高爐渣顯熱梯級(jí)回收有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電的基礎(chǔ)研究中文摘要

高爐渣顯熱的回收在鋼鐵行業(yè)余熱利用中占有重要的地位。目前國(guó)內(nèi)外高溫渣顯熱還沒有成熟的回收技術(shù)，大多數(shù)高爐渣還是采用水淬法制取水渣，其主要的問題是大量的高溫爐渣顯熱和沖渣水熱量白白浪費(fèi)，既污染了環(huán)境又造成了能源浪費(fèi)。因此，基于水淬法處理爐渣工藝，迫切需要在充分利用高溫爐渣顯熱和沖渣水熱量上，即在爐渣顯熱梯級(jí)回收利用上進(jìn)行創(chuàng)新。本課題基于傳熱學(xué)理論、工程熱力學(xué)理論以及有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電實(shí)驗(yàn)，開展高溫爐渣顯熱的回收形式研究；以提高載熱體中溫空氣和低溫沖渣水有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電效率為目標(biāo)的非共沸有機(jī)工質(zhì)選擇判別標(biāo)準(zhǔn)的理論研究、非共沸有機(jī)工質(zhì)的優(yōu)化選擇理論研究；以及在發(fā)電系統(tǒng)中火用損最大的蒸發(fā)器研究，從而建立適合高溫顯熱和低溫沖渣水有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的新型高效、緊湊型一次表面蒸發(fā)器的強(qiáng)化理論。

高爐渣顯熱的回收在鋼鐵行業(yè)余熱利用中占有重要的地位。目前國(guó)內(nèi)外大量的高溫爐渣顯熱和沖渣水熱量白白浪費(fèi)，既污染了環(huán)境又造成了能源浪費(fèi)。對(duì)高爐渣高溫顯熱回收的有效方式進(jìn)行了研究，對(duì)于2500M3高爐，為了不影響高爐爐渣的流動(dòng)性，其空氣回收溫度為300℃，空氣量為22854Nm3/h，該300℃溫度空氣量，利用ORC發(fā)電能產(chǎn)生600KW電量，此結(jié)論對(duì)于大中型高爐渣顯熱利用具有理論指導(dǎo)意義，并具有一定的應(yīng)用前景；對(duì)ORC非共沸有機(jī)工質(zhì)選擇判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了理論研究，得出窄點(diǎn)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致傳熱過程惡化，并推導(dǎo)出防止窄點(diǎn)出現(xiàn)的判別式，通過該式，可以調(diào)整換熱流體在冷凝器中的進(jìn)出口溫差來防止傳熱窄點(diǎn)的出現(xiàn)并發(fā)現(xiàn)各種工質(zhì)冷凝時(shí)換熱窄點(diǎn)的位置和換熱流體的溫度變化情況，這對(duì)研究非共沸有機(jī)工質(zhì)發(fā)電技術(shù)具有理論指導(dǎo)作用；對(duì)中溫空氣載體ORC發(fā)電技術(shù)系統(tǒng)及工質(zhì)選擇進(jìn)行了研究，得出了ORC系統(tǒng)優(yōu)化下的最佳工質(zhì)配比；對(duì)高爐沖渣水低溫余熱回收純工質(zhì)及非共沸工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了研究并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出了純工質(zhì)中性能最優(yōu)的是R245ca，R1234yf/R245fa(0.4/0.6)是非共沸ORC系統(tǒng)的最優(yōu)工質(zhì)；研究了利用LNG冷能與高爐沖渣水余熱的聯(lián)合ORC發(fā)電系統(tǒng)，通過考慮熱效率、?效率以及單位質(zhì)量工質(zhì)做功，得出LNG和ORC聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的最優(yōu)工質(zhì)是R152a、R161和R600a，這為在海邊建立大型鋼鐵廠，充分利用LNG冷能和鋼鐵廠余熱聯(lián)合發(fā)電提高了理論指導(dǎo)；對(duì)與有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)相匹配的高效、緊湊型換熱器進(jìn)行了研究，該新型板式換熱器融合了管殼式、板翅式和板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)，與管式換熱器相比具有傳熱系數(shù)提高30%以上，換熱器重量以及體積降低50%以上以及換熱器由于板間的湍流，不易結(jié)垢的特點(diǎn)，這對(duì)于建立緊湊高效低價(jià)ORC發(fā)電系統(tǒng)提供了理論指導(dǎo)和實(shí)際設(shè)計(jì)指導(dǎo)；探討了ORC冷凝器冷凝表面超疏水高導(dǎo)熱石墨烯涂層與冷凝系數(shù)的關(guān)系，得出接觸角為120°左右時(shí)，冷凝系數(shù)最大，這為換熱器表面涂層性能設(shè)計(jì)以及大幅提高冷凝系數(shù)提供了重要的理論指導(dǎo)。石墨烯復(fù)合涂層具有耐腐蝕，高導(dǎo)熱，疏水性抗結(jié)垢功能，成果具有較大的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。 2100433B

