利用水泥厂余热蒸汽的热管型吸收式制冷回收系统研究

【摘要】根据水泥厂余热发电系统低参数蒸汽特点，结合热管换热器及双效溴化锂制冷系统工作原理，提出利用低压蒸汽用于吸收式制冷，从而对水泥厂典型建筑提供冷源。利用热管换热器较大的换热系数减小换热器体积。并对该制冷系统进行了热力计算。计算结果表明，水泥厂低压余热资源能够满足该制冷系统需要。并且能够回收工质及余能，实现循环利用。

【关键词】水泥余热回收；分离式热管换热器；吸收式制冷

引言

水泥窑余热发电技术已经在国内水泥行业全面普及，依据余热资源梯级利用的理念，采用双压低温余热发电系统的设计理念被国内各大水泥设计院普遍接受和设计应用。水泥厂中控化验室、办公楼以及生活区（如果生活区与厂区毗邻时）均需配置大量的空调，夏季用于制冷，冬季用于采暖。这必然会增加大量电费支出，同时也需花费大量资金用于采购空调设备。本文致力于探讨利用水泥余热蒸汽结合成熟的热管换热技术及吸收式制冷系统，实现对水泥厂中控及中央化验室、办公楼，职工宿舍楼等建筑进行集中制冷或供暖。同时探讨经过换热后的余热蒸汽进行余能及工质回收，提高真空除氧器的除氧效果，提高余热发电系统的热效率。

1、现阶段水泥余热发电系统

国内水泥厂普遍采用新型干法水泥生产工艺，水泥回转窑产生余热废气量很大，温度在350℃以下，为了充分利用这些低温热源，要求发电系统更为合理。根据朗肯循环原理可知，蒸汽分段进入汽轮机做功发电是最合理的。采用双压系统可使相对高温热源（210～350℃烟气）产生较高参数的蒸汽（参数为1.7MPa，330℃），使相对低温热源（100～210℃烟气）产生较低参数的蒸汽（参数为0.45MPa，165℃），使能量分布优化，发出更多电能。经过水泥行业多年实践经验及技术经济对比，采用双压系统是相对最经济合理的设计方案。

2、利用水泥余热蒸汽作为热源的双效溴化锂吸收式制冷系统

2.1双效溴化锂吸收式制冷工作原理

双效溴化锂吸收式机组的热源由热管换热器的冷凝段供给，蒸汽冷凝过程中将热量释放给管外高压筒内的低温溴化锂溶液，实现加热浓缩的目的。高压发生器中的溴化锂溶液吸收热量沸腾，产生的高温高压冷剂蒸汽作为低压发生器的热源，在冷凝压力下得到低温低压冷剂蒸汽。冷剂蒸汽经过冷凝、节流、蒸发以制取冷量，同时，低压发生器中浓缩后的溶液经溶液换热器回到吸收器，吸收来自蒸发器的冷剂蒸汽，稀释为稀溶液，通过制冷剂回路及溶液回路的循环以不断制取冷量。在该系统中蒸发器既可用于制冷也可以用于加热，实现了冬天供热和夏天制冷的要求。

2.2双效溴化锂吸收式制冷系统的特点

双效溴化锂吸收式制冷系统以热能为动力，电能耗用较少，且对热源要求不高，能利用各种低势热能和废汽、废热，有利于热源的综合利用。具有很好的节电、节能效果，经济性好。整个机组除功率很小的屏蔽泵外，没有其他运动部件，振动小、噪声低、运行比较安静。随着外界负荷变化，机组可在10%～100%的范围内进行冷量的无级调节。在利用低品位余热余能方面具有特有的功能优势。

2.3热管换热器的特点

与传统换热器相比，热管换热器以热管为中间传热介质，以工质的相变蒸发来传递热量，因此比传统的以金属界壁进行的传热效果要高3-4个数量级。另外热管换热器中冷热流体的流动是分开流动的，互不直接接触，单根热管的损坏不会给冷热流体的正常流动产生影响，也不会对其他热管产生破坏，大大增强设备运行的可靠性。在一般热管管外加装翅片，采用大的翅化比和长的热管，可以灵活调整冷热流体与热管的外表面接触面积，提高传热量，这意味着可以实现换热设备外形的小型化，节省占地面积和设备投资。通过增加绝热段的长度还可以实现远距离热量传输，对于空间狭小和设备拥挤的场合很适合。

