劉晨

摘要： 本文介紹蒸汽噴射式制冷機(jī)和熱泵，探討其在鋼鐵行業(yè)余熱回收中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：蒸汽噴射，真空制冷，余熱回收

概述

在基于空氣吸熱的前提下，余熱回收的最終溫度都高于環(huán)境空氣溫度，基于人工制冷則可以回收到15°C，甚至更低，實(shí)現(xiàn)極限回收。目前人工制冷常用電壓縮式熱泵，但耗電量大限制了其利用，低壓蒸汽吸收式熱泵，用電少，但制冷溫度高、效率低、維修難，本文介紹一種蒸汽噴射式制冷機(jī)、熱泵，能達(dá)到電制冷的低溫，同時(shí)解決了吸收式熱泵的問題。

1、 蒸汽噴射式制冷機(jī)、熱泵介紹

1.1、技術(shù)原理

蒸汽噴射式制冷的原理如圖1所示，在一個(gè)密閉罐內(nèi)，水的蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)壓力一一對(duì)應(yīng)，將罐內(nèi)的飽和水蒸汽抽出降低罐內(nèi)飽和蒸汽壓力，假射罐體是絕熱的，抽出蒸汽帶走的熱量就只能通過水的蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)，等量水蒸發(fā)的吸熱量是10°C溫差水吸熱量的超過50倍，比如100kg水理論上只需抽出1.66kg水蒸汽，就能從20°C冷卻到10°C，罐內(nèi)絕對(duì)壓力需維持在1.23kPa，如果需要進(jìn)一步冷卻到5°C，需要維持罐內(nèi)壓力需要維持在0.89kPa，真空制冷出水溫度不再受環(huán)境空氣溫度制約。

圖1 蒸汽噴射式制冷原理

蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)參考圖2，低壓動(dòng)力蒸汽進(jìn)入蒸汽噴射器，出口達(dá)到1250-1500m/s的速度，利用柏努力效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)壓真空，將閃蒸器內(nèi)抽為真空狀態(tài)，低壓低溫冷蒸汽被抽出，與動(dòng)力蒸汽混合升壓后，混合蒸汽冷凝為水，完成循環(huán)水的制冷過程，完成了循環(huán)水熱量的轉(zhuǎn)移。

圖2 蒸汽噴射式制冷/熱泵系統(tǒng)

1.2、技術(shù)特點(diǎn)

與電壓縮式和吸收式制冷/熱泵都需要制冷劑不同，蒸汽噴射真空制冷機(jī)/熱泵，只采用水相變制冷制熱，特別適合夏季余熱、太陽(yáng)能用途少的難題，具有顯著的特點(diǎn)：

1.2.1與循環(huán)水冷卻/空氣冷卻比較：循環(huán)水冷卻、空氣冷卻的溫差一般只有5-20°C，循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)電耗高，余熱難以利用，而蒸汽噴射制冷與熱泵可以制最低至0°C冷水，放熱側(cè)可以升溫到130°C，實(shí)現(xiàn)100°C以上大溫差冷卻，能大幅減少循環(huán)水泵、風(fēng)機(jī)電耗，便于回收低溫余熱，冷熱雙用。

1.2.2 與溴化鋰吸收式制冷/熱泵比較：溴化鋰吸收式制冷/熱泵也利用低壓飽和蒸汽，能大量制冷制熱，在低溫余熱回收供暖方面得到了大量應(yīng)用。不同的是，低壓蒸汽噴射制冷/熱泵只用水、不用溴化鋰，系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，設(shè)備操作維護(hù)都簡(jiǎn)單，制冷、制熱效果永不衰減。

1.2.3 與壓縮制冷/熱泵比較：蒸汽噴射式制冷/熱泵用電量極少，能大量制冷制熱，操作維護(hù)容易。

幾種不同制冷/熱泵技術(shù)特點(diǎn)的比較見表1。

表1 幾種不同制冷與熱泵技術(shù)的對(duì)比

1.3 技術(shù)回顧

1901年蒸汽噴射制冷技術(shù)研究成功，直到1920年才投入工業(yè)應(yīng)用。我國(guó)于1958年引進(jìn)了蒸汽噴射式制冷機(jī)，但一直不能用。在我國(guó)科技人員的研究攻關(guān)下，蒸汽噴射制冷技術(shù)研發(fā)解決了存在的問題，性能顯著提高，與溴化鋰制冷機(jī)/熱泵比有顯著優(yōu)勢(shì)。蒸汽噴射制冷機(jī)已經(jīng)分別在鞍鋼化工、凌鋼焦化、江西萍鋼焦化、天津化工等企業(yè)應(yīng)用。利用蒸汽噴射器抽取真空，首先能制取0-16°C的工業(yè)生活用冷水，在低壓蒸汽來源充足、價(jià)格低，特別是利用廢熱的條件下，比其它制冷方法更經(jīng)濟(jì)。此外，還可以替代機(jī)械真空泵，用于真空蒸餾、真空除臭、真空蒸發(fā)、真空結(jié)晶、真空干燥等，用于更多應(yīng)用。

