有色冶金中低温烟气余热高效回收利用的基础研究-NSFC联合基金申请书.docx
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申请代码：
L07
受理部门：
收件日期：
受理编号：
国家自然科学基金
申请书cG
（2009版）
资助类别：
联合资助基金项目
亚类说明：
重点项目
附注说明：
NSFC-云南联合基金
项目名称：
有色冶金中低温烟气余热高效回收利用的基础研究申请者：
瑾 电话：
0871-5151006
依托单位：
昆明理工大学
通讯地址：
云南省昆明市文昌路68号
邮政编码：
650093单位电话：
0871-5192340
电子邮件：
wanghua65@
申报日期：
2009年3月10日
国家自然科学基金委员会
基本信息
申请者信息
姓 名
王华
性别
里出生
力年月
1965年5月
民族汉族
学 位
博士
职称
教授
主要研究领域
冶金能源与环保
电 话
0871-5151006
电子邮件
wanghua65@l
传 真
0871-5198623
国别或地区
中国
个人网页
工作单位
昆明理工大学/材料与冶金工程学院
在研项目批准号50774038,90610035
依托单位信息.
名 称
昆明理工大学
联系人
王晓萍
电子邮件
kgwxpl2@sina.com
电 话
0871-5192340
网站地址
合作单位信息
单位名称
东北大学
中南大学
项目基本信息
项目名称
有色冶金中低温烟气余热高效回收利用的基础研究
资助类别
联合资助基金项目
亚类说明
重点项目
附注说明
NSFC-云南联合基金
申请代码
L07:
矿产资源综合利用与新材料领域
E042206:
冶金燃烧与节能工程
基地类别
工业节能与能源新技术云南省高校工程研究中心弋B门开放
预计研究年限
2010年1月―2013年12月
研究属性
应用基础研究
申请经费
200.0000万元
摘
要
（限400字）:
有色冶金行业中低温烟气余热资源量多面广，但由于其固有的特殊性一直未能充分回收利用，导致该行业能耗高，如何采用新原理、新技术提高其回收利用率以降低能耗是该行业节能减排的关键问题。
本项目在对我国有色冶金行业烟气余热资源进行充分调研的基础上，研究有色冶金中低温烟气对设备、管道的腐蚀特性机理，建立有色冶金行业烟气余热资源梯级回收利用体系及优化模型；基于低沸点工质有机朗肯循环原理，对循环有机工质的热物性、毒性、热稳定性及腐蚀机理，介质的流程、循环参数、循环组成设备、部件的性能和几何参数等对动力循环性能的影响规律，多元混合工质的流动与传热规律等进行系统研究，揭示有机工质在超临界/亚临界状态下的传热传质机理与流动特性，探索低温压驱动下有机工质传热过程强化机制，构建热力循环系统中流动与传热协同作用的优化模型和热经济评价体系，为有色冶金行业中低温烟气余热资源的高效回收利用和ORC热力系统的优化提供理论依据。
关键词用分号分开，最多5个）伊冶金；中低温烟气余热；回收利用；有机朗肯循环；系统优
项目组主要参与者（注：
项目组主要参与者不包括项目申请者，国家杰出青年科学基金类项目不填写此栏。
）
编号
姓名
出生年月
性别
职称
学位
单位名称
电话
电子邮件
项目分工
每年工作时间（月）
1
蔡九菊
1948-12-17
男
教授
博士
东北大学
024-8368699
3
rcjj@
中低温余热梯级利用
5
2
周孑民
1948-6-21
男
教授
博士
中南大学
1397487089
5
jmzhou@
有机工质选择标准
5
3
卿山
1967-10-2
男
教授
博士
昆明理工大学
0871-515340
5
yanlss22ster@
工质传热传质研究
5
4
董辉
1969-6-25
男
副教授
博士
东北大学
024-8368699
4
dongh@
有色冶金余热密源调研
6
5
孙志强
1980-1-28
男
副教授
博士
中南大学
1378726419
6
zqsun@
工质腐蚀性执稳定性
6
6
张家元
1968-6-9
男
副教授
博士
中南大学
1397588595
4
zjyzhq@
有色冶金烟气腐蚀机理
6
7
王连勇
1976-8-16
男
讲师
博士
东北大学
024-8368699
4
wlyneu@
有色冶金烟气物件
6
8
王辉涛
1967-10-5
男
博士生
硕士
昆明理工大学
0871-515340
5
gaochuanair@
热力系统及过程优化
8
9
王仕博
1978-7-1
男
博士生
硕士
昆明理工大学
0871-515340
5
wangshibo7871@yahoo.c
有机工质强
〃住执
8
总人数
高级
中级
初级
博士后
博士生
硕士生
10
7
1
2
说明：
高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报（含申请者），总人数自动生成。
版本1.023.044
科目
申请经费
备注（计算依据与说明）
一,研究经费
163.0000
1.科研业务费
98,0000
（1）测试/计算/分析费
50,0000
有色冶金余热参数测定，余热介质腐蚀性能，工质的毒性、热稳定性及材质的抗腐蚀性分析
（2）能源/动力费
12,0000
实验用煤气、电、水、油等消耗
（3）会议费/差旅费
21,0000
现场调研、参加国内学术会议、三方人员进行合作交流、主办全国性学术研讨会
（4）出版物/文献/信息传播费
15,0000
出版学术专著、发表学术论文、总结材料的印刷、文献查阅、信件邮寄等费
（5）其它
0.0000
2.实验材料费
27,0000
（1）原材料/试剂/药品购置费
27,0000
各种化学试剂、高纯度的低沸点有机工质购置
（2）其它
0.0000
3.仪器设备费
28,0000
（1）购置
12,0000
专用温度、压力及流量传感器和控制器、加热装置
（2）试制
16,0000
专用有机工质的传热传质与流动，以及强化传热实验装置的研制
4.实验室改装费
10,0000
对现有实验室的改造以适应不同工质超临界条件下传热与流动特性实验的需要
5.协作费
二.国际合作与交流费
12,0000
L项目组成员出国合作交流
12,0000
合作三方人员出国参加国家学术会议和进行学术交流6人次。
2.境外专家来华合作交流
0.0000
三,劳务费
15,0000
硕士、博士研究生的助研费
四.管理费
10,0000
5%计
合计
200.0000
与本项目相关的其他经费来源
国家其他计划资助经费
其他经费资助（含部门匹配）
其他经费来源合计
0.0000
（金额单位：
万元）
经费申请表
报告正文
（一）立项依据与研究内容：
1、项目的立项依据
当前，我国正处于工业化高速发展时代，钢铁、有色金属、化工、建材等高耗能行业的快速发展使我国能源消费量大幅上升，单位GDP能耗一直居高不下。
2007年我国GDP为24.67万亿人民币（约3万亿美元），一次能源消费总量高达26.5亿tee,不到世界GDP总量的6%,但为此消耗的能源超过世界能耗总量的20%0统计表明，我国万元GDP能耗是世界平均水平的2.4倍，美国的3.4倍，法国和德国的7.7倍，日本的11.5倍。
我国工业能耗占全社会能耗的70%以上，工业能耗高是导致我国单位GDP能耗高的主要原因。
