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热泵技术在我国钢铁冶金行业的应用与发展

2019-02-17单士宾

设备管理与维修 2019年14期
关键词:吸收式工质热源

单士宾

(山东钢铁股份有限公司莱芜分公司炼钢厂,山东济南 271104)

0 引言

我国是钢铁冶金工业方面的大国,多年来随着科技的不断进步以及社会经济的迅速发展,我国钢铁冶金行业发展较快。根据有关统计资料显示,2015 年我国生铁总产量已经超过64 000 万吨,粗钢总产量超出750 002 万吨,钢材总产量超出110 000 万吨,各种有色金属总产量约5000 万吨,依旧保持增长率高、产量高的发展趋势。但是在我国众多行业中钢铁冶金行业是一种能源消耗高的行业,在社会能源总消耗中能量消耗占据的比例高于12%,而且能源有效利用率不高,甚至排放大量的粉尘、SO2等,在很大程上严重污染环境。近年来,随着我国资源供应的紧缺,环境污染问题突出,钢铁冶金行业在发展过程中必须要高度重视节能减排,尽可能减少能耗,保护环境,这样不仅可以增加钢铁冶金企业的经济效益和社会效益,而且有利于实现我国可持续发展。

1 热泵技术的基本原理和种类

热泵技术是以逆卡诺循环原理为基础实现的,热泵是将低品位热源向高品位热源转移的装置,其主要作用是从附近环境吸收一定的热量,且将其传送给温度较高的对象。

通常,按照驱动能源进行划分,热泵主要有两大类,分别是吸收式和压缩式热泵[1]。吸收式热泵,是通过热能来直接驱动,一般是由溶液热交换器、蒸发器以及再生器等多部分组成,是合理运用不同沸点的物质构成的溶液气液特性进行工作[2]。压缩式热泵通过机械能或者电能来驱动,其组成部分主要有膨胀阀、蒸发器以及压缩机等等,利用工质连续完成从蒸发到压缩,到冷凝、节流,最后到再蒸发的热力循环过程,从而实现制热功能。

冶金工业的许多工序都难免会出现一些低品位的余热,所以在冶金工业中应用热泵技术具有广阔的市场发展前景。相对来说,压缩式热泵不仅要运用余热,而且要运用电能等多种二次能源,但吸收式热泵因为无需其他类型的能源,能够直接运用余热来制热,所以能源消耗成本不高,可以节省能源,但压缩式热泵的能源效益COP 高于吸收式热泵,其在提高热品位热量方面是相当强的。按照不同的循环原理划分,热泵技术也可以分成两大类,分别是第一类和第二类热泵。

2 热泵技术在钢铁冶金行业中的应用现状

现阶段,我国钢铁冶金工业中充分运用多样化的余热方法具体有以下2 种。

2.1 热利用

简单来说,就是对余热的热能进行直接利用,并不需要能源转化,主要包括发酵、制冷、预热以及供热供暖等[4]。若供热温度需求<100 ℃,表示低温预热,如不同类型的加热设备烟气预热,从烧结、炼钢、焦化以及连铸等多道工序中出现的余热都能够当成热源;一般来说,若设计科学准确,第二类热泵可以合理运用约70 ℃的热水,产生的高温热水>100 ℃,也可以有效运用约35 ℃的热水,产生约56 ℃的热水,用于日常生活。比如:莱芜钢铁集团生产出高炉循环水余热回收系统。运用蒸汽压缩式热泵机组系统能够置换出约45 ℃的高炉循环水热量,完成换热后放在锅炉新水里,确保其温度可以上升到约75 ℃,从而达到良好的预热效果。

2.2 动力利用

动力利用,主要是将余热转换成机械能来使用。在钢铁企业的各种余热资源中,转炉炼钢、烧结环节余热资源充足,普遍应用于钢铁余热发电中。在一些特殊的场合可以选择热电联产[5]。比如:江苏苏州新欢软智能装备有限公司生产余热回收利用系统,把电能系统循环和热能系统循环相混合,可以合理运用低品位的能源,从温度约16 ℃的热源中将余热提取出来,真正实现热电联供和供热,进而大大的提升系统总体经济性,减少能源损耗。

