热泵技术在我国钢铁冶金行业的应用与发展

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。