ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY
张国伟2,3张延平"J吴桐1，2,3潘颖1,2,3
（1.钢铁工业环境保护国家重点实验室，
2.中冶节能环保有限责任公司，
3.中冶建筑研究总院有限公司）
摘要为实现钢渣余热资源的回收利用，开发了钢渣有压热闷工艺，并将0.2MPa饱和热闷
蒸汽的热量通过汽水换热器传递给热水，热水送入有机朗肯循环系统蒸发器。单罐热闷钢渣
量45t，以R123为有机工质，实验中发电功率达到45kW，循环热效率为3.5%O 关键词钢渣余热有压热闷有机朗肯循环发电
文献标识码：A文章编号：1001-1617（2021）02-0009-04
Technology analysis for steel slag waste heat recovery
and organic rankine cycle power generation
Zhang Guowei1,2*3Zhang Yanping1,2,3Wu Tong1,2,3Pan Ying1,2,3
(1.State Key Laboratory of Iron and Steel Industry Environmental Protection,
2.Enegy Conservation and Environment Protection Co.,Ltd.,MCC Group,
3.Central Research Institute of Building and Construction Co.,Ltd.,MCC Group)
Abstract Steel slag pressured hot stuffy technology is invented for steel slag waste heat recovery and
utilization.Saturated steam(0.2MPa)from the pressured hot stuffy technology exchange heat with re
cycled water,and high temperature water is pumped into evaporator of organic rankine cycle.For451
steel slag,R123is chosen to be organic working fluid,and output power is45kW and cycle thermal
efficiency is3.5%.
Keywords steel slag waste heat pressured hot stuffy organic rankine cycle power generation
近几年，我国钢铁产能持续增加，据统计2019年我国全年粗钢产量达到9.96亿t o高产能必然带来环境污染、高耗能等问题，在进一步疏解产能的同时，还要从炼钢工艺自身挖据潜能，通过新技术、新工艺实现节能减排。其中转炉钢渣产量约120kg/t，出炉钢渣温度在1500~ 1700r之间⑷，潜热为209kJ/kg，全国每年钢渣潜热量达到2.5x1010MJ，约合85.23万tee。
针对钢渣余热回收工艺，国内外已有相关研究及工程进展。日本NKK和Mitsubishi公司于
收稿日期：2020-08-06
张国伟（1989-），工程师；100021北京市朝阳区。1977年联合研制了转炉钢渣风淬法显热回收工艺设备热回收率为40%-45%，并于1981年11月在福山制铁所建成世界上第1套转炉钢渣风淬法余热回收装置。英国钢铁公司Teesside实验室与Nottinghan大学联合研制的转杯-连铸式流化床熔渣显热回收装置⑸，钢渣在粒化过程中将热传递给空气和床内水管，热回收率为60%。我国相关企业也已经研发出了多种钢渣显热回收工艺技术，并且得到了工业验证和应用。20世纪90年代宝山钢铁公司应用熔融钢渣粒化轮法和显热回收工艺装置同，热回收率约为30%。上述技术因工艺复杂，投资高，钢渣流动性要求高，处理率低，故障率和维修费
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用高，金属回收率低等缺陷[?-8]，均未得到广泛
推广。钢渣辐压破碎-有压热闷技术是中国中冶
建筑研究总院研究开发的液态钢渣处理技术，该 技术适用于各种温度的钢渣处理，被广泛应用于
全国部分大、中型钢铁企业。罐式热闷环节可以
产生0. 2MPa 的不连续饱和蒸汽，为余热利用创 造了条件。文章提出的转炉钢渣余热发电技术正 是基于钢渣热闷法，以热闷蒸汽作为热源，应用
有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle , ORC ) 实现钢渣资源与能源的一体化利用。
1钢渣余热发电原理与工艺
1.1 ORC 系统原理
ORC 系统利用低沸点工质的蒸发、膨胀和
的过程。主要设备包括：蒸发器、冷凝器、汽轮
机、发电机和工质泵。工质泵输送低温低压有机
工质进入蒸发器，工质吸收热源流体热量蒸发,
形成一定压力的气态工质进入汽轮机膨胀做功, 将热能转化为电能，从汽轮机低压级排出乏气进
入冷凝器，循环冷却水将工质冷却至饱和液态,
再次经工质泵输送至蒸发器，完成循环。1.2钢渣余热发电工艺
钢渣辐压破碎-有压热闷技术为钢渣余热利
用创造了条件，但热闷蒸汽压力低、含尘、不连 续，无法直接利用。因此开发一款高效汽水换热
装置，将间断的热闷蒸汽转换成连续输出的热水
资源，结合ORC 技术即可实现钢渣余热的发电 利用，工艺流程如图1所示。
冷凝，实现从热源吸收热量，将热能转化为电能
具体工艺步骤如下：
(1) 在有压热闷过程中周期排放不连续低
压含尘蒸汽引入汽水换热器；
(2) 回水在汽水换热器中与蒸汽接触换热,
