降低热网回水温度的钢厂余热回收供暖分析

2022-01-11时国华林俊华田志敏李永红

科学技术与工程 2021年35期

时国华，林俊华，田志敏，李永红，苗青

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，保定 071003； 2.清华大学建筑节能研究中心，北京 100084；3.天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300350； 4.北京热科能源技术研究有限公司，北京 100084)

自2000年以来，中国粗钢产量增长了6.25倍[1]，钢铁企业能耗长期以来居高不下，2018年吨钢能耗指标高达700 kg[2]，而能源利用率不足50%[3]，大量低品位余热排放至环境中，2020年中国钢铁行业低品位余热量约27.5亿GJ[4]。

随着城镇化进程不断推进，中国城镇供热能耗需求增加与碳排放控制之间的矛盾日益加剧。2015年，发改委印发《余热暖民工程实施方案》，动员各地回收工业低品位余热，替代燃煤锅炉供暖，从而在满足供暖需求的同时，达到节能减排、清洁供暖的效果[5]。

近年来，中外学者对烟气、循环冷却水、乏汽等低品位余热回收供暖做了大量研究工作。赵玺灵等[6]定量分析了天然气烟气余热回收潜力，指出天然气烟气排烟温度低于露点温度后，余热量随排烟温度降低呈线性增加，且排烟温度降低至20 ℃，余热回收效果较好。时国华等[7]对不同天然气烟气余热回收技术进行了定量比较，结果表明，基于全热交换的烟气余热回收技术可提升9%以上的供热能力。张群力[8-9]利用喷淋塔直接接触式换热方式回收烟气冷凝余热，并与助燃空气加湿相结合，能够有效提高热网余热利用效率和燃气锅炉效率。顾煜炯等[10]提出了利用吸收式热泵与有机朗肯循环发电综合回收循环冷却水余热的方案。Xu等[11]针对传统吸收式热泵存在蒸发温度低的问题，提出利用双段吸收式热泵回收低品位余热，性能系数可达1.77。Ramirez等[12]将有机朗肯循环与钢厂余热回收相结合，回收电弧炉的高温烟气，用于采暖季供蒸汽和非采暖季发电，每年可减少7 990 t二氧化碳排放。Li等[13]针对乏汽余热提出了一种基于余热利用的多热源梯级供热系统，通过抽汽和乏汽来实现热网水的串联温升。综上可知，工业领域常见余热载体均有较为成熟的余热回收技术。

针对钢厂低品位余热，缺乏余热品位和量方面的详细分析，且余热回收研究多集中于单一种类余热。钢厂低品位余热种类繁多，涉及多个工艺环节，需要从全局角度出发，遵循能级匹配、梯级利用的原则，综合、合理、高效地回收各类余热。付林等[14]指出降低热网回水温度有利于回收更多低品位余热，提高能源利用效率。因此，在分析钢厂低品位余热特点的基础上，基于降低热网回水温度的思路，以热交换方式回收钢厂低品位余热，构建余热回收供暖系统，并以某钢厂为例，对余热回收供暖系统进行性能评价和经济性分析。

1 热网回水温度对钢厂低品位余热回收的影响

1.1 钢厂低品位余热特点

钢厂低品位余热主要来源于温度低于100 ℃的循环水、低于260 ℃的烟气以及厂内发电机组(由钢厂中高温余热产生的蒸汽驱动发电)乏汽等，低品位余热种类多。以年产量400万t的某钢厂为例，其低品位余热进行分温度区段统计和分析，如图1所示，钢厂40 ℃以下的余热较多(约占64%)，40～100 ℃的余热次之，100～260 ℃的余热较少(占6%左右)。可见，钢厂低品位余热温度普遍偏低，若要通过热网水直接换热充分回收钢厂低品位余热，热网回水温度必须低于40 ℃。

图1 钢厂分温度区间余热资源情况Fig.1 Waste heat resources in different temperature ranges in a steel plant

1.2 低热网回水温度比较分析

由图2可知，中国北方典型城市供热一次网回水温度一般为50 ℃左右。但是，50 ℃以上的余热约占钢厂低品位余热的30%(图1)，若采用常规温度的热网回水直接换热回收余热，忽略换热损失，则余热回收率仅为30%，剩余约70%的余热需要利用热泵技术回收，这将降低余热供暖的经济效益，甚至导致余热供暖方案经济不可行。

图2 北方典型城市供热一次网回水温度Fig.2 Primary heating network supply and return water temperature of typical cities in northern China

