溴化锂吸收式机组在冲渣水余热回收领域的应用

苏盈贺 张红岩 刘明军 陶海臣

摘 要：冲渣水余热提取型溴化锂吸收式机组，主要应用于冶金行业的高炉冲渣水的余热回收领域。该机组利用水的沸点会随着环境压力的降低而降低的特性，通过制造一个负压环境，使高炉冲渣水在该负压环境内发生闪蒸，产生的负压蒸汽作为溴化锂吸收式机组的驱动热源进行制冷和供暖，从而实现冶金行业高炉冲渣水的余热回收。当环境压力降至约19 kPa时，60 ℃以上的高炉冲渣水会达到沸点发生闪蒸，而在该工况下，溶解于水中的各类污染物并不会蒸发汽化，因此闪蒸出的负压蒸汽是清洁的水蒸气，不会对溴化锂吸收式机组造成污染和腐蚀。

关键词：吸收式机组;冲渣水;余热回收;节能减排

0  引言

环境和能源问题已成为制约我国国民经济和社会持续高速发展的主要因素。发展节能环保产业、推动我国工业清洁绿色转型，是实现可持续发展、建设“美丽中国”的重要途径。为此，“中国制造2025”规划了绿色工程，以发展节能环保产业为基础，以工业节能、清洁生产、末端治理、资源循环利用为切入点，重点实施传统制造业绿色改造，推进资源循环利用绿色发展，构建涵盖绿色产品、绿色工厂、绿色园区、绿色供应链的绿色制造体系。

2015年底，国家发改委、住建部制定了《余热暖民工程实施方案》，“到2020年，通过集中回收利用低品位余热资源，替代燃煤供热20亿m2以上，减少供热用原煤5 000万t以上……选择150个示范市（县、区），探索建立余热资源用于供热的经济范式、典型模式……”;2016年9月，余热暖民工程推进大会暨中国工业节能与清洁生产协会余热利用专业委员会成立大会在京召开，积极推进工业余热利用，充分回收利用低品位余热资源用于城镇供热，提高能源利用效率，减少煤炭消耗，改善空气质量。

“十三五”规划将新能源和节能环保产业作为重要发展的战略新兴产业之一，各领域的节能环保工作迅速发展;另一方面，随着国家能源结构的调整及各种可再生能源的发展，电力不再紧张。在这样的发展大背景下，溴化锂吸收式机组的主要应用方向朝着节能环保，特别是各领域的余热回收利用方向发展。今后需要对各领域的余热进行深度挖掘，且需对各领域的工艺进行研究，使余热回收设备既能进行余热回收，又能适应工艺的要求。本文主要对溴化锂吸收式机组在冲渣水余热回收领域的应用进行了分析，希望为溴化锂吸收式机组在余热深度回收利用及节能减排工作上提供参考。

1  市场调研

工业余热主要集中在钢铁、石化、焦化、有色冶金、化工、造纸、建材、水泥、纺织、玻璃、陶瓷等行业（图1），这些工业企业在生产过程中消耗了大量的煤炭资源，均伴随着大量余热的放散。随着能源的日益紧张，节能问题成为当今全球关注的焦点。为缓解能源紧张的局面，国家越来越重视高效回收和利用余热资源。实际上，在许多工业领域存在着大量的难以直接回收利用的余废热资源，如钢铁高炉冲渣水、高炉冷却循环水、有色金属冶炼炉冲渣水、浓酸冷却器及炉体冷却循环水、湿法脱硫的脱硫浆液、湿法除尘的烟气除尘水、焦化湿法熄焦的熄焦水等，这些低温热水虽然蕴含着大量的余热资源，但其中杂质成分复杂，很容易将换热器赌塞或腐蚀，导致无法直接回收利用。

1.1  常规冲渣水工艺流程

常规冲渣水工艺流程图如图2所示。

钢铁企业在高炉炼铁工序中，冲制1 t水渣需消耗新水1～1.2 t，循环用水量约10 t，循环水温约85 ℃，由冲渣水带走的高炉渣的物理热量占炼铁能耗的8%左右。传统的高炉冲渣水处理工艺是将冲渣后的高温冲渣水经过水渣池和沉淀池的简单处理后，进入冷却塔冷却降温到55 ℃左右，降温后的冲渣水再次冲渣。传统的冲渣水循环系统，将热量通过冷却塔排放到外界环境，造成了巨大的余热浪费。

