刘晨

摘要： 本文介绍蒸汽喷射式制冷机和热泵，探讨其在钢铁行业余热回收中的应用。

关键词：蒸汽喷射，真空制冷，余热回收

概述

在基于空气吸热的前提下，余热回收的最终温度都高于环境空气温度，基于人工制冷则可以回收到15°C，甚至更低，实现极限回收。目前人工制冷常用电压缩式热泵，但耗电量大限制了其利用，低压蒸汽吸收式热泵，用电少，但制冷温度高、效率低、维修难，本文介绍一种蒸汽喷射式制冷机、热泵，能达到电制冷的低温，同时解决了吸收式热泵的问题。

1、 蒸汽喷射式制冷机、热泵介绍

1.1、技术原理

蒸汽喷射式制冷的原理如图1所示，在一个密闭罐内，水的蒸发温度与蒸发压力一一对应，将罐内的饱和水蒸汽抽出降低罐内饱和蒸汽压力，假射罐体是绝热的，抽出蒸汽带走的热量就只能通过水的蒸发实现，等量水蒸发的吸热量是10°C温差水吸热量的超过50倍，比如100kg水理论上只需抽出1.66kg水蒸汽，就能从20°C冷却到10°C，罐内绝对压力需维持在1.23kPa，如果需要进一步冷却到5°C，需要维持罐内压力需要维持在0.89kPa，真空制冷出水温度不再受环境空气温度制约。

图1 蒸汽喷射式制冷原理

蒸汽喷射式制冷系统参考图2，低压动力蒸汽进入蒸汽喷射器，出口达到1250-1500m/s的速度，利用柏努力效应产生负压真空，将闪蒸器内抽为真空状态，低压低温冷蒸汽被抽出，与动力蒸汽混合升压后，混合蒸汽冷凝为水，完成循环水的制冷过程，完成了循环水热量的转移。

图2 蒸汽喷射式制冷/热泵系统

1.2、技术特点

与电压缩式和吸收式制冷/热泵都需要制冷剂不同，蒸汽喷射真空制冷机/热泵，只采用水相变制冷制热，特别适合夏季余热、太阳能用途少的难题，具有显著的特点：

1.2.1与循环水冷却/空气冷却比较：循环水冷却、空气冷却的温差一般只有5-20°C，循环水泵、风机电耗高，余热难以利用，而蒸汽喷射制冷与热泵可以制最低至0°C冷水，放热侧可以升温到130°C，实现100°C以上大温差冷却，能大幅减少循环水泵、风机电耗，便于回收低温余热，冷热双用。

1.2.2 与溴化锂吸收式制冷/热泵比较：溴化锂吸收式制冷/热泵也利用低压饱和蒸汽，能大量制冷制热，在低温余热回收供暖方面得到了大量应用。不同的是，低压蒸汽喷射制冷/热泵只用水、不用溴化锂，系统大为简化，设备操作维护都简单，制冷、制热效果永不衰减。

1.2.3 与压缩制冷/热泵比较：蒸汽喷射式制冷/热泵用电量极少，能大量制冷制热，操作维护容易。

几种不同制冷/热泵技术特点的比较见表1。

表1 几种不同制冷与热泵技术的对比

1.3 技术回顾

1901年蒸汽喷射制冷技术研究成功，直到1920年才投入工业应用。我国于1958年引进了蒸汽喷射式制冷机，但一直不能用。在我国科技人员的研究攻关下，蒸汽喷射制冷技术研发解决了存在的问题，性能显著提高，与溴化锂制冷机/热泵比有显著优势。蒸汽喷射制冷机已经分别在鞍钢化工、凌钢焦化、江西萍钢焦化、天津化工等企业应用。利用蒸汽喷射器抽取真空，首先能制取0-16°C的工业生活用冷水，在低压蒸汽来源充足、价格低，特别是利用废热的条件下，比其它制冷方法更经济。此外，还可以替代机械真空泵，用于真空蒸馏、真空除臭、真空蒸发、真空结晶、真空干燥等，用于更多应用。

1980年代，我国引进了溴化锂制冷技术，对蒸汽制冷技术应用产生了一定冲击。如今随着热水制蒸汽技术的不断成熟完善，在夏季余热和太阳能热用途少的形势下，蒸汽喷射式制冷/热泵迎来了新的发展机遇。

1.4 主要应用场景

蒸喷射制冷机已经实现国产化，在焦化、化工、工厂操作室空调降温等许多领域得到了应用，特别适合夏季热多、大量需冷的各种应用。在蒸汽喷射制冷基础上，研制蒸汽喷射式热泵，实现冷热双供，可重点关注开发以下应用场景。

1.4.1 替代循环水和空气冷却

替代循环水、环境空气冷却是最大的潜在应用，各种循环水、环境空气冷却、直冷都是把余热排入大气或河海，特别是开式循环水冷却，不仅浪费余热，还把一定量循环水变为水蒸汽排入大气，造成余热和水资源的双重浪费，不仅导致能源利用率低下，还产生大气雾霾。采用蒸汽喷射制冷机/热泵，实现大温差循环，不仅节水、节电，利于余热回收，冬季供热、夏季供冷、四季生活热水、工业冷却和原料烘干，提高能源利用效率，减少水资源浪费。

