低品位熱能利用助力鋼鐵企業碳達峰

墻新奇

(新疆八一鋼鐵股份有限公司能源中心)

全球氣候變化的主要特征為氣候變暖，氣候變暖主要是因為二氧化碳等溫室氣體濃度增加所致[1]。習近平總書記在第七十五屆聯合國大會、二十國集團領導人利雅得峰會和氣候雄心峰會上，向國際社會作出莊嚴承諾：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。寶武集團1月20日宣告的中國寶武碳減排目標：2021年提出低碳冶金路線圖，2023年力爭實現碳達峰，2025年具備減碳30%工藝技術能力，2035年力爭減碳30%，2050年力爭實現碳中和。

根據盧昕等人的研究[2]，對于六大高能耗行業中的化學原料及制品、非金屬制品、黑色金屬加工、有色金屬加工四個行業而言，能源技術進步效應對碳排放的抑制作用最為顯著，石油加工、電力生產供應兩行業的碳減排主要依賴要素替代效應。

低品位熱能(或低品位廢熱、低溫熱能)總量巨大且可再生，人類利用的熱能中有50%最終以低品位廢熱的形式直接排放[3]。鋼鐵行業同樣如此，大量的低品位熱能以廢氣、熱水等形式被排放，鋼鐵企業廢氣、熱水等品位熱能的回收利用潛力巨大[4]。

1 低品位熱能回收利用的限制

熱水熱泵用于供熱是鋼鐵企業最常見的低品位熱能利用技術，一般用于冬季的北方地區，將約70℃的高爐沖渣水或30～60℃的循環水經熱泵提溫后用于供暖[5]。除此之外對低品位熱能利用較少。

低品位熱能利用的障礙主要是受冷源的制約，使其可利用溫度范圍受到限制。通常冷源依賴于自然界的空氣或水，溫度等同于環境溫度，采用自然冷卻或強制冷卻的方法冷凝循環工質，從而使工作循環能夠在低能耗的情況下建立；間接的利用地下、深海等環境降低冷源溫度的做法在一些場合被采用，但降溫作用有限。

2 擴展低品位熱能利用的主要方式

拓展鋼鐵企業低品位熱能利用有兩個方向:其中方向之一,是通過其它方式提高低品位熱能的品質，即提高溫度或壓力，如利用太陽能蓄熱與熱泵技術結合，提高低品位熱能的溫度，用于制冷等方面[6]，適用的鋼鐵企業地域分布可以更廣；另一個方向就是利用品質較低的低品位熱能制冷，制造溫度低于環境溫度的冷源，從而使得品質稍高的低品位熱能的可利用溫度范圍增加，提高低品位熱能的利用率[7]。人為直接制造低于環境溫度的冷源方法被普遍認為是不可取的，其消耗的高等級能量往往大于對應的低品位熱能利用的收益，需要找到全新的途徑。

3 低品位熱能制冷的新方法[8]

鋼鐵企業低品位熱能溫度接近環境溫度，如循環冷卻水熱能，若欲利用轉化這類熱能需要一種新的循環工質將其熱能可利用溫度范圍放大，液空、液氮等液體工質比較符合這一要求，到環境溫度約有200℃的溫度范圍可以進行利用，另外工質安全、環保、經濟、流動性良好。