1980年代，我國(guó)引進(jìn)了溴化鋰制冷技術(shù)，對(duì)蒸汽制冷技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生了一定沖擊。如今隨著熱水制蒸汽技術(shù)的不斷成熟完善，在夏季余熱和太陽(yáng)能熱用途少的形勢(shì)下，蒸汽噴射式制冷/熱泵迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。

1.4 主要應(yīng)用場(chǎng)景

蒸噴射制冷機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，在焦化、化工、工廠操作室空調(diào)降溫等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，特別適合夏季熱多、大量需冷的各種應(yīng)用。在蒸汽噴射制冷基礎(chǔ)上，研制蒸汽噴射式熱泵，實(shí)現(xiàn)冷熱雙供，可重點(diǎn)關(guān)注開發(fā)以下應(yīng)用場(chǎng)景。

1.4.1 替代循環(huán)水和空氣冷卻

替代循環(huán)水、環(huán)境空氣冷卻是最大的潛在應(yīng)用，各種循環(huán)水、環(huán)境空氣冷卻、直冷都是把余熱排入大氣或河海，特別是開式循環(huán)水冷卻，不僅浪費(fèi)余熱，還把一定量循環(huán)水變?yōu)樗羝湃氪髿猓斐捎酂岷退Y源的雙重浪費(fèi)，不僅導(dǎo)致能源利用率低下，還產(chǎn)生大氣霧霾。采用蒸汽噴射制冷機(jī)/熱泵，實(shí)現(xiàn)大溫差循環(huán)，不僅節(jié)水、節(jié)電，利于余熱回收，冬季供熱、夏季供冷、四季生活熱水、工業(yè)冷卻和原料烘干，提高能源利用效率，減少水資源浪費(fèi)。

1.4.2煙氣、廢蒸汽冷凝收水和余熱回收

煙氣濕法脫硫等許多低溫工業(yè)煙尾氣都含有水蒸汽和低溫潛熱，都在合法排放，低溫?zé)煔獾挠酂峄厥绽靡恢笔鞘澜缧噪y題，主要難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。近年來，我國(guó)通過直接噴淋冷凝將低溫?zé)煔庥酂嵯礈爝M(jìn)入循環(huán)水，再在循環(huán)水系統(tǒng)通過溴化鋰熱泵回收余熱，已經(jīng)在北方供暖領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用大溫差蒸汽噴射式熱泵可以減少設(shè)備和工程造價(jià)，極限回收利用余熱，降低回收成本。

1.4.3 南方供暖空調(diào)

為了提高生活品質(zhì)，南方需要供暖；南方空調(diào)目前能源主要都是用電，成本高。采用大溫差蒸汽噴射式熱泵供熱供冷，并與余熱回收、中高溫太陽(yáng)能、生物質(zhì)耦合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)一個(gè)小區(qū)、一棟樓、甚至一處獨(dú)立的民居，分散式供暖，改造量少、投資省、容易實(shí)施，夏天倒過來供冷，四季提供生活熱水，并協(xié)同開發(fā)溫泉、游泳、蓄冷蓄冰，原有供暖空調(diào)設(shè)備保留備用，這有助于降低南方夏季用電高峰電力供應(yīng)不足難題。

2、蒸汽噴射式制冷機(jī)熱泵在鋼鐵余熱回收中的應(yīng)用

2.1、鋼鐵余熱資源狀況

    2024年我國(guó)長(zhǎng)流程鋼鐵生產(chǎn)噸鋼綜合能耗550kgce/t，能源利用率不到40%，浪費(fèi)的能源主要是通過余熱排放的，包括間隙性余熱和低溫余熱，按此估算，煤年余熱資源量3.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，折合碳排放近9億噸，接近行業(yè)碳排放總量的一半。鋼鐵余熱回收狀況是，廢氣采用干法排氣溫度~130°C、濕法處理排氣溫度~50°C，循環(huán)水和固體余熱回收率很低。

2.2、鋼鐵余熱回收技術(shù)的研發(fā)方向

最新的案例證明，氣體的余熱已經(jīng)回收到15°C，在北方還應(yīng)回收到更低溫度，因?yàn)楦竞淦诘目諝饽芟啾龋?5°C煙氣是優(yōu)質(zhì)熱源。

