能量回收型脫濕工藝探討

劉 峰 余 波 吳家欣

(1．中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)低碳能源與動(dòng)力工程學(xué)院，3．江蘇省智慧能源技術(shù)及裝備工程研究中心)

鋼鐵工業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，也是高耗能行業(yè)。2020年，中國(guó)粗鋼產(chǎn)量10.53億t，約占世界粗鋼產(chǎn)量的 56.5%[1]。鋼鐵工業(yè)長(zhǎng)流程的總余熱量約占噸鋼總能耗的1/3，具有很大的節(jié)能潛力，但目前還有約50%的余熱沒有回收利用[2-3]。

高爐鼓風(fēng)脫濕技術(shù)是鋼鐵企業(yè)大范圍推廣的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，同時(shí)也是調(diào)節(jié)高爐生產(chǎn)的重要手段[4-6]。胡志勇[7]論述了采用高爐鼓風(fēng)脫濕技術(shù)能夠降低高爐焦比、穩(wěn)定爐況，提高高爐生鐵產(chǎn)量，常用的脫濕方法包括物理脫濕(冷凍式和吸附法)和化學(xué)脫濕，其中冷凍脫濕法流程簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便。魯?shù)虏热薣8]探討了2 500 m3高爐脫濕應(yīng)用情況，系統(tǒng)配備初冷和深冷兩套冷卻系統(tǒng)，鼓風(fēng)含濕量控制在約6.5 g/m3，系統(tǒng)運(yùn)行后，噸鐵風(fēng)耗下降了56 m3/t，日均產(chǎn)量提高了132 t，2012年脫濕期間，減排CO2約5.35萬(wàn)t，節(jié)能減排效果顯著，但凝結(jié)水會(huì)銹蝕設(shè)備。楊永斌[9]結(jié)合湘鋼熱電廠1號(hào)、2號(hào)高爐鼓風(fēng)機(jī)脫濕，計(jì)算分析獲得項(xiàng)目的投資回收期為11個(gè)月，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效果顯著。韓宗偉等人[13]以國(guó)內(nèi)某2 500 m3年產(chǎn)生鐵量220萬(wàn)t高爐為例，采用機(jī)前冷卻脫濕法，以蒸汽為熱源的吸收式制冷與蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)串聯(lián)作為脫濕冷源建立數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)計(jì)算了上海地區(qū)不同濕度參數(shù)條件下高爐冶煉過程的能耗情況。結(jié)果表明，隨著出風(fēng)濕度的降低，高爐冶煉過程的節(jié)能量增加，即濕空氣中的水蒸氣每下降0.1 g/m3，能耗下降0.01～0.07 kgce/t，但制冷系統(tǒng)的能耗有所增加。吳春華[14]通過對(duì)比國(guó)內(nèi)某高爐脫濕前后焦炭、煤粉和焦丁用量，計(jì)算獲得直接綜合能源消耗降低2.82 kgce/t。傳統(tǒng)脫濕技術(shù)缺乏有效的能量回收手段，冷凍水具有的冷量直接回到冷卻塔補(bǔ)水，并且由于脫濕造成的空氣濕度飽和與機(jī)械水?dāng)y帶會(huì)損害后續(xù)設(shè)備。基于此，趙劉強(qiáng)[12]提出三段能量回收脫濕工藝，利用脫濕前后的溫度差，形成一個(gè)熱量回收循環(huán)回路，與常規(guī)冷凍脫濕工藝比較，脫濕裝置所需制冷量減少 19.5% ，降低了脫濕裝置運(yùn)行成本，同時(shí)減少了高爐能源消耗，脫濕裝置節(jié)能效果非常明顯。楊東偉等人[15]通過能效分析和熱力平衡法建立高爐鼓風(fēng)脫濕冷凝水冷能利用模型，將10 ℃的冷凝水處理后送入單臺(tái)冷凍機(jī)的冷凝器，降低冷凝器側(cè)循環(huán)冷卻水溫度1 ℃，增強(qiáng)了冷凝器換熱效果，制冷系統(tǒng)制冷量增加了352 kW。

文章提出一種能量回收型脫濕工藝，該系統(tǒng)采用直接噴霧冷卻和冷卻濕空氣再熱相結(jié)合方式，不僅回收脫濕器的冷凝水的冷量，而且回收脫濕后飽和時(shí)空氣的冷量，通過二者相結(jié)合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能，以及降低冷卻塔循環(huán)冷卻水的進(jìn)出口溫差，減少循環(huán)冷卻水的蒸發(fā)水耗。