新的循環能將低品位熱能作為主要能量來源，其它高等級能量(如電能)只作為循環輔助能量。

新的循環工質主要通過液體增壓獲得循環需要的初始動能，避免或減少利用外部能量對氣體壓縮，從而減少對外部能量的需求。

新的循環能保持冷量平衡，液體工質蒸發做功后還能冷凝，從而保證循環的可持續性。

圖1為新的制冷循環T-S示意圖，圖1中的制冷循環有分為三個子循環，循環工質均為同類物質，如空氣或液態空氣。

3.1 氣動壓縮循環子系統

圖1左側是氣動壓縮循環子系統，圖2為該子系統的核心-氣動壓縮機的結構示意圖。

圖1中01-02過程為氣體增壓過程，是為了保持少量的氣體循環工質的動能。

圖1 新的制冷循環T-S示意圖

02-03過程為定壓吸熱增溫過程，增加氣體工質的過熱度和熱能。

07-08過程為液體工質增壓過程，為了保持工質的動能。

08-05過程和03-05過程為等壓氣液混合過程，少量氣體工質本身及其作為載體攜帶的大量熱能使液體工質蒸發氣化、體積增大。

201上缸進氣管；202下缸進氣管；203上缸排氣管；204下缸排氣管；205上缸；206下缸；207上缸氣動腔；208下缸氣動腔；209上缸氣動腔進排氣管；210下缸氣動腔進排氣管；211切換裝置進氣管；212切換裝置排氣管；213上缸活塞；214下缸活塞；215緩沖墊；216活塞導輪和氣封組件；217中心活塞桿氣封；218中隔板；220氣動壓縮機殼體；221空心活塞桿；12切換裝置

05-05’過程相當于工質做功過程；若不做功，氣液混合后會到達05’點；圖2中的氣動腔混合工質的壓力高于上缸或下缸中氣體的壓力，混合工質通過活塞做功從而上或下運動，做功后的混合工質動能和位能減少，焓值降低，做功量對應于h05’-h05，從而保證混合工質的濕度，使混合工質的焓值穩定在h05，以便于后面氣液分離后氣液比的保持。

05-06過程為氣動壓縮機氣動腔切換過程，非做功腔中的混合工質降壓排出，混合工質進入氣液分離器分離。05-06為等焓減壓過程，h05等于h06。

06-07過程為液體冷凝過程，06-01過程為濕蒸汽汽化過程。

氣液分離前后的物質量的組成，混合工質量m，是液體量m1與氣體量為m2之和，即m=m1+m2

由式(1)到式(6)進一步說明氣動壓縮循環子系統的主要過程。

mh06=m1h07+m2h01

(1)

W1=m1(h08-h07)

(2)

W2=m2(h02-h01)

(3)

m2h03=m2h02+Q1

(4)

m1h08+m2h03=mh05’

(5)

W3= [(h05’-h05)m+Q1’/3600]η1

(6)

式(1)為氣液分離前后濕蒸汽吸熱蒸發為氣體、放熱冷凝為液體的過程，總能量不變。 式(2)為液體增壓過程消耗的功。 式(3)為氣體增壓過程的功。式(4)為氣體增熱后能量變化，Q1為02-03過程吸收的熱量。式(5)為不做功情況下氣液混合前后能量變化。式(6)為氣液混合后，因混合工質動能和位能轉化做功，Q1’為壓縮過程中氣動腔吸收的熱量，η1為轉換效率。

3.2 冷量增益循環子系統

圖1右上側是第二個子循環-冷量增益循環子系統，11-12過程為壓縮氣體膨脹做功過程，所做的功用于下一子循環。W4為壓縮氣體膨脹做功,m3為膨脹物質量。

W4=(h11-h12)m3

(7)

Q2=(h13-h12)m3

(8)

W3=(h14-h13)m3

(9)

Q3=(h11-h14)m3

(10)

12-13過程為吸熱過程，吸收外部低品位熱能同時輸出冷量Q2。

13-14過程為增壓過程，上個子循環的做功h05-h05’用于氣體壓縮，壓縮期間產生的部分熱能被氣動腔的濕蒸汽吸收用于做功，壓縮過程接近等溫壓縮。

14-11過程為定壓增熱過程，用于提高壓縮氣體的動能，同時輸出第二等級的冷量Q3。

3.3 低壓補冷循環子系統

圖1右下側是第三個子循環-低壓補冷循環子系統，21-22過程近似于等溫壓縮過程，氣體壓縮產生的熱能被循環冷卻水冷卻帶走，壓縮機進出口溫度基本一致，共兩級壓縮，第一集壓縮的動力源來自上個子循環的氣體膨脹做功，第二級壓縮的動力源來自本子循環的氣體膨脹做功。該循環的物質量等于上個循環，即m4=m3。

22-23過程和25-21過程為對流換熱過程，低壓氣體溫度上升、增壓氣體溫度下降。23-24過程為壓縮氣體膨脹做功過程，產生冷量Q4用于24-25過程。24-25過程為換熱過冷過程，用于補充氣動壓縮循環子系統損失的冷量Q5，液體增壓所需的過冷量Q6，保持整個制冷循環的持續穩定運行。