冲渣水特性分析：反复使用的冲渣水中必然会溶解部分硅酸盐，同时溶进了炉渣中含有的多种无机盐和氧化物，形成了饱和状态的硅酸盐类水溶液。

1.2  冲渣水水质成分复杂

高炉冲渣水在冲渣过程中直接接触1 450～1 500 ℃的高炉渣，高炉熔渣与水充分混合，渣水进行热量交换，渣温降至65～90 ℃，水温升高至同等温度。与高温炉渣进行热交换的冲渣水直接进入冲渣水池。冲渣水池通常占地几千平方米，冲渣水池上方热汽腾空，冲渣水温度常年保持在60～85 ℃，这是一个巨大的潜在热能能源。高炉炉渣主要成分为CaO、SiO2、MgO、Al2O3以及少量的Fe2O3，高炉冲渣水同样成分复杂，碳酸钙、硅酸钙、硅酸镁等硅酸盐类的水溶液，由于常年反复利用，已经达到了饱和状态。

1.3  冲渣水水质易结垢、腐蚀

高炉冲渣水富含大量的CO32-、HCO3-、OH-，pH值大于7，略显碱性，冲渣水中含有大量的杂质，极易造成各种换热设备的堵塞结垢和腐蚀。

高炉冲渣水的水质不达标，高悬浮物、高硬度、高电导率，很大程度上限制了冲渣水的余热回收利用，因此，冲渣水有效利用率非常低，既浪费能源，又污染周边环境。如何实现高炉冲渣水的余热回收利用，且实现余热回收资源化利用是节能工作的重点，也是钢铁等冶金行业实施节能减排的重要课题。

2  技术方案

为解决以上问题，采用冲渣水余热提取型溴化锂吸收式机组，通过高效用能系统实现低排放、低能耗，旨在解决高能耗产业节能和再生资源有效利用，其主要应用于钢铁、焦化、石化、建筑等行业领域，以工厂废热水等作为热源，提供舒适性空调或工艺用水，直接将低温余废热资源进行回收并通过制冷、制热进行资源化利用，实现余热制冷和供暖，节约能源。同时，降低了二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物的排放，为企业带来效益的同时，达到节能减排的目的，符合国家的环保导向和政策。

采用的技术方案如下：工业废水余热回收技术的难点在于各类高污染工业废水由于其自身水质特性，在换热过程中由于温度迅速降低，溶解于废水中的各类盐碱类物质由于温度的降低而出现过饱和，必然析出并与废水中的悬浮物及固体污杂物混合后附着在换热壁表面，对换热壁面造成污染、腐蚀甚至堵塞，长时间运行导致换热设备损毁甚至系统瘫痪。成分复杂的工业废水余热回收，必须有效解决换热过程中由于废水杂质在换热壁表面析晶、结垢对换热设备造成的污染、堵塞以及腐蚀问题。因此，最有效的方法是徹底杜绝工业废水与换热壁面直接接触。冲渣水余热提取型溴化锂吸收式机组正是利用水的沸点会随着环境压力的降低而降低的特性，通过制造一个负压环境，使高炉冲渣水在该负压环境内发生闪蒸，产生的负压蒸汽作为溴化锂吸收式机组的驱动热源进行制冷和供暖，从而实现了余废热资源的回收利用。当环境压力降至约19 kPa时，60 ℃以上的高炉冲渣水会达到沸点发生闪蒸，而在该工况下，溶解于水中的各类污染物并不会蒸发汽化，因此闪蒸出的负压蒸汽是清洁的水蒸气，不会对溴化锂吸收式机组造成污染和腐蚀。

3  技术原理

3.1  吸收式制冷机原理

吸收式制冷机是利用水在低压下蒸发压力降低及溴化锂溶液的吸水性实现的，当水蒸发时吸收外界热量实现制冷目的，溴化锂溶液作为吸收剂，主要利用其自身的吸水性保证机组内部维持较低压力，机组主要部件有蒸发器、吸收器、冷凝器、再生器，具体循环原理如图3所示。

溴化锂吸收式机组的主要特点：以各种低品质热能为动力，且可回收利用各种各样的低品质热能;安全环保，机组采用溴化锂溶液为吸收液，水为制冷剂 ;维护保养方便，振动小，噪声低;放置场所要求低，可根据项目改造情况灵活放置;智能化控制，可实现机房无人管理;可根据低品质热能实际情况进行“量身定制”，实现最佳的解决方案。

