時(shí)國華， 林俊華， 田志敏， 李永紅， 苗 青

(1.華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院， 保定 071003； 2.清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心， 北京 100084；3.天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300350； 4.北京熱科能源技術(shù)研究有限公司， 北京 100084)

自2000年以來，中國粗鋼產(chǎn)量增長了6.25倍[1]，鋼鐵企業(yè)能耗長期以來居高不下，2018年噸鋼能耗指標(biāo)高達(dá)700 kg[2]，而能源利用率不足50%[3]，大量低品位余熱排放至環(huán)境中，2020年中國鋼鐵行業(yè)低品位余熱量約27.5億GJ[4]。

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，中國城鎮(zhèn)供熱能耗需求增加與碳排放控制之間的矛盾日益加劇。2015年，發(fā)改委印發(fā)《余熱暖民工程實(shí)施方案》，動員各地回收工業(yè)低品位余熱，替代燃煤鍋爐供暖，從而在滿足供暖需求的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能減排、清潔供暖的效果[5]。

近年來，中外學(xué)者對煙氣、循環(huán)冷卻水、乏汽等低品位余熱回收供暖做了大量研究工作。趙璽靈等[6]定量分析了天然氣煙氣余熱回收潛力，指出天然氣煙氣排煙溫度低于露點(diǎn)溫度后，余熱量隨排煙溫度降低呈線性增加，且排煙溫度降低至20 ℃，余熱回收效果較好。時(shí)國華等[7]對不同天然氣煙氣余熱回收技術(shù)進(jìn)行了定量比較，結(jié)果表明，基于全熱交換的煙氣余熱回收技術(shù)可提升9%以上的供熱能力。張群力[8-9]利用噴淋塔直接接觸式換熱方式回收煙氣冷凝余熱，并與助燃空氣加濕相結(jié)合，能夠有效提高熱網(wǎng)余熱利用效率和燃?xì)忮仩t效率。顧煜炯等[10]提出了利用吸收式熱泵與有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電綜合回收循環(huán)冷卻水余熱的方案。Xu等[11]針對傳統(tǒng)吸收式熱泵存在蒸發(fā)溫度低的問題，提出利用雙段吸收式熱泵回收低品位余熱，性能系數(shù)可達(dá)1.77。Ramirez等[12]將有機(jī)朗肯循環(huán)與鋼廠余熱回收相結(jié)合，回收電弧爐的高溫?zé)煔?，用于采暖季供蒸汽和非采暖季發(fā)電，每年可減少7 990 t二氧化碳排放。Li等[13]針對乏汽余熱提出了一種基于余熱利用的多熱源梯級供熱系統(tǒng)，通過抽汽和乏汽來實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)水的串聯(lián)溫升。綜上可知，工業(yè)領(lǐng)域常見余熱載體均有較為成熟的余熱回收技術(shù)。

針對鋼廠低品位余熱，缺乏余熱品位和量方面的詳細(xì)分析，且余熱回收研究多集中于單一種類余熱。鋼廠低品位余熱種類繁多，涉及多個工藝環(huán)節(jié)，需要從全局角度出發(fā)，遵循能級匹配、梯級利用的原則，綜合、合理、高效地回收各類余熱。付林等[14]指出降低熱網(wǎng)回水溫度有利于回收更多低品位余熱，提高能源利用效率。因此，在分析鋼廠低品位余熱特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于降低熱網(wǎng)回水溫度的思路，以熱交換方式回收鋼廠低品位余熱，構(gòu)建余熱回收供暖系統(tǒng)，并以某鋼廠為例，對余熱回收供暖系統(tǒng)進(jìn)行性能評價(jià)和經(jīng)濟(jì)性分析。

1 熱網(wǎng)回水溫度對鋼廠低品位余熱回收的影響

1.1 鋼廠低品位余熱特點(diǎn)

