采用熱泵技術回收工業循環水余熱

閆曉燕

(太原鋼鐵（集團）有限公司規劃發展部,山西太原030003)

熱電

采用熱泵技術回收工業循環水余熱

閆曉燕

(太原鋼鐵（集團）有限公司規劃發展部,山西太原030003)

如何利用工業余熱，特別是30耀50益低溫余熱，是行業內普遍關注的問題，熱泵技術在這方面具有很大潛力，是一項值得推廣的節能技術。介紹了太鋼自備電廠采用熱泵技術回收工業循環水余熱的方案與效益計算。

鋼鐵行業；低溫余熱；熱泵技術；節能

1 前言

隨著全球氣候變化形勢的日益嚴峻，鋼鐵行業節能減排也變得刻不容緩，淘汰落后工藝，采用先進的技術裝備，提高能源利用率，降低能源消耗，減少二氧化碳排放，是鋼鐵行業實現可持續發展的重要措施。

在鋼鐵行業冶煉生產中，會產生大量的循環冷卻水，水溫大約在40~50益。目前大部分企業采用敞開式循環冷卻水系統冷卻，循環水中存在的大量低溫余熱被白白浪費，如果通過熱泵技術回收這部分能量用于加熱自備電廠鍋爐、轉爐及加熱爐氣化冷卻系統補水，不僅節能，更能提高能源利用率。

2 熱泵的工作原理及分類

熱泵技術是基于逆卡諾循環原理實現的。按照驅動力的不同，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器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥組成，通過讓工質不斷完成蒸發（吸收熱量）—壓縮—冷凝（放出熱量）—節流—再蒸發的熱力循環過程，將低溫熱源的熱量傳遞給熱用戶。吸收式熱泵主要由再生器、吸收器、冷凝器、蒸發器、溶液熱交換器等組成，是利用兩種沸點不同的物質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特性并進行實例分析。

2.1 增熱式熱泵工作原理

增熱式熱泵通常以蒸汽為驅動熱源，溴化鋰濃溶液為吸收劑，水為工質，利用水在低壓真空狀態下低沸點的特性，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，蒸發器中的冷卻水吸收低溫熱源（廢熱源）的熱量而蒸發，產生的蒸汽進入吸收器，被吸收器中的吸收劑（溴化鋰）溶液吸收，從而形成富含工質的溶液，該溶液由泵送入再生器，通過驅動熱源加熱使之沸騰，富含工質的溶液發生分離，分離出的高溫高壓蒸汽進入冷凝器，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成冷凝水，冷凝水進入蒸發器開始新一輪的熱力循環。為進一步提高效率，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

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（驅動熱量）

Qe為蒸發器中吸收的熱量（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

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 熱泵技術在鋼鐵企業低溫余熱回收方面的應用分析

在鋼鐵行業冶煉生產中，會產生大量的工藝冷卻水，水溫大約在40~50益。目前大部分企業采用敞開式循環冷卻水系統冷卻，這種冷卻系統在能源的高效利用及設備運行方面主要存在以下弊端：

(1)在冷卻過程中，循環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)冷卻水在循環過程中與空氣接觸，產生大量蒸發損失，而系統中剩余的冷卻水被濃縮，礦物質和離子含量不斷增加。為了使礦物質和離子含量維持在一定范圍內，系統必須補充一定工業新水，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。

(3)冷卻水在循環系統中循環使用，由于水溫升高，水流速度不斷變化，水的蒸發損失和空氣中灰塵雜物落入，各種無機離子和有機物質的濃縮以及設備結構和材料等多種因素的綜合作用，造成循環水水質惡化。這些會加重冷卻水系統的腐蝕、結垢，嚴重威脅和影響生產設的安全運行，維修成本高。

通過熱泵機組，提取工業循環冷卻水低溫余熱，然后加熱自備電廠鍋爐、轉爐及加熱爐氣化冷卻系統等工業爐窯補水，再經少量蒸汽加熱除氧后，就可達到入爐給水溫度，從而起到利用低溫余熱，減少高品位蒸汽消耗，達到節能的目的。

另外采用熱泵機組冷卻循環水，可以簡化循環水冷卻系統，廢除冷卻塔、冷水池，整個系統成為閉式循環，減少了循環水的蒸發損失，解決了因水質惡化而導致的設備及管道腐蝕等問題，保障了設備的安全運行，減少了維修成本。

4 采用熱泵技術回收工業循環水低溫余熱實例分析

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

4.1 方案

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

4.2 工藝流程圖

工藝流程圖見圖2。

4.3 設計參數

循環冷卻水入口溫度:40益

循環冷卻水出口溫度:30益

循環冷卻水:516 m3/h

熱泵驅動熱源（蒸汽）壓力:0.6 MPa

熱泵驅動熱源（蒸汽）溫度:200益

鍋爐補水入口溫度:30益

鍋爐補水出口溫度:95益

圖2 工藝流程圖

熱泵工作時間:8000 h/a

4.4 熱負荷計算

根據上述數據，采用吸熱式熱泵機組，提取循環冷卻水余熱加熱鍋爐補水。鍋爐補水溫度由30益升至到95益，流量200 m3/h。循環冷卻水溫度從40益降到30益，流量為每小時516 m3/h。

通過熱力計算可得出以下數據：

循環水可提取熱量：Qy=6 MW

補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。

熱泵的性能系數按1.8考慮。

5 經濟性分析

5.1 節省蒸汽計算

總制熱量15 MW鍋爐補水直接采用0.6 MPa蒸汽加熱需要年耗蒸汽約為:

23t/h×8000h=18.4萬t/a

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

年節省蒸汽為：18.4萬t原10.4萬t=8萬t/a

綜合節能：8÷18.4=43%

5.2 節省冷卻水計算

原循環冷卻水系統為敞開式，由于水蒸發、排污等問題，循環水損耗大，需要大量補水，而且還存在設備腐蝕及水質穩定處理導致的水污染問題。采用吸收式熱泵機組后，該冷卻系統可改為閉式循環，這樣就可以減少因水蒸發、排污等導致的補水量。

敞開式循環冷卻水系統補水量按3%計算：每年節省冷卻水：

516m3/h×8000h×3%=12.4萬m3

6 社會效益測算

該方案實施后，每年預計可節約0.6 MPa蒸汽8萬t，節約工業循環水12.4萬m3。

根據2008年國家發布的《綜合能耗計算通則》，低壓蒸汽折標煤系數：0.1289 kgce/kg；新水折標煤系數：0.0857 kgce/t。

方案實施后年節能折合標煤約：

8×104×0.1289+12.4×104×0.0857=10298 t

方案實施后，每年折合節約標煤約10298 t，按照國家發改委能源所推薦的排放因子，即：標準煤排放二氧化碳2.457 kg/kg計算，本項目共可減排二氧化碳25302 t。

7 結論

采用熱泵技術回收鋼廠冶煉生產工藝中產生的循環冷卻水余熱,加熱工業爐窯補水，既實現了循環冷卻水的降溫，又降低了工業爐窯補水加熱用蒸汽的消耗，達到了節能和二氧化碳減排的效果。熱泵技術在技術上、經濟上和環境生態上的優點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水量很大，如果都能加以合理利用，那么能源節約和二氧化碳減排潛力是相當大的。

[1]郭小丹,胡三高等.熱泵回收電廠循環水余熱利用問題研究[J].現代電力.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，大學本科，熱能動力工程師，現在太原鋼鐵（集團）有限公司規劃發展部從事能源管理工作。