CN112284145A - 一种冶金冷却塔余热利用装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及余热利用技术领域，尤其涉及一种冶金冷却塔余热利用装置和方法，包括第一热泵机组、第二热泵机组和蒸汽闪发器，所述第一热泵机组上设置有低温热源回水管、低温热源供水管、中温热源出水管、中温热源回水管、驱动热源管、驱动热源排放管。与现有技术相比较，本发明提供的一种冶金冷却塔余热利用装置和方法通过改进热泵技术，对冷却塔的余热二次利用，将这些低品位能量转化为高温的高品位能量，制取满足工艺日常使用要求或冬季供热要求的中、高温热水或蒸汽，实现余热回收利用。

Description

一种冶金冷却塔余热利用装置和方法
技术领域
本发明涉及余热利用技术领域，尤其涉及一种冶金冷却塔余热利用装置和方法。
背景技术
企业中，热轧冶金企业从焦化、烧结到炼铁、炼钢、连铸以及轧钢等工序中产生大量的可利用的工艺废热水、废气等低品位余热。这部分余热大多都直接排入大气,不但造成大量浪费,而且污染环境,若能合理回收利用这些余热,产生满足工艺或其他使用要求的热源，既可节约能源、减少运行成本, 又可保护环境、减少热污染。通过
冷却塔在冷却循环水过程中，将水中吸收的热量释放至大气中，这样造成大量热量的浪费和环境污染，而且部分冷却水在冷却塔冷却过程中会蒸发流失。工业炉烟气经换热后多数直接排放的温度仍为约350℃，烟气中仍有很多热量被白白浪费掉。工艺使用的冷却循环水吸收被冷却物热量后的水温约40～50℃，通常这部分循环回水直接通过冷却塔冷却降温后再送至用户使用。冷却塔在冷却循环水过程中，将水中吸收的热量释放至大气中，这样造成大量热量的浪费和环境污染，而且部分冷却水在冷却塔冷却过程中会蒸发流失。热泵技术的利用可以实现这部分余热回收利用。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冶金冷却塔余热利用装置和方法，通过改进热泵技术，对冷却塔的余热二次利用，将这些低品位能量转化为高温的高品位能量，制取满足工艺日常使用要求或冬季供热要求的中、高温热水或蒸汽，实现余热回收利用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种冶金冷却塔余热利用装置，包括第一热泵机组、第二热泵机组和蒸汽闪发器，所述第一热泵机组上设置有低温热源回水管、低温热源供水管、中温热源出水管、中温热源回水管、驱动热源管、驱动热源排放管；
所述中温热源出水管和所述中温热源回水管均与所述第二热泵机组相连通，在所述第二热泵机组上还设置有冷却水回水管、冷却水供水管、高温热水供水管、高温热水回水管；
所述高温热水供水管和所述高温热水回水管均与所述蒸汽闪发器相连通，在所述蒸汽闪发器上还设置有蒸汽供给管。
优选地，所述驱动热源管为天然气加热供热或烟气加热供热。
优选地，所述低温热源回水管中水的温度为40℃～45℃，所述低温热源供水管中水的温度为30℃～35℃。
优选地，所述中温热源出水管中水的温度为90℃～95℃，所述中温热源回水管中水的温度为70℃～75℃。
优选地，所述高温热水供水管中水的温度为140℃～145℃，所述高温热水回水管中水的温度为130℃～135℃。
优选地，所述蒸汽供给管中蒸汽的压强为0.3MP。
优选地，在所述高温热水回水管与补水管道相连通。
一种冶金冷却塔余热利用方法，包括如前所述的冶金冷却塔余热利用装置；
(1)低温热源回水从工艺设备中流出，通过低温热源回水管流入至第一热泵机组，经过第一热泵机组中的蒸发器后，余热被吸收得到低温热源供水，低温热源供水通过低温热源供水管回流至工艺设备中；
(2)中温热源回水从第二热泵机组中流出，通过中温热源回水管流入至第一热泵机组，第一热泵机组由天然气加热供热或烟气加热供热将中温热源回水加热得到中温热源出水，中温热源出水通过中温热源出水管流入至第二热泵机组中；
(3)冷却水供水从冷却塔中流出，通过冷却水供水通过冷却水供水管流入至第二热泵机组，冷却水供水在第二热泵机组中经过换热得到冷却水回水，冷却水回水通过冷却水回水管流入至冷却塔中；
(4)中温热源出水通过中温热源出水管流入至第二热泵机组中，中温热源出水在第二热泵机组中经过换热得到中温热源回水，中温热源回水通过中温热源回水管流入至第一热泵机组；
