运用_火用_分析法分析和优化钢铁企业中的供热系统

·52· 钢 铁 技 术 2009年第5期
·热力工程·
运用(火用)分析法分析和优化钢铁企业中的供热系统
丹 宇
(中冶赛迪公司动力设计部, 重庆 400013)
【摘 要】运用(火用)分析方法针对目前钢铁厂中常见的供热模式(汽机抽汽供热和锅炉产汽直接减温减压供热)对其进行了热经济性分析和比较，以探求一种高效节能的供热供汽方式。

【关键词】火用分析 供热系统 热经济性
1 引言
火用，是热力系统中的一个重要概念，它表示在能量转换过程中，可用和有用能的部分，代表着能源的“质”，其效率和损失大小反映了能源利用过程中用能品质的优劣，是评价热经济性能的重要指标。

根据火用的定义[1]
，在热力过程中某一状态下的比火用可以表示为：
s T h e amb ×−=
其中：e-该状态下系统的比火用(kj/kg)；h-该状态下系统的比焓(kj/kg)；T amb -环境温度(℃)；s-该状态下系统的比熵[kj/(kg.℃)]。

目前国内绝大多数钢铁厂内配设有热电联产的自备电厂，电厂的一项主要功能就是向钢铁工艺提供供热汽源，北方地区还兼有冬季供暖的任务。

一般说来，自备电厂设有两路供热方式，一路为汽机抽汽的供热方式；一路为直接将锅炉产汽经减温减压后送入热网的供热方式。

这两种供热模式在用能的数量和供热热效率方面基本相当，但在能源品质的利用和热经济性能方面有所不同。

2 供热系统热经济性分析和比较 2.1供热现状
以我国北方某钢铁厂供热系统为例，系统流程图如图1所示，在夏季时，锅炉产生的中温中压（3.82 MPa、450℃）蒸汽进入蒸汽轮机发电，汽机为单抽凝汽式，抽汽参数为1.27 MPa，320℃，
抽汽经调压减温后进入全厂蒸汽管网供热，管网参数为1.0 MPa、184℃。

进入冬季后，增加了采暖任务，增大了汽轮机的抽汽调节流量，采暖用汽取自全厂管网，受采暖换热设备耐压及投资影响，送入采暖换热站的蒸汽需进站前减压至0.5 MPa。

当采暖供热负荷达最大时，锅炉产汽不进汽机，V 1阀和V 2阀关闭，蒸汽经V 3阀进入旁路，再经减压减温后进入全厂蒸汽管网，采暖用汽仍取自全厂管网。

2.2分析和比较
如前所述，该厂的锅炉产汽可由两路进入热网，即分为汽机抽汽供热和减温减压供热两种模式，简称模式a 和模式b。

由火用方法可知，这两种不同供热模式发生火用损的主要热力过程见表1。

表1 两种不同供热模式中产生火用损
的主要热力过程
编号汽机抽汽供热模式
(a) 减温减压供热模式
(b) 1 锅炉至汽机蒸汽管道输送过程 蒸汽节流减压过程 2 蒸汽轮机做功过程 蒸汽喷水减温过程 3 汽机抽汽调压过程 4
汽机抽汽喷水减温过程
根据火用分析理论，表1中各热力过程中的比火用损公式如下：
管道输送过程： s T h e amb ∆+∆=∆ （1）
汽机做功过程： s T e amb ∆=∆ （2） 调压减压过程： s T e amb ∆=∆ （3）
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喷水减温过程：
⎟
⎟⎠⎞
⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=∆b amb a b a T T T q e (4）
式中,e ∆-热力过程的比火用损(kj/kg)；h ∆-热力过程初末状态焓差(kj/kg)；s ∆-热力过程初
末状态熵产[kj/(kg.℃)]；q -换热过程中的热流量(kj/kg)；amb T -环境温度(℃)；a T -热介质的放热平均温度(℃)；b
T
-冷介质的吸热平均温度
(℃)。

图1 某钢厂现有供热系统流程图
根据(1)～(4)式计算a、b 模式供热过程的比火用损，计算结果见表2。

由表2可知，减温减压供热过程中的比火用损值显然高于汽机抽汽供热，高出157％，即模式b 在供热过程中浪费了大量的可用能。

同样是供热，模式a 利用了产汽和抽汽间的焓差来发电，其热经 济性和能源利用质量要优于模式b。

同时，从表2数据可以看出，在a、b 两种供热模式中产生火用损最大的项是喷水减温过程，其火用损值占总火用损的75％～85％；同是喷水减温过程，b 模式的火用损较a 模式的火用损大138％。

这说明了有温差换热是不可逆热力过程中火用
损最大的过程，且冷热端温差越大，火用损越大[2]。

表2 两种供热模式在供热过程中
比火用损值汇总表
a 汽机抽汽供热模式比火用损值(kj/kg)
过程1 过程2 过程3 过程4 总值 0.15 2.20
1.06 17.54
20.94 b 减温减压供热模式比火用损值(kj/kg)
过程1 过程2 总值 12.25
41.68
53.92
此外，根据比火用损计算式(4)，可计算出热
网蒸汽供采暖换热站过程中的比火用损为 6.8 kj/kg。

3 供热系统的优化
在以上计算和分析的基础上容易看出，当向采暖换热站供汽时，供热模式的热经济性好，用能质量高(模式 a a e ∆＝27.75 kj/kg＜模式b b e ∆＝60.73 kj/kg)，但仔细分析发现，在锅炉产汽进入采暖换热站的过程中，模式a 的热能要经历5项主要的火用损过程，其过程数量不可谓不多，显然从系统的简化和用能的优化角度来看，这里面还有工作可作。

