低品位热能利用助力钢铁企业碳达峰

墙新奇

(新疆八一钢铁股份有限公司能源中心)

全球气候变化的主要特征为气候变暖，气候变暖主要是因为二氧化碳等温室气体浓度增加所致[1]。习近平总书记在第七十五届联合国大会、二十国集团领导人利雅得峰会和气候雄心峰会上，向国际社会作出庄严承诺：中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。宝武集团1月20日宣告的中国宝武碳减排目标：2021年提出低碳冶金路线图，2023年力争实现碳达峰，2025年具备减碳30%工艺技术能力，2035年力争减碳30%，2050年力争实现碳中和。

根据卢昕等人的研究[2]，对于六大高能耗行业中的化学原料及制品、非金属制品、黑色金属加工、有色金属加工四个行业而言，能源技术进步效应对碳排放的抑制作用最为显著，石油加工、电力生产供应两行业的碳减排主要依赖要素替代效应。

低品位热能(或低品位废热、低温热能)总量巨大且可再生，人类利用的热能中有50%最终以低品位废热的形式直接排放[3]。钢铁行业同样如此，大量的低品位热能以废气、热水等形式被排放，钢铁企业废气、热水等品位热能的回收利用潜力巨大[4]。

1 低品位热能回收利用的限制

热水热泵用于供热是钢铁企业最常见的低品位热能利用技术，一般用于冬季的北方地区，将约70℃的高炉冲渣水或30～60℃的循环水经热泵提温后用于供暖[5]。除此之外对低品位热能利用较少。

低品位热能利用的障碍主要是受冷源的制约，使其可利用温度范围受到限制。通常冷源依赖于自然界的空气或水，温度等同于环境温度，采用自然冷却或强制冷却的方法冷凝循环工质，从而使工作循环能够在低能耗的情况下建立；间接的利用地下、深海等环境降低冷源温度的做法在一些场合被采用，但降温作用有限。

2 扩展低品位热能利用的主要方式

拓展钢铁企业低品位热能利用有两个方向:其中方向之一,是通过其它方式提高低品位热能的品质，即提高温度或压力，如利用太阳能蓄热与热泵技术结合，提高低品位热能的温度，用于制冷等方面[6]，适用的钢铁企业地域分布可以更广；另一个方向就是利用品质较低的低品位热能制冷，制造温度低于环境温度的冷源，从而使得品质稍高的低品位热能的可利用温度范围增加，提高低品位热能的利用率[7]。人为直接制造低于环境温度的冷源方法被普遍认为是不可取的，其消耗的高等级能量往往大于对应的低品位热能利用的收益，需要找到全新的途径。

3 低品位热能制冷的新方法[8]

钢铁企业低品位热能温度接近环境温度，如循环冷却水热能，若欲利用转化这类热能需要一种新的循环工质将其热能可利用温度范围放大，液空、液氮等液体工质比较符合这一要求，到环境温度约有200℃的温度范围可以进行利用，另外工质安全、环保、经济、流动性良好。