鋼廠低品位余熱主要來源于溫度低于100 ℃的循環(huán)水、低于260 ℃的煙氣以及廠內(nèi)發(fā)電機(jī)組(由鋼廠中高溫余熱產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動發(fā)電)乏汽等，低品位余熱種類多。以年產(chǎn)量400萬t的某鋼廠為例，其低品位余熱進(jìn)行分溫度區(qū)段統(tǒng)計(jì)和分析，如圖1所示，鋼廠40 ℃以下的余熱較多(約占64%)，40～100 ℃的余熱次之，100～260 ℃的余熱較少(占6%左右)?？梢?，鋼廠低品位余熱溫度普遍偏低，若要通過熱網(wǎng)水直接換熱充分回收鋼廠低品位余熱，熱網(wǎng)回水溫度必須低于40 ℃。

圖1 鋼廠分溫度區(qū)間余熱資源情況Fig.1 Waste heat resources in different temperature ranges in a steel plant

1.2 低熱網(wǎng)回水溫度比較分析

由圖2可知，中國北方典型城市供熱一次網(wǎng)回水溫度一般為50 ℃左右。但是，50 ℃以上的余熱約占鋼廠低品位余熱的30%(圖1)，若采用常規(guī)溫度的熱網(wǎng)回水直接換熱回收余熱，忽略換熱損失，則余熱回收率僅為30%，剩余約70%的余熱需要利用熱泵技術(shù)回收，這將降低余熱供暖的經(jīng)濟(jì)效益，甚至導(dǎo)致余熱供暖方案經(jīng)濟(jì)不可行。

圖2 北方典型城市供熱一次網(wǎng)回水溫度Fig.2 Primary heating network supply and return water temperature of typical cities in northern China

根據(jù)溫度高于一次網(wǎng)回水溫度的余熱量占低品位余熱總量的比例，可得到不同回水溫度下基于直接換熱的鋼廠余熱回收率。不難發(fā)現(xiàn)，通過直接換熱方式，當(dāng)一次網(wǎng)回水溫度降低至40 ℃時(shí)，余熱回收率約為36%；當(dāng)回水溫度降低至30 ℃時(shí)，余熱回收率為50%；理論上當(dāng)回水溫度降低至20 ℃時(shí)就可回收全部余熱，但考慮到充裕的換熱端差，回水溫度降低至15 ℃時(shí)，余熱回收率才達(dá)到100%。熱網(wǎng)回水溫度越低，較低品位余熱的直接換熱回收量越大，提高余熱回收率，降低余熱回收成本。此外，降低熱網(wǎng)回水溫度，可以拉大熱網(wǎng)供回水溫差，提高熱網(wǎng)供熱能力。因此，降低一次網(wǎng)回水溫度對于回收鋼廠低品位余熱具有重要的意義[15]。

2 基于降低熱網(wǎng)回水溫度的鋼廠低品位余熱回收供暖

2.1 余熱回收流程確定

應(yīng)用溫度-熱量(T-Q)圖結(jié)合夾點(diǎn)法與火積分析的回收余熱方法[16]，針對鋼廠低品位余熱種類繁多、溫度低的特點(diǎn)，提出了降低熱網(wǎng)回水溫度的余熱回收供暖系統(tǒng)(圖3)，以直接換熱的方式回收鋼廠全部低品位余熱。根據(jù)鋼廠內(nèi)部低品位余熱種類和換熱環(huán)節(jié)劃分，該系統(tǒng)由循環(huán)水余熱回收單元、煙氣余熱回收單元和乏汽余熱回收單元組成。具體余熱回收供暖系統(tǒng)流程和構(gòu)建原則如下。

(1)利用吸收式熱泵或電熱泵降低一次網(wǎng)回水溫度，一次熱網(wǎng)回水降溫釋放的熱量用于加熱二次熱網(wǎng)回水。由于鋼廠缺乏驅(qū)動吸收式熱泵的高溫蒸汽(一般已用于廠內(nèi)發(fā)電機(jī)組發(fā)電)，本文中構(gòu)建的系統(tǒng)采用電熱泵。