作为高耗能行业之一的有色冶金行业，其年能耗总量约占全国能源消费总量的3%以上，由于先进能源利用技术的普及率较低，加之缺乏余热余能高效回收利用技术，我国有色金属工业单位产品能耗一直较高，比国际先进水平高出15%之多。
因此，有色金属工业的节能工作已刻不容缓。
有色金属工业的能源消耗主要集中于金属冶炼过程，冶炼过程在消耗能源的同时会产生大量的余热余能。
目前，我国有色冶金行业余热资源总量高达5.855xlO"j/a（折200万tce/a）,除去高温有色冶炼熔渣等不易回收的余热资源外，可利用的余热资源约为2.927xl0i3kJ/a（100万tce/a）,但回收利用率却很低，其中烟气余热资源占可利用的余热资源的80%。
对32家有色冶金企业的烟气余热资源调查表明，高温烟气余热为9.497xlO12kJ/a,占全部烟气余热的52%,中低温烟气余热为8.740xl0l2kJ/a,占48%,详见表1。
表1我国32家有色冶金企业烟气余热资源统计表
名称
数量（X1012kJ/a）
折合标准煤（万t/a）
高温烟气余热
9.497
32.40
烟气余热资源
中温烟气余热
4.062
13.86
低温烟气余热
4.678
15.97
合计
18.237
62.23
已回收的余热
5.284
18.03
应回收的余热
未回收的余热
6.246
21.31
合计
11.530
39.34
争取回收的余热
2.374
8.10
难以回收的余热
4.333
14.79
烟气余热潜力
8.620
29.41
烟气余热回收率
38%
有色冶金烟气余热具有如下特点：
I、热负荷不稳定：
热负荷不稳定是由工艺生产过程决定的，例如，有的生产是周期性的，有的产品和炉渣的排放是间断性的，有的工艺生产虽然连续稳定，但烟气量和烟气成分是变化的。
因此，烟气的余热量会随着生产的波动而波动；
口、烟气含尘量大：
如氧气顶吹转炉烟气中含尘量达8O~15Og/m3,沸腾焙烧炉15O~35Og/m3,烟化炉8O~16Og/m3.同时烟尘的物理、化学性质也特别恶劣，尤其是炉子烟气温度高、含低熔点烟尘量大时更容易粘结、积灰，从而对余热回收的设备产生严重磨损和堵塞；
皿、烟气有腐蚀性：
烟气中有的含有SO2、SO3>HF、Cb等腐蚀性气体，加上高温烟气粘结，对余热回收设备会造成不同程度的腐蚀。
鉴于有色冶金烟气余热的特殊性和余热回收利用率较低的现状，迫切需要开展对有色冶金烟气余热回收相关的技术及其基础研究工作。
由于相关回收利用技术已经比较成熟，有色冶金高温烟气余热的回收利用率较高；但由于技术、经济上的原因，对其中低温烟气余热的回收利用甚少，导致有色冶金中低温烟气余热的回收率极低。
目前，有色冶金中低温烟气余热的回收利用还存在不少问题：
（1）中低温烟气余热的回收利用仅限于其热焙的利用（如作为工艺过程的预热、干燥等），没有做到按质、分级利用，造成余热品位的极大浪费；
（2）中低温烟气余热利用设备和系统不够完善，效率低，使得中低温烟气余热回收利用技术的经济性较差，阻碍了该类技术的普及和推广。
有鉴于此，如何对有色冶金过程中排放的大量中低温烟气余热资源实施高效回收利用，进一步降低有色冶金能源消耗已势在必行。
对于中低温烟气余热的高效回收利用来说，利用中低温烟气余热发电是目前研究的热点。
中低温烟气余热热•电转换方式主要采用传统的水蒸气朗肯循环和低沸点工质有机朗肯循环。
这两种朗肯循环由于采用的工质的物性不同，导致其循环热力性能和循环的系统构成相差甚大。
表2给出了水及几种低沸点工质在余热进口温度为120℃,透平进口温度为100℃,凝结温度为30℃时的朗肯循环的理论计算热效率。
