1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

1 研究背景和意义

我国是一个钢铁大国，钢铁冶金行业更是我国基础工业最为重要的行业之一。近年来，我国的钢铁工业处于高速增长的阶段。冶金企业属于高耗能型企业，其能耗占全国能耗的10%左右，占工业部门能耗的15%左右，能源费用占企业生产总成本20%～30%。因此，实现节能减排、提高能源利用率是处在工业化中后期阶段的中国的主要目标^[1]。冶金企业从焦化、烧结、炼铁、炼钢、连铸到轧钢的生产过程中产生大量含有可利用热量的废气、废水、废渣，约占总能耗的30%。除了生产工艺相对落后、产业结构不合理的因素外，工业余热利用率低，能源没有得到充分综合利用是造成能耗高的主要原因。

余热的利用对于钢铁行业降低成本降低环境污染具有非常重要的意义，近年来，我国钢铁行业在余热利用等方面的研究力度不断加大，其中高温气体余热已经得到了有效的利用，但是对于低温余热的利用率与发达国家相比还远远不够，在现有基础上加大余热利用技术的研究，将其应用于钢铁行业的发展中，促进钢铁行业节能效果的提升具有非常重要的意义^{{【（(林伟, 2016 #163}】）)[2]}。

2国内外发展现状

2.1国外发展现状

德国是世界上最早开展循环经济实践的发达国家，在回收利用副产品方面，德国制定了重新再利用的战略规划。德国每年生产大约1300万吨炉渣，包括高炉炉渣、转炉炉渣、电路炉渣和其他炉渣。其中，高炉炉渣利用率达到了100%，炼钢渣的利用率也超过了90%。而且德国建立了炉渣研究所，一直在进行扩大炉渣使用范围的研究^[3]。

目前，美国钢铁工业与相关产业建立了生态产业链，形成了企业间的工业代谢和共生关系，大幅度节约了资源，接近实现零排放。同其他国家一样，美国积极推广钢铁工业最新的工艺流程，其节能降耗的主要措施有：淘汰效率低的老旧设备，先后投入数十亿美元；应用喷煤技术以减少焦炭用量，使大多数钢厂关闭其炼焦炉，转而进口焦炭，以减少能源消耗；对高炉进行技术改造，增加了顶压发电，提高了炉顶气体利用率；配合使用预热废铁的电炉熔炼，为电炉提供热铁水；采取热装热送、直接熔炼等技术，并率先开发出废钢电炉薄板坯连铸连轧工艺，尽量减少工序转换过程中的能源消耗。

在废弃物的回收利用方面，美国钢铁企业一直走在世界同行的前列。由于美国的废钢积蓄量大，他们根据钢铁生产流程总结出一套废弃物采集、回收、储存、运输、转化处理系统，从而保证了美国钢铁工业在世界的竞争优势^[3]。

日本是一个能源匮乏的国家, 节能政策在日本能源政策中占有举足轻重的地位。在20世纪90年代日本泡沫经济破灭后公共工程和民间建设大幅压缩, 使钢材内需下降, 日本各钢铁企业一方面通过保持合理规模在新体制下大力发展高端产品的出口, 一方面在日本经济团体联合会的统一布置下, 组织各行业制定了以减排CO₂为中心的2010年企业节能环保志愿计划, 1996年公布后, 逐步开展检查, 推动了钢铁工业新一轮节能环保技术的发展。计划优先针对两个主要问题, 即防止全球变暖和建立循环型社会。该行动计划提出了具体节能目标, 假设日本钢铁产量维持在每年1亿吨水平, 要求到2010年钢铁生产所用的能量要比1990年减少10%。除此之外, 如果实施包括废塑料利用在内的附加计划, 则要求2010年目标能耗比1990年减少11.5%^[4]。

