劉晨

摘要： 本文介紹蒸汽噴射式制冷機和熱泵，探討其在鋼鐵行業余熱回收中的應用。

關鍵詞：蒸汽噴射，真空制冷，余熱回收

概述

在基于空氣吸熱的前提下，余熱回收的最終溫度都高于環境空氣溫度，基于人工制冷則可以回收到15°C，甚至更低，實現極限回收。目前人工制冷常用電壓縮式熱泵，但耗電量大限制了其利用，低壓蒸汽吸收式熱泵，用電少，但制冷溫度高、效率低、維修難，本文介紹一種蒸汽噴射式制冷機、熱泵，能達到電制冷的低溫，同時解決了吸收式熱泵的問題。

1、 蒸汽噴射式制冷機、熱泵介紹

1.1、技術原理

蒸汽噴射式制冷的原理如圖1所示，在一個密閉罐內，水的蒸發溫度與蒸發壓力一一對應，將罐內的飽和水蒸汽抽出降低罐內飽和蒸汽壓力，假射罐體是絕熱的，抽出蒸汽帶走的熱量就只能通過水的蒸發實現，等量水蒸發的吸熱量是10°C溫差水吸熱量的超過50倍，比如100kg水理論上只需抽出1.66kg水蒸汽，就能從20°C冷卻到10°C，罐內絕對壓力需維持在1.23kPa，如果需要進一步冷卻到5°C，需要維持罐內壓力需要維持在0.89kPa，真空制冷出水溫度不再受環境空氣溫度制約。

圖1 蒸汽噴射式制冷原理

蒸汽噴射式制冷系統參考圖2，低壓動力蒸汽進入蒸汽噴射器，出口達到1250-1500m/s的速度，利用柏努力效應產生負壓真空，將閃蒸器內抽為真空狀態，低壓低溫冷蒸汽被抽出，與動力蒸汽混合升壓后，混合蒸汽冷凝為水，完成循環水的制冷過程，完成了循環水熱量的轉移。

圖2 蒸汽噴射式制冷/熱泵系統

1.2、技術特點

與電壓縮式和吸收式制冷/熱泵都需要制冷劑不同，蒸汽噴射真空制冷機/熱泵，只采用水相變制冷制熱，特別適合夏季余熱、太陽能用途少的難題，具有顯著的特點：

1.2.1與循環水冷卻/空氣冷卻比較：循環水冷卻、空氣冷卻的溫差一般只有5-20°C，循環水泵、風機電耗高，余熱難以利用，而蒸汽噴射制冷與熱泵可以制最低至0°C冷水，放熱側可以升溫到130°C，實現100°C以上大溫差冷卻，能大幅減少循環水泵、風機電耗，便于回收低溫余熱，冷熱雙用。

1.2.2 與溴化鋰吸收式制冷/熱泵比較：溴化鋰吸收式制冷/熱泵也利用低壓飽和蒸汽，能大量制冷制熱，在低溫余熱回收供暖方面得到了大量應用。不同的是，低壓蒸汽噴射制冷/熱泵只用水、不用溴化鋰，系統大為簡化，設備操作維護都簡單，制冷、制熱效果永不衰減。

1.2.3 與壓縮制冷/熱泵比較：蒸汽噴射式制冷/熱泵用電量極少，能大量制冷制熱，操作維護容易。

幾種不同制冷/熱泵技術特點的比較見表1。

表1 幾種不同制冷與熱泵技術的對比

1.3 技術回顧

1901年蒸汽噴射制冷技術研究成功，直到1920年才投入工業應用。我國于1958年引進了蒸汽噴射式制冷機，但一直不能用。在我國科技人員的研究攻關下，蒸汽噴射制冷技術研發解決了存在的問題，性能顯著提高，與溴化鋰制冷機/熱泵比有顯著優勢。蒸汽噴射制冷機已經分別在鞍鋼化工、凌鋼焦化、江西萍鋼焦化、天津化工等企業應用。利用蒸汽噴射器抽取真空，首先能制取0-16°C的工業生活用冷水，在低壓蒸汽來源充足、價格低，特別是利用廢熱的條件下，比其它制冷方法更經濟。此外，還可以替代機械真空泵，用于真空蒸餾、真空除臭、真空蒸發、真空結晶、真空干燥等，用于更多應用。

1980年代，我國引進了溴化鋰制冷技術，對蒸汽制冷技術應用產生了一定沖擊。如今隨著熱水制蒸汽技術的不斷成熟完善，在夏季余熱和太陽能熱用途少的形勢下，蒸汽噴射式制冷/熱泵迎來了新的發展機遇。

1.4 主要應用場景

蒸噴射制冷機已經實現國產化，在焦化、化工、工廠操作室空調降溫等許多領域得到了應用，特別適合夏季熱多、大量需冷的各種應用。在蒸汽噴射制冷基礎上，研制蒸汽噴射式熱泵，實現冷熱雙供，可重點關注開發以下應用場景。

1.4.1 替代循環水和空氣冷卻

替代循環水、環境空氣冷卻是最大的潛在應用，各種循環水、環境空氣冷卻、直冷都是把余熱排入大氣或河海，特別是開式循環水冷卻，不僅浪費余熱，還把一定量循環水變為水蒸汽排入大氣，造成余熱和水資源的雙重浪費，不僅導致能源利用率低下，還產生大氣霧霾。采用蒸汽噴射制冷機/熱泵，實現大溫差循環，不僅節水、節電，利于余熱回收，冬季供熱、夏季供冷、四季生活熱水、工業冷卻和原料烘干，提高能源利用效率，減少水資源浪費。

1.4.2煙氣、廢蒸汽冷凝收水和余熱回收

煙氣濕法脫硫等許多低溫工業煙尾氣都含有水蒸汽和低溫潛熱，都在合法排放，低溫煙氣的余熱回收利用一直是世界性難題，主要難以實現經濟性。近年來，我國通過直接噴淋冷凝將低溫煙氣余熱洗滌進入循環水，再在循環水系統通過溴化鋰熱泵回收余熱，已經在北方供暖領域得到廣泛應用。采用大溫差蒸汽噴射式熱泵可以減少設備和工程造價，極限回收利用余熱，降低回收成本。

1.4.3 南方供暖空調

為了提高生活品質，南方需要供暖；南方空調目前能源主要都是用電，成本高。采用大溫差蒸汽噴射式熱泵供熱供冷，并與余熱回收、中高溫太陽能、生物質耦合應用，實現一個小區、一棟樓、甚至一處獨立的民居，分散式供暖，改造量少、投資省、容易實施，夏天倒過來供冷，四季提供生活熱水，并協同開發溫泉、游泳、蓄冷蓄冰，原有供暖空調設備保留備用，這有助于降低南方夏季用電高峰電力供應不足難題。

2、蒸汽噴射式制冷機熱泵在鋼鐵余熱回收中的應用

2.1、鋼鐵余熱資源狀況

    2024年我國長流程鋼鐵生產噸鋼綜合能耗550kgce/t，能源利用率不到40%，浪費的能源主要是通過余熱排放的，包括間隙性余熱和低溫余熱，按此估算，煤年余熱資源量3.3億噸標準煤，折合碳排放近9億噸，接近行業碳排放總量的一半。鋼鐵余熱回收狀況是，廢氣采用干法排氣溫度~130°C、濕法處理排氣溫度~50°C，循環水和固體余熱回收率很低。

2.2、鋼鐵余熱回收技術的研發方向

最新的案例證明，氣體的余熱已經回收到15°C，在北方還應回收到更低溫度，因為跟冬季寒冷期的空氣能相比，15°C煙氣是優質熱源。

鋼鐵余熱回收技術開發的總體思路如下：

1) 高溫熔渣、鋼坯、鋼材等固體余熱，宜采用氣體或噴水冷卻，再通過高溫氣體、或循環水回收余熱

2) 由于換熱器防腐蝕技術的進步，采用間壁式換熱器氣體余熱可以回收到飽和溫度，以提高回收余熱的品位，便于直接利用，減少熱泵的負荷和能耗

3) 飽和后氣體優選直接噴淋換熱，或選擇混合式換熱，因為氣體系統增加間壁式換熱器增加阻損導致風機電耗增加，會部分、甚至全部抵消余熱回收的效果

4) 余熱回收到15°C須有更低溫度的吸熱冷源，因此制冷制冰是必須有的

5) 為解決間隙性余熱回收，也為解決余熱產生和利用之間的不均衡，必須建設大容量長時儲能

以燃煤煙氣為例，氣體余熱回收技術的現狀和開發方向參考圖3所示。

圖3 氣體余熱回收利用技術的現狀與開發方向

2.3、鋼鐵余熱的再利用用途研發

開發余熱再利用用途、提高利用效益是一個更重要的問題。在國家法改、住建等部門的領導下，經過清華大學建筑節能中心的持續研究和相關企業多年的努力，余熱用于鍋爐暖風、原水/回水預熱、余熱供暖都積累了豐富經驗。

進一步開發新用途可以關注開發以下用途。

（1）原料預熱、防凍、解凍和脫水：北方企業原料、煤炭入場時會凍結，溫度也低，南方企業原料、煤炭入場則容易帶水，借鑒商場、機場等大空間成熟的技術如地面輻射、屋頂輻射、暖風盤等，使封閉原料場、煤場環境溫度維持在20°C以上，預熱、解凍、防凍、除水，有效益，也容易實施。

（2）溫泉、游泳池、水景觀：在企業院內或附近地面、地下、高空，建設40°C溫泉、28°C游泳池、15°C以下冷水魚池等大容量人工河湖水景觀，與跨季儲能相結合，淘汰循環水冷卻塔、空冷島、直流冷卻，改變余熱散熱方向，禁止向大氣排放，隔斷煙氣余熱、水份、殘余污染物排入大氣層。

（3）用于農林牧漁業：一方面要擺脫傳統農業的低效和對轉基因種子、農藥、化肥的依賴，發展溫室、多層設施農業，降低種植養殖供暖空調費，特別是北方，另一方面我國鋼鐵等傳統行業低溫余熱資源量巨大，企業自用、供暖都用不了或沒效益，可與農林牧漁業供暖的需求對接應用，實現低成本回收和高附加值利用。

（4）冷熱聯用：組合采用蒸汽噴射式制冷機、熱泵/MVR增壓，同步實現低溫余熱制冷制冰、高溫熱水或蒸汽，開發滑雪滑冰，配合建設大容量蓄水儲能，實現冷熱聯用，解決采暖季余熱利用需求不足和非采暖季余熱用途少等問題。

（5）余熱發電：余熱回收與ORC發電、液氮/液體CO₂/干冰、壓縮空氣儲能、膨脹制冷等利用組合，實現低溫余熱發電和制冷、制冰、蓄冷，低成本解決余熱源和用戶之間的長輸和不平衡問題。

3、主要工序的余熱回收改造方案

本著先易后難的思路，本文順序推介以下幾個工序的余熱回收改造，供用戶選擇改造項目時參考。

3.1、轉爐煤氣余熱回收改造方案

轉爐煤氣汽化煙道出口1000°C以下的余熱，包鋼、西鋼120噸轉爐均已在回收，設備正常運行，應借鑒成功經驗解決存在問題加速推廣。

做為過渡方案，可選圖4所示方案回收熱水，熱水閃蒸制蒸汽，轉爐工序能達到標桿能耗，并且除塵超低、排煙四季無白、節電、節水、煤氣脫水熱值提高、煤氣管道再無腐蝕……。另外，煤氣冷凝脫水徹底阻斷了污染物轉移排放，蒸發冷卻可以處理焦化廢水、濃鹽水等難處理廢水，效益顯著。本方案也是余熱回收的兜底方案，還具備替代電除塵器、文氏管濕法除塵節能的條件。