根据温度高于一次网回水温度的余热量占低品位余热总量的比例，可得到不同回水温度下基于直接换热的钢厂余热回收率。不难发现，通过直接换热方式，当一次网回水温度降低至40 ℃时，余热回收率约为36%；当回水温度降低至30 ℃时，余热回收率为50%；理论上当回水温度降低至20 ℃时就可回收全部余热，但考虑到充裕的换热端差，回水温度降低至15 ℃时，余热回收率才达到100%。热网回水温度越低，较低品位余热的直接换热回收量越大，提高余热回收率，降低余热回收成本。此外，降低热网回水温度，可以拉大热网供回水温差，提高热网供热能力。因此，降低一次网回水温度对于回收钢厂低品位余热具有重要的意义[15]。

2 基于降低热网回水温度的钢厂低品位余热回收供暖

2.1 余热回收流程确定

应用温度-热量(T-Q)图结合夹点法与火积分析的回收余热方法[16]，针对钢厂低品位余热种类繁多、温度低的特点，提出了降低热网回水温度的余热回收供暖系统(图3)，以直接换热的方式回收钢厂全部低品位余热。根据钢厂内部低品位余热种类和换热环节划分，该系统由循环水余热回收单元、烟气余热回收单元和乏汽余热回收单元组成。具体余热回收供暖系统流程和构建原则如下。

(1)利用吸收式热泵或电热泵降低一次网回水温度，一次热网回水降温释放的热量用于加热二次热网回水。由于钢厂缺乏驱动吸收式热泵的高温蒸汽(一般已用于厂内发电机组发电)，本文中构建的系统采用电热泵。

(2)循环水余热回收单元采用间壁式换热回收技术。余热按照梯级加热的原则回收，但全部以串联的方式回收钢厂循环水余热难以实现，原因有：①循环水种类繁多，温度一般为30～50 ℃，不同来源的循环水存在温度区间重叠的现象；②循环水余热分布在钢厂内不同位置，若以串联方式回收全厂循环水余热，则管路复杂，进而增大管路压降，并且易受到场地制约；③若采用串联回收全厂循环水余热，热网水温度逐级提高，无法有效降低后续的循环水温度，进而不利于相应钢厂设备或中间产品的散热，影响钢厂正常生产。因此，循环水余热回收单元内应采用串、并联相结式。单个工艺中有多个循环水来源的环节(如炼铁、炼钢、轧钢)作为并联支路，若某支路内存在温度明显偏高或偏低的循环水，应调整该循环水至其他支路，使得各并联支路的热网出水温度接近，从而减少混水不可逆损失。同时，支路内温度重叠的循环水热源采用并联方式。单个工艺环节中仅有一个循环水来源的环节(如焦化、制氧)，则根据厂内实际位置和循环水温度串联在距离较近的支路内。

(3)烟气余热回收单元采用直接接触式喷淋冷却+间壁式换热回收技术。烟气从下部进入喷淋塔，与喷淋塔内上部喷淋的低温循环水直接接触换热。喷淋水的初始水温决定了烟气被冷却的极限温度[17]，一次热网回水与升温后的喷淋水通过间壁式换热实现烟气余热的全热回收。烟气余热主要为焦炉烟气、烧结烟气、炼铁热风炉烟气、轧钢加热炉烟气以及富余煤气锅炉烟气，由于烟气余热位置在厂内较为分散，且各工艺环节内烟气来源较单一，为了降低余热回收管线的复杂程度，本系统各烟气余热采用并联回收方式。

(4)乏汽余热回收单元采用高背压直接换热方式。为尽可能减小各换热过程的不可逆损失，根据“梯级加热”的基本原则，本系统对乏汽余热采用凝汽器串联回收的方式。

(5)利用钢厂内工艺产生的低压饱和蒸汽(发电效率较低，一般未利用，且对机组发电量影响较小，成本可忽略)，从钢厂蒸汽管网内抽出，并通过尖峰加热器将回收钢厂低品位余热的一次热网回水加热至要求的供水温度。

乏汽参数可通过调节机组背压来适应不同的取热温度。因此，本系统中循环水余热回收单元和烟气余热回收单元采用并联结构，再与乏汽余热回收单元串联，实现整个钢厂低品位余热资源的梯级利用。

th为低温热网回水温度; th′为一次热网回水温度; tr为余热回收后热网水温度; tg为一次热网供水温度图3 基于降低热网回水温度的钢厂低品位余热回收供暖系统Fig.3 Low-grade waste heat recovery system of steel mill by reducing return water temperature of heating network

2.2 循环水余热回收单元内部换热网络确定

由2.1节的分析可知，本文中提出的钢厂低品位余热回收系统中仅循环水余热回收单元存在串、并联结合的方式，需要进一步确定其内部换热网络。确定循环水余热回收单元内部换热网络，实质是确定热网回水与余热物流的串、并联结合方式。

