低品位余热资源利用研究

摘要：韶关冶炼厂热风炉烟气的余热尚未回收利用，经测定其余热资源总量为1878kW，温度平均280℃，为二类余热资源。如果应用溴化锂吸收式制冷技术，可利用热风炉烟气余热资源制取冷冻水，用于工艺冷却，如鼓风炉空气脱湿。经测算仅降低焦比和增加喷煤量两方面，韶关冶炼厂鼓风炉空气脱湿产生的经济效益每年就可达1500万元左右。

关键词：溴化锂制冷；热风炉；余热；空气脱湿

1 引言

韶关冶炼厂有大量的余热资源未回收利用，其中最主要的原因是余热资源的温度低、品质差、资源分散，回收起来有难度、投资大。如何经济有效的利用这部分余热资源是降低企业生产成分和实现节能减排目标的关键。韶关冶炼厂采用的ISP熔炼工艺，鼓风炉熔炼铅锌混合矿，一座密闭鼓风炉配三座热风炉，热风炉排烟直接进入烟囱，温度200~300℃，烟气温度虽然不高，但烟气量大，如果能将这部分余热资源就地利用起来，是非常有意义的事情，所以需要测定余热资源总量，并研究如何经济地加以利用。

2 热风炉余热资源的测定

针对热风炉余热资源利用问题，中南大学与韶关冶炼厂对其余热资源量进行了测试。

测试地点：热风炉总烟道。

测试装备：抽气热电偶、TH-880F微电脑烟尘平行采样仪、奥氏气体分析仪、S毕托管、干湿球温度计、微压计等。

测量参数：烟气温度，煤气累计消耗量，烟气成分，煤气成份，干湿球温度等。

当日，热风炉只使用了鼓风炉煤气，表中煤气都是指鼓风炉煤气。热风炉余热资源测试数据见表1~表4。

表1 热风炉烟气温度表

时间 10:55 11:30 12:20 13:00 平均

温度/℃ 260 241 295 325 280

表2 累计煤气消耗量表

时间 煤气支管累计消耗量/m3

1#热风炉 2#热风炉 3#热风炉 合计

09:40 4287502 96466640 7761868 108516010

14:40 4331463 96500584 7817761 108649808

差值 43961 33944 55893 133798

表3 煤气取样分析成份表（/%）

煤气成分 CO2 O2 CO H2 CH4 N2 Q/kJ・m-3

1 11.6 1.4 22.0 2.7 0.6 61.7 3425

2 12.0 0.2 22.8 2.1 0.4 62.5 3289

平均 11.8 0.8 22.4 2.4 0.5 62.1 3357

表4 热风炉总烟道烟气成分表（/%）

烟气样品 CO2 O2 CO

1 11.2 2.8 1.0

2 11.8 2.4 0.6

3 22.0 2.8 0

4 21.6 3.0 0

5 21.0 3.2 0.4

6 20.2 3.2 0

7 20.8 4.2 0

8 20.4 3.4 0.6

9 21.2 3.8 0

10 20.8 3.4 0

11 20.8 3.0 0

12 20.0 3.2 0

3 热风炉烟气余热资源数据分析计算

煤气干成份为（%）：CO2=11.8，O2=0.8，CO=22.4，H2=2.4，CH4=0.5，N2=62.1，煤气温度30℃，查表得H2O湿=4.18。

则煤气湿成分为（%）：CO2湿=11.31，O2湿=0.77，CO湿=21.46，H2湿=2.30，CH4湿=0.48，N2湿=59.50，H2O湿=4.18。

理论氧气需要量L0O2：

理论空气需要量L0：

L0=4.76L0O2=0.5745(m3/m3)

理论烟气中CO2体积VCO2：

理论烟气中H2O体积VH2O：

理论烟气中N2体积VN2：

理论烟气体积V0：

V0=VCO2+VH2O+VN2=1.4558(m3/m3)

