降低熱網回水溫度的鋼廠余熱回收供暖分析

時國華， 林俊華， 田志敏， 李永紅， 苗 青

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院， 保定 071003； 2.清華大學建筑節(jié)能研究中心， 北京 100084；3.天津大學中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室， 天津 300350； 4.北京熱科能源技術研究有限公司， 北京 100084)

自2000年以來，中國粗鋼產量增長了6.25倍[1]，鋼鐵企業(yè)能耗長期以來居高不下，2018年噸鋼能耗指標高達700 kg[2]，而能源利用率不足50%[3]，大量低品位余熱排放至環(huán)境中，2020年中國鋼鐵行業(yè)低品位余熱量約27.5億GJ[4]。

隨著城鎮(zhèn)化進程不斷推進，中國城鎮(zhèn)供熱能耗需求增加與碳排放控制之間的矛盾日益加劇。2015年，發(fā)改委印發(fā)《余熱暖民工程實施方案》，動員各地回收工業(yè)低品位余熱，替代燃煤鍋爐供暖，從而在滿足供暖需求的同時，達到節(jié)能減排、清潔供暖的效果[5]。

近年來，中外學者對煙氣、循環(huán)冷卻水、乏汽等低品位余熱回收供暖做了大量研究工作。趙璽靈等[6]定量分析了天然氣煙氣余熱回收潛力，指出天然氣煙氣排煙溫度低于露點溫度后，余熱量隨排煙溫度降低呈線性增加，且排煙溫度降低至20 ℃，余熱回收效果較好。時國華等[7]對不同天然氣煙氣余熱回收技術進行了定量比較，結果表明，基于全熱交換的煙氣余熱回收技術可提升9%以上的供熱能力。張群力[8-9]利用噴淋塔直接接觸式換熱方式回收煙氣冷凝余熱，并與助燃空氣加濕相結合，能夠有效提高熱網余熱利用效率和燃氣鍋爐效率。顧煜炯等[10]提出了利用吸收式熱泵與有機朗肯循環(huán)發(fā)電綜合回收循環(huán)冷卻水余熱的方案。Xu等[11]針對傳統(tǒng)吸收式熱泵存在蒸發(fā)溫度低的問題，提出利用雙段吸收式熱泵回收低品位余熱，性能系數可達1.77。Ramirez等[12]將有機朗肯循環(huán)與鋼廠余熱回收相結合，回收電弧爐的高溫煙氣，用于采暖季供蒸汽和非采暖季發(fā)電，每年可減少7 990 t二氧化碳排放。Li等[13]針對乏汽余熱提出了一種基于余熱利用的多熱源梯級供熱系統(tǒng)，通過抽汽和乏汽來實現熱網水的串聯溫升。綜上可知，工業(yè)領域常見余熱載體均有較為成熟的余熱回收技術。

針對鋼廠低品位余熱，缺乏余熱品位和量方面的詳細分析，且余熱回收研究多集中于單一種類余熱。鋼廠低品位余熱種類繁多，涉及多個工藝環(huán)節(jié)，需要從全局角度出發(fā)，遵循能級匹配、梯級利用的原則，綜合、合理、高效地回收各類余熱。付林等[14]指出降低熱網回水溫度有利于回收更多低品位余熱，提高能源利用效率。因此，在分析鋼廠低品位余熱特點的基礎上，基于降低熱網回水溫度的思路，以熱交換方式回收鋼廠低品位余熱，構建余熱回收供暖系統(tǒng)，并以某鋼廠為例，對余熱回收供暖系統(tǒng)進行性能評價和經濟性分析。