1.4.2烟气、废蒸汽冷凝收水和余热回收

烟气湿法脱硫等许多低温工业烟尾气都含有水蒸汽和低温潜热，都在合法排放，低温烟气的余热回收利用一直是世界性难题，主要难以实现经济性。近年来，我国通过直接喷淋冷凝将低温烟气余热洗涤进入循环水，再在循环水系统通过溴化锂热泵回收余热，已经在北方供暖领域得到广泛应用。采用大温差蒸汽喷射式热泵可以减少设备和工程造价，极限回收利用余热，降低回收成本。

1.4.3 南方供暖空调

为了提高生活品质，南方需要供暖；南方空调目前能源主要都是用电，成本高。采用大温差蒸汽喷射式热泵供热供冷，并与余热回收、中高温太阳能、生物质耦合应用，实现一个小区、一栋楼、甚至一处独立的民居，分散式供暖，改造量少、投资省、容易实施，夏天倒过来供冷，四季提供生活热水，并协同开发温泉、游泳、蓄冷蓄冰，原有供暖空调设备保留备用，这有助于降低南方夏季用电高峰电力供应不足难题。

2、蒸汽喷射式制冷机热泵在钢铁余热回收中的应用

2.1、钢铁余热资源状况

    2024年我国长流程钢铁生产吨钢综合能耗550kgce/t，能源利用率不到40%，浪费的能源主要是通过余热排放的，包括间隙性余热和低温余热，按此估算，煤年余热资源量3.3亿吨标准煤，折合碳排放近9亿吨，接近行业碳排放总量的一半。钢铁余热回收状况是，废气采用干法排气温度~130°C、湿法处理排气温度~50°C，循环水和固体余热回收率很低。

2.2、钢铁余热回收技术的研发方向

最新的案例证明，气体的余热已经回收到15°C，在北方还应回收到更低温度，因为跟冬季寒冷期的空气能相比，15°C烟气是优质热源。

钢铁余热回收技术开发的总体思路如下：

1) 高温熔渣、钢坯、钢材等固体余热，宜采用气体或喷水冷却，再通过高温气体、或循环水回收余热

2) 由于换热器防腐蚀技术的进步，采用间壁式换热器气体余热可以回收到饱和温度，以提高回收余热的品位，便于直接利用，减少热泵的负荷和能耗

3) 饱和后气体优选直接喷淋换热，或选择混合式换热，因为气体系统增加间壁式换热器增加阻损导致风机电耗增加，会部分、甚至全部抵消余热回收的效果

4) 余热回收到15°C须有更低温度的吸热冷源，因此制冷制冰是必须有的

5) 为解决间隙性余热回收，也为解决余热产生和利用之间的不均衡，必须建设大容量长时储能

以燃煤烟气为例，气体余热回收技术的现状和开发方向参考图3所示。

图3 气体余热回收利用技术的现状与开发方向

2.3、钢铁余热的再利用用途研发

开发余热再利用用途、提高利用效益是一个更重要的问题。在国家法改、住建等部门的领导下，经过清华大学建筑节能中心的持续研究和相关企业多年的努力，余热用于锅炉暖风、原水/回水预热、余热供暖都积累了丰富经验。

进一步开发新用途可以关注开发以下用途。

（1）原料预热、防冻、解冻和脱水：北方企业原料、煤炭入场时会冻结，温度也低，南方企业原料、煤炭入场则容易带水，借鉴商场、机场等大空间成熟的技术如地面辐射、屋顶辐射、暖风盘等，使封闭原料场、煤场环境温度维持在20°C以上，预热、解冻、防冻、除水，有效益，也容易实施。

（2）温泉、游泳池、水景观：在企业院内或附近地面、地下、高空，建设40°C温泉、28°C游泳池、15°C以下冷水鱼池等大容量人工河湖水景观，与跨季储能相结合，淘汰循环水冷却塔、空冷岛、直流冷却，改变余热散热方向，禁止向大气排放，隔断烟气余热、水份、残余污染物排入大气层。

（3）用于农林牧渔业：一方面要摆脱传统农业的低效和对转基因种子、农药、化肥的依赖，发展温室、多层设施农业，降低种植养殖供暖空调费，特别是北方，另一方面我国钢铁等传统行业低温余热资源量巨大，企业自用、供暖都用不了或没效益，可与农林牧渔业供暖的需求对接应用，实现低成本回收和高附加值利用。

（4）冷热联用：组合采用蒸汽喷射式制冷机、热泵/MVR增压，同步实现低温余热制冷制冰、高温热水或蒸汽，开发滑雪滑冰，配合建设大容量蓄水储能，实现冷热联用，解决采暖季余热利用需求不足和非采暖季余热用途少等问题。

（5）余热发电：余热回收与ORC发电、液氮/液体CO₂/干冰、压缩空气储能、膨胀制冷等利用组合，实现低温余热发电和制冷、制冰、蓄冷，低成本解决余热源和用户之间的长输和不平衡问题。