与水蒸气相比，低沸点有机工质在较低温度的余热加热下便能产生压力较高的有机工质蒸汽推动有机透平做功，具有比较高的能量转化效率。
在采用传统水蒸汽动力循环的情况下,为了避免水中溶氧在对锅炉本体、各换热设备以及输送管道的化学腐蚀,必须对锅炉的给水进行除氧处理,以及为了防止水中钙镁溶盐在换热设备及管道中产生结垢而带来传热恶化等严重问题,须对给水及锅水进行严格的化学软化处理；再者，由于在凝汽器中具有很高的真空度，为了维持凝汽器中的真空度必须专门设置真空维持系统。
此外，由于水是饱和蒸汽的比嫡随饱和温度增加而减小的湿流体,为了避免蒸汽在透平膨胀末级的湿度过大，对叶片产生冲腐,进入透平的蒸汽势必具有较大的过热度,所以必须增设过热器及透平膨胀过程中间的再热措施，造成系统构成的复杂性。
同时，由于工质在过热蒸汽状态下的对流换热系数较处于液态下的低很多,在造成余热锅炉总体传热面积增加很多的同时，还要求有的燃效率。
更值得指出的是水蒸汽在透平出口状态的比体积与进口的比体积之比很大（见表3）,从而导致透平末级的流通面积很大，透平整体尺寸庞大，耗费钢材。
而低沸点工质的有机朗肯循环则不仅不需要设置除氧系统和除盐系统，而且由于一般低沸点工质在凝汽器中的饱和压力均高于外界大气压力,也不需要设置系统真空维持系统。
由表3可以看出，
表2水及几种低沸点有机工质的朗肯循环热效率比较（％）
工质名称
水R718
正戊烷
R601
异戊烷
R601a
五氟丙烷R245fa
正丁烷R600
六氟丙烷R236fa
异丁烷
R600a
七氟丙烷R227ea
四氟乙烷R134a
丙烷
R290
热效率
5.15
16.11
16.06
15.43
15.11
14.20
14.72
12.81
13.24
13.12
表3水及几种低沸点有机工质蒸汽在透平出口的比体积与进口比体积之比（蒸发温度为100℃,凝结温度为30℃）
工质名称
水
R718
正戊烷R601
异戊烷R601a
五氟丙烷R245fa
正丁烷R600
六氟丙烷R236fa
异丁烷R600a
四氟乙烷R134a
丙烷
R290
比值
19.71
7.21
6.76
7.63
5.94
7.72
5.87
5.19
4.28
有机朗肯循环可以较大地减小透平末级的尺寸。
因此,有机朗肯循环的构成就要简单得多,从而节省了余热回收的初始投资,使低温余热动力回收系统的经济性得到较大的提高。
而且在采用干流体工质的情况下，工质可以在饱和蒸汽状态进入透平，此时工质在余热锅炉里都是处于过冷液态及沸腾对流换热模式,具有较高的传热系数,在节省传热面积的同时也降低了传热温差及不可逆雄损。
在中低温余热热-电转换领域，使用低沸点有机工质的有机朗肯循环具有很大的优势和广阔的发展前景。
以日本、美国为代表的发达国家已经开展了中低温余热驱动有机朗肯循环的相关研究。
美国能源部的研究认为93.3-204.4℃的余热,禾I］用ORC（OrganicRankineCycle,有机郎肯循环）装置回收最合适，提出了一个Rankine系统发展计划，并在美国MTI公司建造了利用炼油厂余热（110℃）的ORC发电系统，该系统以RU3为工质，采用单级向心透平，输出功率约为1174kW。
日本的相关研究主要集中于地热能发电、钢铁冶金余热发电和水泥窑炉余热发电等领域（余热温度范围：
98℃-350℃）o鉴于低沸点工质有机朗肯循环在余热回收利用方面的广阔前景以及存在的诸多科学问题，国内外学者专家近年来进行了很多卓有成效的研究工作：
Bo-TauLiu等分析了有机工质的热力性能对ORC循环性能的影响，提出了采用总热量回收效率来评价余热回收动力循环的方法，研究表明:
诸如水、氨、乙醇等湿流体工质由于其蒸发潜热较大，不适合用作ORC循环工质；循环的热效率与工质的临界温度存在弱函数关系，在临界温度适中时，循环可以达到最高的总热能回收率；总热能回收率随余热热源进口温度的升高而增大，随着工质临界温度的降低而下降。
PedroJ.Mago等研究了采用透平抽汽回热措施的干流体工质ORC循环的性能，所采用的干流体工质包括RU3、R245ca、R123和R600a,同时把中间抽汽回热的循环与简单循环做了比较，结果表明，采用中间抽汽回热可以提高效率，降低不可逆损失。
GlANFRANCOANGELINO等评价了采用有机混合工质的ORC循环的性能采用PRSV状态方程和WS混合规则来模拟循环性能，分别对余热回收与地热发电ORC系统采用有机硅油-碳氢化合物混合工质的性能进行了计算，结果表明：
循环性能的好坏与混合工质的配比关系极大，因此使用混合有机工质时务必对配比进行优化。
国内方面，上海交通大学制冷与低温工程研究所预测了废热源驱动的有机物朗肯循环（ORC）系统在变工况下的性能，研究了环境温度改变对余热驱动的有机物朗肯循环系统性能的影响，并对废热回收有机物朗肯循环进行了动态仿真和实验验证；浙江大学元广杰、蒋彦龙等学者对采用甲烷•液氯两级联合的朗肯循环进行了理论分析。
总结前人研究可知，目前，国际上主要是对工质的热物性和循环工质的选择方面进行了较深入的研究，一些专家研究了采用有机混合工质的有机朗肯循环的节能机理。
但国内外对混合工质的流动与传热的理论及实验研究尚不深入，而且主要针对二元混合工质的传热与流动提出了一些理论模型及实验关联式，这些关联式往往都是根据各自实验采用的几种工质得出的，难以应用于不同种类及组分的混合工质；对工质在超临界状态下的传热特性的研究，主要还是局限于对水的超临界传热,缺乏对有机工质在超临界状态下传热特性的研究。
此外，一些研究者研究了工质的选择、热力循环参数对余热回收有机朗肯循环性能的影响，但都是比较孤立地研究了各因素的影响规律，极少从系统优化的角度综合考察各种参数的不同变化对循环性能的影响，其研究方法及结论具有较大的局限性。
本课题组在对中低温烟气余热有机朗肯循环深入研究的基础上，提出了采用纯工质及多元混合工质的超临界有机朗肯循环及多级蒸发有机朗肯循环来提高单压有机朗肯循环的效率的新思路。
在有机朗肯循环中采用多级蒸发有机朗肯循环原理（见图1）,利用烟气余热的低温段加热产生低压有机蒸汽，进入有机透平的低压级膨胀做功，再利用高温段产生高压蒸汽，进入透平的高压级膨胀做功，这样就可以改善余热流的变温特性与工质侧的分级蒸发的变温特性之间的匹配性能，实现烟气余热对有机工质的梯级分压加热，达到进一步提高单压蒸发有机朗循环热效率的目的。
综上所述，有色冶金行业大量中低温烟气余热资源亟待回收利用，而相关技术的研发还处于起步阶段，尚不能够实现中低温烟气余热的高效回收利用。
而应用有机朗肯循环（ORC）技术回收有色冶金中低温烟气余热中的许多关键基础问题，如有机工质的选择、多元混合工质的流动与传热、有机工质传热强化、烟气余热按质梯级回收、系统的经济性、稳定性及相关设备的防腐等问题还没有得到有效解决，急需开展相关基础理论研究。
因此，本项目拟在对我国有色冶金行业烟气余热资源进行充分调研的基础上，掌握我国有色工业中低温烟气余热的数量及其特性，根据其中低温烟气余热的排量、压力、温度、比热容、腐蚀性等参数与特性，建立有色冶金行业中低温烟气余热梯级回收利用及优化模型，并拟研究采用有机朗肯循环原理来高效回收有色冶金行业中低温烟气余热资源中涉及到的关键基础问题，为有色冶金中低温烟气余热的高效回收利用、热力系统的优化奠定科学基础。
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