1 熱網回水溫度對鋼廠低品位余熱回收的影響

1.1 鋼廠低品位余熱特點

鋼廠低品位余熱主要來源于溫度低于100 ℃的循環(huán)水、低于260 ℃的煙氣以及廠內發(fā)電機組(由鋼廠中高溫余熱產生的蒸汽驅動發(fā)電)乏汽等，低品位余熱種類多。以年產量400萬t的某鋼廠為例，其低品位余熱進行分溫度區(qū)段統(tǒng)計和分析，如圖1所示，鋼廠40 ℃以下的余熱較多(約占64%)，40～100 ℃的余熱次之，100～260 ℃的余熱較少(占6%左右)?？梢姡搹S低品位余熱溫度普遍偏低，若要通過熱網水直接換熱充分回收鋼廠低品位余熱，熱網回水溫度必須低于40 ℃。

圖1 鋼廠分溫度區(qū)間余熱資源情況Fig.1 Waste heat resources in different temperature ranges in a steel plant

1.2 低熱網回水溫度比較分析

由圖2可知，中國北方典型城市供熱一次網回水溫度一般為50 ℃左右。但是，50 ℃以上的余熱約占鋼廠低品位余熱的30%(圖1)，若采用常規(guī)溫度的熱網回水直接換熱回收余熱，忽略換熱損失，則余熱回收率僅為30%，剩余約70%的余熱需要利用熱泵技術回收，這將降低余熱供暖的經濟效益，甚至導致余熱供暖方案經濟不可行。

圖2 北方典型城市供熱一次網回水溫度Fig.2 Primary heating network supply and return water temperature of typical cities in northern China

根據溫度高于一次網回水溫度的余熱量占低品位余熱總量的比例，可得到不同回水溫度下基于直接換熱的鋼廠余熱回收率。不難發(fā)現，通過直接換熱方式，當一次網回水溫度降低至40 ℃時，余熱回收率約為36%；當回水溫度降低至30 ℃時，余熱回收率為50%；理論上當回水溫度降低至20 ℃時就可回收全部余熱，但考慮到充裕的換熱端差，回水溫度降低至15 ℃時，余熱回收率才達到100%。熱網回水溫度越低，較低品位余熱的直接換熱回收量越大，提高余熱回收率，降低余熱回收成本。此外，降低熱網回水溫度，可以拉大熱網供回水溫差，提高熱網供熱能力。因此，降低一次網回水溫度對于回收鋼廠低品位余熱具有重要的意義[15]。

2 基于降低熱網回水溫度的鋼廠低品位余熱回收供暖

2.1 余熱回收流程確定

應用溫度-熱量(T-Q)圖結合夾點法與火積分析的回收余熱方法[16]，針對鋼廠低品位余熱種類繁多、溫度低的特點，提出了降低熱網回水溫度的余熱回收供暖系統(tǒng)(圖3)，以直接換熱的方式回收鋼廠全部低品位余熱。根據鋼廠內部低品位余熱種類和換熱環(huán)節(jié)劃分，該系統(tǒng)由循環(huán)水余熱回收單元、煙氣余熱回收單元和乏汽余熱回收單元組成。具體余熱回收供暖系統(tǒng)流程和構建原則如下。

(1)利用吸收式熱泵或電熱泵降低一次網回水溫度，一次熱網回水降溫釋放的熱量用于加熱二次熱網回水。由于鋼廠缺乏驅動吸收式熱泵的高溫蒸汽(一般已用于廠內發(fā)電機組發(fā)電)，本文中構建的系統(tǒng)采用電熱泵。

(2)循環(huán)水余熱回收單元采用間壁式換熱回收技術。余熱按照梯級加熱的原則回收，但全部以串聯的方式回收鋼廠循環(huán)水余熱難以實現，原因有：①循環(huán)水種類繁多，溫度一般為30～50 ℃，不同來源的循環(huán)水存在溫度區(qū)間重疊的現象；②循環(huán)水余熱分布在鋼廠內不同位置，若以串聯方式回收全廠循環(huán)水余熱，則管路復雜，進而增大管路壓降，并且易受到場地制約；③若采用串聯回收全廠循環(huán)水余熱，熱網水溫度逐級提高，無法有效降低后續(xù)的循環(huán)水溫度，進而不利于相應鋼廠設備或中間產品的散熱，影響鋼廠正常生產。因此，循環(huán)水余熱回收單元內應采用串、并聯相結式。單個工藝中有多個循環(huán)水來源的環(huán)節(jié)(如煉鐵、煉鋼、軋鋼)作為并聯支路，若某支路內存在溫度明顯偏高或偏低的循環(huán)水，應調整該循環(huán)水至其他支路，使得各并聯支路的熱網出水溫度接近，從而減少混水不可逆損失。同時，支路內溫度重疊的循環(huán)水熱源采用并聯方式。單個工藝環(huán)節(jié)中僅有一個循環(huán)水來源的環(huán)節(jié)(如焦化、制氧)，則根據廠內實際位置和循環(huán)水溫度串聯在距離較近的支路內。