混合成高温热水；
(3) 高温热水进入蒸发器，加热有机工质
使其蒸发；
(4) 有机工质蒸气进入汽轮机膨胀做功,
有机工质热能转化为电能；
(5)做功后乏汽进入冷凝器，被循水冷却
成饱和液，重新进入蒸发器，完成循环。2钢渣余热发电分析计算2.1实验系统热力学理论分析
ORC 实验系统有机工质选择R123，又名三
氟二氯乙烷，分子式CF 3CHC12，部分物理化学 性质见表1⑼。
表1 R123物理化学性质
分子量
沸点(latm) /T
临界压力/kPa
临界温度/弋ODP GWP 152.927.73670183.90. 02
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Mar.202111汽轮机为凝汽式，额定功率50kW，转速
3019r/min；蒸发器额定蒸发压力0.37MPa，额
蒸汽回收机定蒸发温度69.5兀；冷凝器进气压力
0.145MPa，进气温度49.3尤。由于工质泵耗功
较小，简化分析中视为等爛压缩过程，ORC系
统温-爛图如图2所示，各状态点热力学参数见
表2ORC循环各状态点热力学参数
状态点温度/壬压力/MPa箱/kJ・kg-1
169.50.37422.79
249.30.145412.51
2s42.40.145407.48
338.10.145238.62
438.20.37238.77
569.50.37271.65
图2中1-2s是ORC系统理想可逆循环在
汽轮机中等爛膨胀过程，1-2是考虑汽轮机中
不可逆损失后的实际膨胀过程，2点、2s点和3
点均在同一等压线。
单位质量有机工质在汽轮机内等爛膨胀输出
功加1—2s与实际膨胀输出功吗一2分别为：
w x_2s-h x-h2s-15.31kJ/kg
w i_2-h x-h2=10.28kJ/kg
1-2过程的膨胀功与1-2s过程的膨胀功
之比为汽轮机的等爛效率几:
巾二仞1-2
W l-2s
Ji、—他
屁-h2s
=67%
单位质量有机工质在蒸发器中吸热量q x为: q x=虹-肌=184.02kJ/kg
单位质量有机工质在工质泵中耗功为:
w p=h4-h3二0.15kJ/kg
ORC系统净输出功％et与系统吸热量q x之比为理想循环热效率耳以
“net=W1-2S~W p=15.16kJ/kg
%二上二&24%
q x
汽轮机净输出功还需考虑机械效率％和发电机效率％，—般取机械效率为95%，发电机效率为95%，则ORC系统理论发电效率V为:
7]=7]th x0.95x0.95二7.44%
2.2钢渣余热发电实验分析
钢渣余热发电实验采用ORC系统，热源来自转炉钢渣热闷过程。钢渣经过辐压破碎后，约500%的高温渣在热闷罐内进行喷水有压热闷，单罐容量45t，产生0.2MPa饱和蒸汽与回水在汽水换热器混合后进入蒸发器，加热R123完成循环。
选取实验中某一时间段的数据进行分析，平均发电功率45kW，如图3所示。其中蒸发器内热源水的放热量根据热水供回水温差计算，由于工质泵耗功较小，将实验记录的发电功率计为循环净功率。不考虑蒸发器的换热效率，循环净功率与热水放热量之比为循环热效率，该实验系统平均热效率约为3.5%。
70
30------------------------------------------------------0
0 102030405060
时间/s
%
、<
彖
聚
s
e
6
5
4
3
2
1
图3钢渣余热发电实验系统发电功率与循环热效率
机组启动阶段，高温钢渣进入热闷罐，初期 喷水量略大，且在汽水换热器内混合的回水水量小，进入蒸发器的热水流量变大、温度提高，因此有机工质蒸发后带有过热度，汽轮机进汽温度提高，发电功率升高。另外，钢渣热闷过程采用间歇喷水方式，且试验阶段为保证钢渣处理工艺不受影响，仅回收少量热闷罐余热，导致出罐蒸
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汽流量和温度产生波动，使ORC系统的输入热量不稳定，所以出现发电功率的大幅波动。在后续工程化应用中，多个热闷罐全部进行余热回收，每个罐处于不同的渣处理周期，可以保证蒸汽回收总量保持基本稳定，避免后端发电机组的大幅波动，平均发电效率会有明显提升。
试验平均发电量达到45kW，接近机组额定值，但效率仅为3.5%，低于该套设备理论发电效率，主要原因是回收的饱和蒸汽压力、温度和流量与机组设计工况存在偏差，机组未能在理想工况点运行。热闷初期蒸汽温度、流量均高于机组设计值，但发电量受限于机组额定功率，热闷中后期余热量减少，发电量随之下降。
研究结果为下一步选型提供了数据支持，针对汽水换热后进入ORC机组的热源额定参数的确定提供了试验依据，对发电机组蒸发器、冷凝器等设备的设计具有重要意义。在热闷罐蒸汽回收与汽水换热两方面取得较可靠的热源数据条件下，可匹配更高参数的发电机组，得到更高的额定发电功率和更大的余热回收效率。
3结论
(1)通过钢渣热闷工艺，产生0.2MPa饱和蒸汽。配套ORC发电系统，实现钢铁企业余热资源的回收利用，提高了能源利用率。
(2)钢渣热闷工艺特点具有明显的不连续性，产生不连续的含尘蒸汽经过汽水混合换热后转换为温度、流量相对稳定的热水，使蒸发器获得稳定热负荷，满足了ORC汽轮机的进汽要求。
(3)热闷工艺单罐钢渣容量45t，选取R123作为有机工质，汽轮机输出功率达到45kW，系统循环热效率为3.5%o
(4)该工艺路线成功进行了中试规模试验，但受限于设备、投资及后续生产运行等原因，并未达到最大发电效率。后续工程应用中优化工艺参数，钢渣余热连续性、规模性回收，可显著提高发电量。
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赵艳编辑
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