[本篇论文由5var5VAR论文频道为您收集整理，5VAR论文频道http://paper.5var.com将为您整理更多优秀的免费论文，谢谢您的支持]    摘　要:结合典型钢铁企业的低温余热资源调研,通过测算分析了采用余热源水源热泵技术回收利用钢铁企业工艺循环冷却水和工业废水的节能减排效果,证实该技术是一项先进的节能减排措施,有助于企业降低能源成本、实现节能减排,践行低碳经济和循环经济,增强企业核心竞争力,可为企业带来良好的经济效益和社会效益。

    关键词:水源热泵;循环冷却水;工业余热;能效比

  Abstract:Combined with the investigation of low temperature heat-recovery resource in typical steel enterprises, theenergy-saving and emission-reduction effect has been measured and analyzed about utilizing the recovery heat fromthe circular cooling water and waste industrial water by using the low temperature heat-recovery hot-pump. It hasbeen proved that hot-pump is really an advanced technology on energy-saving and emission-reduction, which willhelp the enterprises for decreasing the energy cost, achieving energy-saving and emission reduction, implementinglow carbon economy and circular economy and strengthening the enterprises core competitiveness. It will bring boththe good economic benefits and good social benefits for the enterprise.

Key words:water-resource hot-pump; circular cooling water; industrial recovery-heat; cop value　　钢铁冶金过程中产生的大量循环水、废水和废气等低温余热源,此部分余热资源目前尚没有得到有效利用,形成余热资源的浪费。同时,中国北方钢铁企业冬季供暖需要开动高能耗低效率的燃煤小锅炉或者直接耗用高品质的蒸气进行采暖,燃煤费用、维护检修费用和人工成本较高,造成冬夏季蒸气单位耗量差值较大,在用气高峰时,由于蒸气供应困难甚至影响钢铁生产顺行。针对此类问题,本文尝试采用水源热泵技术回收利用低温余热资源,从而替代和淘汰高耗能高污染的燃煤小锅炉,达到节能减排的效果。余热在不同的工序中有着不同的种类和形态,余热的温度水平及数量既影响着余热的数量也影响着余热的质量,所以在余热源水源热泵的热力学分析中,不仅要分析它的数量,还要分析它的质量,这样才能做到合理、全面,也为余热资源的有效利用打下了基础。电能是一种全能,是能量品位最高的能量形式之一,而余热资源一般品位较低[1],两者在能质上有着极大的差别;高品质的蒸气也含有一定的值,直接利用板式换热器供暖后,值全部损失掉了。

    1　钢铁企业低温余(废)热源热泵技术1.1　热泵的工作原理热泵是将低温热源的热量转移到温度高于环境温度物体的机器和设备。其作用同水泵相似,水泵把水从低处提升到高处,从而实现水的由低处向高处流动;热泵同样可把热量从低温传递到高温。因此,热泵实质上是一种热量提升装置,热泵的作用是从周围环境中吸取热量,并把它传递给被加热的对象(温度较高)。

    依据热泵驱动力不同,热泵主要分为压缩式热泵和吸收式热泵。其中压缩式热泵供热工况原理见图1,此工况下,低温热源经过蒸发器,加热蒸发器中工质产生蒸气经压缩机压缩,消耗外功,使工质的温度和压力提高,此时工质温度高于热用户所需温度,让它进入冷凝器向热用户供热而本身被冷凝,然后通过节流阀降压降温进入蒸发器,此时工质温度低于余热源的温度,在蒸发器中吸收外界热量而蒸发。蒸气再回到压缩机继续压缩,完成下一循环,通过热循环热用户源源不断得到热量,实现热泵供热,它的致热系数值将近3·5,也就是消耗1份电能可从低温环境提取2·5份热量,供给用户3·5份热量。

    　　吸收式热泵依据产生工质蒸气热源的不同分为两种形式(如图2所示):第一类是工质蒸气的发生需要消耗部分高质热能;第二类产生工质蒸气的热量是由低品位的余热热源提供。中国在应用中以第一类为主,它由蒸发器、吸收器、发生器、冷凝器以及溶液换热器等设备组成。在蒸发器中,利用近一半的废热使水蒸发,生成的水蒸气进入吸收器被浓工质吸收,吸收时放出的热量返回生产过程重新利用;吸收水蒸气后的稀工质溶液,流经溶液换热器并与浓工质溶液换热后进入发生器;在发生器中利用另一半废热将稀溶液蒸浓,蒸发的水蒸气进入冷凝器冷凝,放出的热量被冷却水带走排向环境;冷凝器流出的凝液及发生器流出的浓工质溶液,分别用泵送回蒸发器和吸收器,进行循环,它的致热系数值一般在2·0左右,即消耗1份蒸气,可从低温热源提取1份热量,供给热用户2份的热量,比应用板式换热器或者气水换热器供暖消耗蒸气量减少一半。

