，可通過蒸汽冷溫水機組進行補充。下面針對某鋼廠沖渣水余熱回收案例進行經(jīng)濟可行性分析，如圖11所示。

（1）冬季供暖節(jié)省天然氣費用：

改造后可提供供熱量3 200 kW，減少冬季鍋爐供熱負荷，鍋爐供熱效率0.937，天然氣低位熱值8 500 kcal/Nm3，年供暖150天，每天運轉8 h，天然氣價格3.7元/Nm3。

年節(jié)省天然氣耗量：3 200×860÷0.937÷8 500×150×

8=414 640 Nm3/年。

年節(jié)省天然氣費用：414 640×3.7=1 534 168元。

（2）夏季制冷節(jié)省電費：

改造后可提供制冷量3 000 kW，原電制冷機組COP為5.0，年制冷150天，每天運行8 h，電價0.8元/kWh。

年節(jié)省電量：3 000÷5.0×150×8=720 000 kWh。

年節(jié)省電費：720 000×0.8=576 000元。

（3）改造后系統(tǒng)增加耗電：

夏季系統(tǒng)耗電：200 kWh，冬季系統(tǒng)耗電：70 kWh;吸收式機組耗電：14 kWh，年耗電量為：（200+14）×150×8+（70+14）×150×8=357 600 kWh。

年增加電費：357 600×0.8=286 080元。

（4）改造后年增加收益 ：1 534 168+576 000-286 080=

1 824 088元/年。

（5）投資回收期：沖渣水余熱深度回收利用系統(tǒng)投資包括沖渣水余熱提取型冷溫水機組、冷水泵、冷卻水泵、沖渣水泵、冷卻塔、集中控制系統(tǒng)、系統(tǒng)管道、閥門及其管路等，預計500余萬元。由此可見，實施改造投資回收期不到3年，具有經(jīng)濟上的可行性。

6? 市場前景

河北某鋼鐵高爐沖渣水余熱利用項目，利用4座高爐沖渣水及4座高爐沖渣乏汽的余熱，提取沖渣水及沖渣乏汽熱量150 MW，實現(xiàn)制冷量110 MW，供暖量100 MW。該項目不但回收了大量的低溫余廢熱資源，實現(xiàn)了夏季制冷、冬季供暖的資源化利用，解決了水資源缺乏問題，而且把原來生產(chǎn)工藝需要冷卻和處理掉的廢熱變廢為寶，減少了碳的排放，減輕了大氣污染，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

在當前“低碳經(jīng)濟”大趨勢下，隨著能源消費量的大幅增長，節(jié)能性產(chǎn)品日益受到關注。而在諸多領域中存在大量的廢熱水，沖渣水余熱提取型溴化鋰吸收式機組可以實現(xiàn)低溫余熱回收資源化利用，充分利用余廢熱水作為熱源，滿足建筑制冷及工廠工藝的需求，可以為人類節(jié)省更多的能源，符合國家可持續(xù)發(fā)展的能源政策。換熱效率的提升和能源利用率的提高，降低了余廢熱未被有效利用而直接排放對環(huán)境產(chǎn)生的熱污染，為用戶及社會帶來長期的經(jīng)濟效益。該產(chǎn)品符合可持續(xù)性發(fā)展要求和能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，迎合了國家的能源發(fā)展政策，經(jīng)濟效益和社會效益十分明顯（圖12）。

目前全社會都非常重視節(jié)能減排工作，不論是從國家、地區(qū)政策角度，還是從鋼鐵、石化等企業(yè)節(jié)約資金角度考慮，余熱利用型溴化鋰吸收式冷水機組的推廣都具有廣闊的前景。該產(chǎn)品將廣泛應用于鋼鐵行業(yè)沖渣水、石化行業(yè)工藝循環(huán)水等領域，通過資源化利用，實現(xiàn)余熱制冷和供暖，節(jié)約能源，為今后節(jié)能減排、調整能源結構、創(chuàng)造節(jié)約型社會提供了有力支撐。該產(chǎn)品會逐漸成為市場的主流產(chǎn)品，勢必為企業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益，同時作為節(jié)能減排的先鋒產(chǎn)品，其將會得到極大的發(fā)展空間，市場應用前景廣闊。

7? 結語

溴化鋰吸收式機組可對沖渣水等工藝余熱進行回收利用，制冷或制熱可滿足工藝需求，提高能源利用率，實現(xiàn)節(jié)能減排。本文針對溴化鋰吸收式機組在沖渣水等余熱回收領域的應用進行了分析，希望為今后的溴化鋰吸收式機組在余熱深度回收利用及節(jié)能減排工作上提供參考。

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[5] 蘇盈賀.一種余熱回收型溴化鋰吸收式冷熱水機組：ZL201720740250.8[P].2018-02-09.

收稿日期：2020-04-09

作者簡介：蘇盈賀（1987—），男，遼寧沈陽人，工程師，主要從事溴化鋰吸收式技術和工程應用研究及節(jié)能產(chǎn)品（系統(tǒng)）的開發(fā)和設計工作。