河北唐山遷安、寧波等轉爐用戶已經有可供參考的業績。

圖4 轉爐煤氣低溫余熱回收改造方案

3.2 高爐渣余熱回收改造方案

    國內外大量采用的高爐水沖渣系統，生產線長、分散，蒸汽回收難，選擇圖5所示全密閉干法?；桨父脑?，底部出干渣，或回水渣池，高溫蒸汽余熱回收，余熱回收節水的同時實現清潔生產，同步處理焦化廢水、濃鹽水等難處理廢水。轉爐渣、電爐渣等其它高溫熔渣都可以參照改造。

圖5 高溫熔渣干法?；酂峄厥辗桨?/p>

3.3 燒結煙氣脫硫和余熱回收一體化改造方案

     燒結大煙道煙氣采用如圖6所示的脫硫余熱回收一體化改造，不再產生脫硫廢水、脫硫石膏，脫硫節電80%、風機節電~30%，效益顯著，改造量少風險小。

圖6 燒結大煙道煙氣脫硫余熱回收一體化改造方案

豎爐/回轉窯煙氣、焦化煙道氣、煤氣發電、熱風爐煙氣等脫硫都可以參考采用，余熱回收、超低排放，同步降低脫硫成本。

4、問題探討

后超低排放需要特別關注總量減排、水蒸汽回收和低成本碳中和，分別探討如下。

4.1 總量減排：根據東北大學、中國環境科學院的研究，我國鋼鐵噸鋼排廢氣43.5t/t，減排50%年減排總量就超過200億噸，鋼鐵企業不再需要因環境容量停限搬淘汰，超低排放、創A、新污染物控制成本降低，甚至有效益，表1是適合進行循環利用總量減排的工序。

表1 鋼鐵企業廢氣減排總量的部分工序

4.2 水蒸汽回收：我國鋼鐵年排水蒸汽總量~20億噸，80%是循環水冷卻塔排放的。通過余熱極限回收，同步回收水蒸汽，不僅節能、節水，還減少溫室氣體的排放量。減少水蒸汽排放也一定會對減少霧霾起到積極作用。

4.3 跨季長時大容量儲能：我國余熱回收利用一直主要關注熱利用，對于冷能源關注不夠，比如空氣能熱泵，到零下二三十度的冷空氣中取熱，花費大量人力物力研究空氣換熱側除霜。通過建設跨季長時大容量儲能設施，首先解決巨量余熱非采暖季的利用，優先選擇自然冷熱源的利用，冬季利用大自然的冷能主動制冷制冰、夏季回收余熱和太陽能的熱能源，通過跨季儲能，力爭實現冬季采暖、夏季空調、四季生活熱水減量、甚至不用化石能源，使人類的生活更加健康舒適，實現人與自然和諧共生。建設抽水儲能設施還可以消納利用鋼渣等固廢。

結論與建議

1) 鋼企節能改造，預計可以減少碳排放9億噸，必須充分重視

2) 余熱極限回收需要突破技術，比如直接噴淋換熱、余熱制冷制冰/制蒸汽、跨季長時儲能

3) 通過余熱回收再利用改造，預計噸鋼成本可降低100元以上，改造有效益為采用節能服務租賃創造了條件，可以緩解企業改造資金緊張

 主要參考資料

[1] 蔡九菊，節約空氣資料，減少廢氣排放，改善大氣質量培訓班演講，2024年7月3日

[2] 王新東 干勇 蒼大強，鋼鐵工業綠色制造節能減排技術進展，冶金工業出版社，2020年

[3] 張建良，焦克新，王振陽，煉鐵過程節能減排技術，冶金工業出版社，2020年

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[6] 酈秀萍等，鋼鐵制造過程中碳素流運行與碳減排途徑，冶金工業出版社，2020

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[8] 寶鋼環保技術（續篇），冶金部寶鋼環保技術（續篇）編委會，2000年

[9] 付東，王樂萌，齊立強，李旭，張盼，李晶欣，碳循環與碳減排, 北京冶金工業出版社，2022年

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[11]  蒸汽噴射式制冷機資料，遼寧光遠工程有限公司