熱泵技術在我國鋼鐵冶金行業的應用與發展

單士賓

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司煉鋼廠，山東濟南 271104）

0 引言

我國是鋼鐵冶金工業方面的大國，多年來隨著科技的不斷進步以及社會經濟的迅速發展，我國鋼鐵冶金行業發展較快。根據有關統計資料顯示，2015 年我國生鐵總產量已經超過64 000 萬噸，粗鋼總產量超出750 002 萬噸，鋼材總產量超出110 000 萬噸，各種有色金屬總產量約5000 萬噸，依舊保持增長率高、產量高的發展趨勢。但是在我國眾多行業中鋼鐵冶金行業是一種能源消耗高的行業，在社會能源總消耗中能量消耗占據的比例高于12%，而且能源有效利用率不高，甚至排放大量的粉塵、SO2等，在很大程上嚴重污染環境。近年來，隨著我國資源供應的緊缺，環境污染問題突出，鋼鐵冶金行業在發展過程中必須要高度重視節能減排，盡可能減少能耗，保護環境，這樣不僅可以增加鋼鐵冶金企業的經濟效益和社會效益，而且有利于實現我國可持續發展。

1 熱泵技術的基本原理和種類

熱泵技術是以逆卡諾循環原理為基礎實現的，熱泵是將低品位熱源向高品位熱源轉移的裝置，其主要作用是從附近環境吸收一定的熱量，且將其傳送給溫度較高的對象。

通常，按照驅動能源進行劃分，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，是通過熱能來直接驅動，一般是由溶液熱交換器、蒸發器以及再生器等多部分組成，是合理運用不同沸點的物質構成的溶液氣液特性進行工作[2]。壓縮式熱泵通過機械能或者電能來驅動，其組成部分主要有膨脹閥、蒸發器以及壓縮機等等，利用工質連續完成從蒸發到壓縮，到冷凝、節流，最后到再蒸發的熱力循環過程，從而實現制熱功能。

冶金工業的許多工序都難免會出現一些低品位的余熱，所以在冶金工業中應用熱泵技術具有廣闊的市場發展前景。相對來說，壓縮式熱泵不僅要運用余熱，而且要運用電能等多種二次能源，但吸收式熱泵因為無需其他類型的能源，能夠直接運用余熱來制熱，所以能源消耗成本不高，可以節省能源，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強的。按照不同的循環原理劃分，熱泵技術也可以分成兩大類，分別是第一類和第二類熱泵。

2 熱泵技術在鋼鐵冶金行業中的應用現狀

現階段，我國鋼鐵冶金工業中充分運用多樣化的余熱方法具體有以下2 種。

2.1 熱利用

簡單來說，就是對余熱的熱能進行直接利用，并不需要能源轉化，主要包括發酵、制冷、預熱以及供熱供暖等[4]。若供熱溫度需求<100 ℃，表示低溫預熱，如不同類型的加熱設備煙氣預熱，從燒結、煉鋼、焦化以及連鑄等多道工序中出現的余熱都能夠當成熱源；一般來說，若設計科學準確，第二類熱泵可以合理運用約70 ℃的熱水，產生的高溫熱水>100 ℃，也可以有效運用約35 ℃的熱水，產生約56 ℃的熱水，用于日常生活。比如：萊蕪鋼鐵集團生產出高爐循環水余熱回收系統。運用蒸汽壓縮式熱泵機組系統能夠置換出約45 ℃的高爐循環水熱量，完成換熱后放在鍋爐新水里，確保其溫度可以上升到約75 ℃，從而達到良好的預熱效果。

2.2 動力利用

動力利用，主要是將余熱轉換成機械能來使用。在鋼鐵企業的各種余熱資源中，轉爐煉鋼、燒結環節余熱資源充足，普遍應用于鋼鐵余熱發電中。在一些特殊的場合可以選擇熱電聯產[5]。比如：江蘇蘇州新歡軟智能裝備有限公司生產余熱回收利用系統，把電能系統循環和熱能系統循環相混合，可以合理運用低品位的能源，從溫度約16 ℃的熱源中將余熱提取出來，真正實現熱電聯供和供熱，進而大大的提升系統總體經濟性，減少能源損耗。