三個子循環系統相互影響、相互連接，共同組成一個完整的制冷循環。

4 低品位熱能的階梯利用

鋼鐵企業不同品質的低品位熱能普遍存在，除了循環水熱能、高爐沖渣水熱能外，大量超過100℃的煙氣被排放，為了充分有效地利用制冷循環輸出的冷量，對品質相對較高的低品位熱能階梯利用會有更好的效果。將熱能轉化為高等級能量，以便更方便地傳輸和利用，通常需要蒸汽動力循環的方法，即通過液體泵增壓循環工質，通過低品位熱能加熱氣化、通過膨脹機做功。膨脹機做功轉化的機械能可直接拖動旋轉設備，也可通過發電機轉化為電能。

為了充分地利用品質稍高的低品位熱能，水和水蒸汽已不再適合作為循環工質，需要重新選擇合適的循環工質，丙烷(R290)、二氧化碳(R744)這類自然物質的基本性質見表1，可作為低品位熱能利用所需的單物質工質或混合工質[9]。

表1 丙烷(R290)、二氧化碳(R744)基本性質

丙烷(R290)、二氧化碳(R744)作為循環工質，在合適的壓力參數情況下，能得到所需要的冷凝溫度，可以遠低于水蒸氣的冷凝溫度，在制冷循環的作用下實現冷凝，從而使得低品位熱能的可利用溫度區間擴大。

圖3為制冷劑蒸汽動力循環壓焓示意圖，是一個發電循環，透平膨脹機帶中抽，a-b過程為低壓氣體工質冷凝過程，溫度在0℃以下，在其所需冷量由制冷循環的Q2提供。低壓氣體工質量m5，中壓氣體工質量m6，換熱效率ξ1。

圖3 制冷劑蒸汽動力循環壓焓示意圖

(ha-hb)m5=Q2ξ1

(11)

b-c過程為低壓液體工質增壓過程，焓值和溫度略有增加。

g-d過程為中壓氣體工質冷凝過程，溫度在20℃以下，其所需冷量由制冷循環的Q3以及c-d換熱過程的輸出冷量來保證。

(hg-hd)m6=[Q3+(hd-hc)]ξ1

(12)

d-e過程為中壓液體工質增壓過程，焓值和溫度略有增加。e-f過程為高壓液體工質換熱增溫過程，吸收低品位熱能后蒸發、過熱。f-g過程為中壓膨脹做功過程，g點為中抽出口；f-a過程為低壓膨脹做功過程，a點為末級乏氣出口。總做功為W4。

W4= (hf-hg)m5+(hf-hg)m6

(13)

鋼鐵企業不同品質的低品位熱能的總量是不同的，相對而言，接近環境溫度的低品位熱能的存量要大，高于環境溫度的低品位熱能的存量較少。制冷循環產生的冷量主要通過顯熱的方式體現，相對較少；而發電循環的制冷劑冷凝過程主要通過潛熱的方式體現，相對較多。兩個循環所需的低品位熱能的量需要匹配，循環量也需要匹配，制冷循環的單位時間循環量要大于發電循環，即m3>m5。

發電循環兩級膨脹，冷量階梯利用，兩者的溫度差和膨脹量也需要匹配，即m5>m6。

制冷循環的低品位熱能的可利用溫度區間和發電循環的可利用溫度區間不同，前者相對固定，約在200℃；后者受冷源和熱源的影響較大，在熱源溫度較高的場合，吸收的熱能溫度較高，膨脹機可以增加一級中抽，制冷劑循環工質可通過循環冷卻水冷凝。

5 結束語

新的制冷循環有多個子循環組成，結構比較復雜，實現的難度很大，需要進一步精簡和優化，單循環、自壓縮的結構形式將是下一步利用低品位熱能的制冷系統研究的方向；立式氣動壓縮機改為臥式壓縮機，減少驅動腔的截面積，實現小型化，也是下一步要重點考慮的方面。

鋼鐵企業對制冷的需求同樣較大，尤其在夏季，生產過程中如制氧的冷凍水、焦爐煤氣處理等；電子設備等需要降溫；改善工作環境的，如工作室空調降溫等。利用低品位熱能的制冷循環存在的意義遠大于用于發電等。

隨著碳達峰限期的臨近，需要充分重視我們周圍存在的各種潛力和機會，利用深冷技術將接近甚至低于環境溫度的低品位熱能的可用性挖掘出來，具有現實意義，可助推碳達峰的早日實現。