3、系统流程说明

对于典型2500t/d熟料新型干法水泥生产线配套双压余热锅炉产参数为0.45MPa，165℃的低压蒸汽约2.2t/h，可作为本系统制冷部分所需动力热源。蒸汽流过热管换热器蒸发段，热管内的工质水受热蒸发，蒸汽通过上升管将热量输送到位于高压发生器筒内的热管冷凝段，冷凝液依靠重力作用返回蒸发段。低压蒸汽经热管换热器吸收热能后降压降温至0.2MPa饱和水，依靠自身压力导流至余热电站厂房的真空除氧器中。这样可以充分回收蒸汽工质，不致浪费，同时可以回收工质剩余热量。回收的剩余饱和水会在真空除氧器中对锅炉给水进行充分的热扰动，使之更接近饱和状态。根据道尔顿分压定律，这样能够提高除氧效果，减少锅炉给水溶氧量，进而提高AQC余热锅炉省煤器管的运行稳定性。

制冷部分可采用工艺成熟的成套双效溴化锂吸收式制冷设备。由于供冷建筑分布较广，为保证整体管路维持相对较低的工作压力，可采用分区加压方式，满足各段冷媒管道压降的需要。

冷却水源可引自余热发电站循环冷却水系统供水母管，经吸收器及冷凝器吸收热量后回流至循环水回水母管，排至机力通风冷却塔进行散热，完成闭式循环。这样在满足工艺要求的前提下能充分利用余热发电系统已有设备，减少设备重复投资。

图1 水泥余热利用制冷系统简图

4、热力计算

4.1确定蒸汽换热量Q及质量流量Mzq

换热量计算是传热计算主要的设计步骤，根据热平衡方程确定低压余热蒸汽量及制冷系统冷却水量。

对水泥厂需要制冷的建筑物进行制冷量估算：

表1 水泥厂建筑物制冷负荷估算

国内双效溴化锂制冷系统性能系数COP一般为1.3，故高压发生器中所需低压蒸汽换热量：

Q=Q0/COP=3815748/1.3=2935190KJ/h

其中Q-低压蒸汽换热量；Q0-总制冷量；COP-制冷系统性能系数。

取低压蒸汽进口压力0.45MPa，温度165℃，经过热管换热器后出口饱和水压力0.2MPa，温度120℃，低压蒸汽流量：

Mzq=Q/（h1-h2）=2935190/（2782.57-504.68）=1288.6Kg/h=1.29 t/h

其中Mzq-低压蒸汽质量流量；h1-低压蒸汽入口焓值；h2-低压蒸汽出口焓值。

4.2确定冷却水换热量Qlqs及质量流量Mlqs

假定不考虑制冷系统与外界之间换热及系统内屏蔽泵对制冷剂做功的影响，根据能量守恒定律，溴化锂吸收制冷系统分别在蒸发器及高压发生器中吸收来自冷媒水和低压蒸汽的热量，最终均被冷却水带走，即

Qlqs=Q0+Q=3815748+2935190=6750938KJ/h

其中Qlqs-冷却水换热量。

取冷却水进口温度t"lqs=32℃，出口水温t""lqs=40℃，可得冷却水量：

Mlqs=Qlqs/（h""lqs-h"lqs）=6750938/（167.71-134.28）=201.9t/h

其中Mlqs-冷却水质量流量；h""lqs冷却水出口焓值；h"lqs-冷却水入口焓值。

4.3确定冷媒水质量流量Mlqs

取冷媒水进口温度t"lms=15℃，出口水温t""lms=7℃，可得冷媒水量：

Mlms=Q0/（h’lms-h”lms）= 3815748/（63.27-29.72）=113.7 t/h

其中Mlms-冷媒水质量流量；h""lms冷媒水出口焓值；h"lms-冷媒水入口焓值。

5、结论

（1）笔者从理论上对该系统进行了论证，得出利用现有水泥厂低压余热蒸汽资源结合热管技术及双效溴化锂制冷系统是能够满足水泥厂正常制冷负荷的需要。该系统能够减少水泥厂的厂用电量，节约制冷及制热设备投资，充分利用低品位余热资源，提高能源利用效率。

（2）目前该系统存在的主要问题在于当水泥生产运行不正常或者处于停机状态时，由于烟气热量波动较大或者不足，导致无法产生足质足量的蒸汽，必然对制冷系统造成很大的影响。为此拟采取的措施有：配套增加补燃炉，可以燃烧天然气产生的热烟气作为热源直接与热管换热器进行传热，保证在水泥生产线停机状态下产生足量的制冷或制热负荷。

（3）利用水泥余热蒸汽作为热源的双效溴化锂吸收式制冷系统负荷国家能源政策及环保政策，适合在配套有余热发电系统或者尚未利用余热的水泥厂中推广。

参考文献

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