溴化锂吸收式机组主要分为吸收式制冷机和吸收式热泵，吸收式制冷机主要利用再生器回收60 ℃以上余热，通过蒸发器制取5～30 ℃冷水满足制冷需求;吸收式热泵主要利用蒸发器回收60 ℃以下余热，通过吸收器、冷凝器制取45 ℃以上热水满足供热或工艺需求。溴化锂吸收式机组可回收各种液态和气态载体余热，如水、导热油、烟气、乏汽等。

3.2  冲渣水余热提取型溴化锂吸收式机组的结构组成及工作原理

冲渣水余热提取型溴化锂吸收式机组结构如图4所示。高炉冲渣水进入气液分离装置分离不凝性气体后，进入负压闪发器发生闪蒸，从而将非清洁的冲渣水变为清洁的负压蒸汽，再通过喷射装置进行喷射，作为吸收式机组的驱动热源进行制冷和供暖，从而实现了冶金行业的冲渣水的余热回收。

通过真空泵的运转，将气液分离装置中的不凝性气体排出，使负压闪发器内压力降至约19 kPa，利用水的沸点会随着环境压力降低而降低的特性，使高炉冲渣水进入负压闪发器后发生闪蒸，而在该工况下，溶解于水中的各类污染物并不会蒸发汽化，因此，闪蒸出的负压蒸汽是清洁的水蒸气，不会对溴化锂吸收式机组造成污染和腐蚀。

4  技术创新

（1）负压蒸汽回收技术。增加气液分离装置，将非清洁热源中的不凝性气体有效分离，利用负压闪发器和喷射装置，制造一个负压环境，使高炉冲渣水在该负压环境内发生闪蒸，将非清洁的低温余废热资源转换成清洁的负压蒸汽，作为驱动热源进行制冷和供热，实现资源化利用，节约能源。

1）乏汽物理性质如表1所示。

2）乏汽管道的内径根据乏汽压力和管内流速来确定，如图5所示。乏汽系统、乏汽凝结水系统的设计和管道安装施工需要确保系统密封性，以提高余废热资源转换成清洁的负压蒸汽的效率。

乏汽系统：乏汽系统管道的内表面在安装施工阶段形成的任何锈迹必须在封闭管道前用机械方法清除掉。在机组运行期间，乏汽系统为真空状态，为保持系统一直处于真空状态，乏汽系统虽装有抽真空系统，但在管路设计上应尽可能地减少泄露点，以保证机组换热性能。

乏汽凝结水系统：凝结水管道上应设置止回阀，防止停机时凝结水倒流。外部系统与机组接通前必须清洗干净，否则水、乏汽中的焊渣等杂物进入机组将堵塞传热管，造成机组性能下降，并引起机组传热管冻裂等严重后果。

（2）高效换热技术。采用全新循环流程、新型高效换热管、新型高效换热器、多段吸收蒸发技术（图6），实现余热回收最大化，同时制取更多的冷量，既满足低温热水降温需求，又满足了工厂制冷、制热需求。

（3）先进的真空系统设计。采用真空系统设计方法、部件氦气检漏、系统正压氦气检漏等手段保证系统真空密闭性，系统初期空气及运行中不凝性气体通过高性能真空泵抽出，保证系统压力，且机组采用负压保证及自动抽真空技术（图7），保护机组真空度，保证余热资源高效回收利用。

（4）余热资源化利用技术。通过冷暖转换阀的切换，实现了吸收式机组的冷暖转换，并且通过高效换热技术，实现余热回收最大化，将低温余废热资源进行回收并通过制冷、制热进行资源化利用。

余热回收进行制冷获得5～30 ℃冷水（图8），满足舒适性或工艺性制冷需求。

余热回收进行供热获得45～210 ℃热水（图9），满足供暖或工艺加热需求。

（5）智能化控制技术。采用系统自我诊断技术、多重防结晶安全控制、系统智能控制技术，使机组在运行时自动诊断冷却水污垢状态、吸收液浓度、机组真空度等相关信息进行智能预警，保证机组安全、稳定运行。并配置无线Wi-Fi通信技术、云服务技术、手机APP操作终端、电子邮件推送及微信端推送等前沿科技，保证信息推送的及时性、准确性、安全性，如图10所示。

5  经济可行性分析

通过回收高炉冲渣水余热进行夏季制冷、冬季供暖，如果余热回收不能全部满足制冷或供暖需求，可通过蒸汽冷温水机组进行补充。下面针对某钢厂冲渣水余热回收案例进行经济可行性分析，如图11所示。