    1·2　钢铁企业低温余热源热泵技术的选择钢铁企业的余热资源中,就形态而言分为固体、气体、液体3种。钢铁企业对于上述3种形态的高温、中温余热资源通过余热直接利用、动力回收等方法已有较好的回收应用。对于低温余热资源而言:固体低温余热资源较难应用;气体低温余热资源近期随着低温余热发电技术的发展亦能得以应用;液体低温余热资源在钢铁企业中应用程度不高,近些年随着热泵技术的发展,可考虑应用热泵技术回收此部分余热资源。但是应根据钢铁企业液体低温余热的特点选取合适的热泵形式。

    钢铁企业的液体低温余热资源主要有:自备电厂循环冷却水、高炉冲渣水、化工余热水、工业循环冷却水、工业污水、轧钢加热炉冷却水等。这部分余热资源数量较多,考虑到余热回收设备不能影响到钢铁企业的正常生产等问题,热泵设备应尽可能工作稳定、控制方便。依据压缩式和吸收式热泵的特点,通过供热原理可知,压缩式热泵较吸收式热泵设备简单,控制便捷,但需要消耗优质的电能,在具备蒸气源的区域采用吸收式蒸气动力热泵投资少,运行费用低,节约蒸气50%,效果显著,可见两种热泵机组各有优缺点,应该结合地区和环境实际,统筹规划,本着技术上可行,经济上合理的原则选择合适的热泵机组加以应用。

    2　余热源热泵的热力学分析

2.1　热力学分析方法热力学分析方法主要有热平衡法和平衡法。

    以热力学第一定律为理论基础的热平衡法,只是简单地从能量守恒的数量关系上去考察余热资源的回收问题,而不考虑能量的品位及其变化[2],掩盖了余热回收利用过程中能量贬值的本质。平衡法以热力学第一和第二两大定律为理论基础[3],是对能量利用和转化过程中的传递、转化、利用和损失等情况进行热力学分析的一种方法[4]。

    应用平衡法,对余热源热泵系统进行节能诊断,分析系统中各主要设备和环节的热力学完善性,找出系统中的薄弱环节。余热源热泵系统的回收主要在余热源中进行,的利用主要在供暖系统中进行。通过平衡计算这些设备进出口各点的值,分析节能的部位,评价用能的合理程度,并与使用传统的热平衡法取得的结果进行比较,可为余热源热泵系统的优化设计与运行提供较为科学的依据。

    2.2　能量平衡分析

余热源水源热泵是以消耗部分高质能(电能、蒸气)为代价致热的。衡量其性能指标的参数是“致热系数”Φ。它是指热用户得到的热量与消耗外功之比。即Φ=QHW,式中:Φ为致热系数;QH为热泵向高温物体供热的功率(kW);W为压缩机消耗的功率(kW)。结合热泵能流图3可知,工作过程高温物体得到的能量由外部热源供给的能量和压缩机输入的能量两部分组成,因此在数值上QH总是大于W(因为QH中包括从低温热源吸收的热量),Φ值也总是大于1。

    2.3　平衡分析

结合的定义知它是指某种形式的能量,在一定环境条件下,通过诸多变化,最终达到与环境处于平衡时,所能作出的最大功。任何热力系统在传递、转换过程产生一部分损失,但总量保持不变。为研究热力系统的利用程度引入效率这一概念,它是指热力系统中,在进行转换过程中,被利用或收益的与被支付或耗费的之比。结合余热源水源热泵的实际过程,其流图见图4。

    　　图中点划线部分表示流,实线部分表示火无流。

    依据图4知,余热源水源热泵耗费的包括两部分,一是压缩机消耗的电能,由于电能是高级能,其能值等于值;另一部分是余热源水源热泵自余热源中吸收热量QL含有部分,考虑到余热源温度TL高于环境温度T0,其值为[5]:EXQ,L=TL-T0TLQL=TL-T0TL(QH-W)(1)余热源水源热泵收益的是提供给热用户的热量QH中所含的值,其值为:EXQ,H=TH-T0THQH(2)依据式(1)、(2),则余热源水源热泵的效率值为: