基于熱泵技術的鋼廠電站余熱利用研究

果乃濤

（北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京 100029）

1 引言

鋼鐵工業能源消耗一直占全國總能源消耗的10%左右。鋼鐵企業能源消耗結構中，煤炭消耗占主導地位。隨著國家對能源的政策調整、環境保護的重視，鋼鐵企業降低噸鋼能耗和利用企業富余熱能成為發展重點。

目前，鋼廠電站主要為純燃料型動力電廠和余熱利用型電廠。主要利用鋼鐵企業富余煤氣、燒結工藝高溫煙氣及煉鋼工藝飽和蒸汽等。鋼廠自用電廠一般規模較小，熱利用效率一般為30%左右，約70%的熱量隨凝汽器循環冷卻水排入環境中。電廠外排循環冷卻水受發電工藝的限制，一般水溫在20℃～50℃，屬于低品位能源，數量較大卻難以利用。在我國鋼鐵企業中，如何讓高效利用余熱資源成為節能降耗的關鍵。熱泵技術在余熱利用方面有著重要的優勢，在提高低品位余熱利用效率的同時，還能起到減少污染物排放等作用，對鋼鐵企業節能減排意義重大。

2 熱泵及其工作原理

2.1 熱泵簡介

熱泵（Heat Pump）是一種將低位熱源的熱能轉移到高位熱源的裝置［1］，是世界備受關注的新能源技術。所涉及的熱泵系統主要由熱泵工作站、低品位熱源、驅動熱源及相關配套設備組成。利用熱泵技術將鋼廠電廠大量低質熱能變為較高品質熱能，提高熱能利用率，節約資源。針對某鋼廠高爐煤氣發電站，提出利用水源熱泵技術，提取冷卻水中的熱量供給采暖工藝，從而減少燃煤消耗，提高系統熱利用率，達到節能減排目的。

2.2 熱泵工作原理

熱泵是以消耗一部分低品位能源（機械能、電能或高溫熱能）作為補償，使熱能從低溫熱源向高溫熱源傳遞的裝置。其實質是借助降低一定量的功的品位，提高品位較低而數量更多的能量。

根據熱力學第二定律，熱量不會自發從低溫物體轉移到高溫物體，而不引起其他變化。因此要保證熱泵正常工作，需要消耗一部分高品質能源，將熱量從低溫物體傳導到高溫物體。假定在熱泵系統中，從低溫熱源吸收的熱量為Q2，熱泵的功耗為W，則熱泵向高溫熱源輸送的總熱量Q1＝Q2＋W。熱泵工作效率可由性能系數c進行評價。其中：

針對鋼廠電廠系統，可以通過熱泵系統回收汽輪機凝汽器循環水中的大量低溫熱量加以利用，并借此冷卻循環水，對自備電廠及整個鋼廠的節能有重大意義。

2.3 熱泵系統應用分析

電力發電站中，冷凝器循環水的水質潔凈度高，流量穩定，溫度波動較小。采用現有熱泵工藝進行技術改造，難度較小，施工周期較短。熱泵設備技術先進，自動化程度高，運行管理容易，生產效率較高，投資回收期短，經濟和社會效益顯著。

針對電廠運行實際情況，回收電廠冷凝水余熱的熱泵有如下特點：

1）熱泵要具備大流量、大溫差換熱能力。因為冷凝器循環冷卻水流量大，以30MW高爐煤氣發電機組為例，冷凝器出口水溫大概在35℃～40℃之間，流量為9700m3／h，水量十分巨大。而且用于供熱的熱水進出口溫度多為75℃／55℃，溫差一般為20℃，這就要求熱泵系統具有大溫差換熱能力。

2）熱泵系統要能生產高溫水。采暖供熱需要熱水溫度為75℃左右，如果熱泵系統不能將溫度提升到該溫度，熱水利用將受到限制。

3）熱泵系統要具有較高的熱效率。如果熱泵系統熱效率過低，則熱泵供熱系統技改的經濟性將下降，投資回收期過長，不符合企業生產發展的需要。

根據上述分析，針對某鋼廠30MW煤氣發電站實際工況及企業生產特點，設計采用第一類溴化鋰吸收式熱泵。

2.4 溴化鋰吸收式熱泵簡介

吸收式熱泵分為兩種類型：第一類吸收式熱泵（即增熱型熱泵AHP），它以蒸汽、燃料（燃氣、燃油）等為驅動熱源，把低溫熱源的熱量提高到中、高溫，提升能源品質和利用效率；第二類吸收式熱泵（即升溫型熱泵AHT），它利用大量中溫的廢熱和低溫熱源的熱勢差，制取溫度高于中溫的熱量，提升廢熱品質。圖1為兩類熱泵系統平衡圖［2］。

圖1 吸收式熱泵系統平衡圖

第一類溴化鋰吸收式熱泵系統主要包括蒸發器、吸收器、冷凝器、發生器、熱交換器及其他附件等。它以蒸汽或者礦物燃料為驅動熱源，利用溴化鋰水溶液作為工質進行熱力循環。吸收式熱泵的供熱量為驅動熱源補償熱量與低溫廢熱吸收熱量之和，供熱量大于高溫熱源補償熱量，故稱為增熱型熱泵。根據不同工況，COP一般在1.5～2.5之間。吸收式熱泵節能效果可見一斑。

吸收式熱泵提供熱水溫度一般不超過98℃，熱水升溫幅度越大，COP越低。驅動熱源可以利用0.2MPa～0.8MPa的蒸汽，也可以利用重油、天然氣等燃料。低溫余熱一般超過15℃即可加以利用，余熱溫度越高，熱泵提供的熱水溫度也越高。

3 熱泵供熱技術在鋼廠煤氣發電站應用

3.1 鋼廠煤氣發電站余熱利用改造方案介紹

國內鋼鐵企業生產情況及工藝布置各有區別，目前鋼鐵廠及鋼廠自備電廠對發電冷卻水利用均較少，低溫熱源浪費情況較為嚴重。

以河北某鋼廠的30MW煤氣發電站為例，冷凝器冷卻水進出口水溫實測統計值為25℃／37℃，冷凝水流量為9700m3／h，冷卻水采用機械通風冷卻塔。如果按照冷卻水溫降10℃來取熱，則可回收熱量約為

Q＝m×c×ΔT＝40 6139MJ／h＝112MW式中Q—可回收熱量，J；

m—循環水流量，m3／h；

c—水比熱，kJ／m3·K；

ΔT—溫降，℃。

余熱資源十分巨大，如果能夠合理加以利用，將產生很大的經濟效益和環境效益。

該企業目前擔負企業廠房、辦公樓、家屬區、及周邊市政小區供暖，總面積約為200萬m2。供暖換熱站利用蒸汽參數為0.35MPa，溫度140℃飽和蒸汽鍋爐生產蒸汽，并通過換熱器與外網熱進行熱交換，生產供給采暖用100℃高溫熱水。

在煤氣電站循環冷卻水余熱利用改造設計方案中，利用原換熱站0.35MPa蒸汽作為驅動熱源，利用溴化鋰吸收式熱泵，從35℃的循環冷卻水中提取熱量，加熱供熱管網60℃的回水，將水溫提高到75℃。再將75℃熱水利用原換熱系統通過0.35MPa蒸汽加熱至100℃的高溫水，供暖使用。系統工藝簡圖如圖2所示。

圖2 余熱利用改造系統簡圖

針對本技改方案，結合現場實際測試參數和熱工計算，可以得到如下結果：采暖用水通過熱泵系統后，吸收循環水熱量，并將循環冷卻水冷卻至25℃，進入循環水池參與高爐煤氣發電系統循環；同時，熱泵系統將2700m3／h的采暖水加熱至75℃。與原工藝相比，改造后系統在滿負荷供暖工況下，蒸汽消耗量M2＝164t／h，原系統蒸汽消耗量M1＝200t／h，蒸汽消耗量減少約ΔM＝36t／h。

3.2 鋼廠煤氣發電站余熱利用改造方案經效分析

由上文可知，該鋼廠的煤氣發電站循環冷卻水如果采用熱泵系統回收余熱，并用于供暖使用，在采暖期，與原供暖系統相比，節省的蒸汽量為（采暖期按120天計）

按鍋爐熱效率85%，標煤價格按700元／t，蒸汽與標煤的換算為1t蒸汽＝0.09t標煤計，則技改完成后每個采暖季累計可節約資金為

F＝104000×0.09÷0.85×700＝770.8萬元

煤氣發電站汽機凝汽器循環冷卻水有一部分通過熱泵系統冷卻，減少冷卻塔冷卻水量，因此，冷卻塔水耗散量減小。具體數值需要等技改完成后統計監測確定。

供熱站中，鍋爐系統水泵供水量減少，水泵功率減小，耗電量減少。

根據以往經驗估算，此技改總投資約為2500萬元，項目投資回收期約為

y＝2500／770.8＝3.24年

同時，由于改造后系統節約了燃料消耗。每個采暖期節約蒸汽約合11011t，減少了二氧化碳、氮氧化物、粉塵等排放量，起到了很好的節能減排效果。

4 結論

通過對某鋼廠的高爐煤氣發電站的循環冷卻水余熱利用方案介紹，可以得到以下結論：

1）在有適當供暖需求的情況下，利用熱泵技術回收電廠循環冷卻水余熱進行供暖，可以提高電廠的能源利用率，減少電廠冷卻塔水耗。利用余熱回收技術，減少了供暖系統燃料消耗，減少污染物排放，符合國家有關政策要求。

2）根據經濟效益分析，此技改方案的投資回收期約3～4年，通過技術改造，可以提高企業的經濟效益，是很有發展前景的項目。

3）通過熱泵系統回收低品位熱量，可以提高熱利用效率，更好的做到“高質高用、低質低用”的能源利用。

4）提供的利用熱泵技術回收低溫熱源熱量的方案，可以為更多的鋼鐵企業低品質熱源利用提供參考。

［1］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB／T19409-2003《水源熱泵機組》［M］.北京：中國標準出版社，2004.

［2］陳東，謝繼紅.熱泵技術及其應用［M］.北京：化學工業出版社，2006.