(5)高温热水回水从蒸汽闪发器中流出，通过高温热水回水管流入至第二热泵机组中，高温热水回水在第二热泵机组中经过换热得到高温热水供水，高温热水供水通过高温热水供水管流入至蒸汽闪发器中；
(6)蒸汽闪发器将高温热水供水进行闪发，得到高温热水回水和高温蒸汽，高温热水回水通过温热水回水管流入至第二热泵机组中，高温蒸汽通过蒸汽供给管流出。
与现有技术相比较，本发明提供的一种冶金冷却塔余热利用装置和方法通过改进热泵技术，对冷却塔的余热二次利用，将这些低品位能量转化为高温的高品位能量，制取满足工艺日常使用要求或冬季供热要求的中、高温热水或蒸汽，实现余热回收利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明提供的一种冶金冷却塔余热利用装置的结构示意图。
图中：
1-第一热泵机组； 2-第二热泵机组；
3-工艺设备； 4-低温热源回水管；
5-低温热源供水管； 6-驱动热源管；
7-驱动热源排放管； 8-冷却塔；
9-冷却水回水管； 10-冷却水供水管；
11-中温热源回水管； 12-中温热源出水管；
13-高温热水供水管； 14-高温热水回水管；
15-补水管道； 16-蒸汽闪发器；
17-蒸汽供给管。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，一种冶金冷却塔8余热利用装置，包括第一热泵机组1、第二热泵机组2和蒸汽闪发器16，所述第一热泵机组1上设置有低温热源回水管4、低温热源供水管5、中温热源出水管12、中温热源回水管11、驱动热源管6、驱动热源排放管7；
所述中温热源出水管12和所述中温热源回水管11均与所述第二热泵机组2相连通，在所述第二热泵机组2上还设置有冷却水回水管9、冷却水供水管10、高温热水供水管13、高温热水回水管14；所述高温热水供水管13 和所述高温热水回水管14均与所述蒸汽闪发器16相连通，在所述蒸汽闪发器16上还设置有蒸汽供给管17。所述驱动热源管6为天然气加热供热或烟气加热供热。所述低温热源回水管4中水的温度为40℃～45℃，所述低温热源供水管5中水的温度为30℃～35℃。所述中温热源出水管12中水的温度为90℃～95℃，所述中温热源回水管11中水的温度为70℃～75℃。所述高温热水供水管13中水的温度为140℃～145℃，所述高温热水回水管14中水的温度为130℃～135℃。所述蒸汽供给管17中蒸汽的压强为0.3MP。在所述高温热水回水管14与补水管道15相连通。
实施例二
一种冶金冷却塔8余热利用方法，包括如前所述的冶金冷却塔8余热利用装置；
(1)低温热源回水从工艺设备3中流出，通过低温热源回水管4流入至第一热泵机组1，经过第一热泵机组1中的蒸发器后，余热被吸收得到低温热源供水，低温热源供水通过低温热源供水管5回流至工艺设备3中；
(2)中温热源回水从第二热泵机组2中流出，通过中温热源回水管11 流入至第一热泵机组1，第一热泵机组1由天然气加热供热或烟气加热供热将中温热源回水加热得到中温热源出水，中温热源出水通过中温热源出水管 12流入至第二热泵机组2中；
(3)冷却水供水从冷却塔8中流出，通过冷却水供水通过冷却水供水管 10流入至第二热泵机组2，冷却水供水在第二热泵机组2中经过换热得到冷却水回水，冷却水回水通过冷却水回水管9流入至冷却塔8中；
(4)中温热源出水通过中温热源出水管12流入至第二热泵机组2中，中温热源出水在第二热泵机组2中经过换热得到中温热源回水，中温热源回水通过中温热源回水管11流入至第一热泵机组1；
(5)高温热水回水从蒸汽闪发器16中流出，通过高温热水回水管14 流入至第二热泵机组2中，高温热水回水在第二热泵机组2中经过换热得到高温热水供水，高温热水供水通过高温热水供水管13流入至蒸汽闪发器16 中；
(6)蒸汽闪发器16将高温热水供水进行闪发，得到高温热水回水和高温蒸汽，高温热水回水通过温热水回水管流入至第二热泵机组2中，高温蒸汽通过蒸汽供给管17流出。
另外，在本发明的一个实施例中，第一热泵机组1和第二热泵机组2对以溴化锂吸收式技术为基础的各种溴化锂吸收式热泵机组进行改进，通过提高热泵机组余热回收利用率和在节能降耗两方面对热泵机组进行改造。
