果乃濤

（北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京 100029）

1 引言

鋼鐵工業(yè)能源消耗一直占全國(guó)總能源消耗的10%左右。鋼鐵企業(yè)能源消耗結(jié)構(gòu)中，煤炭消耗占主導(dǎo)地位。隨著國(guó)家對(duì)能源的政策調(diào)整、環(huán)境保護(hù)的重視，鋼鐵企業(yè)降低噸鋼能耗和利用企業(yè)富余熱能成為發(fā)展重點(diǎn)。

目前，鋼廠電站主要為純?nèi)剂闲蛣?dòng)力電廠和余熱利用型電廠。主要利用鋼鐵企業(yè)富余煤氣、燒結(jié)工藝高溫?zé)煔饧盁掍摴に囷柡驼羝?。鋼廠自用電廠一般規(guī)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(huán)冷卻水排入環(huán)境中。電廠外排循環(huán)冷卻水受發(fā)電工藝的限制，一般水溫在20℃～50℃，屬于低品位能源，數(shù)量較大卻難以利用。在我國(guó)鋼鐵企業(yè)中，如何讓高效利用余熱資源成為節(jié)能降耗的關(guān)鍵。熱泵技術(shù)在余熱利用方面有著重要的優(yōu)勢(shì)，在提高低品位余熱利用效率的同時(shí)，還能起到減少污染物排放等作用，對(duì)鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排意義重大。

2 熱泵及其工作原理

2.1 熱泵簡(jiǎn)介

熱泵（Heat Pump）是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置［1］，是世界備受關(guān)注的新能源技術(shù)。所涉及的熱泵系統(tǒng)主要由熱泵工作站、低品位熱源、驅(qū)動(dòng)熱源及相關(guān)配套設(shè)備組成。利用熱泵技術(shù)將鋼廠電廠大量低質(zhì)熱能變?yōu)檩^高品質(zhì)熱能，提高熱能利用率，節(jié)約資源。針對(duì)某鋼廠高爐煤氣發(fā)電站，提出利用水源熱泵技術(shù)，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(tǒng)熱利用率，達(dá)到節(jié)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(jī)械能、電能或高溫?zé)崮埽┳鳛檠a(bǔ)償，使熱能從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩磦鬟f的裝置。其實(shí)質(zhì)是借助降低一定量的功的品位，提高品位較低而數(shù)量更多的能量。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不會(huì)自發(fā)從低溫物體轉(zhuǎn)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(zhì)能源，將熱量從低溫物體傳導(dǎo)到高溫物體。假定在熱泵系統(tǒng)中，從低溫?zé)嵩次盏臒崃繛镼2，熱泵的功耗為W，則熱泵向高溫?zé)嵩摧斔偷目偀崃縌1＝Q2＋W。熱泵工作效率可由性能系數(shù)c進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中：

針對(duì)鋼廠電廠系統(tǒng)，可以通過(guò)熱泵系統(tǒng)回收汽輪機(jī)凝汽器循環(huán)水中的大量低溫?zé)崃考右岳?，并借此冷卻循環(huán)水，對(duì)自備電廠及整個(gè)鋼廠的節(jié)能有重大意義。

2.3 熱泵系統(tǒng)應(yīng)用分析

電力發(fā)電站中，冷凝器循環(huán)水的水質(zhì)潔凈度高，流量穩(wěn)定，溫度波動(dòng)較小。采用現(xiàn)有熱泵工藝進(jìn)行技術(shù)改造，難度較小，施工周期較短。熱泵設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行管理容易，生產(chǎn)效率較高，投資回收期短，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

針對(duì)電廠運(yùn)行實(shí)際情況，回收電廠冷凝水余熱的熱泵有如下特點(diǎn)：

1）熱泵要具備大流量、大溫差換熱能力。因?yàn)槔淠餮h(huán)冷卻水流量大，以30MW高爐煤氣發(fā)電機(jī)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(jìn)出口溫度多為75℃／55℃，溫差一般為20℃，這就要求熱泵系統(tǒng)具有大溫差換熱能力。

2）熱泵系統(tǒng)要能生產(chǎn)高溫水。采暖供熱需要熱水溫度為75℃左右，如果熱泵系統(tǒng)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(tǒng)要具有較高的熱效率。如果熱泵系統(tǒng)熱效率過(guò)低，則熱泵供熱系統(tǒng)技改的經(jīng)濟(jì)性將下降，投資回收期過(guò)長(zhǎng)，不符合企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。

根據(jù)上述分析，針對(duì)某鋼廠30MW煤氣發(fā)電站實(shí)際工況及企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用第一類(lèi)溴化鋰吸收式熱泵。

2.4 溴化鋰吸收式熱泵簡(jiǎn)介

吸收式熱泵分為兩種類(lèi)型：第一類(lèi)吸收式熱泵（即增熱型熱泵AHP），它以蒸汽、燃料（燃?xì)狻⑷加停┑葹轵?qū)動(dòng)熱源，把低溫?zé)嵩吹臒崃刻岣叩街?、高溫，提升能源品質(zhì)和利用效率；第二類(lèi)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?zé)嵩吹臒釀?shì)差，制取溫度高于中溫的熱量，提升廢熱品質(zhì)。圖1為兩類(lèi)熱泵系統(tǒng)平衡圖［2］。