对于没有温度重叠区间(即ta

对于存在温度重叠的循环水，如图4( b)所示，余热物流a、b、c(即ta1

图4 换热流程的确定Fig.4 Determination of heat transfer process

2.3 钢厂低品位余热回收系统余热量计算

2.3.1 循环水余热回收量

单个循环水换热环节的余热回收量为

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

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

(1)

式(1)中：Tin,i、Tout,i分别为第i换热环节热物流的进、出口温度， ℃，Tout，i必须达到钢厂温度要求；cm为物流的热容流率，(kJ·h)/ ℃；tin,i、tout,i分别为第i换热环节冷物流(热网回水)的进出、口温度， ℃，考虑换热端差对换热效率的影响，热网水出口温度tout,i设定为比余热物流进口温度Tin,i低3 ℃。

2.3.2 烟气余热回收量

单个烟气余热回收环节的余热回收量为

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

(2)

(3)

式中：vg,j为第j换热环节的烟气质量流量，kg/h；hg,in,j、hg,out,j分别为第j换热环节烟气冷却前、后的焓值，kJ/kg；Etotal为喷淋过程的全热效率，即喷淋水实际获得的热量和喷淋水最大可获得热量之间的比值[7]；hc,in,j、hc,out,j分别为喷淋水进、出喷淋塔的焓值，kJ/kg。

在烟气余热回收单元，考虑到热网水的水质要求，不适宜直接采用热网水喷淋，因而需要引进中间媒介循环水喷淋。其中，考虑到回收烟气潜热以及换热器换热端差的影响，规定喷淋水进入换热器的温度比烟气露点温度低5 ℃，热网水出换热器的温度与喷淋循环水的出水温度有5 ℃的换热端差。

2.3.3 乏汽余热回收量

单个乏汽余热回收环节的余热回收量为

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

(4)

式(4)中：vk为第k环节乏汽的质量流量，kg/h；hv,in,k、hv,out,k分别为乏汽冷却前、后的焓值，kJ/kg。

2.3.4 整个系统余热回收量

钢厂低品位余热回收供暖系统的余热回收总量为

(5)

式(5)中：Qr为整个系统的单位时间余热回收量，MW。

2.4 钢厂低品位余热回收系统余热量计算

基于降低热网回水温度的钢厂低品位余热回收供暖系统中采用低压饱和蒸汽将热网水加热至供水温度，及采用电热泵降低一次热网回水温度，需要消耗蒸汽和电能。因此，本文中引入等效性能系数(coefficient of performance，COP),即余热供暖系统的供热量Qg与余热供暖系统消耗能量Qh的比值，来评价钢厂低品位余热回收供暖系统，即

(6)

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

(7)

式中：COP为性能系数；Qh,v为钢厂富裕低压饱和蒸汽的耗能功率，MW；Wh,hp为电热泵降温耗能功率，MW；Wh,wp为热网水输配的水泵耗能功率，MW。原回水温度t′h由电热泵降温至低温一次热网回水th，经过三部分余热回收单元加热，温度升至tr，然后，由钢厂富裕蒸汽通过尖峰加热器加热至热网供水需求温度tg，若忽略水泵输配耗能，则有

(8)

(9)

3 案例分析

以1.1节中所述年产量400万t的某钢厂为例，低品位余热资源汇总如表1所示。

3.1 基于降低热网回水温度的余热回收换热网络确定

根据2.1节中余热回收流程确定原则，在热力站使用电热泵降低一次热网回水温度。余热源最低温度为25 ℃，考虑充裕的换热端差，一次热网回水设定降低至15 ℃。

对于循环水余热回收单元，由表1可见，炼铁(序号2、3)、炼钢(序号4、5、6)、轧钢(序号7、8、9)环节的循环水来源较多，焦化(序号1)与制氧(序号10)循环水种类单一。根据2.1节中原则(2)，初步将炼铁、炼钢、轧钢三个环节的循环水余热回收组成并联支路。为了使并联支路的热网出水温度较为接近，进一步确定循环水余热回收单元内部换热网络。对于循环水种类单一的焦化与制氧环节，根据2.1节中原则(2)，制氧(序号10)并入较近的炼钢支路。至此，循环水余热回收单元的三条并联支路分别为：并联支路Ⅰ包含序号1、2、3；并联支路Ⅱ包含序号7、8、9；并联支路Ⅲ包含序号4、5、6、10。然而，由表1知，并联支路I中各来源循环水温度较低，并联支路III各来源循环水温度偏高，为了使各并联支路的热网出水温度接近，减少混水损失，根据2.1节中原则(2)，将温度最高的炼钢软水(序号6)调整至并联支路I内，与焦化冷却水、炼铁软水、炼铁净环水串联，实现余热梯级利用，如图5所示。