理论干烟气体积V0干：

V0干=VCO2+VN2=1.3814(m3/m3)

燃料特性系数RO2’大：

RO2’大=100×VRO2/V0干=24.07

燃料特性系数β：

β=21/RO2’大－1=－0.1275

燃料特性系数K：

K=L0O2/VRO2=0.3630

将烟气成分分析结果代入气体分析方程：

(1+β)RO2’+(0.605+β)CO’+O2’=21

验证烟气分析的准确性，见表5。

表5 烟气分析准确性验证表

样品 CO2’ O2’ CO’ 分析方程值 分析误差/%

1 11.2 2.8 1.0 13.05 -60.9

2 11.8 2.4 0.6 12.98 -61.8

3 22.0 2.8 0 22.00 4.5

4 21.6 3.0 0 21.85 3.9

5 21.0 3.2 0.4 21.71 3.3

6 20.2 3.2 0 20.82 -0.8

7 20.8 4.2 0 22.35 6.0

8 20.4 3.4 0.6 21.49 2.3

9 21.2 3.8 0 22.30 5.8

10 20.8 3.4 0 21.55 2.5

11 20.8 3.0 0 21.15 0.7

12 20.0 3.2 0 20.65 -1.7

因此3、4、5、6、8、10、11、12号样品烟气成分分析结果可用，干烟气平均成分（%）：

CO2’=20.85，O2’=3.15，CO’=0.13，N2’=75.87

氧平衡计算空气消耗系数：

氮平衡计算空气消耗系数：

二者基本吻合，分析可靠。故平均空气消耗系数：n=1.42。

完全燃烧干烟气的体积Vn干：

因为n>1，实际由于不完全燃烧干烟气体积(Vn干)不：

(Vn干)不=Vn干×100/(100－0.5CO’)=1.624(m3/m3)

实际烟气中H2O体积VH2O=0.0886(m3/m3)

实际烟气体积为(Vn)不：

(Vn)不=VH2O+(Vn干)不=1.713(m3/m3)

实际烟气湿成分（%）：

CO2’湿=19.77，O2’湿=2.99，CO’湿=0.12，N2’湿=71.95，H2O’湿=5.17

根据煤气支管累计煤气消耗量计算，三台热风炉总煤气流量应为26760m3/h。根据煤气流量26760m3/h计算，标准状态下烟气流量为45840m3/h。

根据国标GB/T1028－2000规定，此余热资源属于二类余热资源，应尽快回收利用。按照余热载体下限温度180℃计算热风炉烟气余热资源总量（忽略烟气中CO的化学热）。

Q=45840×147.25/3600

=1878 (kW)= 161.5×104 (kcal/h)

4 热风炉余热利用方案研究与经济性分析

韶关冶炼厂有多个关键工艺需要降温，需要制冷。根据冶炼厂实际情况，目前利用低品位余热资源制冷的方法最成熟可靠的是溴化锂吸收式制冷，溴化锂吸收式制冷机有以下优点[1]-[7]：

1)利用热能为动力，不但能源利用范围广，而且具有两个重要特点：一利用低势热能，使用溴化锂吸收式技术可以节约能耗；二以热能为动力，溴化锂吸收式制冷机比利用电能为动力的压缩式制冷机可以明显节约电耗，以一台3500kW的制冷机组为例，压缩式制冷机耗电约900kW，而溴化锂吸收式制冷机仅耗电10kW。

2)整个机组除功率较小的屏蔽泵外，无其他运动部件，运转安静，噪声值仅75~80分贝。

3)以溴化锂溶液为工质，无臭、无毒，有利于满足环保要求。

4)制冷机在真空状态下运行，无高压爆炸危险，安全可靠。

5)制冷调节范围广，在20%~100%的负荷内可进行制冷量的无级调节。

6)对外界环境变化的适应性强，可在加热蒸汽压力0.2~0.8MPa，冷却水温度20~35℃，冷媒水出水温度5~15℃的范围内稳定运转。

7)安装基础要求低，无需特殊的基座，可安装在室内或室外，甚至在地下室或屋顶上。

溴化锂制冷机组分为：单效机组，COP为0.65~0.7，热源温度范围为85~150℃；双效机组，COP为1.0~1.2，热源温度范围为150~180℃；三效机组，COP为1.67~1.72，热源温度范围为200~230℃；四效机组，COP为1.93~2.0，热源温度范围为250~280℃。

