采用热泵技术回收工业循环水余热

闫晓燕

(太原钢铁（集团）有限公司规划发展部,山西太原030003)

热电

采用热泵技术回收工业循环水余热

闫晓燕

(太原钢铁（集团）有限公司规划发展部,山西太原030003)

如何利用工业余热，特别是30耀50益低温余热，是行业内普遍关注的问题，热泵技术在这方面具有很大潜力，是一项值得推广的节能技术。介绍了太钢自备电厂采用热泵技术回收工业循环水余热的方案与效益计算。

钢铁行业；低温余热；热泵技术；节能

1 前言

随着全球气候变化形势的日益严峻，钢铁行业节能减排也变得刻不容缓，淘汰落后工艺，采用先进的技术装备，提高能源利用率，降低能源消耗，减少二氧化碳排放，是钢铁行业实现可持续发展的重要措施。

在钢铁行业冶炼生产中，会产生大量的循环冷却水，水温大约在40~50益。目前大部分企业采用敞开式循环冷却水系统冷却，循环水中存在的大量低温余热被白白浪费，如果通过热泵技术回收这部分能量用于加热自备电厂锅炉、转炉及加热炉气化冷却系统补水，不仅节能，更能提高能源利用率。

2 热泵的工作原理及分类

热泵技术是基于逆卡诺循环原理实现的。按照驱动力的不同，热泵可以分为压缩式热泵和吸收式热泵。压缩式热泵主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀组成，通过让工质不断完成蒸发（吸收热量）—压缩—冷凝（放出热量）—节流—再蒸发的热力循环过程，将低温热源的热量传递给热用户。吸收式热泵主要由再生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、溶液热交换器等组成，是利用两种沸点不同的物质组成的溶液的气液平衡特性来工作的。按照制热目的不同，吸收式热泵又可以分为增热型热泵和升温型热泵。

本文主要就增热式热泵说明其循环特性并进行实例分析。

2.1 增热式热泵工作原理

增热式热泵通常以蒸汽为驱动热源，溴化锂浓溶液为吸收剂，水为工质，利用水在低压真空状态下低沸点的特性，提取低位余热热源的热量，通过吸收剂回收热量并转换抽取工艺或采暖用热水。如原理图1所示，热泵工作时，蒸发器中的冷却水吸收低温热源（废热源）的热量而蒸发，产生的蒸汽进入吸收器，被吸收器中的吸收剂（溴化锂）溶液吸收，从而形成富含工质的溶液，该溶液由泵送入再生器，通过驱动热源加热使之沸腾，富含工质的溶液发生分离，分离出的高温高压蒸汽进入冷凝器，而浓溶液则回流至吸收器。高温高压蒸汽在冷凝器中冷却放热后凝结成冷凝水，冷凝水进入蒸发器开始新一轮的热力循环。为进一步提高效率，在吸收器和再生器之间放置了溶液热交换器。

图1 吸收式热泵原理图

2.2 增热式热泵的性能系数

增热式热泵的热力平衡可表示为：

式中：Qg为再生器吸收的热量（驱动热量）

Qe为蒸发器中吸收的热量（废热源释放的热量）

Qa为吸收器放出的热量

Qc为冷凝器放出的热量

增热式热泵的性能系数

此类热泵的COP通常大于1，大约在1.5~1.9之间，其可以利用15~40益的废热源，将20~50益的水加热成50~90益的热水供使用。

3 热泵技术在钢铁企业低温余热回收方面的应用分析

在钢铁行业冶炼生产中，会产生大量的工艺冷却水，水温大约在40~50益。目前大部分企业采用敞开式循环冷却水系统冷却，这种冷却系统在能源的高效利用及设备运行方面主要存在以下弊端：

(1)在冷却过程中，循环冷却水所含的低温显热全部排入大气，完全没有被有效利用，造成了极大的能源损失。

(2)冷却水在循环过程中与空气接触，产生大量蒸发损失，而系统中剩余的冷却水被浓缩，矿物质和离子含量不断增加。为了使矿物质和离子含量维持在一定范围内，系统必须补充一定工业新水，并排出一定的浓缩水即排污水，这些造成了水资源的极大浪费。

(3)冷却水在循环系统中循环使用，由于水温升高，水流速度不断变化，水的蒸发损失和空气中灰尘杂物落入，各种无机离子和有机物质的浓缩以及设备结构和材料等多种因素的综合作用，造成循环水水质恶化。这些会加重冷却水系统的腐蚀、结垢，严重威胁和影响生产设的安全运行，维修成本高。

通过热泵机组，提取工业循环冷却水低温余热，然后加热自备电厂锅炉、转炉及加热炉气化冷却系统等工业炉窑补水，再经少量蒸汽加热除氧后，就可达到入炉给水温度，从而起到利用低温余热，减少高品位蒸汽消耗，达到节能的目的。

另外采用热泵机组冷却循环水，可以简化循环水冷却系统，废除冷却塔、冷水池，整个系统成为闭式循环，减少了循环水的蒸发损失，解决了因水质恶化而导致的设备及管道腐蚀等问题，保障了设备的安全运行，减少了维修成本。