(2)循環(huán)水余熱回收單元采用間壁式換熱回收技術(shù)。余熱按照梯級加熱的原則回收，但全部以串聯(lián)的方式回收鋼廠循環(huán)水余熱難以實(shí)現(xiàn)，原因有：①循環(huán)水種類繁多，溫度一般為30～50 ℃，不同來源的循環(huán)水存在溫度區(qū)間重疊的現(xiàn)象；②循環(huán)水余熱分布在鋼廠內(nèi)不同位置，若以串聯(lián)方式回收全廠循環(huán)水余熱，則管路復(fù)雜，進(jìn)而增大管路壓降，并且易受到場地制約；③若采用串聯(lián)回收全廠循環(huán)水余熱，熱網(wǎng)水溫度逐級提高，無法有效降低后續(xù)的循環(huán)水溫度，進(jìn)而不利于相應(yīng)鋼廠設(shè)備或中間產(chǎn)品的散熱，影響鋼廠正常生產(chǎn)。因此，循環(huán)水余熱回收單元內(nèi)應(yīng)采用串、并聯(lián)相結(jié)式。單個工藝中有多個循環(huán)水來源的環(huán)節(jié)(如煉鐵、煉鋼、軋鋼)作為并聯(lián)支路，若某支路內(nèi)存在溫度明顯偏高或偏低的循環(huán)水，應(yīng)調(diào)整該循環(huán)水至其他支路，使得各并聯(lián)支路的熱網(wǎng)出水溫度接近，從而減少混水不可逆損失。同時(shí)，支路內(nèi)溫度重疊的循環(huán)水熱源采用并聯(lián)方式。單個工藝環(huán)節(jié)中僅有一個循環(huán)水來源的環(huán)節(jié)(如焦化、制氧)，則根據(jù)廠內(nèi)實(shí)際位置和循環(huán)水溫度串聯(lián)在距離較近的支路內(nèi)。

(3)煙氣余熱回收單元采用直接接觸式噴淋冷卻+間壁式換熱回收技術(shù)。煙氣從下部進(jìn)入噴淋塔，與噴淋塔內(nèi)上部噴淋的低溫循環(huán)水直接接觸換熱。噴淋水的初始水溫決定了煙氣被冷卻的極限溫度[17]，一次熱網(wǎng)回水與升溫后的噴淋水通過間壁式換熱實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的全熱回收。煙氣余熱主要為焦?fàn)t煙氣、燒結(jié)煙氣、煉鐵熱風(fēng)爐煙氣、軋鋼加熱爐煙氣以及富余煤氣鍋爐煙氣，由于煙氣余熱位置在廠內(nèi)較為分散，且各工藝環(huán)節(jié)內(nèi)煙氣來源較單一，為了降低余熱回收管線的復(fù)雜程度，本系統(tǒng)各煙氣余熱采用并聯(lián)回收方式。

(4)乏汽余熱回收單元采用高背壓直接換熱方式。為盡可能減小各換熱過程的不可逆損失，根據(jù)“梯級加熱”的基本原則，本系統(tǒng)對乏汽余熱采用凝汽器串聯(lián)回收的方式。

(5)利用鋼廠內(nèi)工藝產(chǎn)生的低壓飽和蒸汽(發(fā)電效率較低，一般未利用，且對機(jī)組發(fā)電量影響較小，成本可忽略)，從鋼廠蒸汽管網(wǎng)內(nèi)抽出，并通過尖峰加熱器將回收鋼廠低品位余熱的一次熱網(wǎng)回水加熱至要求的供水溫度。

乏汽參數(shù)可通過調(diào)節(jié)機(jī)組背壓來適應(yīng)不同的取熱溫度。因此，本系統(tǒng)中循環(huán)水余熱回收單元和煙氣余熱回收單元采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，再與乏汽余熱回收單元串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)整個鋼廠低品位余熱資源的梯級利用。

th為低溫?zé)峋W(wǎng)回水溫度; th′為一次熱網(wǎng)回水溫度; tr為余熱回收后熱網(wǎng)水溫度; tg為一次熱網(wǎng)供水溫度圖3 基于降低熱網(wǎng)回水溫度的鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)Fig.3 Low-grade waste heat recovery system of steel mill by reducing return water temperature of heating network