鋼鐵余熱回收技術(shù)開發(fā)的總體思路如下：

1) 高溫熔渣、鋼坯、鋼材等固體余熱，宜采用氣體或噴水冷卻，再通過高溫氣體、或循環(huán)水回收余熱

2) 由于換熱器防腐蝕技術(shù)的進(jìn)步，采用間壁式換熱器氣體余熱可以回收到飽和溫度，以提高回收余熱的品位，便于直接利用，減少熱泵的負(fù)荷和能耗

3) 飽和后氣體優(yōu)選直接噴淋換熱，或選擇混合式換熱，因?yàn)闅怏w系統(tǒng)增加間壁式換熱器增加阻損導(dǎo)致風(fēng)機(jī)電耗增加，會(huì)部分、甚至全部抵消余熱回收的效果

4) 余熱回收到15°C須有更低溫度的吸熱冷源，因此制冷制冰是必須有的

5) 為解決間隙性余熱回收，也為解決余熱產(chǎn)生和利用之間的不均衡，必須建設(shè)大容量長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能

以燃煤煙氣為例，氣體余熱回收技術(shù)的現(xiàn)狀和開發(fā)方向參考圖3所示。

圖3 氣體余熱回收利用技術(shù)的現(xiàn)狀與開發(fā)方向

2.3、鋼鐵余熱的再利用用途研發(fā)

開發(fā)余熱再利用用途、提高利用效益是一個(gè)更重要的問題。在國(guó)家法改、住建等部門的領(lǐng)導(dǎo)下，經(jīng)過清華大學(xué)建筑節(jié)能中心的持續(xù)研究和相關(guān)企業(yè)多年的努力，余熱用于鍋爐暖風(fēng)、原水/回水預(yù)熱、余熱供暖都積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

進(jìn)一步開發(fā)新用途可以關(guān)注開發(fā)以下用途。

（1）原料預(yù)熱、防凍、解凍和脫水：北方企業(yè)原料、煤炭入場(chǎng)時(shí)會(huì)凍結(jié)，溫度也低，南方企業(yè)原料、煤炭入場(chǎng)則容易帶水，借鑒商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等大空間成熟的技術(shù)如地面輻射、屋頂輻射、暖風(fēng)盤等，使封閉原料場(chǎng)、煤場(chǎng)環(huán)境溫度維持在20°C以上，預(yù)熱、解凍、防凍、除水，有效益，也容易實(shí)施。

（2）溫泉、游泳池、水景觀：在企業(yè)院內(nèi)或附近地面、地下、高空，建設(shè)40°C溫泉、28°C游泳池、15°C以下冷水魚池等大容量人工河湖水景觀，與跨季儲(chǔ)能相結(jié)合，淘汰循環(huán)水冷卻塔、空冷島、直流冷卻，改變余熱散熱方向，禁止向大氣排放，隔斷煙氣余熱、水份、殘余污染物排入大氣層。

（3）用于農(nóng)林牧漁業(yè)：一方面要擺脫傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的低效和對(duì)轉(zhuǎn)基因種子、農(nóng)藥、化肥的依賴，發(fā)展溫室、多層設(shè)施農(nóng)業(yè)，降低種植養(yǎng)殖供暖空調(diào)費(fèi)，特別是北方，另一方面我國(guó)鋼鐵等傳統(tǒng)行業(yè)低溫余熱資源量巨大，企業(yè)自用、供暖都用不了或沒效益，可與農(nóng)林牧漁業(yè)供暖的需求對(duì)接應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)低成本回收和高附加值利用。

（4）冷熱聯(lián)用：組合采用蒸汽噴射式制冷機(jī)、熱泵/MVR增壓，同步實(shí)現(xiàn)低溫余熱制冷制冰、高溫?zé)崴蛘羝?，開發(fā)滑雪滑冰，配合建設(shè)大容量蓄水儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)冷熱聯(lián)用，解決采暖季余熱利用需求不足和非采暖季余熱用途少等問題。

（5）余熱發(fā)電：余熱回收與ORC發(fā)電、液氮/液體CO₂/干冰、壓縮空氣儲(chǔ)能、膨脹制冷等利用組合，實(shí)現(xiàn)低溫余熱發(fā)電和制冷、制冰、蓄冷，低成本解決余熱源和用戶之間的長(zhǎng)輸和不平衡問題。

3、主要工序的余熱回收改造方案

本著先易后難的思路，本文順序推介以下幾個(gè)工序的余熱回收改造，供用戶選擇改造項(xiàng)目時(shí)參考。

3.1、轉(zhuǎn)爐煤氣余熱回收改造方案

轉(zhuǎn)爐煤氣汽化煙道出口1000°C以下的余熱，包鋼、西鋼120噸轉(zhuǎn)爐均已在回收，設(shè)備正常運(yùn)行，應(yīng)借鑒成功經(jīng)驗(yàn)解決存在問題加速推廣。