(3)煙氣余熱回收單元采用直接接觸式噴淋冷卻+間壁式換熱回收技術。煙氣從下部進入噴淋塔，與噴淋塔內上部噴淋的低溫循環(huán)水直接接觸換熱。噴淋水的初始水溫決定了煙氣被冷卻的極限溫度[17]，一次熱網回水與升溫后的噴淋水通過間壁式換熱實現煙氣余熱的全熱回收。煙氣余熱主要為焦爐煙氣、燒結煙氣、煉鐵熱風爐煙氣、軋鋼加熱爐煙氣以及富余煤氣鍋爐煙氣，由于煙氣余熱位置在廠內較為分散，且各工藝環(huán)節(jié)內煙氣來源較單一，為了降低余熱回收管線的復雜程度，本系統(tǒng)各煙氣余熱采用并聯回收方式。

(4)乏汽余熱回收單元采用高背壓直接換熱方式。為盡可能減小各換熱過程的不可逆損失，根據“梯級加熱”的基本原則，本系統(tǒng)對乏汽余熱采用凝汽器串聯回收的方式。

(5)利用鋼廠內工藝產生的低壓飽和蒸汽(發(fā)電效率較低，一般未利用，且對機組發(fā)電量影響較小，成本可忽略)，從鋼廠蒸汽管網內抽出，并通過尖峰加熱器將回收鋼廠低品位余熱的一次熱網回水加熱至要求的供水溫度。

乏汽參數可通過調節(jié)機組背壓來適應不同的取熱溫度。因此，本系統(tǒng)中循環(huán)水余熱回收單元和煙氣余熱回收單元采用并聯結構，再與乏汽余熱回收單元串聯，實現整個鋼廠低品位余熱資源的梯級利用。

th為低溫熱網回水溫度; th′為一次熱網回水溫度; tr為余熱回收后熱網水溫度; tg為一次熱網供水溫度圖3 基于降低熱網回水溫度的鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)Fig.3 Low-grade waste heat recovery system of steel mill by reducing return water temperature of heating network

2.2 循環(huán)水余熱回收單元內部換熱網絡確定

由2.1節(jié)的分析可知，本文中提出的鋼廠低品位余熱回收系統(tǒng)中僅循環(huán)水余熱回收單元存在串、并聯結合的方式，需要進一步確定其內部換熱網絡。確定循環(huán)水余熱回收單元內部換熱網絡，實質是確定熱網回水與余熱物流的串、并聯結合方式。

對于沒有溫度重疊區(qū)間(即ta

對于存在溫度重疊的循環(huán)水，如圖4( b)所示，余熱物流a、b、c(即ta1

圖4 換熱流程的確定Fig.4 Determination of heat transfer process

2.3 鋼廠低品位余熱回收系統(tǒng)余熱量計算

2.3.1 循環(huán)水余熱回收量

單個循環(huán)水換熱環(huán)節(jié)的余熱回收量為

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

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

(1)

式(1)中：Tin,i、Tout,i分別為第i換熱環(huán)節(jié)熱物流的進、出口溫度， ℃，Tout，i必須達到鋼廠溫度要求；cm為物流的熱容流率，(kJ·h)/ ℃；tin,i、tout,i分別為第i換熱環(huán)節(jié)冷物流(熱網回水)的進出、口溫度， ℃，考慮換熱端差對換熱效率的影響，熱網水出口溫度tout,i設定為比余熱物流進口溫度Tin,i低3 ℃。