2.2 循環(huán)水余熱回收單元內(nèi)部換熱網(wǎng)絡(luò)確定

由2.1節(jié)的分析可知，本文中提出的鋼廠低品位余熱回收系統(tǒng)中僅循環(huán)水余熱回收單元存在串、并聯(lián)結(jié)合的方式，需要進(jìn)一步確定其內(nèi)部換熱網(wǎng)絡(luò)。確定循環(huán)水余熱回收單元內(nèi)部換熱網(wǎng)絡(luò)，實(shí)質(zhì)是確定熱網(wǎng)回水與余熱物流的串、并聯(lián)結(jié)合方式。

對于沒有溫度重疊區(qū)間(即ta

對于存在溫度重疊的循環(huán)水，如圖4( b)所示，余熱物流a、b、c(即ta1

圖4 換熱流程的確定Fig.4 Determination of heat transfer process

2.3 鋼廠低品位余熱回收系統(tǒng)余熱量計(jì)算

2.3.1 循環(huán)水余熱回收量

單個循環(huán)水換熱環(huán)節(jié)的余熱回收量為

Qw,i=cheat,imheat,i(Tin,i-Tout,i)=

ccold,imcold,i(tout,i-tin,i)

(1)

式(1)中：Tin,i、Tout,i分別為第i換熱環(huán)節(jié)熱物流的進(jìn)、出口溫度， ℃，Tout，i必須達(dá)到鋼廠溫度要求；cm為物流的熱容流率，(kJ·h)/ ℃；tin,i、tout,i分別為第i換熱環(huán)節(jié)冷物流(熱網(wǎng)回水)的進(jìn)出、口溫度， ℃，考慮換熱端差對換熱效率的影響，熱網(wǎng)水出口溫度tout,i設(shè)定為比余熱物流進(jìn)口溫度Tin,i低3 ℃。

2.3.2 煙氣余熱回收量

單個煙氣余熱回收環(huán)節(jié)的余熱回收量為

Qg,j=vg,j(hg,in,j-hg,out,j)

(2)

(3)

式中：vg,j為第j換熱環(huán)節(jié)的煙氣質(zhì)量流量，kg/h；hg,in,j、hg,out,j分別為第j換熱環(huán)節(jié)煙氣冷卻前、后的焓值，kJ/kg；Etotal為噴淋過程的全熱效率，即噴淋水實(shí)際獲得的熱量和噴淋水最大可獲得熱量之間的比值[7]；hc,in,j、hc,out,j分別為噴淋水進(jìn)、出噴淋塔的焓值，kJ/kg。

在煙氣余熱回收單元，考慮到熱網(wǎng)水的水質(zhì)要求，不適宜直接采用熱網(wǎng)水噴淋，因而需要引進(jìn)中間媒介循環(huán)水噴淋。其中，考慮到回收煙氣潛熱以及換熱器換熱端差的影響，規(guī)定噴淋水進(jìn)入換熱器的溫度比煙氣露點(diǎn)溫度低5 ℃，熱網(wǎng)水出換熱器的溫度與噴淋循環(huán)水的出水溫度有5 ℃的換熱端差。

2.3.3 乏汽余熱回收量

單個乏汽余熱回收環(huán)節(jié)的余熱回收量為

Qv,k=vv,k(hv,in,k-hv,out,k)

(4)

式(4)中：vk為第k環(huán)節(jié)乏汽的質(zhì)量流量，kg/h；hv,in,k、hv,out,k分別為乏汽冷卻前、后的焓值，kJ/kg。

2.3.4 整個系統(tǒng)余熱回收量

鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)的余熱回收總量為

(5)