3 热泵技术的今后发展和研究

当前,热泵技术今后的发展和研究方向具体表现在以下2 点。

3.1 研究新型的工质

一般,压缩式热泵的工质都选择氟氯碳氢化合物,由于其具有显著的热力学性质,但因为其容易损坏臭氧层,处于被代替的状况;吸收式热泵的工质是氨水溶液,在各种类型的吸收剂中氨水溶液是一种性能优越的溶液,但是其具有较强的镀锌,容易爆炸和点燃,可以腐蚀一些有色金属。因此,在这种情况下,必须要积极开展更加安全、可靠、节能的工质取代物是最近几年来的热门研究话题。

专家范晓伟对比分析了HCs/R744 非共沸混合工质,讨论了混合工质中关于R744 配比领域的问题,针对热泵系统使用HCs/R744 非共沸混合工质进行严格筛选;学者冷志勇理论研究了自然工质CO2跨临界循环在热泵上的应用,而且运用CO2热泵原理对车间供暖系统进行合理的建造与设计[6];学者刘学武对于跨临界CO2热泵循环压力较高的情况,提出在跨临界热泵循环系统使用CO2混合制冷剂,而不是纯CO2制冷剂,运用理论对各种配比下的系统循环使用性能进行计算,而且比较其和纯CO2工质性能;清华同方“R32 环保工质代替项目”在2014 年利用环保部进行验收,此项目在我国第一次使用低GWP 的HFC-32 将HFC-22 代替,弥补了我国当前的不足,对臭氧层没有损坏,安全可靠,技术较为先进,具有较高的环境保护效益。

3.2 通过不断改善结构部件或者运用新型的循环方法

改善结构部门或者运用新型的循环方式,除了可以对热泵系统性能进行改善,而且可以提升资源的有效利用率,起到保护环境的目的。在2007 年北京科技大学提出将中低温余热转换成蒸汽的系统,其热泵开路循环系统主要是有发生器以及蒸发器等部分组成,而且将固液分离板和冷却晶析器设置在发生器与吸收器之间,还要将发生器蒸汽不断引到外部,以便于冷凝和利用,使用温度约(220~1200)℃的中高温热源当成热泵循环系统发生其所使用的热源,而温度约(100~220)℃的低温余热当成蒸发器所使用的热源,并且其蒸汽来源于发生器及吸收器[7]。此系统具有较高的热回收水平,发生器与吸收其能够在同一时间不间断的运行,也能够间歇运行,与钢铁生产的特征相符合;2009年中治京尘工程技术有限公司设计出余热发电系统,其是由吸收式热泵、发电机以及汽轮等部分组成,吸收式热泵合理运用氨水作为工质,将汽轮机出口末端蒸汽的低品位热源向高品位热源转换,而且由存储系统向热泵提供优质的驱动热源,确保浓氨水混合,可以在高压中蒸发形成很多高压饱和氨气,将氨汽轮机驱动,通过氨气出现的压力能转化成机械能传送给发电机,这样可以实现低损耗。高质量的目标。

4 结语

总而言之,当前我国钢铁冶金行业的节能环保形势是相当严峻的,而热泵技术可以将工业余热进行回收利用,提升能源利用率,降低和避免环境污染,所以其广泛应用于我国钢铁冶金行业。如今,热泵的类型是多样化的,各种类型的热泵具有各自的优缺点,运用热泵技术将余热回收利用也有很多方法,在使用过程中必须要根据外部环境、用户实际需求、设备生产工艺等因素选择合适的热泵,以此实现最佳的匹配,达到显著的效果。

热泵技术今后的主要研究方向是积极开发新的工艺、改善现有的部件结构以及升级循环方法,目前已经出现很多最新的研究成果。大力开发拥有自主知识产权的热泵技术,提升工业余热有效利用率,可以减少钢铁冶金行业对一次性能源的依赖程度,减少能源的损耗,加强企业竞争优势,对促进我国社会经济持续稳定发展具有现实的意义。

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