溴化锂吸收式热泵机组分为两类，这两类溴化锂吸收式热泵机组的应用范围和目的不同：
第一类吸收式热泵机组通过从低温热源回收废热量和驱动运行补偿进行热量输出。第一类热泵机组的性能系数(COP)为1.65～1.85，一般取1.7，比采用锅炉供热节能40％～46％，节能效果显著。采用的低温热源，一般来说，温度≥15℃的热水即可。
第二类吸收式热泵采用中温废热能(废热水或蒸汽)驱动，使用低温的冷却水冷却的条件下，吸收中温热源热量，制取热量少于但温度高于中温热源的热量。第二类热泵机组的性能系数(COP)为0.48，余热回收利用率高。将二类热泵机组输出的高温热水送入闪发罐闪发，可获得工艺加热用蒸汽。
结合两类热泵机组的优点，将第一热泵机组1设计为第一类吸收式热泵机组，将第二热泵机组2设计为第二类吸收式热泵机组，利用第二热泵机组 2对第一热泵机组1的热水进行转化，提高系统运行效率。
在本实施例中，第一热泵机组1的工作原理为：第一类溴化锂吸收式热泵以水为制冷剂，溴化锂溶液为吸收剂。水在常压下100℃沸腾蒸发，在5mm 真空状态下4℃时蒸发，因此吸收式热泵的蒸发器就是利用这个原理。溴化锂的沸点比水高的多，因此溴化锂水溶液在发生器中沸腾时只有水汽化出来。另一方面，溴化锂溶液是一种极易吸收水(蒸汽)，化学性质稳定的物质，在温度越低，浓度越高的时候吸收能力越强，利用此性质，水在蒸发器中吸收热源水的热量蒸发变成蒸汽，被浓溶液在吸收器中吸收变成稀溶液，同时放出吸收热，实现温水的一次升温。稀溶液被送到再生器，被高温热源加热浓缩成浓溶液，进入吸收器，再生器产生的水蒸气进入冷凝器与温水换热，冷凝水进入蒸发器；温水在冷凝器中被加热实现二次升温，如此反复循环。
在本实施例中，第二热泵机组2的工作原理为：再生器送出的溴化锂浓溶液由溶液泵加压后，经溶液换热器与稀溶液换热后进入吸收器。由于溶液中大量溴化锂溶质的存在，溶液的饱和蒸汽压比同温度下纯水的饱和蒸汽压低很多，所以进入吸收器的溴化锂浓溶液在换热管表面形成溶液膜吸收来自蒸发器的水蒸气，放出蒸汽冷凝潜热和溶液稀释热，其热量荣国换热管内的水或被加热介质带走，该热量为装置产生的可利用热。由于吸收器的放热温度远高于低温余热加热的蒸发器温度，从而达到低温余热升温的目的。在吸收器中，溴化锂溶液由于吸收水蒸气浓度变稀，留出吸收器的稀溶液经溶液换热器与浓溶液换热后，进入再生器吸收低温余热，溶液蒸发浓缩，蒸发出的水蒸气进入冷凝器冷凝，由于冷凝器有环境温度下的冷凝水冷却，进入冷凝器的水蒸气在稍高于冷却水的温度下冷凝，其中的压力为水在冷凝温度下的饱和蒸汽压。由于此压力很低，且冷凝器与再生器直接连通，两者压力基本相等，所以稀溶液即使由温度较低的低温余热加热也同样能够再生。再生后的浓溶液再由浓溶液泵加压去吸收器吸收放热，从而完成溶液循环。在冷凝器中冷凝的冷凝水经冷凝液泵加压进入蒸发器由低温余热加热蒸发为水蒸气，然后进入吸收器被溶液吸收。
实施例三(天津天钢钢绞线三期工程热泵系统改造方案、西南不锈退火酸洗工程热泵系统改造方案)
本工程中工艺使用的冷却循环水吸收热量后的水温约40～50℃，通常这部分循环回水直接通过冷却塔8冷却降温后再送至用户使用。冷却塔8在冷却循环水过程中，将水中吸收的热量释放至大气中，这样造成大量热量的浪费和环境污染，而且部分冷却水在冷却塔8冷却过程中会蒸发流失。
经计算1m3/h循环冷却水中可提取热量约11.6Kw。
利用吸收冷却循环水余热转化成约90℃中温热水，间接加热工艺槽内溶液，并通过与原设计系统和燃气锅炉房进行了比较，较有较高的经济效益性。但是此产物温度较低，很难保证溶液被加热到需求温度，而且会大大加热槽的换热面积，占地大，改造费用高。
因此，利用两级热泵机组的不同转化，将冷却水的低品位余热转化成高品位能量，二级热泵转化成0.3MPa的蒸汽用于工艺槽加热，部分一级热泵转化成90℃热水用于车间采暖，主要流程为：
首先，第一级热泵机组采用第一类增热型吸收式热泵机组。工业循环冷却水去冷却物体吸收热量后，温度达到40～45℃，进入此热泵机组，经过热泵机组蒸发器中，余热被吸收后，水温降为30～35℃，然后再循环去冷却物体。热泵机组利用天然气作为驱动热源，通过冷却水热量的吸收和驱动热源的加热，机组输出热水出口温度比低温热源冷却水的出口温度高40℃～60℃中温热水(约90℃)，但不会高于约100℃。机组性能系数约1.7，即驱动热源补偿1kW热量，可从水系统中吸收0.7kW热量，通过热泵机组能量的提升，能生成1.7kW的高品质热量。