式(5)中：Qr為整個系統(tǒng)的單位時(shí)間余熱回收量，MW。

2.4 鋼廠低品位余熱回收系統(tǒng)余熱量計(jì)算

基于降低熱網(wǎng)回水溫度的鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)中采用低壓飽和蒸汽將熱網(wǎng)水加熱至供水溫度，及采用電熱泵降低一次熱網(wǎng)回水溫度，需要消耗蒸汽和電能。因此，本文中引入等效性能系數(shù)(coefficient of performance，COP),即余熱供暖系統(tǒng)的供熱量Qg與余熱供暖系統(tǒng)消耗能量Qh的比值，來評價(jià)鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)，即

(6)

Qh=Qh,v+Wh,hp+Wh,wp

(7)

式中：COP為性能系數(shù)；Qh,v為鋼廠富裕低壓飽和蒸汽的耗能功率，MW；Wh,hp為電熱泵降溫耗能功率，MW；Wh,wp為熱網(wǎng)水輸配的水泵耗能功率，MW。原回水溫度t′h由電熱泵降溫至低溫一次熱網(wǎng)回水th，經(jīng)過三部分余熱回收單元加熱，溫度升至tr，然后，由鋼廠富裕蒸汽通過尖峰加熱器加熱至熱網(wǎng)供水需求溫度tg，若忽略水泵輸配耗能，則有

(8)

(9)

3 案例分析

以1.1節(jié)中所述年產(chǎn)量400萬t的某鋼廠為例，低品位余熱資源匯總?cè)绫?所示。

3.1 基于降低熱網(wǎng)回水溫度的余熱回收換熱網(wǎng)絡(luò)確定

根據(jù)2.1節(jié)中余熱回收流程確定原則，在熱力站使用電熱泵降低一次熱網(wǎng)回水溫度。余熱源最低溫度為25 ℃，考慮充裕的換熱端差，一次熱網(wǎng)回水設(shè)定降低至15 ℃。

對于循環(huán)水余熱回收單元，由表1可見，煉鐵(序號2、3)、煉鋼(序號4、5、6)、軋鋼(序號7、8、9)環(huán)節(jié)的循環(huán)水來源較多，焦化(序號1)與制氧(序號10)循環(huán)水種類單一。根據(jù)2.1節(jié)中原則(2)，初步將煉鐵、煉鋼、軋鋼三個環(huán)節(jié)的循環(huán)水余熱回收組成并聯(lián)支路。為了使并聯(lián)支路的熱網(wǎng)出水溫度較為接近，進(jìn)一步確定循環(huán)水余熱回收單元內(nèi)部換熱網(wǎng)絡(luò)。對于循環(huán)水種類單一的焦化與制氧環(huán)節(jié)，根據(jù)2.1節(jié)中原則(2)，制氧(序號10)并入較近的煉鋼支路。至此，循環(huán)水余熱回收單元的三條并聯(lián)支路分別為：并聯(lián)支路Ⅰ包含序號1、2、3；并聯(lián)支路Ⅱ包含序號7、8、9；并聯(lián)支路Ⅲ包含序號4、5、6、10。然而，由表1知，并聯(lián)支路I中各來源循環(huán)水溫度較低，并聯(lián)支路III各來源循環(huán)水溫度偏高，為了使各并聯(lián)支路的熱網(wǎng)出水溫度接近，減少混水損失，根據(jù)2.1節(jié)中原則(2)，將溫度最高的煉鋼軟水(序號6)調(diào)整至并聯(lián)支路I內(nèi)，與焦化冷卻水、煉鐵軟水、煉鐵凈環(huán)水串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)余熱梯級利用，如圖5所示。