优化供热模式，考虑采用双抽型蒸汽轮机，一级抽汽设定压力等级为0.98～1.27 MPa，向全厂1.0 MPa 等级蒸汽管网供汽；二级抽汽设定压力等级0.49～0.6 MPa 专向采暖换热站供汽，如图2
所示。

根据火用分析理论，在改进后的系统中，产汽从锅炉出口到采暖换热站的过程里只经历了2项主要的火用损过程，即蒸汽管道输送过程和蒸汽轮机做功过程，较之间系统比，这里减少了调压过程，没有了有温差换热；根据公式(1)(2)可计算出改进后采暖供汽过程中的总比火用损值为6.45 kj/kg，分别占a、b 供热模式比火用损的10.6%、23.3％。

虽然，改进后的系统在汽机做功过程中火用损较模式a 有所增加，但减少了喷水减温火用损和节流减压火用损两项，故总比火用损减小了不少，并较模式a 能多产出约35％的电能。

图2 优化后的供热系统流程图
4 结论
1)供热系统中主要的火用损来源于有温差的换热过程中，即喷水减温过程。

该过程使高品质的热能未经有效利用而转化成了低品质热能。

2)在设计供热系统时，应将用户用热的等级加
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以分类，尽可能避免大温差换热供能的情况出现。

3)当钢厂内自备电厂需向全厂热网供热时，应首先考虑从自备电厂汽轮机抽汽供应，尽可能避免将电站锅炉产汽直接减温减压供热。

4)承担有采暖供热和生产供热任务的电站汽机，宜适时选用双抽型蒸汽轮机，以提高能源利用的效率。

参考文献
[1] 任泽霈. 蔡睿贤等.热工手册[M].北京：机械工业出版
社2002.20-4-20-5
[2] 郑体宽. 热力发电厂[M].北京：中国电力出版社.
1998.11～16
(收稿日期：2009-03-06)
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由图1可知，对于长流程或短流程炼钢工艺，对不同车间产生的废气中的CO2进行收集，并进行适当处理后，用于后续用户。

后续用户主要有4类：1) 用于烟丝膨松剂、食品CO2、焊接保护气等民生工业领域，将CO2提纯、加压后即可使用。

2) 如钢铁厂所处地区为农业省份，则将CO2大量用于制造植物气肥，将CO2提纯、加压后使用。

3) 如钢铁厂所处地区距油田较近，可将CO2作为吞吐和驱替采油用，将CO2提纯、加压、液化后使用。

4) 根据化工产品的需求市场，将CO2用于化工原材料生产化工产品，或将其进行化学变换，如将CO2转变成CO 等。

由于钢铁厂废气中的CO2排放量巨大，如要将其全部回收处理，前期提纯及加压步骤的投资和能耗十分大，因此，目前适合钢铁厂的做法应是根据外围用户需求，对有市场需求的CO2进行回收利用，其余CO2作为废气排掉。

由上述分析可知，按图1进行CO2回收利用，CO2排放量较现有工艺有较为明显的减少，且最大限度地对CO2进行了回收利用，具有较为突出的意义。

5 结论
目前，钢铁行业受困于年产量过大、废气排放过多等问题。

京都协定对CO2排放的规定，使得中国的钢铁行业在2012年后将面临更大的挑战。

在这种情况下，从相关领域寻求突破已成为一个十分紧迫的问题。

从本文分析可知，中国的钢铁厂如要可持续性发展，须考虑如下几点：
1) 采用高炉工艺的长流程炼钢的环境污染和废气、废物排放是采用电炉工艺的短流程炼钢的4～5倍，随着中国废钢量的增加，采用海绵铁+废钢进电炉炼钢的短流程工艺的需求必将大量增加。

2) 对于长流程(高炉炼铁)和短流程(非高炉炼铁)工艺，应结合周边工业条件和市场需求，综合考虑将CO2进行最大限度的回收利用，而不是直接排出。

参考文献
[1] 韩世奇, 夏亭, 桑勇. 300kt/a合成氨放空CO2气的回
收利用[J]. 纯碱工业, 1999(2):63～64.
[2] 孙燕韬. CO2的再充分利用 提高商品综合收率[J]. 胜
炼科技, 2000, 22(2):33～35.
[3] 李现勇. CO2减排及封存利用技术概况及发展[J]. 电
力设备, 2008, 9(5):7～10.
[4] 王晓刚, 李立清, 唐琳, 等. CO2资源化利用的现状及
前景[J]. 化工环保, 2006, 26(3):198～203.
[5] 黄黎明, 陈赓良. 二氧化碳的回收利用与捕集储存
[J]. 石油与天然气化工, 2006, 35(5):354～358. [6] 沙高原, 刘颖昊, 殷瑞钰, 等. 钢铁工业节能与CO2
排放现状及对策分析[J]. 冶金环境保护, 2007(6):
30, 38～40.
[7] 陈进, 兰治淮. 工业废气CO2的回收利用[J]. 冶金环
境保护, 2007(5):52～55.
[8] 扬仕承, 彭学文. 利用富余CO2气体制取食用CO2[J].
化工环保, 1997, 17(4):244～246.
[9] 陶恩中, 杨杰. 温室气体CO2综合利用的现状[J]. 电
力情报, 1999(4):9～12.
[10] 吴昊. 应对二氧化碳浓度上升问题的研究：CO2的捕
获、储存与利用[J]. 中国安全科学学报, 2008,
18(8):5～11.
[11] 王少立. 直面“京都议定书”[J]. 国际石油经济,
2005, 13(2):14.
（收稿日期：2009-06-17）。