做為過渡方案，可選圖4所示方案回收熱水，熱水閃蒸制蒸汽，轉(zhuǎn)爐工序能達(dá)到標(biāo)桿能耗，并且除塵超低、排煙四季無白、節(jié)電、節(jié)水、煤氣脫水熱值提高、煤氣管道再無腐蝕……。另外，煤氣冷凝脫水徹底阻斷了污染物轉(zhuǎn)移排放，蒸發(fā)冷卻可以處理焦化廢水、濃鹽水等難處理廢水，效益顯著。本方案也是余熱回收的兜底方案，還具備替代電除塵器、文氏管濕法除塵節(jié)能的條件。

河北唐山遷安、寧波等轉(zhuǎn)爐用戶已經(jīng)有可供參考的業(yè)績(jī)。

圖4 轉(zhuǎn)爐煤氣低溫余熱回收改造方案

3.2 高爐渣余熱回收改造方案

    國(guó)內(nèi)外大量采用的高爐水沖渣系統(tǒng)，生產(chǎn)線長(zhǎng)、分散，蒸汽回收難，選擇圖5所示全密閉干法?；桨父脑?，底部出干渣，或回水渣池，高溫蒸汽余熱回收，余熱回收節(jié)水的同時(shí)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，同步處理焦化廢水、濃鹽水等難處理廢水。轉(zhuǎn)爐渣、電爐渣等其它高溫熔渣都可以參照改造。

圖5 高溫熔渣干法?；酂峄厥辗桨?/p>

3.3 燒結(jié)煙氣脫硫和余熱回收一體化改造方案

     燒結(jié)大煙道煙氣采用如圖6所示的脫硫余熱回收一體化改造，不再產(chǎn)生脫硫廢水、脫硫石膏，脫硫節(jié)電80%、風(fēng)機(jī)節(jié)電~30%，效益顯著，改造量少風(fēng)險(xiǎn)小。

圖6 燒結(jié)大煙道煙氣脫硫余熱回收一體化改造方案

豎爐/回轉(zhuǎn)窯煙氣、焦化煙道氣、煤氣發(fā)電、熱風(fēng)爐煙氣等脫硫都可以參考采用，余熱回收、超低排放，同步降低脫硫成本。

4、問題探討

后超低排放需要特別關(guān)注總量減排、水蒸汽回收和低成本碳中和，分別探討如下。

4.1 總量減排：根據(jù)東北大學(xué)、中國(guó)環(huán)境科學(xué)院的研究，我國(guó)鋼鐵噸鋼排廢氣43.5t/t，減排50%年減排總量就超過200億噸，鋼鐵企業(yè)不再需要因環(huán)境容量停限搬淘汰，超低排放、創(chuàng)A、新污染物控制成本降低，甚至有效益，表1是適合進(jìn)行循環(huán)利用總量減排的工序。

表1 鋼鐵企業(yè)廢氣減排總量的部分工序

4.2 水蒸汽回收：我國(guó)鋼鐵年排水蒸汽總量~20億噸，80%是循環(huán)水冷卻塔排放的。通過余熱極限回收，同步回收水蒸汽，不僅節(jié)能、節(jié)水，還減少溫室氣體的排放量。減少水蒸汽排放也一定會(huì)對(duì)減少霧霾起到積極作用。

4.3 跨季長(zhǎng)時(shí)大容量?jī)?chǔ)能：我國(guó)余熱回收利用一直主要關(guān)注熱利用，對(duì)于冷能源關(guān)注不夠，比如空氣能熱泵，到零下二三十度的冷空氣中取熱，花費(fèi)大量人力物力研究空氣換熱側(cè)除霜。通過建設(shè)跨季長(zhǎng)時(shí)大容量?jī)?chǔ)能設(shè)施，首先解決巨量余熱非采暖季的利用，優(yōu)先選擇自然冷熱源的利用，冬季利用大自然的冷能主動(dòng)制冷制冰、夏季回收余熱和太陽(yáng)能的熱能源，通過跨季儲(chǔ)能，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)冬季采暖、夏季空調(diào)、四季生活熱水減量、甚至不用化石能源，使人類的生活更加健康舒適，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生。建設(shè)抽水儲(chǔ)能設(shè)施還可以消納利用鋼渣等固廢。

結(jié)論與建議

1) 鋼企節(jié)能改造，預(yù)計(jì)可以減少碳排放9億噸，必須充分重視

2) 余熱極限回收需要突破技術(shù)，比如直接噴淋換熱、余熱制冷制冰/制蒸汽、跨季長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能

3) 通過余熱回收再利用改造，預(yù)計(jì)噸鋼成本可降低100元以上，改造有效益為采用節(jié)能服務(wù)租賃創(chuàng)造了條件，可以緩解企業(yè)改造資金緊張

 主要參考資料

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[11]  蒸汽噴射式制冷機(jī)資料，遼寧光遠(yuǎn)工程有限公司