新的循环能将低品位热能作为主要能量来源，其它高等级能量(如电能)只作为循环辅助能量。

新的循环工质主要通过液体增压获得循环需要的初始动能，避免或减少利用外部能量对气体压缩，从而减少对外部能量的需求。

新的循环能保持冷量平衡，液体工质蒸发做功后还能冷凝，从而保证循环的可持续性。

图1为新的制冷循环T-S示意图，图1中的制冷循环有分为三个子循环，循环工质均为同类物质，如空气或液态空气。

3.1 气动压缩循环子系统

图1左侧是气动压缩循环子系统，图2为该子系统的核心-气动压缩机的结构示意图。

图1中01-02过程为气体增压过程，是为了保持少量的气体循环工质的动能。

图1 新的制冷循环T-S示意图

02-03过程为定压吸热增温过程，增加气体工质的过热度和热能。

07-08过程为液体工质增压过程，为了保持工质的动能。

08-05过程和03-05过程为等压气液混合过程，少量气体工质本身及其作为载体携带的大量热能使液体工质蒸发气化、体积增大。

201上缸进气管；202下缸进气管；203上缸排气管；204下缸排气管；205上缸；206下缸；207上缸气动腔；208下缸气动腔；209上缸气动腔进排气管；210下缸气动腔进排气管；211切换装置进气管；212切换装置排气管；213上缸活塞；214下缸活塞；215缓冲垫；216活塞导轮和气封组件；217中心活塞杆气封；218中隔板；220气动压缩机壳体；221空心活塞杆；12切换装置

05-05’过程相当于工质做功过程；若不做功，气液混合后会到达05’点；图2中的气动腔混合工质的压力高于上缸或下缸中气体的压力，混合工质通过活塞做功从而上或下运动，做功后的混合工质动能和位能减少，焓值降低，做功量对应于h05’-h05，从而保证混合工质的湿度，使混合工质的焓值稳定在h05，以便于后面气液分离后气液比的保持。

05-06过程为气动压缩机气动腔切换过程，非做功腔中的混合工质降压排出，混合工质进入气液分离器分离。05-06为等焓减压过程，h05等于h06。

06-07过程为液体冷凝过程，06-01过程为湿蒸汽汽化过程。

气液分离前后的物质量的组成，混合工质量m，是液体量m1与气体量为m2之和，即m=m1+m2

由式(1)到式(6)进一步说明气动压缩循环子系统的主要过程。

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)为气液分离前后湿蒸汽吸热蒸发为气体、放热冷凝为液体的过程，总能量不变。 式(2)为液体增压过程消耗的功。 式(3)为气体增压过程的功。式(4)为气体增热后能量变化，Q1为02-03过程吸收的热量。式(5)为不做功情况下气液混合前后能量变化。式(6)为气液混合后，因混合工质动能和位能转化做功，Q1’为压缩过程中气动腔吸收的热量，η1为转换效率。

3.2 冷量增益循环子系统

图1右上侧是第二个子循环-冷量增益循环子系统，11-12过程为压缩气体膨胀做功过程，所做的功用于下一子循环。W4为压缩气体膨胀做功,m3为膨胀物质量。

W4=(h11-h12)m3

(7)

Q2=(h13-h12)m3

(8)

W3=(h14-h13)m3

(9)

Q3=(h11-h14)m3

(10)

12-13过程为吸热过程，吸收外部低品位热能同时输出冷量Q2。

13-14过程为增压过程，上个子循环的做功h05-h05’用于气体压缩，压缩期间产生的部分热能被气动腔的湿蒸汽吸收用于做功，压缩过程接近等温压缩。

14-11过程为定压增热过程，用于提高压缩气体的动能，同时输出第二等级的冷量Q3。

3.3 低压补冷循环子系统

图1右下侧是第三个子循环-低压补冷循环子系统，21-22过程近似于等温压缩过程，气体压缩产生的热能被循环冷却水冷却带走，压缩机进出口温度基本一致，共两级压缩，第一集压缩的动力源来自上个子循环的气体膨胀做功，第二级压缩的动力源来自本子循环的气体膨胀做功。该循环的物质量等于上个循环，即m4=m3。

22-23过程和25-21过程为对流换热过程，低压气体温度上升、增压气体温度下降。23-24过程为压缩气体膨胀做功过程，产生冷量Q4用于24-25过程。24-25过程为换热过冷过程，用于补充气动压缩循环子系统损失的冷量Q5，液体增压所需的过冷量Q6，保持整个制冷循环的持续稳定运行。