2.2国内发展现状

2013年全国能源消耗总量41.69亿吨标准煤，2014年中国能源消耗为42.6亿吨标准煤，其中我国钢铁行业消耗4.62亿吨标准煤，占全国总能耗的0.86%。而钢铁行业对GDP的贡献率只占3.2%。2014年中钢协单位总能30422.51万吨标煤，万元工业增加值能耗4816.32标准煤；2015年中钢协单位总能耗为28597.16万吨标煤。万元工业增加值能耗6509.6万吨标准煤。多年来，我国钢铁工业能耗增幅是远低于钢产量的增幅，说明我国钢铁工业节能工作不断取得新进展^[5]。

余热余能的转换、回收和利用基本原则是就近回收、就近转换、就近使用、梯级利用、高质高用，实现”能质全价开发”。钢铁工业生产用总能约有70%会转换为二次能源（包括副产煤气），但我国尚有30%左右的二次能源没有得到充分回收利用。

目前，产品显热回收率为50.4%，烟气显热回收率在14.92%，冷却水显热回收率在1.9%，炉渣显热回收率在1.59%，钢铁工业余热回收率在25.8%（其中：高温余热回收率在44.4%，中温余热回收率在30.2%，低温余热回收率在1%）^[5]。我国钢铁企业开展二次能源回收利用的主要设备利用现状：

（1）CDQ、TRT和烧结废气余热回收概况

我国新建干熄焦装置93套，处理能力1.2万t/h。我国干熄焦装置总计gt;200套，处理能力2.5万t/h(与其配套的炼焦生产能力超过2.2亿t/h)；重点钢铁企业焦化厂的干熄焦率已在90%以上。CDQ设备采用高温高压锅炉，可使CDQ吨焦发电量提高15%左右。但目前，采用高温高压锅炉只约占40%^[5]。应当大力推广干法熄焦技术和采用高温高压锅炉，多回收15%能量。

我国现有TRT装备的高炉约有700座，其中597座为煤气干法除尘，其它为湿法除尘，平均吨铁发电量低于30kwh/t铁。炉顶煤气压力大于120kPa的高炉均应拥有TRT装置，而不是限于1000m³以上容积的高炉^[5]。因为压力大于120kPa的TRT 发电会有经济效益。我国高炉TRT发电量普遍偏低，主要原因是高炉生产与TRT优化协调不够，煤气没有全量通过TRT，以及1000 m³以下高炉生产不稳定，煤气中含有氯离子，使TRT叶片易结白色晶体（卤化物），使TRT发电水平偏低等方面的影响。

（2）副产煤气的回收利用情况

2016年中钢协会员企业高炉、转炉煤气回收利用水平提高，促进了企业节能。但焦炉煤气的回收和使用有所下降。

（3）冶金炉窑废汽余热利用

热风炉废气的温度一般在300℃，且量大。其废汽可用于高炉喷吹煤的干燥、炼焦煤的脱湿，以及北方精矿粉的解冻等。转炉煤气的温度一般在1600℃左右，可以通过换热设备，对其显热进行热交换，产生一些中压蒸汽。这部分蒸汽可以进入企业的蒸汽管网，可以用于钢水精炼炉的真空脱气、RH设备的动力等。焦炉废气的温度在1000℃以上，可以用于煤干燥脱湿。轧钢加热炉的废气温度偏低，特别是蓄热式加热炉的废汽温度更低，难以再利用^[5]。

钢铁企业的余热资源种类多、数量大。我国钢铁企业的能耗指标与国际先进水平相比,还存在较大的差距。对钢铁企业的各种余热资源进行综合的分析与诊断,通过引进、吸收和创新,积极开发和运用先进的余热回收技术,对钢铁企业的余热资源进行系统的高效回收利用,具有重要的意义^{[6, 7]}。

3 钢铁行业余热利用方向

3.1钢铁工艺制造全流程

钢铁工艺流程环节有烧结、炼铁、炼钢、轧钢。钢铁工艺流程可分为长、短流程两种，长流程几个环节均包括，短流程只包括后3个环节或后2个环节。图1为钢铁工艺流程。

图1钢铁工艺制造全流程

具体工艺流程如下；

（1）烧结：烧结是指将各种粉状含铁原料，配入适量的燃料和熔剂，加入适量的水，经混合和造球后在烧结设备上使物料发送一系列物理化学变化，将矿粉颗粒黏结成块的过程。目前生产上广泛采用带式抽风烧结机生产烧结矿。烧结生产的工艺流程有：括烧结料的准备，配料混合，烧结和产品处理等。

