墻新奇

(新疆八一鋼鐵股份有限公司能源中心)

全球氣候變化的主要特征為氣候變暖，氣候變暖主要是因?yàn)槎趸嫉葴厥覛怏w濃度增加所致[1]。習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會、二十國集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)人利雅得峰會和氣候雄心峰會上，向國際社會作出莊嚴(yán)承諾：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。寶武集團(tuán)1月20日宣告的中國寶武碳減排目標(biāo)：2021年提出低碳冶金路線圖，2023年力爭實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2025年具備減碳30%工藝技術(shù)能力，2035年力爭減碳30%，2050年力爭實(shí)現(xiàn)碳中和。

根據(jù)盧昕等人的研究[2]，對于六大高能耗行業(yè)中的化學(xué)原料及制品、非金屬制品、黑色金屬加工、有色金屬加工四個行業(yè)而言，能源技術(shù)進(jìn)步效應(yīng)對碳排放的抑制作用最為顯著，石油加工、電力生產(chǎn)供應(yīng)兩行業(yè)的碳減排主要依賴要素替代效應(yīng)。

低品位熱能(或低品位廢熱、低溫?zé)崮?總量巨大且可再生，人類利用的熱能中有50%最終以低品位廢熱的形式直接排放[3]。鋼鐵行業(yè)同樣如此，大量的低品位熱能以廢氣、熱水等形式被排放，鋼鐵企業(yè)廢氣、熱水等品位熱能的回收利用潛力巨大[4]。

1 低品位熱能回收利用的限制

熱水熱泵用于供熱是鋼鐵企業(yè)最常見的低品位熱能利用技術(shù)，一般用于冬季的北方地區(qū)，將約70℃的高爐沖渣水或30～60℃的循環(huán)水經(jīng)熱泵提溫后用于供暖[5]。除此之外對低品位熱能利用較少。

低品位熱能利用的障礙主要是受冷源的制約，使其可利用溫度范圍受到限制。通常冷源依賴于自然界的空氣或水，溫度等同于環(huán)境溫度，采用自然冷卻或強(qiáng)制冷卻的方法冷凝循環(huán)工質(zhì)，從而使工作循環(huán)能夠在低能耗的情況下建立；間接的利用地下、深海等環(huán)境降低冷源溫度的做法在一些場合被采用，但降溫作用有限。

2 擴(kuò)展低品位熱能利用的主要方式

拓展鋼鐵企業(yè)低品位熱能利用有兩個方向:其中方向之一,是通過其它方式提高低品位熱能的品質(zhì)，即提高溫度或壓力，如利用太陽能蓄熱與熱泵技術(shù)結(jié)合，提高低品位熱能的溫度，用于制冷等方面[6]，適用的鋼鐵企業(yè)地域分布可以更廣；另一個方向就是利用品質(zhì)較低的低品位熱能制冷，制造溫度低于環(huán)境溫度的冷源，從而使得品質(zhì)稍高的低品位熱能的可利用溫度范圍增加，提高低品位熱能的利用率[7]。人為直接制造低于環(huán)境溫度的冷源方法被普遍認(rèn)為是不可取的，其消耗的高等級能量往往大于對應(yīng)的低品位熱能利用的收益，需要找到全新的途徑。

3 低品位熱能制冷的新方法[8]

鋼鐵企業(yè)低品位熱能溫度接近環(huán)境溫度，如循環(huán)冷卻水熱能，若欲利用轉(zhuǎn)化這類熱能需要一種新的循環(huán)工質(zhì)將其熱能可利用溫度范圍放大，液空、液氮等液體工質(zhì)比較符合這一要求，到環(huán)境溫度約有200℃的溫度范圍可以進(jìn)行利用，另外工質(zhì)安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、流動性良好。