三个子循环系统相互影响、相互连接，共同组成一个完整的制冷循环。

4 低品位热能的阶梯利用

钢铁企业不同品质的低品位热能普遍存在，除了循环水热能、高炉冲渣水热能外，大量超过100℃的烟气被排放，为了充分有效地利用制冷循环输出的冷量，对品质相对较高的低品位热能阶梯利用会有更好的效果。将热能转化为高等级能量，以便更方便地传输和利用，通常需要蒸汽动力循环的方法，即通过液体泵增压循环工质，通过低品位热能加热气化、通过膨胀机做功。膨胀机做功转化的机械能可直接拖动旋转设备，也可通过发电机转化为电能。

为了充分地利用品质稍高的低品位热能，水和水蒸汽已不再适合作为循环工质，需要重新选择合适的循环工质，丙烷(R290)、二氧化碳(R744)这类自然物质的基本性质见表1，可作为低品位热能利用所需的单物质工质或混合工质[9]。

表1 丙烷(R290)、二氧化碳(R744)基本性质

丙烷(R290)、二氧化碳(R744)作为循环工质，在合适的压力参数情况下，能得到所需要的冷凝温度，可以远低于水蒸气的冷凝温度，在制冷循环的作用下实现冷凝，从而使得低品位热能的可利用温度区间扩大。

图3为制冷剂蒸汽动力循环压焓示意图，是一个发电循环，透平膨胀机带中抽，a-b过程为低压气体工质冷凝过程，温度在0℃以下，在其所需冷量由制冷循环的Q2提供。低压气体工质量m5，中压气体工质量m6，换热效率ξ1。

图3 制冷剂蒸汽动力循环压焓示意图

(ha-hb)m5=Q2ξ1

(11)

b-c过程为低压液体工质增压过程，焓值和温度略有增加。

g-d过程为中压气体工质冷凝过程，温度在20℃以下，其所需冷量由制冷循环的Q3以及c-d换热过程的输出冷量来保证。

(hg-hd)m6=[Q3+(hd-hc)]ξ1

(12)

d-e过程为中压液体工质增压过程，焓值和温度略有增加。e-f过程为高压液体工质换热增温过程，吸收低品位热能后蒸发、过热。f-g过程为中压膨胀做功过程，g点为中抽出口；f-a过程为低压膨胀做功过程，a点为末级乏气出口。总做功为W4。

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

(13)

钢铁企业不同品质的低品位热能的总量是不同的，相对而言，接近环境温度的低品位热能的存量要大，高于环境温度的低品位热能的存量较少。制冷循环产生的冷量主要通过显热的方式体现，相对较少；而发电循环的制冷剂冷凝过程主要通过潜热的方式体现，相对较多。两个循环所需的低品位热能的量需要匹配，循环量也需要匹配，制冷循环的单位时间循环量要大于发电循环，即m3>m5。

发电循环两级膨胀，冷量阶梯利用，两者的温度差和膨胀量也需要匹配，即m5>m6。

制冷循环的低品位热能的可利用温度区间和发电循环的可利用温度区间不同，前者相对固定，约在200℃；后者受冷源和热源的影响较大，在热源温度较高的场合，吸收的热能温度较高，膨胀机可以增加一级中抽，制冷剂循环工质可通过循环冷却水冷凝。

5 结束语

新的制冷循环有多个子循环组成，结构比较复杂，实现的难度很大，需要进一步精简和优化，单循环、自压缩的结构形式将是下一步利用低品位热能的制冷系统研究的方向；立式气动压缩机改为卧式压缩机，减少驱动腔的截面积，实现小型化，也是下一步要重点考虑的方面。

钢铁企业对制冷的需求同样较大，尤其在夏季，生产过程中如制氧的冷冻水、焦炉煤气处理等；电子设备等需要降温；改善工作环境的，如工作室空调降温等。利用低品位热能的制冷循环存在的意义远大于用于发电等。

随着碳达峰限期的临近，需要充分重视我们周围存在的各种潜力和机会，利用深冷技术将接近甚至低于环境温度的低品位热能的可用性挖掘出来，具有现实意义，可助推碳达峰的早日实现。