4 采用热泵技术回收工业循环水低温余热实例分析

某钢厂自备电厂现运行5台中温中压煤气锅炉、4台供热用汽轮发电机组和2台汽动鼓风机，机炉采用母管制运行方式，汽轮机组循环冷却水全部通过3座自然通风冷塔冷却，能量散失严重。而电厂锅炉补水又需用高品位蒸汽加热除氧后进入锅炉。本文拟利用吸收式热泵机组提取循环冷却水低温余热后，加热锅炉补水,探讨余热利用和减少高品位蒸汽消耗的目的。

4.1 方案

来自汽轮机凝汽器的40益循环冷却水通过循环泵后的旁路送至吸收式热泵的取热端，经热泵机组吸收余热后，水温降至30益送回循环水回水母管；同时将锅炉补水引入热泵的加热端，经热泵加热后，水温度由30益升至95益，再送入热力除氧器，用少量蒸汽加热进行热力除氧后送入锅炉。另外从汽轮机抽汽引出一路蒸汽送至热泵作为驱动热源，蒸汽放热后变成凝结水送回凝结水回收装置。

4.2 工艺流程图

工艺流程图见图2。

4.3 设计参数

循环冷却水入口温度:40益

循环冷却水出口温度:30益

循环冷却水:516 m3/h

热泵驱动热源（蒸汽）压力:0.6 MPa

热泵驱动热源（蒸汽）温度:200益

锅炉补水入口温度:30益

锅炉补水出口温度:95益

图2 工艺流程图

热泵工作时间:8000 h/a

4.4 热负荷计算

根据上述数据，采用吸热式热泵机组，提取循环冷却水余热加热锅炉补水。锅炉补水温度由30益升至到95益，流量200 m3/h。循环冷却水温度从40益降到30益，流量为每小时516 m3/h。

通过热力计算可得出以下数据：

循环水可提取热量：Qy=6 MW

补水加热所需的总热量：QR=15.12 MW

0.6 MPa蒸汽需求：耗量为13 t/h。

热泵的性能系数按1.8考虑。

5 经济性分析

5.1 节省蒸汽计算

总制热量15 MW锅炉补水直接采用0.6 MPa蒸汽加热需要年耗蒸汽约为:

23t/h×8000h=18.4万t/a

采用吸收式热泵机组，每年蒸汽消耗：13.07t/h×8000h=10.4万t/a

年节省蒸汽为：18.4万t原10.4万t=8万t/a

综合节能：8÷18.4=43%

5.2 节省冷却水计算

原循环冷却水系统为敞开式，由于水蒸发、排污等问题，循环水损耗大，需要大量补水，而且还存在设备腐蚀及水质稳定处理导致的水污染问题。采用吸收式热泵机组后，该冷却系统可改为闭式循环，这样就可以减少因水蒸发、排污等导致的补水量。

敞开式循环冷却水系统补水量按3%计算：每年节省冷却水：

516m3/h×8000h×3%=12.4万m3

6 社会效益测算

该方案实施后，每年预计可节约0.6 MPa蒸汽8万t，节约工业循环水12.4万m3。

根据2008年国家发布的《综合能耗计算通则》，低压蒸汽折标煤系数：0.1289 kgce/kg；新水折标煤系数：0.0857 kgce/t。

方案实施后年节能折合标煤约：

8×104×0.1289+12.4×104×0.0857=10298 t

方案实施后，每年折合节约标煤约10298 t，按照国家发改委能源所推荐的排放因子，即：标准煤排放二氧化碳2.457 kg/kg计算，本项目共可减排二氧化碳25302 t。

7 结论

采用热泵技术回收钢厂冶炼生产工艺中产生的循环冷却水余热,加热工业炉窑补水，既实现了循环冷却水的降温，又降低了工业炉窑补水加热用蒸汽的消耗，达到了节能和二氧化碳减排的效果。热泵技术在技术上、经济上和环境生态上的优点决定了由它来代替部分热水锅炉的合理性。我们知道，整个钢厂含有低温余热的循环水量很大，如果都能加以合理利用，那么能源节约和二氧化碳减排潜力是相当大的。

[1]郭小丹,胡三高等.热泵回收电厂循环水余热利用问题研究[J].现代电力.2010年02期.

Recovery of W aste Heat from Industrial Circulating W ater Using Heat Pum p

YAN Xiaoyan
（Planning&DevelopmentDepartmentofTaiyuanIronandSteel(Group)Co.,Ltd.,Taiyuan，Shanxi030003,China）

It has been an issue of common concern in the steel sector to recover indus原trial waste heat,especially 30-50益low temperature waste heat.With great potential in this field the heat pump is of an energy saving technology deserving promotion.The project of recovering waste heat from industrial circulating water using heat pump technology at the self-supply power plant of Taiyuan Steel is introduced and economic benefit of the project is calculated as well.

steel sector;low temperature waste heat;heat pump technology;energy saving

TK115

B

1006-6764（2014）02-0031-03

2013-07-02

闫晓燕（1974原），女，大学本科，热能动力工程师，现在太原钢铁（集团）有限公司规划发展部从事能源管理工作。