3 熱泵技術的今后發展和研究

當前，熱泵技術今后的發展和研究方向具體表現在以下2 點。

3.1 研究新型的工質

一般，壓縮式熱泵的工質都選擇氟氯碳氫化合物，由于其具有顯著的熱力學性質，但因為其容易損壞臭氧層，處于被代替的狀況；吸收式熱泵的工質是氨水溶液，在各種類型的吸收劑中氨水溶液是一種性能優越的溶液，但是其具有較強的鍍鋅，容易爆炸和點燃，可以腐蝕一些有色金屬。因此，在這種情況下，必須要積極開展更加安全、可靠、節能的工質取代物是最近幾年來的熱門研究話題。

專家范曉偉對比分析了HCs/R744 非共沸混合工質，討論了混合工質中關于R744 配比領域的問題，針對熱泵系統使用HCs/R744 非共沸混合工質進行嚴格篩選；學者冷志勇理論研究了自然工質CO2跨臨界循環在熱泵上的應用，而且運用CO2熱泵原理對車間供暖系統進行合理的建造與設計[6]；學者劉學武對于跨臨界CO2熱泵循環壓力較高的情況，提出在跨臨界熱泵循環系統使用CO2混合制冷劑，而不是純CO2制冷劑，運用理論對各種配比下的系統循環使用性能進行計算，而且比較其和純CO2工質性能；清華同方“R32 環保工質代替項目”在2014 年利用環保部進行驗收，此項目在我國第一次使用低GWP 的HFC-32 將HFC-22 代替，彌補了我國當前的不足，對臭氧層沒有損壞，安全可靠，技術較為先進，具有較高的環境保護效益。

3.2 通過不斷改善結構部件或者運用新型的循環方法

改善結構部門或者運用新型的循環方式，除了可以對熱泵系統性能進行改善，而且可以提升資源的有效利用率，起到保護環境的目的。在2007 年北京科技大學提出將中低溫余熱轉換成蒸汽的系統，其熱泵開路循環系統主要是有發生器以及蒸發器等部分組成，而且將固液分離板和冷卻晶析器設置在發生器與吸收器之間，還要將發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）℃的中高溫熱源當成熱泵循環系統發生其所使用的熱源，而溫度約（100～220）℃的低溫余熱當成蒸發器所使用的熱源，并且其蒸汽來源于發生器及吸收器[7]。此系統具有較高的熱回收水平，發生器與吸收其能夠在同一時間不間斷的運行，也能夠間歇運行，與鋼鐵生產的特征相符合；2009年中治京塵工程技術有限公司設計出余熱發電系統，其是由吸收式熱泵、發電機以及汽輪等部分組成，吸收式熱泵合理運用氨水作為工質，將汽輪機出口末端蒸汽的低品位熱源向高品位熱源轉換，而且由存儲系統向熱泵提供優質的驅動熱源，確保濃氨水混合，可以在高壓中蒸發形成很多高壓飽和氨氣，將氨汽輪機驅動，通過氨氣出現的壓力能轉化成機械能傳送給發電機，這樣可以實現低損耗。高質量的目標。

4 結語

總而言之，當前我國鋼鐵冶金行業的節能環保形勢是相當嚴峻的，而熱泵技術可以將工業余熱進行回收利用，提升能源利用率，降低和避免環境污染，所以其廣泛應用于我國鋼鐵冶金行業。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缺點，運用熱泵技術將余熱回收利用也有很多方法，在使用過程中必須要根據外部環境、用戶實際需求、設備生產工藝等因素選擇合適的熱泵，以此實現最佳的匹配，達到顯著的效果。

熱泵技術今后的主要研究方向是積極開發新的工藝、改善現有的部件結構以及升級循環方法，目前已經出現很多最新的研究成果。大力開發擁有自主知識產權的熱泵技術，提升工業余熱有效利用率，可以減少鋼鐵冶金行業對一次性能源的依賴程度，減少能源的損耗，加強企業競爭優勢，對促進我國社會經濟持續穩定發展具有現實的意義。