新的循環(huán)能將低品位熱能作為主要能量來源，其它高等級能量(如電能)只作為循環(huán)輔助能量。

新的循環(huán)工質(zhì)主要通過液體增壓獲得循環(huán)需要的初始動能，避免或減少利用外部能量對氣體壓縮，從而減少對外部能量的需求。

新的循環(huán)能保持冷量平衡，液體工質(zhì)蒸發(fā)做功后還能冷凝，從而保證循環(huán)的可持續(xù)性。

圖1為新的制冷循環(huán)T-S示意圖，圖1中的制冷循環(huán)有分為三個子循環(huán)，循環(huán)工質(zhì)均為同類物質(zhì)，如空氣或液態(tài)空氣。

3.1 氣動壓縮循環(huán)子系統(tǒng)

圖1左側(cè)是氣動壓縮循環(huán)子系統(tǒng)，圖2為該子系統(tǒng)的核心-氣動壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1中01-02過程為氣體增壓過程，是為了保持少量的氣體循環(huán)工質(zhì)的動能。

圖1 新的制冷循環(huán)T-S示意圖

02-03過程為定壓吸熱增溫過程，增加氣體工質(zhì)的過熱度和熱能。

07-08過程為液體工質(zhì)增壓過程，為了保持工質(zhì)的動能。

08-05過程和03-05過程為等壓氣液混合過程，少量氣體工質(zhì)本身及其作為載體攜帶的大量熱能使液體工質(zhì)蒸發(fā)氣化、體積增大。

201上缸進(jìn)氣管；202下缸進(jìn)氣管；203上缸排氣管；204下缸排氣管；205上缸；206下缸；207上缸氣動腔；208下缸氣動腔；209上缸氣動腔進(jìn)排氣管；210下缸氣動腔進(jìn)排氣管；211切換裝置進(jìn)氣管；212切換裝置排氣管；213上缸活塞；214下缸活塞；215緩沖墊；216活塞導(dǎo)輪和氣封組件；217中心活塞桿氣封；218中隔板；220氣動壓縮機(jī)殼體；221空心活塞桿；12切換裝置

05-05’過程相當(dāng)于工質(zhì)做功過程；若不做功，氣液混合后會到達(dá)05’點(diǎn)；圖2中的氣動腔混合工質(zhì)的壓力高于上缸或下缸中氣體的壓力，混合工質(zhì)通過活塞做功從而上或下運(yùn)動，做功后的混合工質(zhì)動能和位能減少，焓值降低，做功量對應(yīng)于h05’-h05，從而保證混合工質(zhì)的濕度，使混合工質(zhì)的焓值穩(wěn)定在h05，以便于后面氣液分離后氣液比的保持。

05-06過程為氣動壓縮機(jī)氣動腔切換過程，非做功腔中的混合工質(zhì)降壓排出，混合工質(zhì)進(jìn)入氣液分離器分離。05-06為等焓減壓過程，h05等于h06。

06-07過程為液體冷凝過程，06-01過程為濕蒸汽汽化過程。

氣液分離前后的物質(zhì)量的組成，混合工質(zhì)量m，是液體量m1與氣體量為m2之和，即m=m1+m2

由式(1)到式(6)進(jìn)一步說明氣動壓縮循環(huán)子系統(tǒng)的主要過程。

mh06=m1h07+m2h01

(1)

W1=m1(h08-h07)

(2)

W2=m2(h02-h01)

(3)

m2h03=m2h02+Q1

(4)

m1h08+m2h03=mh05’

(5)

W3= [(h05’-h05)m+Q1’/3600]η1

(6)

式(1)為氣液分離前后濕蒸汽吸熱蒸發(fā)為氣體、放熱冷凝為液體的過程，總能量不變。 式(2)為液體增壓過程消耗的功。 式(3)為氣體增壓過程的功。式(4)為氣體增熱后能量變化，Q1為02-03過程吸收的熱量。式(5)為不做功情況下氣液混合前后能量變化。式(6)為氣液混合后，因混合工質(zhì)動能和位能轉(zhuǎn)化做功，Q1’為壓縮過程中氣動腔吸收的熱量，η1為轉(zhuǎn)換效率。

