高炉渣显热梯级回收有机朗肯循环发电的基础研究中文摘要

高炉渣显热的回收在钢铁行业余热利用中占有重要的地位。目前国内外高温渣显热还没有成熟的回收技术，大多数高炉渣还是采用水淬法制取水渣，其主要的问题是大量的高温炉渣显热和冲渣水热量白白浪费，既污染了环境又造成了能源浪费。因此，基于水淬法处理炉渣工艺，迫切需要在充分利用高温炉渣显热和冲渣水热量上，即在炉渣显热梯级回收利用上进行创新。本课题基于传热学理论、工程热力学理论以及有机朗肯循环发电实验，开展高温炉渣显热的回收形式研究；以提高载热体中温空气和低温冲渣水有机朗肯循环发电效率为目标的非共沸有机工质选择判别标准的理论研究、非共沸有机工质的优化选择理论研究；以及在发电系统中火用损最大的蒸发器研究，从而建立适合高温显热和低温冲渣水有机朗肯循环系统的新型高效、紧凑型一次表面蒸发器的强化理论。

高炉渣显热的回收在钢铁行业余热利用中占有重要的地位。目前国内外大量的高温炉渣显热和冲渣水热量白白浪费，既污染了环境又造成了能源浪费。对高炉渣高温显热回收的有效方式进行了研究，对于2500M3高炉，为了不影响高炉炉渣的流动性，其空气回收温度为300℃，空气量为22854Nm3/h，该300℃温度空气量，利用ORC发电能产生600KW电量，此结论对于大中型高炉渣显热利用具有理论指导意义，并具有一定的应用前景；对ORC非共沸有机工质选择判别标准进行了理论研究，得出窄点的出现会导致传热过程恶化，并推导出防止窄点出现的判别式，通过该式，可以调整换热流体在冷凝器中的进出口温差来防止传热窄点的出现并发现各种工质冷凝时换热窄点的位置和换热流体的温度变化情况，这对研究非共沸有机工质发电技术具有理论指导作用；对中温空气载体ORC发电技术系统及工质选择进行了研究，得出了ORC系统优化下的最佳工质配比；对高炉冲渣水低温余热回收纯工质及非共沸工质有机朗肯循环发电技术进行了研究并通过实验验证，得出了纯工质中性能最优的是R245ca，R1234yf/R245fa(0.4/0.6)是非共沸ORC系统的最优工质；研究了利用LNG冷能与高炉冲渣水余热的联合ORC发电系统，通过考虑热效率、㶲效率以及单位质量工质做功，得出LNG和ORC联合发电系统的最优工质是R152a、R161和R600a，这为在海边建立大型钢铁厂，充分利用LNG冷能和钢铁厂余热联合发电提高了理论指导；对与有机朗肯循环发电系统相匹配的高效、紧凑型换热器进行了研究，该新型板式换热器融合了管壳式、板翅式和板式换热器的优点，与管式换热器相比具有传热系数提高30%以上，换热器重量以及体积降低50%以上以及换热器由于板间的湍流，不易结垢的特点，这对于建立紧凑高效低价ORC发电系统提供了理论指导和实际设计指导；探讨了ORC冷凝器冷凝表面超疏水高导热石墨烯涂层与冷凝系数的关系，得出接触角为120°左右时，冷凝系数最大，这为换热器表面涂层性能设计以及大幅提高冷凝系数提供了重要的理论指导。石墨烯复合涂层具有耐腐蚀，高导热，疏水性抗结垢功能，成果具有较大的市场应用价值。 2100433B

150℃以下的低温热能广泛存在于自然界和工业生产过程中，如太阳能、生物质能、地热能，以及水泥厂、热力发电厂和化工厂的工业余热，若不加以利用，则是对能源的巨大浪费，因此，安全、可靠、高效地利用这部分热能的意义重大。与传统的水蒸气朗肯循环发电系统相比，有机物朗肯循环（ORC）发电系统的发电效率高、环境友好、结构简单及可靠性高，已成为回收利用低温热能的最佳选择。国内外关于ORC系统的理论研究较多，但相关的实验研究相对较少。Gu等通过理论和实验的方法研究了余热回收ORC系统，发现部件中蒸汽发生器的不可逆损失最大，而且系统的最大热效率为5.2%；Mathias等搭建了可采用涡旋式或摆线式膨胀机的有机物发电实验台，其最大输出功率为2.96kW；Peterson等建立了一个采用涡旋式膨胀机的实验系统，其热源温度为165～183℃，系统输出功率为187～256W；Quoilin等通过实验和半经验理论模型对涡旋式膨胀机进行了研究，并考虑了膨胀机的内泄漏、漏热、过膨胀或欠膨胀等损失；Li等搭建了实验台并对回热式发电系统进行实验研究；Kang等研究了采用径流式涡轮膨胀机的ORC系统，并分析了影响系统性能的因素；Pei等分析了膨胀机的各项损失对系统性能的影响及热电联产的相关问题；Gao等研究了太阳能混合工质发电系统。这些研究推动了ORC技术的发展，但对膨胀机－发电机－负载三者的相关性研究还很少。