（2）炼铁：我国主要采用的是高炉-转炉长了流程生产。高炉炼铁工序是我国钢铁生产流程中能耗最高的工序，占整个工序的50%以上。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。高炉生产是连续进行的。一代高炉（从开炉到大修停炉为一代）能连续生产几年到十几年。

（3）炼钢：炼钢指的是将铁水冶炼成钢水。炼钢利用转炉内的氧化性环境将铁水中过量的碳氧化成CO和CO₂，达到钢水要求的碳含量。当然在炼钢厂房内一般来说还要有转炉之前的铁水脱硫预处理，转炉出钢后的钢水精炼（钢包精炼炉LF或LF 真空循环脱气RH或LF 真空脱气VOD等），完成精炼后用行车调运至连铸机的大包回转台，进行连铸浇铸的工序环节，为后续的轧钢厂提供坯原料。炼钢工序主要包括铁水预处理、转炉或电炉、精炼、连铸。

（4）轧钢：从炼铁厂送过来的连铸坯，首先进入加热炉，然后经过初轧机反复轧制之后，进入精轧机。轧钢属于金属压力加工，说简单的，轧钢板就像压面条，经过擀面杖的多次挤压与推进，面就越干越薄。在热轧生产线上，轧坯加热变软，被辊道送入轧机，最后轧成用户要求的尺寸。轧钢时连续地不间断地作业。

3.2冶金行业余热资源的分类

将温度作为分类的依据，可以划分为低温余热、中温余热和高温余热(见表1)。中高温余热往往呈现温度较高、热量较集中的特点，回收难度较低，企业投人优先向此类项目倾斜。低温余热比较分散且热源波动频繁，不容易集中回收。

表1 余热资源按品质分类

等级	气体	液体	固体	主要存在形式
高品质	＞400℃	＞200℃	＞700℃	荒煤气、转炉烟气、电炉烟气、熔渣显热、高温钢材、红焦、高温烧结料等。
中品质	250℃～400℃	95℃～200℃	400℃～700℃	烧结中温废气、烧结主排烟气、高炉煤气、热风炉烟气、转炉烟气等。
低品质	＜250℃	＜95℃	＜400℃	焦炉烟气、烧结低温废气、电站锅炉烟气、热风炉低温烟气、放损蒸汽、冲渣水、低温物料等。

3.3钢铁制造全流程分工序的余热余能利用

钢铁制造流程分工序的余热余能资源种类和回收技术如表2所示。

表2 按工序流程的余热资源、回收水平和回收技术

工序	余热余能资源种类	品质	回收技术
焦化	焦炉煤气潜热 焦炉煤气显热 焦炭显热 焦炉烟气显热	高热值、显热较高 高温余热 高温余热 低温余热	煤气利用 干熄焦(CDQ) 煤调湿
烧结	烧结烟气显热 烧结矿显热	中低温余热 高温余热	直接热利用 或余热发电
炼铁	高炉煤气潜热 高炉煤气显热 高炉炉渣显热 高炉炉顶余压 热风炉烟气显热 铁水显热	热值高、显热较低 中温余热 高温余热 高品质 中低温余热 高温余热	煤气利用 TRT 煤气、空气双预热 一罐至炼钢工序
转炉	转炉煤气潜热 转炉煤气显热	高热值、显热较高 高温余热	煤气利用 汽化冷却， 蒸汽回收
炼钢	炉渣显热 钢坯显热	高温余热 高温余热	钢坯热装热送
轧钢	加热炉烟气显热	高温余热	直接热利用 汽化冷却， 蒸汽回收

在焦化工序，焦炉煤气潜热的利用即煤气利用技术已经普及；对焦炉煤气显热还未进行回收，目前正在研究中的方法有利用循环氨水回收^[8]、利用初冷器回收^[9]；焦炭显热是利用干熄焦技术回收^[10]，目前这项技术已经成熟和普及，多数钢厂已经应用；对于焦炉烟气显热，国内钢铁企业主要是重点开发和推广煤调湿技术^[11]，此外热管生产蒸汽技术^[12]目前也快速发展。