圖1 吸收式熱泵系統(tǒng)平衡圖

第一類(lèi)溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)主要包括蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器、熱交換器及其他附件等。它以蒸汽或者礦物燃料為驅(qū)動(dòng)熱源，利用溴化鋰水溶液作為工質(zhì)進(jìn)行熱力循環(huán)。吸收式熱泵的供熱量為驅(qū)動(dòng)熱源補(bǔ)償熱量與低溫廢熱吸收熱量之和，供熱量大于高溫?zé)嵩囱a(bǔ)償熱量，故稱(chēng)為增熱型熱泵。根據(jù)不同工況，COP一般在1.5～2.5之間。吸收式熱泵節(jié)能效果可見(jiàn)一斑。

吸收式熱泵提供熱水溫度一般不超過(guò)98℃，熱水升溫幅度越大，COP越低。驅(qū)動(dòng)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(guò)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(shù)在鋼廠煤氣發(fā)電站應(yīng)用

3.1 鋼廠煤氣發(fā)電站余熱利用改造方案介紹

國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)情況及工藝布置各有區(qū)別，目前鋼鐵廠及鋼廠自備電廠對(duì)發(fā)電冷卻水利用均較少，低溫?zé)嵩蠢速M(fèi)情況較為嚴(yán)重。

以河北某鋼廠的30MW煤氣發(fā)電站為例，冷凝器冷卻水進(jìn)出口水溫實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)值為25℃／37℃，冷凝水流量為9700m3／h，冷卻水采用機(jī)械通風(fēng)冷卻塔。如果按照冷卻水溫降10℃來(lái)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(huán)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(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

該企業(yè)目前擔(dān)負(fù)企業(yè)廠房、辦公樓、家屬區(qū)、及周邊市政小區(qū)供暖，總面積約為200萬(wàn)m2。供暖換熱站利用蒸汽參數(shù)為0.35MPa，溫度140℃飽和蒸汽鍋爐生產(chǎn)蒸汽，并通過(guò)換熱器與外網(wǎng)熱進(jìn)行熱交換，生產(chǎn)供給采暖用100℃高溫?zé)崴?/p>

在煤氣電站循環(huán)冷卻水余熱利用改造設(shè)計(jì)方案中，利用原換熱站0.35MPa蒸汽作為驅(qū)動(dòng)熱源，利用溴化鋰吸收式熱泵，從35℃的循環(huán)冷卻水中提取熱量，加熱供熱管網(wǎng)60℃的回水，將水溫提高到75℃。再將75℃熱水利用原換熱系統(tǒng)通過(guò)0.35MPa蒸汽加熱至100℃的高溫水，供暖使用。系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 余熱利用改造系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

針對(duì)本技改方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試參數(shù)和熱工計(jì)算，可以得到如下結(jié)果：采暖用水通過(guò)熱泵系統(tǒng)后，吸收循環(huán)水熱量，并將循環(huán)冷卻水冷卻至25℃，進(jìn)入循環(huán)水池參與高爐煤氣發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)；同時(shí)，熱泵系統(tǒng)將2700m3／h的采暖水加熱至75℃。與原工藝相比，改造后系統(tǒng)在滿(mǎn)負(fù)荷供暖工況下，蒸汽消耗量M2＝164t／h，原系統(tǒng)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(fā)電站余熱利用改造方案經(jīng)效分析

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

按鍋爐熱效率85%，標(biāo)煤價(jià)格按700元／t，蒸汽與標(biāo)煤的換算為1t蒸汽＝0.09t標(biāo)煤計(jì)，則技改完成后每個(gè)采暖季累計(jì)可節(jié)約資金為

F＝104000×0.09÷0.85×700＝770.8萬(wàn)元

煤氣發(fā)電站汽機(jī)凝汽器循環(huán)冷卻水有一部分通過(guò)熱泵系統(tǒng)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(shù)值需要等技改完成后統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)確定。

供熱站中，鍋爐系統(tǒng)水泵供水量減少，水泵功率減小，耗電量減少。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)估算，此技改總投資約為2500萬(wàn)元，項(xiàng)目投資回收期約為

y＝2500／770.8＝3.24年

同時(shí)，由于改造后系統(tǒng)節(jié)約了燃料消耗。每個(gè)采暖期節(jié)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(jié)能減排效果。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某鋼廠的高爐煤氣發(fā)電站的循環(huán)冷卻水余熱利用方案介紹，可以得到以下結(jié)論：

1）在有適當(dāng)供暖需求的情況下，利用熱泵技術(shù)回收電廠循環(huán)冷卻水余熱進(jìn)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(shù)，減少了供暖系統(tǒng)燃料消耗，減少污染物排放，符合國(guó)家有關(guān)政策要求。

2）根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益分析，此技改方案的投資回收期約3～4年，通過(guò)技術(shù)改造，可以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，是很有發(fā)展前景的項(xiàng)目。

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

4）提供的利用熱泵技術(shù)回收低溫?zé)嵩礋崃康姆桨福梢詾楦嗟匿撹F企業(yè)低品質(zhì)熱源利用提供參考。

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB／T19409-2003《水源熱泵機(jī)組》［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［2］陳東，謝繼紅.熱泵技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.