1 能量回收型脫濕工藝

1.1 常規(guī)冷凝法脫濕工藝

常規(guī)冷凝法脫濕工藝如圖1，空氣經(jīng)過過濾器濾去其中的粉塵，進(jìn)入脫濕器，與脫濕器中的冷凍水(7～12 ℃)進(jìn)行熱交換，空氣溫度降到10 ℃左右，其中的水蒸氣凝結(jié)，由除霧器捕集液滴，匯流至下部?jī)?chǔ)液槽排出，由冷凝水泵送入冷卻塔，作為冷卻塔補(bǔ)水，冷量未能有效利用。飽和濕空氣送入鼓風(fēng)機(jī)，壓縮后送入后續(xù)工序。另外，除濕后的空氣帶入熱量降低，系統(tǒng)輸入能量減少，同時(shí)帶液?jiǎn)栴}也會(huì)加快管道腐蝕，損害風(fēng)機(jī)葉片。

圖1 常規(guī)冷凝法脫濕工藝

1.2 能量回收型脫濕工藝

與常規(guī)脫濕工藝相比，能量回收型脫濕工藝將冷凝水進(jìn)行了回用，并利用循環(huán)水將冷凝后的空氣進(jìn)行預(yù)熱，如圖2所示。在設(shè)計(jì)工況下，冷凝水回用可以將濕空氣先降到一定溫度，經(jīng)過脫濕器后進(jìn)一步降溫至10 ℃，脫濕后的空氣由循環(huán)水加熱至20～25 ℃，變成不飽和的濕空氣后送入鼓風(fēng)機(jī)。冷凝水采用以下三種工藝回收：

(1)三段能量回收脫濕工藝。在傳統(tǒng)的脫濕器前后增加GGH間接換熱，可以顯著降低系統(tǒng)冷卻能耗。該系統(tǒng)增加了兩組換熱器，顯著增加系統(tǒng)壓損，增加系統(tǒng)投資。

(2)冷凝水直接噴淋回收工藝。該工藝優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，將脫濕后的冷凝水直接在過濾器后面噴入，與濕空氣混合后送入脫濕器，需要在脫濕器前增加一層除霧器，系統(tǒng)節(jié)能效果有限，只能回收冷凝水的顯熱。

(3)冷凝水噴霧蒸發(fā)間接冷卻工藝。該系統(tǒng)可以在常規(guī)脫濕器前增加一組噴霧蒸發(fā)間接換熱器，利用冷凝水的部分蒸發(fā)熱量，降低空氣的溫度，同時(shí)不會(huì)增加空氣濕度，與直接噴淋相比，系統(tǒng)投入增加，節(jié)能效果顯著。

圖2 能量回收型脫濕工藝

2 脫濕計(jì)算及效果評(píng)估

以某高爐為例，空氣流量3 200 m3/min，進(jìn)口空氣參數(shù)如表1。設(shè)定脫濕器出口空氣溫度為10～15 ℃，經(jīng)過再熱后空氣溫度為20～25 ℃。

2.1 脫濕計(jì)算

濕空氣的焓值主要受溫度和含濕量影響，其中含濕量影響較大?？諝夂瑵窳縖16]表達(dá)式見式(1)。

表1 進(jìn)口空氣參數(shù)

(1)

式中：d為含濕量，單位kg/kga；φ為相對(duì)濕度；P為壓力，下標(biāo)a、b和s分別代表干空氣、環(huán)境和飽和水蒸氣狀態(tài)。

相對(duì)濕度表達(dá)式見式(2)。

(2)

式中：Pv為水蒸氣分壓；Ps為對(duì)應(yīng)空氣溫度下飽和水蒸氣分壓。

濕空氣的焓值[16]為1 kg干空氣的焓和dkg水蒸氣的焓之和，計(jì)算見式(3)。

h=1.005×t+(2 501+1.863×t)×d

(3)

式中：h為濕空氣焓值，kJ/kga；t為濕空氣溫度，℃；d為含濕量，kg/kga。

查飽和水蒸氣參數(shù)表獲得對(duì)應(yīng)空氣溫度下的飽和蒸汽壓，即可采用公式(1)～(3)計(jì)算獲得相應(yīng)空氣焓值，或者通過軟件計(jì)算獲得空氣焓值。文章采用建環(huán)世界含濕量在線計(jì)算器計(jì)算相應(yīng)的空氣焓值。根據(jù)表1的條件，得到不同位置的空氣焓值見表2。