3.2 冷量增益循環(huán)子系統(tǒng)

圖1右上側(cè)是第二個子循環(huán)-冷量增益循環(huán)子系統(tǒng)，11-12過程為壓縮氣體膨脹做功過程，所做的功用于下一子循環(huán)。W4為壓縮氣體膨脹做功,m3為膨脹物質(zhì)量。

W4=(h11-h12)m3

(7)

Q2=(h13-h12)m3

(8)

W3=(h14-h13)m3

(9)

Q3=(h11-h14)m3

(10)

12-13過程為吸熱過程，吸收外部低品位熱能同時輸出冷量Q2。

13-14過程為增壓過程，上個子循環(huán)的做功h05-h05’用于氣體壓縮，壓縮期間產(chǎn)生的部分熱能被氣動腔的濕蒸汽吸收用于做功，壓縮過程接近等溫壓縮。

14-11過程為定壓增熱過程，用于提高壓縮氣體的動能，同時輸出第二等級的冷量Q3。

3.3 低壓補(bǔ)冷循環(huán)子系統(tǒng)

圖1右下側(cè)是第三個子循環(huán)-低壓補(bǔ)冷循環(huán)子系統(tǒng)，21-22過程近似于等溫壓縮過程，氣體壓縮產(chǎn)生的熱能被循環(huán)冷卻水冷卻帶走，壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度基本一致，共兩級壓縮，第一集壓縮的動力源來自上個子循環(huán)的氣體膨脹做功，第二級壓縮的動力源來自本子循環(huán)的氣體膨脹做功。該循環(huán)的物質(zhì)量等于上個循環(huán)，即m4=m3。

22-23過程和25-21過程為對流換熱過程，低壓氣體溫度上升、增壓氣體溫度下降。23-24過程為壓縮氣體膨脹做功過程，產(chǎn)生冷量Q4用于24-25過程。24-25過程為換熱過冷過程，用于補(bǔ)充氣動壓縮循環(huán)子系統(tǒng)損失的冷量Q5，液體增壓所需的過冷量Q6，保持整個制冷循環(huán)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

三個子循環(huán)系統(tǒng)相互影響、相互連接，共同組成一個完整的制冷循環(huán)。

4 低品位熱能的階梯利用

鋼鐵企業(yè)不同品質(zhì)的低品位熱能普遍存在，除了循環(huán)水熱能、高爐沖渣水熱能外，大量超過100℃的煙氣被排放，為了充分有效地利用制冷循環(huán)輸出的冷量，對品質(zhì)相對較高的低品位熱能階梯利用會有更好的效果。將熱能轉(zhuǎn)化為高等級能量，以便更方便地傳輸和利用，通常需要蒸汽動力循環(huán)的方法，即通過液體泵增壓循環(huán)工質(zhì)，通過低品位熱能加熱氣化、通過膨脹機(jī)做功。膨脹機(jī)做功轉(zhuǎn)化的機(jī)械能可直接拖動旋轉(zhuǎn)設(shè)備，也可通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。

為了充分地利用品質(zhì)稍高的低品位熱能，水和水蒸汽已不再適合作為循環(huán)工質(zhì)，需要重新選擇合適的循環(huán)工質(zhì)，丙烷(R290)、二氧化碳(R744)這類自然物質(zhì)的基本性質(zhì)見表1，可作為低品位熱能利用所需的單物質(zhì)工質(zhì)或混合工質(zhì)[9]。

表1 丙烷(R290)、二氧化碳(R744)基本性質(zhì)

丙烷(R290)、二氧化碳(R744)作為循環(huán)工質(zhì)，在合適的壓力參數(shù)情況下，能得到所需要的冷凝溫度，可以遠(yuǎn)低于水蒸氣的冷凝溫度，在制冷循環(huán)的作用下實(shí)現(xiàn)冷凝，從而使得低品位熱能的可利用溫度區(qū)間擴(kuò)大。