150℃以下的低溫?zé)崮軓V泛存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)過程中，如太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮埽约八鄰S、熱力發(fā)電廠和化工廠的工業(yè)余熱，若不加以利用，則是對(duì)能源的巨大浪費(fèi)，因此，安全、可靠、高效地利用這部分熱能的意義重大。與傳統(tǒng)的水蒸氣朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)相比，有機(jī)物朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率高、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及可靠性高，已成為回收利用低溫?zé)崮艿淖罴堰x擇。國(guó)內(nèi)外關(guān)于ORC系統(tǒng)的理論研究較多，但相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少。Gu等通過理論和實(shí)驗(yàn)的方法研究了余熱回收ORC系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)部件中蒸汽發(fā)生器的不可逆損失最大，而且系統(tǒng)的最大熱效率為5.2%；Mathias等搭建了可采用渦旋式或擺線式膨脹機(jī)的有機(jī)物發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其最大輸出功率為2.96kW；Peterson等建立了一個(gè)采用渦旋式膨脹機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其熱源溫度為165～183℃，系統(tǒng)輸出功率為187～256W；Quoilin等通過實(shí)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)理論模型對(duì)渦旋式膨脹機(jī)進(jìn)行了研究，并考慮了膨脹機(jī)的內(nèi)泄漏、漏熱、過膨脹或欠膨脹等損失；Li等搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)并對(duì)回?zé)崾桨l(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；Kang等研究了采用徑流式渦輪膨脹機(jī)的ORC系統(tǒng)，并分析了影響系統(tǒng)性能的因素；Pei等分析了膨脹機(jī)的各項(xiàng)損失對(duì)系統(tǒng)性能的影響及熱電聯(lián)產(chǎn)的相關(guān)問題；Gao等研究了太陽能混合工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)。這些研究推動(dòng)了ORC技術(shù)的發(fā)展，但對(duì)膨脹機(jī)－發(fā)電機(jī)－負(fù)載三者的相關(guān)性研究還很少。

最佳負(fù)載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究所用低溫?zé)崮苡袡C(jī)物朗肯循環(huán)發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)外觀及結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由有機(jī)物朗肯循環(huán)與熱源循環(huán)2個(gè)環(huán)路組成。有機(jī)物朗肯循環(huán)環(huán)路主要包括蒸發(fā)器、冷凝器、儲(chǔ)液罐、工質(zhì)泵和膨脹機(jī)；熱源循環(huán)環(huán)路是加熱油爐循環(huán)系統(tǒng)；另外，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中還包括發(fā)電機(jī)、負(fù)載電阻、背壓閥、球閥、膜片式脈沖阻尼器及干燥過濾器等配件和一整套測(cè)試設(shè)備。

為了減小發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的體積，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試設(shè)備集成在一個(gè)箱體中，并在箱體底部安裝滑輪以便于移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理如下：將蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液罐與工質(zhì)泵用銅管依次連接而形成工質(zhì)循環(huán)的閉路系統(tǒng)；渦旋式膨脹機(jī)通過聯(lián)軸器與永磁交流發(fā)電機(jī)連接；3個(gè)相同的瓷盤變阻器通過三角形接法與發(fā)電機(jī)相連；采用導(dǎo)熱油爐模擬熱源，油泵將高溫導(dǎo)熱油送入蒸發(fā)器中以加熱有機(jī)物工質(zhì)；工質(zhì)冷凝以風(fēng)冷為主；另外，為保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诓煌r下順利進(jìn)行，在冷凝器的散熱盤管上安裝噴霧系統(tǒng)，以便于冷凝負(fù)載較大時(shí)使用。

最佳負(fù)載最佳功率負(fù)載線

圖2示出了當(dāng)熱源溫度為100℃時(shí)實(shí)驗(yàn)所獲功率－轉(zhuǎn)速特性曲線。其中，實(shí)線為相同工質(zhì)流量下渦旋膨脹機(jī)的功率－轉(zhuǎn)速特性曲線，虛線為相同負(fù)載電阻下發(fā)電機(jī)的功率－轉(zhuǎn)速特性曲線，2條曲線的交點(diǎn)即為渦旋式膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)及負(fù)載的耦合工況點(diǎn)，例如電阻為60Ω的發(fā)電機(jī)功率－轉(zhuǎn)速特性曲線上的耦合工況點(diǎn)為A、B和C。