2.3.2 煙氣余熱回收量

單個煙氣余熱回收環(huán)節(jié)的余熱回收量為

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

(2)

(3)

式中：vg,j為第j換熱環(huán)節(jié)的煙氣質量流量，kg/h；hg,in,j、hg,out,j分別為第j換熱環(huán)節(jié)煙氣冷卻前、后的焓值，kJ/kg；Etotal為噴淋過程的全熱效率，即噴淋水實際獲得的熱量和噴淋水最大可獲得熱量之間的比值[7]；hc,in,j、hc,out,j分別為噴淋水進、出噴淋塔的焓值，kJ/kg。

在煙氣余熱回收單元，考慮到熱網水的水質要求，不適宜直接采用熱網水噴淋，因而需要引進中間媒介循環(huán)水噴淋。其中，考慮到回收煙氣潛熱以及換熱器換熱端差的影響，規(guī)定噴淋水進入換熱器的溫度比煙氣露點溫度低5 ℃，熱網水出換熱器的溫度與噴淋循環(huán)水的出水溫度有5 ℃的換熱端差。

2.3.3 乏汽余熱回收量

單個乏汽余熱回收環(huán)節(jié)的余熱回收量為

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

(4)

式(4)中：vk為第k環(huán)節(jié)乏汽的質量流量，kg/h；hv,in,k、hv,out,k分別為乏汽冷卻前、后的焓值，kJ/kg。

2.3.4 整個系統(tǒng)余熱回收量

鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)的余熱回收總量為

(5)

式(5)中：Qr為整個系統(tǒng)的單位時間余熱回收量，MW。

2.4 鋼廠低品位余熱回收系統(tǒng)余熱量計算

基于降低熱網回水溫度的鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)中采用低壓飽和蒸汽將熱網水加熱至供水溫度，及采用電熱泵降低一次熱網回水溫度，需要消耗蒸汽和電能。因此，本文中引入等效性能系數(coefficient of performance，COP),即余熱供暖系統(tǒng)的供熱量Qg與余熱供暖系統(tǒng)消耗能量Qh的比值，來評價鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)，即

(6)

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

(7)

式中：COP為性能系數；Qh,v為鋼廠富裕低壓飽和蒸汽的耗能功率，MW；Wh,hp為電熱泵降溫耗能功率，MW；Wh,wp為熱網水輸配的水泵耗能功率，MW。原回水溫度t′h由電熱泵降溫至低溫一次熱網回水th，經過三部分余熱回收單元加熱，溫度升至tr，然后，由鋼廠富裕蒸汽通過尖峰加熱器加熱至熱網供水需求溫度tg，若忽略水泵輸配耗能，則有

(8)

(9)

3 案例分析

以1.1節(jié)中所述年產量400萬t的某鋼廠為例，低品位余熱資源匯總如表1所示。

3.1 基于降低熱網回水溫度的余熱回收換熱網絡確定

根據2.1節(jié)中余熱回收流程確定原則，在熱力站使用電熱泵降低一次熱網回水溫度。余熱源最低溫度為25 ℃，考慮充裕的換熱端差，一次熱網回水設定降低至15 ℃。