市场上成熟产品大多为双效机组，取双效溴化锂机组COP=1.2，制冷量将达到为2254kW(即194×104kcal/h)。按照每千瓦制冷量0.15万元计算，而双效机组（制冷量2254kW）设备投资338万元。

溴化锂制冷产生7℃的冷冻水现场可以直接用于鼓风炉空气脱湿。通过对鼓风炉空气的脱湿可以得到15℃饱和水蒸汽含量为13.7g/m3的空气，比原含湿量27.2g/m3（韶关地区空气湿度）减少了13.5g/m3。最显著的经济效益体现在降低焦比和增加喷煤量两方面[8]-[9]，下面就这两项所产生的经济效益做粗略的估算：

1)空气含湿每减少1g/m3的水，可降低焦比0.8~1.0kg/t，韶关冶炼厂每年的铅锌年产量为35万吨，通过脱湿减少了13.5g/m3的水，按每吨焦炭价格1800元/吨来计算，产生的效益约为：

13.5×350000t/年×（0.8~1.0）kg/t×1.8元/kg

=680.4～850.5万元/年

2)空气含湿每减少1g/m3的水，可提高风口理论燃烧温度5~6℃，这样可以多喷1.5~2.0kg/t的煤粉。由于煤粉的价格比焦炭的价格低1000元/吨，这样产生的经济效益也很可观。

13.5×350000t/年×（1.5~2.0）kg/t×1元/kg

=708.7～945万元/年

仅此上面两项所产生的经济效益每年就可达到1500万左右。

通过以上的分析计算，可以看出鼓风炉烟气利用的潜力非常大，如果能够充分利用不仅可以节约能源，降低单位产品的耗能量，而且可以带来可观的经济效益。从长远发展来看，将会降低环境污染，解决国家发展中的能源紧张问题。根据韶冶实际，利用现成溴化锂吸收式制冷，方案成熟，使用经验丰富，风险小，马上就能产生可观的经济效益。

5 结论

根据本研究得出如下结论：

1）热风炉烟气余热资源为二类余热资源，总量为1878kW，即161.5×104kcal/h，测试分析正确。

2）利用热风炉烟气余热资源制冷可以采用溴化锂吸收式制冷技术。将产生的冷冻水用于工艺冷却，如鼓风炉空气脱湿。

3）密闭鼓风炉空风脱湿节能技术，具有很高的推广应用价值，仅降低焦比和增加喷煤量两方面，为韶关冶炼厂产生的经济效益每年就可达到1500万左右。

REFERENCE

[1]戴永庆. 溴化锂吸收式制冷技术及应用[M]. 北京: 机械工业出版杜, 2001 .

[2]韩宝琦, 李树林. 制冷空调原理及应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002.

[3]吴玉清, 吴进发, 耿慧彬. 两效溴化锂吸收式制冷机及应用[M]. 北京:机械工业出版社，1994,4.

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[8]陈滢, 朱玉群. 低温热源驱动的单效/双级吸收式制冷循环[J]. 太阳能学报, 2002, 2.

[9]杨猛. 钢铁企业余热吸收制冷[J]. 节能,2009, (9)

资助项目：国家高技术研究发展计划(863 计划)（项目编号2009AA064603）

作者介绍：刁小东（1969~），男，汉族，广东兴宁人，大学本科，工程师。主要从事供热通风、空气调节及给排水工程设计、技术研究及管理工作。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。