在烧结工序，对烧结矿的显热多数钢厂已经通过直接热利用(热风烧结、热风点火助燃和烧结混合料干燥)或余热发电^[13]进行了回收，目前正在研究的方向是烧结矿余热罐式回收发电工艺^[14]和烧结烟气余热回收与脱硫脱硝一体化工艺^[15]；对烧结烟气显热绝大部分钢厂并未进行回收，其回收方法主要是烧结烟气循环技术^[16]，目前该技术还处于研究阶段。

在炼钢工序，煤气潜热的利用即煤气利用已经普及；转炉烟气显热是经汽化冷却进行蒸汽回收利用，正在进行的研究重点是蒸汽发电以及导热相变材料回收储热^[17]等；电炉烟气显热未回收，电炉烟气汽化冷却系统正在研究中；炉渣显热也未回收，技术有待开发。

在轧钢工序，加热炉烟气的显热回收利用方式有：在烟道内设置换热器^[18]，用烟气加热助燃空气或煤气^[19]；设置预热段用烟气加热炉料；设置蒸汽过热器^[20]；下一步的研究方向是低温余热发电^[21]。

在炼铁工序，高炉煤气的潜热即煤气利用技术已经普及；高炉煤气的显热除小部分经TRT转化回收外，基本未进行回收，高炉煤气的显热回收技术还有待开发；对高炉炉顶余压可以利用TRT技术回收，国内全部1000m³以上高炉及部分小高炉都已实现，目前正在研究的方法是干式TRT回收法^[22]；对于热风炉烟气显热的回收利用，热管换热器用于烟气余热回收为能源节约作出了较大贡献。近年来，基于热管技术的日益成熟，经运行研究指明，热管换热器在高温、腐蚀性等条件下所能达到的热能回收指标是传统换热器所不及的。于烟道尾部位置安装热管换热器，经运行研究表明，它能够吸收从废气中的近90%的热量，并且利用吸收的余热去加热周围的空气或煤气^[23]。而且使用热管技术能保护环境，遵循我国所提倡的节能减排的理念。本课题就是基于热管换热原理，设计分离式预热器的结构形式。

4热管与分离式热管换热器

4.1热管的工作原理

热管结构如图2所示，热管由三个基本部分组成：一是两端密封的容器，多数做成圆管状；二是由多孔材料(金属网、金属纤维等)构成吸液芯，覆盖在器壁(管壁)的内表面；三是容器内充有一定数量的工作液体(工质)及其蒸气。管的一端为蒸发段（加热段），另一端为冷凝段（冷却段），根据应用需要在两端中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸气在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量由热管的一端传至另一端^[24]。

工业中大都采用重力热管，其结构如图3：

重力热管在其轴线方向上是由加热段、绝热段、冷凝段组成，但在一些情况下可以没有绝热段。重力热管在工作原理上与普通热管有着一定的差异，因为它在管内不具有毛细吸液芯，所以他的加热段在冷凝段的下方，工质在加热段加热后气化后变成气态，气态工质再在冷凝段冷却成液态，由于重力的作用，工质又返回到加热段，工质完成整个循环这也是其称为重力热管的原因。管内工质由于在加热段被加热，上升到冷凝段放热，又由于重力的作用回到蒸发段，这样就可以实现热量的传递。由于在汽化潜热阶段传递的热量较多，显热方式所传递的热量已经无法满足，因此，重力热管表现出的传热能力就显得十分优越，所以它是一种高效的换热元件。

4.2热管换热器的结构形式

整体式热管换热器是一种最常见的热管换热器，其结构如图4：

图4热管换热器结构

这种换热器由一支支热管元件组成，两换热流体分别位于换热器的上、下部分。中间由管板分隔，热管悬挂在管板上，该处可采用静密封或焊接结构，视设计需要而定。以单根热管做为传热元件的热管换热器已在工业上得到了广泛应用。但是，大型装置中，排烟量每小时多达数十万立方米，所用的热管长达10～20m，单管传输功率高达20kW。这种热管元件的制造、运输安装及维修都十分困难。由于热管传输功率大，根据热管的传输极限及刚度要求，不得不加大管径，结果使热管的紧凑性下降。另外，对于一些绝对不允许泄露的换热流体，单管热管换热器中的隔板还达不到绝对不泄露的要求^[25]。