對于循環(huán)水余熱回收單元，由表1可見，煉鐵(序號2、3)、煉鋼(序號4、5、6)、軋鋼(序號7、8、9)環(huán)節(jié)的循環(huán)水來源較多，焦化(序號1)與制氧(序號10)循環(huán)水種類單一。根據2.1節(jié)中原則(2)，初步將煉鐵、煉鋼、軋鋼三個環(huán)節(jié)的循環(huán)水余熱回收組成并聯支路。為了使并聯支路的熱網出水溫度較為接近，進一步確定循環(huán)水余熱回收單元內部換熱網絡。對于循環(huán)水種類單一的焦化與制氧環(huán)節(jié)，根據2.1節(jié)中原則(2)，制氧(序號10)并入較近的煉鋼支路。至此，循環(huán)水余熱回收單元的三條并聯支路分別為：并聯支路Ⅰ包含序號1、2、3；并聯支路Ⅱ包含序號7、8、9；并聯支路Ⅲ包含序號4、5、6、10。然而，由表1知，并聯支路I中各來源循環(huán)水溫度較低，并聯支路III各來源循環(huán)水溫度偏高，為了使各并聯支路的熱網出水溫度接近，減少混水損失，根據2.1節(jié)中原則(2)，將溫度最高的煉鋼軟水(序號6)調整至并聯支路I內，與焦化冷卻水、煉鐵軟水、煉鐵凈環(huán)水串聯，實現余熱梯級利用，如圖5所示。

由表1可知，僅并聯支路I內煉鐵軟水(序號2)與煉鐵凈環(huán)水(序號3)存在溫度重疊，但兩余熱物流僅有1 ℃的溫度不重疊區(qū)間，為了簡化換熱流程，因此，不區(qū)分兩余熱物流換熱的高溫段與低溫段。由2.2節(jié)知，循環(huán)水余熱回收單元中，煉鐵軟水和煉鐵凈環(huán)水余熱回收采用并聯方式。其他循環(huán)水均按照夾點法確定的換熱順序加熱熱網水。

表1 某鋼廠分種類低品位余熱資源情況Table 1 Low-grade waste heat resources of a steel plant

對于煙氣余熱回收單元，根據2.1節(jié)中原則(3)，所有煙氣余熱回收采用并聯方式，如圖5所示。根據各煙氣成分，可確定焦爐煙氣、燒結煙氣、熱風爐煙氣、燃煤氣鍋爐煙氣和軋鋼加熱爐煙氣露點溫度分別為58、54、54、46、57 ℃。煙氣采用20 ℃噴淋水噴淋，噴淋水噴淋后的溫度比煙氣露點溫度低5 ℃。一次熱網回水與噴淋水換熱，且有5 ℃換熱端差。對于乏汽余熱回收單元，根據2.1節(jié)中原則(4)，所有乏汽余熱回收采用串聯方式，見圖5。最后，由鋼廠工藝產生的低壓飽和蒸汽將熱網水加熱至供水溫度。

3.2 余熱回收系統(tǒng)的余熱量確定

由表1中各循環(huán)水冷卻前溫度、需求溫度和流量，根據式(1)，可確定循環(huán)水的總余熱回收量為210 MW。

由煙氣溫度、流量、各煙氣成分和露點溫度，利用CoolPack軟件確定煙氣余熱回收前、后焓值，根據式(2)和式(3)確定煙氣的總余熱回收量為171 MW。

由表1中乏汽溫度、乏汽壓力及流量，利用WaterPro軟件，確定乏汽余熱回收前、后的焓值，根據公式(4)確定乏汽的總余熱回收量為287 MW。

經計算，如圖5所示，流量為11 805 t/h的一次熱網回水經電熱泵將熱量傳遞至二次熱網，溫度由原回收溫度45 ℃(t′h)降低至15 ℃(th)后，進入鋼廠，其中，6 711 t/h的一次熱網回水回收循環(huán)水余熱，溫度升至42 ℃，剩余一次熱網回水回收煙氣余熱，溫度升至44 ℃，兩股一次熱網回水混水后，再串聯回收乏汽余熱，溫度升至64 ℃(tr)，最后由鋼廠工藝產生的富裕低壓飽和蒸汽加熱至70 ℃(tg)，以滿足供熱要求。電熱泵的COP為8.5(一次熱網側參數為45/15 ℃，二次熱網側參數為50/40 ℃)，由式(9)可得此工況下，余熱供暖系統(tǒng)等效COP為6.1。

