一種新型轉爐蒸汽吸收式換熱系統的應用

李文舉，薛亮，張紅衛

一種新型轉爐蒸汽吸收式換熱系統的應用

李文舉1，薛亮2，張紅衛1

(1.西安天可華能源科技有限公司，陜西西安，710000;2.西安新唐電力設計有限公司,陜西西安，710000)

鋼鐵企業在采暖季由于大量富裕蒸汽用于采暖，導致蒸汽量不足，汽輪機無法運行。提出了一種新型轉爐蒸汽吸收式換熱系統，能夠節省采暖用的蒸汽，解決了提高余熱電站的運轉率。

吸收式熱泵;轉爐蒸汽;電站運轉率

1 引言

當前大部分鋼鐵企業轉爐余熱鍋爐生產出大量的低壓飽和蒸汽，其中一部分鋼鐵工藝自用，另一部分多利用飽和蒸汽汽輪機進行飽和蒸汽發電。但是由于冬季鋼鐵廠車間、生活區和辦公場所采暖需求，使得冬季富裕飽和蒸汽量急劇減少，飽和蒸汽汽輪機出力下降，甚至無法運行，造成整個采暖季汽輪發電機組設備閑置，建設項目的投資回收期加長。

針對此問題，本文提出采用一種新型轉爐蒸汽吸收式換熱系統，最大程度利用轉爐飽和蒸汽的價值，大幅降低采暖的蒸汽消耗，進而提高飽和蒸汽汽輪機發電量。

2 原理介紹

吸收式換熱機組也稱為吸收式熱泵機組，吸收式熱泵可以分為兩類：第一類吸收式熱泵、第二類吸收式熱泵。第一類吸收式熱泵也稱增熱型熱泵,是利用少量的高溫熱源為驅動熱源，從低溫熱源中回收熱量，制取大量的中溫位有用熱能。第二類吸收式熱泵也稱升溫型熱泵,是利用大量的中溫熱源產生少量的高溫位有用熱能。此處用到的是第一類吸收式熱泵機組。

第一類吸收式熱泵原理見圖1（以溴化鋰-水型為例）。第一類溴化鋰吸收式熱泵機組是一種以高溫熱源（蒸汽、高溫熱水、燃油、燃氣）為驅動熱源，溴化鋰溶液為吸收劑，水為制冷劑，回收利用低溫熱源（如廢熱水）的熱能，制取所需要的工藝或采暖用高溫熱媒（熱水），實現從低溫向高溫輸送熱能的設備。熱泵由發生器、冷凝器、蒸發器、吸收器和熱交換器等主要部件及抽氣裝置，屏蔽泵（溶液泵和冷劑泵）等輔助部分組成。抽氣裝置抽除了熱泵內的不凝性氣體，并保持熱泵內一直處于高真空狀態。

本文提出的新型轉爐蒸汽吸收式換熱系統利用第一類吸收式熱泵技術，以轉爐飽和蒸汽為高溫熱源，以鋼鐵廠內大量的工業循環水（30～40℃）為低溫熱源，提供采暖用的熱水。整個吸收式換熱系統的COP（COP=制取的中溫熱源熱量/消耗的高溫熱源熱量）可以達到1.50，從而節省出蒸汽去推動汽輪機發電。

新型轉爐蒸汽吸收式換熱系統的優點：

（1）減少鋼鐵企業的采暖蒸汽消耗量達33%；

（2）利用了循環水的低位熱量，同時減少了循環水降溫過程的蒸發損耗。

（3）提升了轉爐飽和蒸汽余熱電站的運轉率。

圖1 第一類吸收式熱泵原理圖

3 方案分析

3.1 項目參數

針對某鋼鐵企業有90 t轉爐2臺，參數如下：

冶煉周期：32～34 min

吹氧時間：12～14 min

汽包設計壓力：2.45 MPa

汽包運行壓力:1.2 MPa

蒸汽流量:15 t/爐

蓄熱器:

容積:150 m3；數量:1臺

設計壓力3.0 MPa;出口壓力1.0 MPa

2臺轉爐的飽和蒸汽產量約為30.0 t/h，配有額定發電功率4500 kW的飽和蒸汽汽輪機，春夏秋季時，飽和蒸汽全部用來發電，冬季時30.0 t/h蒸汽中25.0 t/h用來給廠區20萬m2的生活、辦公區采暖。剩余的5.0 t/h蒸汽，不能滿足汽輪機最低負荷要求，故在采暖季4500 kW的飽和蒸汽汽輪機處于停運狀態。

3.2 計算選型

如圖2，轉爐蓄熱器后設置兩級吸收式換熱機組，高溫熱源為轉爐飽和蒸汽，低溫熱源為鋼廠循環冷卻水，經第一級吸收式換熱機組后產出75℃熱水，再經第二級吸收式換熱機組后產出90℃左右熱水，再設置汽水換熱器，用蒸汽加熱90℃熱水，產120℃高溫熱水供二級采暖換熱站。由于吸收了低溫熱源循環水中的大量熱能，所以采暖所消耗的蒸汽要比較傳統方式節省33%，節省的飽和蒸汽可以用來發電。