由表1可知，仅并联支路I内炼铁软水(序号2)与炼铁净环水(序号3)存在温度重叠，但两余热物流仅有1 ℃的温度不重叠区间，为了简化换热流程，因此，不区分两余热物流换热的高温段与低温段。由2.2节知，循环水余热回收单元中，炼铁软水和炼铁净环水余热回收采用并联方式。其他循环水均按照夹点法确定的换热顺序加热热网水。

表1 某钢厂分种类低品位余热资源情况Table 1 Low-grade waste heat resources of a steel plant

对于烟气余热回收单元，根据2.1节中原则(3)，所有烟气余热回收采用并联方式，如图5所示。根据各烟气成分，可确定焦炉烟气、烧结烟气、热风炉烟气、燃煤气锅炉烟气和轧钢加热炉烟气露点温度分别为58、54、54、46、57 ℃。烟气采用20 ℃喷淋水喷淋，喷淋水喷淋后的温度比烟气露点温度低5 ℃。一次热网回水与喷淋水换热，且有5 ℃换热端差。对于乏汽余热回收单元，根据2.1节中原则(4)，所有乏汽余热回收采用串联方式，见图5。最后，由钢厂工艺产生的低压饱和蒸汽将热网水加热至供水温度。

3.2 余热回收系统的余热量确定

由表1中各循环水冷却前温度、需求温度和流量，根据式(1)，可确定循环水的总余热回收量为210 MW。

由烟气温度、流量、各烟气成分和露点温度，利用CoolPack软件确定烟气余热回收前、后焓值，根据式(2)和式(3)确定烟气的总余热回收量为171 MW。

由表1中乏汽温度、乏汽压力及流量，利用WaterPro软件，确定乏汽余热回收前、后的焓值，根据公式(4)确定乏汽的总余热回收量为287 MW。

经计算，如图5所示，流量为11 805 t/h的一次热网回水经电热泵将热量传递至二次热网，温度由原回收温度45 ℃(t′h)降低至15 ℃(th)后，进入钢厂，其中，6 711 t/h的一次热网回水回收循环水余热，温度升至42 ℃，剩余一次热网回水回收烟气余热，温度升至44 ℃，两股一次热网回水混水后，再串联回收乏汽余热，温度升至64 ℃(tr)，最后由钢厂工艺产生的富裕低压饱和蒸汽加热至70 ℃(tg)，以满足供热要求。电热泵的COP为8.5(一次热网侧参数为45/15 ℃，二次热网侧参数为50/40 ℃)，由式(9)可得此工况下，余热供暖系统等效COP为6.1。

图5 某钢厂基于降低热网回水温度的余热回收流程图Fig.5 Flow chart of waste heat recovery of a steel mill by reducing the temperature of heat network return water

该系统回收668 MW的低品位余热，低压饱和蒸的耗能功率为82 MW，同时电热泵耗能功率为48 MW，因而整个系统的供热能力为798 MW。

4 经济效益分析

该系统费用包括投资费用和运行费用。其中，投资费用包括：设备投资费用(喷淋塔、换热器、水泵、电热泵等设备投资及相应的安装费用)和管道投资费用。由钢厂实际布置情况，系统管道总长度取10 km，其他具体参数取值见表2。运行费用包括：水泵运行费用、电热泵运行费用及乏汽余热回收的运行代价费用。水泵和电热泵运行时间取2 880 h(当地年供暖时间)，假定每一个换热过程的阻力损失为5 mH2O[15]，管道和阀门的阻力损失为换热过程阻力损失的50%，水泵效率η取70%。水泵电耗功率为

表2 余热回收系统初投资估算参数取值Table 2 Reference parameter for initial investment estimation of waste heat recovery systems

(10)

式(10)中：g为当地重力加速度；m为一次热网水流量，t/h；ΔH为总压降，mH2O。

乏汽回收需抬高背压，影响钢厂内发电机组单位发电量的汽耗率，则回收乏汽的运行代价成本Kcost为

Kcost=3.6×106wτKe∑Qv,k

(11)

式(11)中：Kcost为乏汽回收影响的发电量运行成本，元；w为回收单位乏汽余热量所影响的发电量，一般为3.5×10-5kW·h/kJ；τ为当地年供暖时间，h；Ke为电价，元/kW·h。

系统年运行费用Kop为

Kop=1 000(Wh,wp+Wh,hp)τKe+Kcost

(12)

式(12)中：Kop为年运行费用，元；Wh,hp为电热泵的年耗能功率，由3.3节可知，Wh,hp=48 MW。

根据式(10)～式(12)可得，年运行费用为15 674万元，其中，水泵运行费用1 130万元，电热泵年运行费用8 294万元，乏汽回收年运行代价费用6 249万元。由于余热热源成本为零，供热价格取35元/GJ，由系统供热量(798 MW)和年供暖时间，可得年供热收益(Kh)为28 958万元。该系统经济性参数如表3所示。