高炉渣显热梯级回收有机朗肯循环发电的基础研究

The recovery of the sensible heat in blast furnace slag occupies an important position in the waste-heat utilization of the iron and steel industry.Now the recovery technology of the sensible heat in blast furnace slag is not mature at home and abroad. Most of the blast furnace slag adopt water extraction method to produce grain slag. The problem is that much sensible heat in the blast furnace and the heat in the waste water is wasted, which pollutes the environment and causes energy dissipation. So based on the technology of water extraction method to handle theblast furnace slag, it is necessary to innovate on the cascade recovery of sensible heat in the blast slag furnace which can take full use of the sensible heat in blast furnace slag and heat in the waste water. This topic carries out the study of the recovery style of the sensible heat in the high temperature blast furnace slag based on the heat transfer theory, engineering thermodynamics theory and the energy experiment of the Organic Rankine Cycle. This topic also studies the selection criteria and optimization selection theory of the zeotropic working fluid to improve the ORC generating efficiency of middle temperature air and low temperature waste water. In addition, this topic studies the evaporator of the highest exergy in power generation system and builds the reinforcement theory of the new and high efficient primary surface evaporation for ORC system with high temperature sensible energy and low temperature waste water.

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。