最佳负载实验系统结构

研究所用低温热能有机物朗肯循环发电实验系统外观及结构如图1所示，主要由有机物朗肯循环与热源循环2个环路组成。有机物朗肯循环环路主要包括蒸发器、冷凝器、储液罐、工质泵和膨胀机；热源循环环路是加热油炉循环系统；另外，实验系统中还包括发电机、负载电阻、背压阀、球阀、膜片式脉冲阻尼器及干燥过滤器等配件和一整套测试设备。

为了减小发电实验系统的体积，将实验设备与测试设备集成在一个箱体中，并在箱体底部安装滑轮以便于移动。实验系统的工作原理如下：将蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液罐与工质泵用铜管依次连接而形成工质循环的闭路系统；涡旋式膨胀机通过联轴器与永磁交流发电机连接；3个相同的瓷盘变阻器通过三角形接法与发电机相连；采用导热油炉模拟热源，油泵将高温导热油送入蒸发器中以加热有机物工质；工质冷凝以风冷为主；另外，为保证实验能够在不同工况下顺利进行，在冷凝器的散热盘管上安装喷雾系统，以便于冷凝负载较大时使用。

最佳负载最佳功率负载线

图2示出了当热源温度为100℃时实验所获功率－转速特性曲线。其中，实线为相同工质流量下涡旋膨胀机的功率－转速特性曲线，虚线为相同负载电阻下发电机的功率－转速特性曲线，2条曲线的交点即为涡旋式膨胀机、发电机及负载的耦合工况点，例如电阻为60Ω的发电机功率－转速特性曲线上的耦合工况点为A、B和C。

在不同的工质流量下，涡旋式膨胀机均存在一个最佳转速与一个最大输出功率相对应。将不同工质流量下的最佳工况点相连接，则可得到涡旋式膨胀机的最佳功率转速线。由于联轴器的转速与负载电阻成正相关关系，故在不同工质流量下都存在一个最佳负载电阻，以使涡旋式膨胀机工作在最佳工况点，所以涡旋式膨胀机的最佳功率转速线也即最佳功率负载线。从理论上讲，要想使得膨胀机与发电机及负载达到最佳的匹配，就应使配套发电机的功率－转速曲线与膨胀机的最佳功率负载线重合，以使膨胀机不会工作在过载和欠载状态下。

最佳负载热源温度的影响

由图3可见，当热源入口温度不同时，系统的最佳负载电阻约为60Ω，但最佳的转速和发电功率随着热源温度的增加而增大。发电效率表示热源热能转化为电能的程度，决定了发电系统的应用价值，其与发电功率的比值即为单位质量工质的发电量，表示工质的做功能力。由图4可以看出：当负载电阻为60Ω 时，发电效率和比发电功率均达到最大值。随着负载电阻增加，系统的发电效率呈现出先增后减的变化趋势，并存在一个最佳的负载电阻，使得系统具有最大的发电效率，而且当热源温度升高时，最佳负载电阻对应的发电效率随着热源温度升高而增大；同时，比发电功率随负载电阻变化的关系与发电效率和发电功率的相似，即存在一个最佳负载电阻，以使比发电功率最大，且在不同温度下均存在最佳的负载电阻，热源温度越高，最佳负载电阻对应的最大比发电功率越大，即最佳负载电阻不仅使得系统具有最大的发电功率和发电效率，而且使得循环工质的比发电功率最大。因此，合理设置负载电阻，能够使得发电系统发挥最佳的性能。

最佳负载研究结论

（1）在不同的热源温度和工质流量条件下，均存在一个最佳的负载电阻，使得系统具有最大的发电功率、比发电功率及发电效率。

（2）在设计发电系统时，应为涡旋式膨胀机选择合适的永磁发电机和负载电阻，以使系统运行时发电机的负载电阻－功率－转速特性曲线尽可能靠近膨胀机的最佳功率负载线，使得系统发挥最佳的性能。

（3）在热源温度不超过120℃ 时，实验所测系统的最大发电功率可达1.05kW，最高发电效率可达4.51%，膨胀机的最大转速和膨胀比分别可以达到2922 r/min和3.03。

采用转杯-流化床处理熔融态高炉渣，用空气来冷却炉渣，并将起用做热风炉的助燃空气，实现炉渣的显热回收。研究转杯直径、转速、气流速度、渣的粘度以及渣的加入量等对渣粒的形状、在径向区域内的质量分布以及渣粒直径的影响，探明控制粒形及其分布的操作条件和几何条件，建立各因素与直径之间的关系式。研究渣粒直径、床层质量以及气流速度等对传热系数的影响，建立流化床传热数学模型，预示渣粒在流化床内的换热特性。研究冷却强度对渣粒组织结构的影响，确定获得玻璃体组织所需的最小冷却强度。具有节能环保的双重意义，对提高冶金渣综合利用水平产生推动作用。 2100433B