表2 不同位置的空氣焓值 kJ/kga

2.2 常規(guī)脫濕計(jì)算

正常工況下，脫濕冷量=3 200÷60×1.293×(74.50-29.26)=3 119.6 kW。

極限工況下，脫濕冷量=3 200÷60×1.293×(111.33-41.96)=4 783.9 kW。

2.3 能量回收型脫濕工藝

能量回收型脫濕工藝采用直接噴淋冷卻回收冷量和冷卻空氣循環(huán)水再熱相結(jié)合的方式，回收冷凝水冷量，加熱濕空氣，降低冷卻水循環(huán)水的溫度降，減小冷卻塔循環(huán)水進(jìn)、出口溫度差。采用噴淋方式，空氣會(huì)增濕，導(dǎo)致蒸發(fā)的冷凝水又經(jīng)過冷凝降到除濕器出口溫度，該部分液體未能提供冷量，因此只要獲得噴淋后的空氣狀態(tài)(溫度、含濕量或濕度)，即可得到冷凝水帶入系統(tǒng)的冷量，計(jì)算過程如圖3。

圖3 能量回收型脫濕工藝計(jì)算流程

在未采用能量回收設(shè)計(jì)時(shí)，常規(guī)工況和極限工況的冷凝水量分別為10.54 g/kga和19.05 g/kga，即為輸入的噴淋水量，通過程序計(jì)算獲得兩種工況下噴淋后的空氣溫度分別為24.29 ℃和31.89 ℃，焓值分別為73.91 kJ/kga和110.04 kJ/kga，循環(huán)水吸熱量分別為10.19 kJ/kga和10.25 kJ/kga。

常規(guī)工況冷量減少百分比=[(74.50-29.26)-(73.91-29.26)]/ (74.50-29.26)×100%=1.3%。

極限工況冷量減少百分比=[(111.33-41.96)-(110.04-41.96)]/ (111.33-41.96)×100%=1.9%。

常規(guī)工況循環(huán)水回收冷量=3 200÷60×1.293×(39.45-29.26)=702.7 kW。

極限工況循環(huán)水回收冷量=3 200÷60×1.293×(52.21-41.96)=706.8 kW。

常規(guī)工況下，冷機(jī)的循環(huán)水冷量為冷凍水的1.2倍左右，則極限工況下，循環(huán)水回收冷量占循環(huán)水冷量的比例=706.8/(4 783.9×1.2)×100%=12.3%(常規(guī)工況下為18.8%)，以原循環(huán)水進(jìn)出口溫差5 ℃計(jì)算，采用循環(huán)水能量回收冷量方式可降低循環(huán)水進(jìn)出口溫差約0.6 ℃(常規(guī)工況下為0.9 ℃)。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)脫濕工藝?yán)美鋬鰴C(jī)組的冷凍水將濕空氣降至某一溫度，濕空氣達(dá)到飽和狀態(tài)，冷凝水的冷量未回收，同時(shí)飽和濕空氣也會(huì)對(duì)后續(xù)設(shè)備和管道造成影響。文章提出一種能量回收型脫濕工藝，在傳統(tǒng)脫濕工藝基礎(chǔ)上增加了冷凝水回用噴霧冷卻和循環(huán)水回收除濕后濕空氣冷量，結(jié)論如下：

(1)在不考慮增加空氣側(cè)阻力情況下，冷凝水直接噴霧冷卻可以降低冷凍機(jī)組冷量1.3%～1.9%，具有明顯的節(jié)能效果。

(2)循環(huán)水回收冷量約占循環(huán)水溫降冷量的12.3% ，降低循環(huán)水進(jìn)出口溫差約0.6 ℃，可以進(jìn)一步降低蒸發(fā)水耗。

(3)采用直接噴霧冷卻方式，不能有效利用冷凝水潛熱，造成部分冷凝水在預(yù)冷段蒸發(fā)，再在脫濕器冷凝，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，未能有效回收冷凝水的冷量。

(4)在實(shí)際的工程中，建議通過間接噴霧蒸發(fā)冷卻方式進(jìn)行冷凝水的冷量回收，同步實(shí)現(xiàn)預(yù)脫濕和降溫效果。