通过第一级热泵机组的转化，输出热源温度约90℃。一部分直接用于供热循环使用，另一部分进入第二级热泵机组转化蒸汽供工艺使用。第二级热泵机组采用第二类增热型吸收式热泵机组，其通过吸收一级热泵机组的产物 90℃中温热水部分热量，并需要循环冷却水系统冷却，产生约140℃高温热水，再通过蒸汽闪发器16闪发，将低品位热源转化成高品位热源，产生 0.3MPa的蒸汽，运输至工艺槽进行加热使用，或供其他工艺使用。本类型热泵机组的机组的性能系数(COP)为0.48，即中温废热源热量(无直接利用价值的热量)、输出的高温热量(有直接利用价值的热量)及低温热量(由冷却水带走、无直接利用价值的热量)之间的比例约为1:0.48:0.52。
二级热泵系统可以将高温废气、冷却水余热及其他低品位热源转化为高品位热源，供给满足工艺或其他使用要求的设备使用，有效的提高了能源的利用效率，既可节约能源、减少运行成本,又可保护环境、减少热污染，环保意义重大。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种冶金冷却塔余热利用装置，其特征在于，包括第一热泵机组、第二热泵机组和蒸汽闪发器，所述第一热泵机组上设置有低温热源回水管、低温热源供水管、中温热源出水管、中温热源回水管、驱动热源管、驱动热源排放管；
所述中温热源出水管和所述中温热源回水管均与所述第二热泵机组相连通，在所述第二热泵机组上还设置有冷却水回水管、冷却水供水管、高温热水供水管、高温热水回水管；
所述高温热水供水管和所述高温热水回水管均与所述蒸汽闪发器相连通，在所述蒸汽闪发器上还设置有蒸汽供给管。
2.根据权利要求1所述的一种冶金冷却塔余热利用装置，其特征在于，所述驱动热源管为天然气加热供热或烟气加热供热。
3.根据权利要求1所述的一种冶金冷却塔余热利用装置，其特征在于，所述低温热源回水管中水的温度为40℃～45℃，所述低温热源供水管中水的温度为30℃～35℃。
4.根据权利要求1所述的一种冶金冷却塔余热利用装置，其特征在于，所述中温热源出水管中水的温度为90℃～95℃，所述中温热源回水管中水的温度为70℃～75℃。
5.根据权利要求1所述的一种冶金冷却塔余热利用装置，其特征在于，所述高温热水供水管中水的温度为140℃～145℃，所述高温热水回水管中水的温度为130℃～135℃。
6.根据权利要求1所述的一种冶金冷却塔余热利用装置，其特征在于，所述蒸汽供给管中蒸汽的压强为0.3MP。
7.根据权利要求1所述的一种冶金冷却塔余热利用装置，其特征在于，在所述高温热水回水管与补水管道相连通。
8.一种冶金冷却塔余热利用方法，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一所述的冶金冷却塔余热利用装置；
(1)低温热源回水从工艺设备中流出，通过低温热源回水管流入至第一热泵机组，经过第一热泵机组中的蒸发器后，余热被吸收得到低温热源供水，低温热源供水通过低温热源供水管回流至工艺设备中；
(2)中温热源回水从第二热泵机组中流出，通过中温热源回水管流入至第一热泵机组，第一热泵机组由天然气加热供热或烟气加热供热将中温热源回水加热得到中温热源出水，中温热源出水通过中温热源出水管流入至第二热泵机组中；
(3)冷却水供水从冷却塔中流出，通过冷却水供水通过冷却水供水管流入至第二热泵机组，冷却水供水在第二热泵机组中经过换热得到冷却水回水，冷却水回水通过冷却水回水管流入至冷却塔中；
(4)中温热源出水通过中温热源出水管流入至第二热泵机组中，中温热源出水在第二热泵机组中经过换热得到中温热源回水，中温热源回水通过中温热源回水管流入至第一热泵机组；
(5)高温热水回水从蒸汽闪发器中流出，通过高温热水回水管流入至第二热泵机组中，高温热水回水在第二热泵机组中经过换热得到高温热水供水，高温热水供水通过高温热水供水管流入至蒸汽闪发器中；
(6)蒸汽闪发器将高温热水供水进行闪发，得到高温热水回水和高温蒸汽，高温热水回水通过温热水回水管流入至第二热泵机组中，高温蒸汽通过蒸汽供给管流出。
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