由表1可知，僅并聯(lián)支路I內(nèi)煉鐵軟水(序號2)與煉鐵凈環(huán)水(序號3)存在溫度重疊，但兩余熱物流僅有1 ℃的溫度不重疊區(qū)間，為了簡化換熱流程，因此，不區(qū)分兩余熱物流換熱的高溫段與低溫段。由2.2節(jié)知，循環(huán)水余熱回收單元中，煉鐵軟水和煉鐵凈環(huán)水余熱回收采用并聯(lián)方式。其他循環(huán)水均按照夾點(diǎn)法確定的換熱順序加熱熱網(wǎng)水。

表1 某鋼廠分種類低品位余熱資源情況Table 1 Low-grade waste heat resources of a steel plant

對于煙氣余熱回收單元，根據(jù)2.1節(jié)中原則(3)，所有煙氣余熱回收采用并聯(lián)方式，如圖5所示。根據(jù)各煙氣成分，可確定焦?fàn)t煙氣、燒結(jié)煙氣、熱風(fēng)爐煙氣、燃煤氣鍋爐煙氣和軋鋼加熱爐煙氣露點(diǎn)溫度分別為58、54、54、46、57 ℃。煙氣采用20 ℃噴淋水噴淋，噴淋水噴淋后的溫度比煙氣露點(diǎn)溫度低5 ℃。一次熱網(wǎng)回水與噴淋水換熱，且有5 ℃換熱端差。對于乏汽余熱回收單元，根據(jù)2.1節(jié)中原則(4)，所有乏汽余熱回收采用串聯(lián)方式，見圖5。最后，由鋼廠工藝產(chǎn)生的低壓飽和蒸汽將熱網(wǎng)水加熱至供水溫度。

3.2 余熱回收系統(tǒng)的余熱量確定

由表1中各循環(huán)水冷卻前溫度、需求溫度和流量，根據(jù)式(1)，可確定循環(huán)水的總余熱回收量為210 MW。

由煙氣溫度、流量、各煙氣成分和露點(diǎn)溫度，利用CoolPack軟件確定煙氣余熱回收前、后焓值，根據(jù)式(2)和式(3)確定煙氣的總余熱回收量為171 MW。

由表1中乏汽溫度、乏汽壓力及流量，利用WaterPro軟件，確定乏汽余熱回收前、后的焓值，根據(jù)公式(4)確定乏汽的總余熱回收量為287 MW。

經(jīng)計(jì)算，如圖5所示，流量為11 805 t/h的一次熱網(wǎng)回水經(jīng)電熱泵將熱量傳遞至二次熱網(wǎng)，溫度由原回收溫度45 ℃(t′h)降低至15 ℃(th)后，進(jìn)入鋼廠，其中，6 711 t/h的一次熱網(wǎng)回水回收循環(huán)水余熱，溫度升至42 ℃，剩余一次熱網(wǎng)回水回收煙氣余熱，溫度升至44 ℃，兩股一次熱網(wǎng)回水混水后，再串聯(lián)回收乏汽余熱，溫度升至64 ℃(tr)，最后由鋼廠工藝產(chǎn)生的富裕低壓飽和蒸汽加熱至70 ℃(tg)，以滿足供熱要求。電熱泵的COP為8.5(一次熱網(wǎng)側(cè)參數(shù)為45/15 ℃，二次熱網(wǎng)側(cè)參數(shù)為50/40 ℃)，由式(9)可得此工況下，余熱供暖系統(tǒng)等效COP為6.1。

圖5 某鋼廠基于降低熱網(wǎng)回水溫度的余熱回收流程圖Fig.5 Flow chart of waste heat recovery of a steel mill by reducing the temperature of heat network return water

該系統(tǒng)回收668 MW的低品位余熱，低壓飽和蒸的耗能功率為82 MW，同時(shí)電熱泵耗能功率為48 MW，因而整個系統(tǒng)的供熱能力為798 MW。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