4.3分离式热管换热器

近些年来，分离式热管换热器在电厂热能回收中得到了广泛的应用。分离式热管换热器的工作原理如图5所示：

分离式热管换热器是将加热蒸发段与冷凝段分开布置，与气、液连接管组成闭合循环回路。热流体在蒸发段受热上升，经汽导管在冷凝段放热冷凝。冷凝液靠重力经液导管回流到蒸发段。在冷凝段下联箱上装有不凝结气体分离管，上面装有排气阀，可以随时排除不凝气体。凝结液的回流驱动力是凝结段高位布置造成的液位差^[25]。

分离式热管换热器具有以下几大特点：

(1)对换热装置大型化的适应性好。分离式热管的加热段和冷凝段分开,可以避免制造很长的热管。又由于蒸汽在冷凝段中自上而下与液膜同向流动,可以避免单管式长热管易于出现的携带极限。相应地也可以选择较小直径的管子做传热管，保证其装置的紧凑性；

(2)能实现冷、热两流体远程换热。利用分离式热管可以实现相距较远的两流体间的换热,据有关文献报道,两流体间的距离可达数十米乃至上百米。这一点在现场比较拥挤、难以布置常规余热回收装置的情况下具有更大的意义；

(3)冷、热流体可以完全隔离。由于分离式热管换热器的加热段和冷却段分别布置在两个不同的通道内,穿过墙壁的只有少数连接管,极易密封，所以可以彻底杜绝渗漏现象；

(4)可以实现一种流体和多种流体之间的换热^[26-29]。

综上所述,分离式热管换热器可使冷、热源分开,远距离传输能量；且不需外加动力；热管传热效率高,结构简单；投资小；既降低了能耗,同时减少了设备腐蚀和环境污染,因此具有广阔的应用前景。相信分离式换热器将会在其它工业中发挥更大的作用。

5热管强化换热

5.1改变热管表面结构

王东辉等^[30]在在重力管内加槽道，增加了管内传热面积；林春花等^[31]在重力热管内加内螺纹，该结构不仅能够有效强化闭式重力热管内部的沸腾和凝结换热，还能够减小重力热管的内热阻；CHO Dong Hyun等^[32]在热管换热器中加入翅片，一方面可以提供较多的汽化核心，另一方面又能抑制汽泡的脱离及扰动，阻碍液体对加热壁面的润湿。

5.2热管内插件

二相闭式热虹吸管内部换热机理表明，要使热虹吸管在实际工作时有较好的传热性能和较高的传热系数，必须抑制弹状流的产生，尽可能使核态沸腾发生在薄液膜环状流区和汽泡产生数量多、脱离频率快、脱离直径小的泡状流区^[33]，加入抑泡装置后可以避免产生脉动现象。

内插件管是可以同时强化管内管外传热的双面强化管，内插件管是强化管程单相流体传热的有效措施之一，其机理是包括：形成旋转流动、边界层破坏、中心流体与管壁流体产生置换作用、二次流产生^[34]。

姬长发等^[35]人设计了一种新型插入扰流元件管式换热器，并依据相关文献的模拟数据将其与波纹管、光管在不同流速下的管内壁面平均传热系数、换热量、平均Nusselt数以及摩擦阻力的变化特性进行了分析比较。得出:插入扰流元件机构增强了流道内流体与管壁间的对流传热特性，起到了对流换热的强化作用，但是在换热能力增强的同时其流动的阻力也会增大。相比而言插入扰流元件换热管在制造工艺上具有加工方便、固定灵活等优点，比较适合对现有换热器的改造。