圖2 新型轉爐蒸汽吸收式換熱系統圖

根據國家規范和原來采暖蒸汽實際耗量，取生活辦公區的熱指標q為85 W/m2，采暖熱水溫度Tr取85℃，回水溫度Th為60℃。采暖區總耗熱量為：

QZ=S×q

S為生活辦公區的采暖面積

工業循環水進吸收式換熱機組溫度為40℃，出水溫度取為30℃；轉爐飽和蒸汽壓力1.0 MPa；根據工業循環水、用戶側熱水和蒸汽的參數可知：吸收式熱泵制熱系數COP約1.50，故熱泵系統回收工業循環水的熱量為：

Q0=QZ×（COP-1）/COP

QZ為供暖負荷，MW；

Q0為低溫側吸熱量，MW；

COP為吸收式熱泵制熱系數，由運行工況確定。工業循環水按10℃進出水溫差計算，則耗水量由下式計算：

Qm=3600×Q0/（C×Δt）

式中：Qm為工業循環水耗水量，t/h；

Δt為工業循環水溫差，取10℃；

C為水的比熱，取4.187 kJ/(kg·℃)；

蒸汽需要量由下式計算：

QZQ=QZ×3600/（COP×Δh）

QZQ為蒸汽需要量，t/h；

Δh為飽和蒸汽可利用焓值，取2400 kJ/kg；

經計算，吸收式熱泵系統的制熱量需求為17 MW，蒸汽需要量為17.0 t/h，設計工況下系統低溫側吸熱量為5.67 MW，需要工業循環水487 t/h。鋼鐵廠有足夠水量可以滿足需求。選取該工況下制熱量為9 MW的吸收式熱泵機組2臺（型號和相關參數略）。

方案系統主要包含：吸收式熱泵機組、汽水換熱器、機組配套水泵、循環水系統改造、調節閥組、控制系統等。

3.3 初投資計算

吸收式熱泵機組:300萬元/臺，2臺600萬元

附屬設備：55萬元

廠房設備及安裝工程：80萬元

電氣及自控工程：30萬元

合計：765萬元

4 經濟性分析

采用新型轉爐蒸汽吸收式換熱系統，以轉爐飽和蒸汽為高溫熱源，以工業循環水為低溫熱源，產生120℃的高溫熱水供生活、辦公區采暖，將蒸汽消耗量由原先的25 t/h降至17 t/h，節省蒸汽量達8 t/ h。基于此新型轉爐蒸汽吸收式換熱系統，加上原先富裕的5 t/h蒸汽，在冬季鋼廠有富裕轉爐飽和蒸汽量為8 t/h，可以推動飽和蒸汽汽輪機發電，折合發電量1650 kW，使得飽和蒸汽余熱電站在冬季也不停機，提高了電站的運轉率。

本方案經濟分析采用滿足原先采暖需求的條件下，節省出的蒸汽和原先未有效利用的5.0 t/h蒸汽用來發電，會同減少的工業循環水的蒸發損失來進行比較計算。假設電價為為0.6元kWh，水價3.0元/ t，每年采暖時間為120天（2880 h）。

經濟性分析如下：

改造部分總造價：765萬元

節省蒸汽量：8 t/h

節省蒸汽發電量:1650 kW

采暖季運行小時數:2880 h

電價:0.6元/kWh

廠用電率:5.5%

采暖季供電量:449.06萬kWh/年

發電收入:269.44萬元/年

減少循環水損失:35064 t/年

水價:3元/t

年節水費用:10.52萬元

年收益:279.96萬元

投資回收期：2.73年

5 結論

由于吸收式熱泵用于回收循環水余熱的類似項目在國內熱電廠中已有較成熟應用，比如山西國陽熱電廠改造項目，項目完成后供熱量增加72 MW，采暖面積增加110萬m2，所以此項目技術風險很小。由經濟性分析可知，基于新型轉爐蒸汽吸收式換熱系統的方案投資為765萬元，年發電和節水收入為279.96萬元，33個月收回投資，效益可觀。本文提出的新型轉爐蒸汽吸收式換熱系統，有效解決了采暖季轉爐富裕蒸汽不足，余熱電站運轉率低的問題，是一種值得推廣的鋼鐵廠節能技術。

[1]董明華,呂向陽,吳華新.吸收式熱泵技術在熱電聯產供熱系統中的應用[J].節能,2010,(6):69-71.

[2]付林,李巖,張世鋼等.吸收式換熱的概念與應用[C].全國暖通空調制冷學術年會.2010.

The App lication of a New-type Converter Steam Absorption Heat Exchange System

Li Wenju1,Xue Liang2,Zhang Hongwei2
(1.Xian TKH Energy Technology Co.,Ltd.,Xian,Shaanxi 710000,China; 2.Xian Xintang Electric Power Design Co.,Ltd.,Xian,Shaanxi 710000,China)

Due to huge amount of surplus steam in steelmaking enterprises to be used for heating in winter,the steam turbines of the steelmakers often do not have enough steam to operate.A new-type converter steam absorption heat exchange system was provided,which can save energy and has improved the operation rate of waste heat power stations.

absorption heat pump;converter steam;operation rate of power station

TK172

B

1006-6764（2015）09-0047-03

2015-04-27

李文舉（1983-），男，工程熱物理專業工學碩士，工程師，現從事工業余熱利用、暖通空調領域技術研究工作。