在不同的工質(zhì)流量下，渦旋式膨脹機(jī)均存在一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速與一個(gè)最大輸出功率相對(duì)應(yīng)。將不同工質(zhì)流量下的最佳工況點(diǎn)相連接，則可得到渦旋式膨脹機(jī)的最佳功率轉(zhuǎn)速線。由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速與負(fù)載電阻成正相關(guān)關(guān)系，故在不同工質(zhì)流量下都存在一個(gè)最佳負(fù)載電阻，以使渦旋式膨脹機(jī)工作在最佳工況點(diǎn)，所以渦旋式膨脹機(jī)的最佳功率轉(zhuǎn)速線也即最佳功率負(fù)載線。從理論上講，要想使得膨脹機(jī)與發(fā)電機(jī)及負(fù)載達(dá)到最佳的匹配，就應(yīng)使配套發(fā)電機(jī)的功率－轉(zhuǎn)速曲線與膨脹機(jī)的最佳功率負(fù)載線重合，以使膨脹機(jī)不會(huì)工作在過載和欠載狀態(tài)下。

最佳負(fù)載熱源溫度的影響

由圖3可見，當(dāng)熱源入口溫度不同時(shí)，系統(tǒng)的最佳負(fù)載電阻約為60Ω，但最佳的轉(zhuǎn)速和發(fā)電功率隨著熱源溫度的增加而增大。發(fā)電效率表示熱源熱能轉(zhuǎn)化為電能的程度，決定了發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值，其與發(fā)電功率的比值即為單位質(zhì)量工質(zhì)的發(fā)電量，表示工質(zhì)的做功能力。由圖4可以看出：當(dāng)負(fù)載電阻為60Ω 時(shí)，發(fā)電效率和比發(fā)電功率均達(dá)到最大值。隨著負(fù)載電阻增加，系統(tǒng)的發(fā)電效率呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢(shì)，并存在一個(gè)最佳的負(fù)載電阻，使得系統(tǒng)具有最大的發(fā)電效率，而且當(dāng)熱源溫度升高時(shí)，最佳負(fù)載電阻對(duì)應(yīng)的發(fā)電效率隨著熱源溫度升高而增大；同時(shí)，比發(fā)電功率隨負(fù)載電阻變化的關(guān)系與發(fā)電效率和發(fā)電功率的相似，即存在一個(gè)最佳負(fù)載電阻，以使比發(fā)電功率最大，且在不同溫度下均存在最佳的負(fù)載電阻，熱源溫度越高，最佳負(fù)載電阻對(duì)應(yīng)的最大比發(fā)電功率越大，即最佳負(fù)載電阻不僅使得系統(tǒng)具有最大的發(fā)電功率和發(fā)電效率，而且使得循環(huán)工質(zhì)的比發(fā)電功率最大。因此，合理設(shè)置負(fù)載電阻，能夠使得發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮最佳的性能。

最佳負(fù)載研究結(jié)論

（1）在不同的熱源溫度和工質(zhì)流量條件下，均存在一個(gè)最佳的負(fù)載電阻，使得系統(tǒng)具有最大的發(fā)電功率、比發(fā)電功率及發(fā)電效率。

（2）在設(shè)計(jì)發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)為渦旋式膨脹機(jī)選擇合適的永磁發(fā)電機(jī)和負(fù)載電阻，以使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的負(fù)載電阻－功率－轉(zhuǎn)速特性曲線盡可能靠近膨脹機(jī)的最佳功率負(fù)載線，使得系統(tǒng)發(fā)揮最佳的性能。

（3）在熱源溫度不超過120℃ 時(shí)，實(shí)驗(yàn)所測(cè)系統(tǒng)的最大發(fā)電功率可達(dá)1.05kW，最高發(fā)電效率可達(dá)4.51%，膨脹機(jī)的最大轉(zhuǎn)速和膨脹比分別可以達(dá)到2922 r/min和3.03。

采用轉(zhuǎn)杯-流化床處理熔融態(tài)高爐渣，用空氣來冷卻爐渣，并將起用做熱風(fēng)爐的助燃空氣，實(shí)現(xiàn)爐渣的顯熱回收。研究轉(zhuǎn)杯直徑、轉(zhuǎn)速、氣流速度、渣的粘度以及渣的加入量等對(duì)渣粒的形狀、在徑向區(qū)域內(nèi)的質(zhì)量分布以及渣粒直徑的影響，探明控制粒形及其分布的操作條件和幾何條件，建立各因素與直徑之間的關(guān)系式。研究渣粒直徑、床層質(zhì)量以及氣流速度等對(duì)傳熱系數(shù)的影響，建立流化床傳熱數(shù)學(xué)模型，預(yù)示渣粒在流化床內(nèi)的換熱特性。研究冷卻強(qiáng)度對(duì)渣粒組織結(jié)構(gòu)的影響，確定獲得玻璃體組織所需的最小冷卻強(qiáng)度。具有節(jié)能環(huán)保的雙重意義，對(duì)提高冶金渣綜合利用水平產(chǎn)生推動(dòng)作用。 2100433B