5.3添加纳米级颗粒

强化传热可以从换热设备着手，但是随着换热设备的不断改进，对换热工质的传热性能要求越来越高。因此，改进换热工质的换热性能成为传热的重要手段。与传统的纯液体工质或在液体中添加毫米或微米级固体颗粒构成的悬浮液相比，在液体中添加纳米颗粒，显著地提高了液体的导热系数，增强了液体的传热性能。

M.G.Mousa等^[36]在宽深度为211μm#215;217μm的沟槽式圆形热管中充填于Ag纳米流,Ag颗粒粒径分别为10nm和35nm,纳米流体浓度范围为1～100mg/L。在实验中测量热管的温度分布状态,计算其热阻,并和充填纯水的热管结果作比较。结果显示在相同充填率下,加热功率30～60W时,其平均热阻比充填纯水的减少30%～80%,而且热阻会随着Ag纳米流体颗粒之粒径增大与浓度的增加而降低。

Lim等^[37]对填充有Ag/H2O纳米流体两相回路热虹吸管进行实验研究，研究发现上表面的温度均匀性维持在#177;1℃的范围内，在表面上观察到纳米多孔层，与蒸馏水相比具有良好的表面温度均匀性。

刘振华等^[38]对回路型重力热管蒸发段中CuO-水纳米流体的沸腾传热特性进行了试验,分别讨论了纳米颗粒的质量分数w，工作压力p等参数对沸腾换热系数和临界热流密度的影响。试验发现:工作压力对沸腾换热系数有显著影响,而对临界热流密度的影响十分微弱;热管蒸发段的临界热流密度随质量分数的增加而增加,在wgt;1.0%后保持稳定;而沸腾换热系数也随质量分数的增加而增加,在wgt;1.0%后反而逐渐降低。

Noie等^[39]以Al₂O₃#8212;水为工质并制作成重力热管，制备各种体积浓度1-3％的Al₂O₃纳米颗粒水悬浮液的纳米流体，研究热管换热特性，研究发现纳米流体重力热管使得热管壁温分布均匀，有利于传热，相比于普通水重力热管传热效率提高了14.7%。

张云峰等^[40] 制备了Fe₃O₄#8212;水纳米流体重力热管，采用外加磁场来强化纳米磁流体真空热管传热的实验研究方法并建立纳米磁流体真空热管传热测试实验台，研究纳米磁流体真空热管的传热速率，实验发现：相比于磁流体热管和水工质热管，纳米磁流体热管在各种外界条件下传热更好，并且各种磁场都能强化纳米磁流体热管的传热。

Para^[41] 研究了正常操作条件下使用Ag#8212;水纳米流体的两相闭式热虹吸管在不同充液率下对热管传热特性的影响。研究发现当充液率为50%时传热性能最好，传热系数比水重力热管最大提高50%。

向军等^[42]制作了CuO#8212;去离子水纳米流体重力热管，研究了纳米工质热管的充液率和颗粒浓度对热管工作特性的影响，研究发现纳米工质热管比普通热管启动快，纳米颗粒浓度和充液率对热管的传热性能影响较大, 最佳浓度为5%，最佳充液率为 44.3%，纳米流体重力热管相对普通水重力热管的传热强化率为16.19% ～ 146.27%。

纪林林^[43]用碳纳米管#8212;水纳米流体重力热管研究其换热性能，发现纳米流体重力热管管壁温度和热阻比普通水重力热管低。

纳米流体作为一种新型高效的传热工质,在太阳能发电、工业余热回收、相变材料、氢内燃机散热等领域具有广泛的应用前景。本课题利用石墨烯纳米流体强化换热的特性，采用热管换热原理，研制分离式预热器的结构形式。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

研究的问题：

鉴于现场大型烟风管道布置条件的约束，研制分离式烟气-空气预热器，实现远距离的热交换。来自高炉热风炉的烟气在排放前，经自然分流分别进入烟气-空气预热器和烟气-煤气预热器中换热管束的吸热段，经吸热段内工质吸收热量后气化，通过上升管传送到空气预热器中的放热段管束放热，达到将空气预热的目的。经换热后的烟气可进一步降低温度排放，从而达到了节能环保的目的。

研究手段：