基于热泵技术的钢厂电站余热利用研究

2014-11-06果乃涛

冶金设备 2014年1期

果乃涛

（北京中冶设备研究设计总院有限公司北京 100029）

1 引言

钢铁工业能源消耗一直占全国总能源消耗的10%左右。钢铁企业能源消耗结构中，煤炭消耗占主导地位。随着国家对能源的政策调整、环境保护的重视，钢铁企业降低吨钢能耗和利用企业富余热能成为发展重点。

目前，钢厂电站主要为纯燃料型动力电厂和余热利用型电厂。主要利用钢铁企业富余煤气、烧结工艺高温烟气及炼钢工艺饱和蒸汽等。钢厂自用电厂一般规模较小，热利用效率一般为30%左右，约70%的热量随凝汽器循环冷却水排入环境中。电厂外排循环冷却水受发电工艺的限制，一般水温在20℃～50℃，属于低品位能源，数量较大却难以利用。在我国钢铁企业中，如何让高效利用余热资源成为节能降耗的关键。热泵技术在余热利用方面有着重要的优势，在提高低品位余热利用效率的同时，还能起到减少污染物排放等作用，对钢铁企业节能减排意义重大。

2 热泵及其工作原理

2.1 热泵简介

热泵（Heat Pump）是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置［1］，是世界备受关注的新能源技术。所涉及的热泵系统主要由热泵工作站、低品位热源、驱动热源及相关配套设备组成。利用热泵技术将钢厂电厂大量低质热能变为较高品质热能，提高热能利用率，节约资源。针对某钢厂高炉煤气发电站，提出利用水源热泵技术，提取冷却水中的热量供给采暖工艺，从而减少燃煤消耗，提高系统热利用率，达到节能减排目的。

2.2 热泵工作原理

热泵是以消耗一部分低品位能源（机械能、电能或高温热能）作为补偿，使热能从低温热源向高温热源传递的装置。其实质是借助降低一定量的功的品位，提高品位较低而数量更多的能量。

根据热力学第二定律，热量不会自发从低温物体转移到高温物体，而不引起其他变化。因此要保证热泵正常工作，需要消耗一部分高品质能源，将热量从低温物体传导到高温物体。假定在热泵系统中，从低温热源吸收的热量为Q2，热泵的功耗为W，则热泵向高温热源输送的总热量Q1＝Q2＋W。热泵工作效率可由性能系数c进行评价。其中：

针对钢厂电厂系统，可以通过热泵系统回收汽轮机凝汽器循环水中的大量低温热量加以利用，并借此冷却循环水，对自备电厂及整个钢厂的节能有重大意义。

2.3 热泵系统应用分析

电力发电站中，冷凝器循环水的水质洁净度高，流量稳定，温度波动较小。采用现有热泵工艺进行技术改造，难度较小，施工周期较短。热泵设备技术先进，自动化程度高，运行管理容易，生产效率较高，投资回收期短，经济和社会效益显著。

针对电厂运行实际情况，回收电厂冷凝水余热的热泵有如下特点：

1）热泵要具备大流量、大温差换热能力。因为冷凝器循环冷却水流量大，以30MW高炉煤气发电机组为例，冷凝器出口水温大概在35℃～40℃之间，流量为9700m3／h，水量十分巨大。而且用于供热的热水进出口温度多为75℃／55℃，温差一般为20℃，这就要求热泵系统具有大温差换热能力。

2）热泵系统要能生产高温水。采暖供热需要热水温度为75℃左右，如果热泵系统不能将温度提升到该温度，热水利用将受到限制。

3）热泵系统要具有较高的热效率。如果热泵系统热效率过低，则热泵供热系统技改的经济性将下降，投资回收期过长，不符合企业生产发展的需要。

根据上述分析，针对某钢厂30MW煤气发电站实际工况及企业生产特点，设计采用第一类溴化锂吸收式热泵。

2.4 溴化锂吸收式热泵简介

吸收式热泵分为两种类型：第一类吸收式热泵（即增热型热泵AHP），它以蒸汽、燃料（燃气、燃油）等为驱动热源，把低温热源的热量提高到中、高温，提升能源品质和利用效率；第二类吸收式热泵（即升温型热泵AHT），它利用大量中温的废热和低温热源的热势差，制取温度高于中温的热量，提升废热品质。图1为两类热泵系统平衡图［2］。

图1 吸收式热泵系统平衡图

第一类溴化锂吸收式热泵系统主要包括蒸发器、吸收器、冷凝器、发生器、热交换器及其他附件等。它以蒸汽或者矿物燃料为驱动热源，利用溴化锂水溶液作为工质进行热力循环。吸收式热泵的供热量为驱动热源补偿热量与低温废热吸收热量之和，供热量大于高温热源补偿热量，故称为增热型热泵。根据不同工况，COP一般在1.5～2.5之间。吸收式热泵节能效果可见一斑。

吸收式热泵提供热水温度一般不超过98℃，热水升温幅度越大，COP越低。驱动热源可以利用0.2MPa～0.8MPa的蒸汽，也可以利用重油、天然气等燃料。低温余热一般超过15℃即可加以利用，余热温度越高，热泵提供的热水温度也越高。

3 热泵供热技术在钢厂煤气发电站应用

3.1 钢厂煤气发电站余热利用改造方案介绍

国内钢铁企业生产情况及工艺布置各有区别，目前钢铁厂及钢厂自备电厂对发电冷却水利用均较少，低温热源浪费情况较为严重。

以河北某钢厂的30MW煤气发电站为例，冷凝器冷却水进出口水温实测统计值为25℃／37℃，冷凝水流量为9700m3／h，冷却水采用机械通风冷却塔。如果按照冷却水温降10℃来取热，则可回收热量约为

Q＝m×c×ΔT＝40 6139MJ／h＝112MW式中Q—可回收热量，J；

m—循环水流量，m3／h；

c—水比热，kJ／m3·K；

ΔT—温降，℃。

余热资源十分巨大，如果能够合理加以利用，将产生很大的经济效益和环境效益。

该企业目前担负企业厂房、办公楼、家属区、及周边市政小区供暖，总面积约为200万m2。供暖换热站利用蒸汽参数为0.35MPa，温度140℃饱和蒸汽锅炉生产蒸汽，并通过换热器与外网热进行热交换，生产供给采暖用100℃高温热水。

在煤气电站循环冷却水余热利用改造设计方案中，利用原换热站0.35MPa蒸汽作为驱动热源，利用溴化锂吸收式热泵，从35℃的循环冷却水中提取热量，加热供热管网60℃的回水，将水温提高到75℃。再将75℃热水利用原换热系统通过0.35MPa蒸汽加热至100℃的高温水，供暖使用。系统工艺简图如图2所示。

图2 余热利用改造系统简图

针对本技改方案，结合现场实际测试参数和热工计算，可以得到如下结果：采暖用水通过热泵系统后，吸收循环水热量，并将循环冷却水冷却至25℃，进入循环水池参与高炉煤气发电系统循环；同时，热泵系统将2700m3／h的采暖水加热至75℃。与原工艺相比，改造后系统在满负荷供暖工况下，蒸汽消耗量M2＝164t／h，原系统蒸汽消耗量M1＝200t／h，蒸汽消耗量减少约ΔM＝36t／h。