3、主要工序的余热回收改造方案

本着先易后难的思路，本文顺序推介以下几个工序的余热回收改造，供用户选择改造项目时参考。

3.1、转炉煤气余热回收改造方案

转炉煤气汽化烟道出口1000°C以下的余热，包钢、西钢120吨转炉均已在回收，设备正常运行，应借鉴成功经验解决存在问题加速推广。

做为过渡方案，可选图4所示方案回收热水，热水闪蒸制蒸汽，转炉工序能达到标杆能耗，并且除尘超低、排烟四季无白、节电、节水、煤气脱水热值提高、煤气管道再无腐蚀……。另外，煤气冷凝脱水彻底阻断了污染物转移排放，蒸发冷却可以处理焦化废水、浓盐水等难处理废水，效益显著。本方案也是余热回收的兜底方案，还具备替代电除尘器、文氏管湿法除尘节能的条件。

河北唐山迁安、宁波等转炉用户已经有可供参考的业绩。

图4 转炉煤气低温余热回收改造方案

3.2 高炉渣余热回收改造方案

    国内外大量采用的高炉水冲渣系统，生产线长、分散，蒸汽回收难，选择图5所示全密闭干法粒化方案改造，底部出干渣，或回水渣池，高温蒸汽余热回收，余热回收节水的同时实现清洁生产，同步处理焦化废水、浓盐水等难处理废水。转炉渣、电炉渣等其它高温熔渣都可以参照改造。

图5 高温熔渣干法粒化余热回收方案

3.3 烧结烟气脱硫和余热回收一体化改造方案

     烧结大烟道烟气采用如图6所示的脱硫余热回收一体化改造，不再产生脱硫废水、脱硫石膏，脱硫节电80%、风机节电~30%，效益显著，改造量少风险小。

图6 烧结大烟道烟气脱硫余热回收一体化改造方案

竖炉/回转窑烟气、焦化烟道气、煤气发电、热风炉烟气等脱硫都可以参考采用，余热回收、超低排放，同步降低脱硫成本。

4、问题探讨

后超低排放需要特别关注总量减排、水蒸汽回收和低成本碳中和，分别探讨如下。

4.1 总量减排：根据东北大学、中国环境科学院的研究，我国钢铁吨钢排废气43.5t/t，减排50%年减排总量就超过200亿吨，钢铁企业不再需要因环境容量停限搬淘汰，超低排放、创A、新污染物控制成本降低，甚至有效益，表1是适合进行循环利用总量减排的工序。

表1 钢铁企业废气减排总量的部分工序

4.2 水蒸汽回收：我国钢铁年排水蒸汽总量~20亿吨，80%是循环水冷却塔排放的。通过余热极限回收，同步回收水蒸汽，不仅节能、节水，还减少温室气体的排放量。减少水蒸汽排放也一定会对减少雾霾起到积极作用。

4.3 跨季长时大容量储能：我国余热回收利用一直主要关注热利用，对于冷能源关注不够，比如空气能热泵，到零下二三十度的冷空气中取热，花费大量人力物力研究空气换热侧除霜。通过建设跨季长时大容量储能设施，首先解决巨量余热非采暖季的利用，优先选择自然冷热源的利用，冬季利用大自然的冷能主动制冷制冰、夏季回收余热和太阳能的热能源，通过跨季储能，力争实现冬季采暖、夏季空调、四季生活热水减量、甚至不用化石能源，使人类的生活更加健康舒适，实现人与自然和谐共生。建设抽水储能设施还可以消纳利用钢渣等固废。

结论与建议

1) 钢企节能改造，预计可以减少碳排放9亿吨，必须充分重视

2) 余热极限回收需要突破技术，比如直接喷淋换热、余热制冷制冰/制蒸汽、跨季长时储能

3) 通过余热回收再利用改造，预计吨钢成本可降低100元以上，改造有效益为采用节能服务租赁创造了条件，可以缓解企业改造资金紧张

 主要参考资料

[1] 蔡九菊，节约空气资料，减少废气排放，改善大气质量培训班演讲，2024年7月3日

[2] 王新东 干勇 苍大强，钢铁工业绿色制造节能减排技术进展，冶金工业出版社，2020年

[3] 张建良，焦克新，王振阳，炼铁过程节能减排技术，冶金工业出版社，2020年

[4] 黄生等，要低碳先低氮，火电厂纯氧燃烧是节能减排的关键，中国环境科学出版社，2012年6月

[5] 张永杰等，钢铁低碳高能效共性难题技术研发与应用，冶金工业出版社，2019年

[6] 郦秀萍等，钢铁制造过程中碳素流运行与碳减排途径，冶金工业出版社，2020

[7] 宝钢环保技术，冶金部宝钢环保技术编委会，1989年

[8] 宝钢环保技术（续篇），冶金部宝钢环保技术（续篇）编委会，2000年

[9] 付东，王乐萌，齐立强，李旭，张盼，李晶欣，碳循环与碳减排, 北京冶金工业出版社，2022年

[10] 张凡，钢铁行业污染源与碳减排示范工程，会议演讲，2022年

[11]  蒸汽喷射式制冷机资料，辽宁光远工程有限公司