圖3為制冷劑蒸汽動力循環(huán)壓焓示意圖，是一個發(fā)電循環(huán)，透平膨脹機(jī)帶中抽，a-b過程為低壓氣體工質(zhì)冷凝過程，溫度在0℃以下，在其所需冷量由制冷循環(huán)的Q2提供。低壓氣體工質(zhì)量m5，中壓氣體工質(zhì)量m6，換熱效率ξ1。

圖3 制冷劑蒸汽動力循環(huán)壓焓示意圖

(ha-hb)m5=Q2ξ1

(11)

b-c過程為低壓液體工質(zhì)增壓過程，焓值和溫度略有增加。

g-d過程為中壓氣體工質(zhì)冷凝過程，溫度在20℃以下，其所需冷量由制冷循環(huán)的Q3以及c-d換熱過程的輸出冷量來保證。

(hg-hd)m6=[Q3+(hd-hc)]ξ1

(12)

d-e過程為中壓液體工質(zhì)增壓過程，焓值和溫度略有增加。e-f過程為高壓液體工質(zhì)換熱增溫過程，吸收低品位熱能后蒸發(fā)、過熱。f-g過程為中壓膨脹做功過程，g點(diǎn)為中抽出口；f-a過程為低壓膨脹做功過程，a點(diǎn)為末級乏氣出口?？傋龉閃4。

W4= (hf-hg)m5+(hf-hg)m6

(13)

鋼鐵企業(yè)不同品質(zhì)的低品位熱能的總量是不同的，相對而言，接近環(huán)境溫度的低品位熱能的存量要大，高于環(huán)境溫度的低品位熱能的存量較少。制冷循環(huán)產(chǎn)生的冷量主要通過顯熱的方式體現(xiàn)，相對較少；而發(fā)電循環(huán)的制冷劑冷凝過程主要通過潛熱的方式體現(xiàn)，相對較多。兩個循環(huán)所需的低品位熱能的量需要匹配，循環(huán)量也需要匹配，制冷循環(huán)的單位時間循環(huán)量要大于發(fā)電循環(huán)，即m3>m5。

發(fā)電循環(huán)兩級膨脹，冷量階梯利用，兩者的溫度差和膨脹量也需要匹配，即m5>m6。

制冷循環(huán)的低品位熱能的可利用溫度區(qū)間和發(fā)電循環(huán)的可利用溫度區(qū)間不同，前者相對固定，約在200℃；后者受冷源和熱源的影響較大，在熱源溫度較高的場合，吸收的熱能溫度較高，膨脹機(jī)可以增加一級中抽，制冷劑循環(huán)工質(zhì)可通過循環(huán)冷卻水冷凝。

5 結(jié)束語

新的制冷循環(huán)有多個子循環(huán)組成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)的難度很大，需要進(jìn)一步精簡和優(yōu)化，單循環(huán)、自壓縮的結(jié)構(gòu)形式將是下一步利用低品位熱能的制冷系統(tǒng)研究的方向；立式氣動壓縮機(jī)改為臥式壓縮機(jī)，減少驅(qū)動腔的截面積，實(shí)現(xiàn)小型化，也是下一步要重點(diǎn)考慮的方面。

鋼鐵企業(yè)對制冷的需求同樣較大，尤其在夏季，生產(chǎn)過程中如制氧的冷凍水、焦?fàn)t煤氣處理等；電子設(shè)備等需要降溫；改善工作環(huán)境的，如工作室空調(diào)降溫等。利用低品位熱能的制冷循環(huán)存在的意義遠(yuǎn)大于用于發(fā)電等。

隨著碳達(dá)峰限期的臨近，需要充分重視我們周圍存在的各種潛力和機(jī)會，利用深冷技術(shù)將接近甚至低于環(huán)境溫度的低品位熱能的可用性挖掘出來，具有現(xiàn)實(shí)意義，可助推碳達(dá)峰的早日實(shí)現(xiàn)。