（1）冬季供暖节省天然气费用：

改造后可提供供热量3 200 kW，减少冬季锅炉供热负荷，锅炉供热效率0.937，天然气低位热值8 500 kcal/Nm3，年供暖150天，每天运转8 h，天然气价格3.7元/Nm3。

年节省天然气耗量：3 200×860÷0.937÷8 500×150×

8=414 640 Nm3/年。

年节省天然气费用：414 640×3.7=1 534 168元。

（2）夏季制冷節省电费：

改造后可提供制冷量3 000 kW，原电制冷机组COP为5.0，年制冷150天，每天运行8 h，电价0.8元/kWh。

年节省电量：3 000÷5.0×150×8=720 000 kWh。

年节省电费：720 000×0.8=576 000元。

（3）改造后系统增加耗电：

夏季系统耗电：200 kWh，冬季系统耗电：70 kWh;吸收式机组耗电：14 kWh，年耗电量为：（200+14）×150×8+（70+14）×150×8=357 600 kWh。

年增加电费：357 600×0.8=286 080元。

（4）改造后年增加收益 ：1 534 168+576 000-286 080=

1 824 088元/年。

（5）投资回收期：冲渣水余热深度回收利用系统投资包括冲渣水余热提取型冷温水机组、冷水泵、冷却水泵、冲渣水泵、冷却塔、集中控制系统、系统管道、阀门及其管路等，预计500余万元。由此可见，实施改造投资回收期不到3年，具有经济上的可行性。

6  市场前景

河北某钢铁高炉冲渣水余热利用项目，利用4座高炉冲渣水及4座高炉冲渣乏汽的余热，提取冲渣水及冲渣乏汽热量150 MW，实现制冷量110 MW，供暖量100 MW。该项目不但回收了大量的低温余废热资源，实现了夏季制冷、冬季供暖的資源化利用，解决了水资源缺乏问题，而且把原来生产工艺需要冷却和处理掉的废热变废为宝，减少了碳的排放，减轻了大气污染，经济效益和社会效益显著。

在当前“低碳经济”大趋势下，随着能源消费量的大幅增长，节能性产品日益受到关注。而在诸多领域中存在大量的废热水，冲渣水余热提取型溴化锂吸收式机组可以实现低温余热回收资源化利用，充分利用余废热水作为热源，满足建筑制冷及工厂工艺的需求，可以为人类节省更多的能源，符合国家可持续发展的能源政策。换热效率的提升和能源利用率的提高，降低了余废热未被有效利用而直接排放对环境产生的热污染，为用户及社会带来长期的经济效益。该产品符合可持续性发展要求和能源产业的发展方向，迎合了国家的能源发展政策，经济效益和社会效益十分明显（图12）。

目前全社会都非常重视节能减排工作，不论是从国家、地区政策角度，还是从钢铁、石化等企业节约资金角度考虑，余热利用型溴化锂吸收式冷水机组的推广都具有广阔的前景。该产品将广泛应用于钢铁行业冲渣水、石化行业工艺循环水等领域，通过资源化利用，实现余热制冷和供暖，节约能源，为今后节能减排、调整能源结构、创造节约型社会提供了有力支撑。该产品会逐渐成为市场的主流产品，势必为企业创造巨大的经济效益，同时作为节能减排的先锋产品，其将会得到极大的发展空间，市场应用前景广阔。

7  结语

溴化锂吸收式机组可对冲渣水等工艺余热进行回收利用，制冷或制热可满足工艺需求，提高能源利用率，实现节能减排。本文针对溴化锂吸收式机组在冲渣水等余热回收领域的应用进行了分析，希望为今后的溴化锂吸收式机组在余热深度回收利用及节能减排工作上提供参考。

[参考文献]

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[2]  刘明军，葛茂清，卢尚有，等.吸收式热泵在热电厂乏汽余热回收领域的应用[J].流体机械，2013，41（2）：83-87.

[3]  钱士进.我国钢铁冶金余热利用不足现状及对策分析[J].企业技术开发（下半月），2011，30（7）：180-181.

[4]  戴永庆，郑玉清.溴化锂吸收式制冷机[M].北京：国防工业出版社，1980.

[5] 苏盈贺.一种余热回收型溴化锂吸收式冷热水机组：ZL201720740250.8[P].2018-02-09.

收稿日期：2020-04-09

作者简介：苏盈贺（1987—），男，辽宁沈阳人，工程师，主要从事溴化锂吸收式技术和工程应用研究及节能产品（系统）的开发和设计工作。