該系統(tǒng)費(fèi)用包括投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。其中，投資費(fèi)用包括：設(shè)備投資費(fèi)用(噴淋塔、換熱器、水泵、電熱泵等設(shè)備投資及相應(yīng)的安裝費(fèi)用)和管道投資費(fèi)用。由鋼廠實(shí)際布置情況，系統(tǒng)管道總長度取10 km，其他具體參數(shù)取值見表2。運(yùn)行費(fèi)用包括：水泵運(yùn)行費(fèi)用、電熱泵運(yùn)行費(fèi)用及乏汽余熱回收的運(yùn)行代價(jià)費(fèi)用。水泵和電熱泵運(yùn)行時(shí)間取2 880 h(當(dāng)?shù)啬旯┡瘯r(shí)間)，假定每一個換熱過程的阻力損失為5 mH2O[15]，管道和閥門的阻力損失為換熱過程阻力損失的50%，水泵效率η取70%。水泵電耗功率為

表2 余熱回收系統(tǒng)初投資估算參數(shù)取值Table 2 Reference parameter for initial investment estimation of waste heat recovery systems

(10)

式(10)中：g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?；m為一次熱網(wǎng)水流量，t/h；ΔH為總壓降，mH2O。

乏汽回收需抬高背壓，影響鋼廠內(nèi)發(fā)電機(jī)組單位發(fā)電量的汽耗率，則回收乏汽的運(yùn)行代價(jià)成本Kcost為

Kcost=3.6×106wτKe∑Qv,k

(11)

式(11)中：Kcost為乏汽回收影響的發(fā)電量運(yùn)行成本，元；w為回收單位乏汽余熱量所影響的發(fā)電量，一般為3.5×10-5kW·h/kJ；τ為當(dāng)?shù)啬旯┡瘯r(shí)間，h；Ke為電價(jià)，元/kW·h。

系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用Kop為

Kop=1 000(Wh,wp+Wh,hp)τKe+Kcost

(12)

式(12)中：Kop為年運(yùn)行費(fèi)用，元；Wh,hp為電熱泵的年耗能功率，由3.3節(jié)可知，Wh,hp=48 MW。

根據(jù)式(10)～式(12)可得，年運(yùn)行費(fèi)用為15 674萬元，其中，水泵運(yùn)行費(fèi)用1 130萬元，電熱泵年運(yùn)行費(fèi)用8 294萬元，乏汽回收年運(yùn)行代價(jià)費(fèi)用6 249萬元。由于余熱熱源成本為零，供熱價(jià)格取35元/GJ，由系統(tǒng)供熱量(798 MW)和年供暖時(shí)間，可得年供熱收益(Kh)為28 958萬元。該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)如表3所示。

表3 余熱回收技術(shù)經(jīng)濟(jì)性Table 3 Economy of waste heat recovery technologies

投資回收期Y為

(13)

式(13)中：Kint、Knet分別為供暖系統(tǒng)初始投資、凈收益。由表2、表3及式(10)～式(13)可知，鋼廠余熱供暖系統(tǒng)Knet=13 284萬元，Kint=54 728萬元，靜態(tài)回收期約為4年，回收期較短，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

(1)當(dāng)僅通過直接換熱回收余熱時(shí)，降低熱網(wǎng)回水溫度可以提高鋼廠低品位余熱回收率。當(dāng)回水溫度降低至15 ℃時(shí)，基于直接換熱技術(shù)的鋼廠低品位余熱回收率可達(dá)100%。

(2)基于降低熱網(wǎng)回水溫度的鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)包含循環(huán)水、煙氣、乏汽三個余熱回收單元，以低溫?zé)峋W(wǎng)回水并聯(lián)換熱方式回收循環(huán)水、煙氣余熱后再串聯(lián)回收乏汽余熱，可實(shí)現(xiàn)鋼廠低品位余熱的梯級利用。

(3)針對實(shí)例研究的鋼廠，基于降低熱網(wǎng)回水溫度的鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)的余熱回收量達(dá)798 MW，系統(tǒng)等效COP可達(dá)6.1。

(4)基于降低熱網(wǎng)回水溫度的鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)年凈收益達(dá)13 284萬元，用于供暖的靜態(tài)回收期約為4年，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有良好應(yīng)用前景。