圖5 某鋼廠基于降低熱網回水溫度的余熱回收流程圖Fig.5 Flow chart of waste heat recovery of a steel mill by reducing the temperature of heat network return water

該系統(tǒng)回收668 MW的低品位余熱，低壓飽和蒸的耗能功率為82 MW，同時電熱泵耗能功率為48 MW，因而整個系統(tǒng)的供熱能力為798 MW。

4 經濟效益分析

該系統(tǒng)費用包括投資費用和運行費用。其中，投資費用包括：設備投資費用(噴淋塔、換熱器、水泵、電熱泵等設備投資及相應的安裝費用)和管道投資費用。由鋼廠實際布置情況，系統(tǒng)管道總長度取10 km，其他具體參數取值見表2。運行費用包括：水泵運行費用、電熱泵運行費用及乏汽余熱回收的運行代價費用。水泵和電熱泵運行時間取2 880 h(當地年供暖時間)，假定每一個換熱過程的阻力損失為5 mH2O[15]，管道和閥門的阻力損失為換熱過程阻力損失的50%，水泵效率η取70%。水泵電耗功率為

表2 余熱回收系統(tǒng)初投資估算參數取值Table 2 Reference parameter for initial investment estimation of waste heat recovery systems

(10)

式(10)中：g為當地重力加速度；m為一次熱網水流量，t/h；ΔH為總壓降，mH2O。

乏汽回收需抬高背壓，影響鋼廠內發(fā)電機組單位發(fā)電量的汽耗率，則回收乏汽的運行代價成本Kcost為

Kcost=3.6×106wτKe∑Qv,k

(11)

式(11)中：Kcost為乏汽回收影響的發(fā)電量運行成本，元；w為回收單位乏汽余熱量所影響的發(fā)電量，一般為3.5×10-5kW·h/kJ；τ為當地年供暖時間，h；Ke為電價，元/kW·h。

系統(tǒng)年運行費用Kop為

Kop=1 000(Wh,wp+Wh,hp)τKe+Kcost

(12)

式(12)中：Kop為年運行費用，元；Wh,hp為電熱泵的年耗能功率，由3.3節(jié)可知，Wh,hp=48 MW。

根據式(10)～式(12)可得，年運行費用為15 674萬元，其中，水泵運行費用1 130萬元，電熱泵年運行費用8 294萬元，乏汽回收年運行代價費用6 249萬元。由于余熱熱源成本為零，供熱價格取35元/GJ，由系統(tǒng)供熱量(798 MW)和年供暖時間，可得年供熱收益(Kh)為28 958萬元。該系統(tǒng)經濟性參數如表3所示。

表3 余熱回收技術經濟性Table 3 Economy of waste heat recovery technologies

投資回收期Y為

(13)

式(13)中：Kint、Knet分別為供暖系統(tǒng)初始投資、凈收益。由表2、表3及式(10)～式(13)可知，鋼廠余熱供暖系統(tǒng)Knet=13 284萬元，Kint=54 728萬元，靜態(tài)回收期約為4年，回收期較短，具有良好的經濟性。

5 結論

(1)當僅通過直接換熱回收余熱時，降低熱網回水溫度可以提高鋼廠低品位余熱回收率。當回水溫度降低至15 ℃時，基于直接換熱技術的鋼廠低品位余熱回收率可達100%。

(2)基于降低熱網回水溫度的鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)包含循環(huán)水、煙氣、乏汽三個余熱回收單元，以低溫熱網回水并聯換熱方式回收循環(huán)水、煙氣余熱后再串聯回收乏汽余熱，可實現鋼廠低品位余熱的梯級利用。

(3)針對實例研究的鋼廠，基于降低熱網回水溫度的鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)的余熱回收量達798 MW，系統(tǒng)等效COP可達6.1。

(4)基于降低熱網回水溫度的鋼廠低品位余熱回收供暖系統(tǒng)年凈收益達13 284萬元，用于供暖的靜態(tài)回收期約為4年，經濟效益顯著，具有良好應用前景。