第 1 章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
能源是人类赖以生存和创造文明的物质基础，第一次工业革命和第二次工业革命，都推动了人类文明迈向新的纪元，同时也加速了对能源的消耗，世界工业化进程持续高速的发展，能源短缺、生态恶化、环境污染等一系列问题愈演愈烈。其中，最突出的两个难题当属能源短缺和环境污染问题。在可预见的未来，世界各国对能源的消耗量需求仍然巨大，并且仍将以煤和石油为代表的一次能源为主。为了人类社会的可持续发展，各个国家都对能源使用战略进行了布局，主要内容一般包括合理开采使用一级能源、提高能源利用过程中的转化效率、进一步深化余热资源的回收利用、积极探索新型清洁能源、减少污染物排放促进环境友好等。在我国，经济持续快速发展和人民群众生活水平不断提高的形势背后，是能源消耗巨大和环境污染等多重压力。未来几十年我国居民消费所引致的 GDP 与能源消耗情况的关系情况见图 1-1。
.........................
1.2 工业余热的分布情况
伴随着工业生产，大量具有能量的废气（汽）、废液、废渣等产物也随之产生。在一些工艺流程中，除了某些中间或直接产品带出的物理潜热外，还伴有化学反应热的产生。上述过程中所带有的能量统称为余能，俗称余热。余热资源是指，伴随着生产活动产生的，理论上本可以被回收利用，但实际并没有实现回收利用的这部分余热能量。根据热力学第二定律的指示，这部分余热能量既可以被转化为机械能、电能等其他形式的能，也可仍以热能的形式存在而转移到其他载体上。但需要注意的是，余热资源的转化效率，除了由其自身的能量品味起决定性作用之外，随着科技水平的升级，回收技术在提高余热转化效率方面发挥的作用越来越大。
在钢铁、冶金和化工等众多工业领域中，有约 20-50%的余热，依托各种形式载体，通过多种传热方式，最终流向环境[3]。表 1-1 展示了余热资源在各工业行业生产中的分布、利用情况，图 1-2 给出了余热资源载体分布示意图。由此图可看出，以烟气作为载体的余热占比最高，达到 50%，是余热利用的主要存在形式，冷却介质次之其占比约为20%，高温产品和炉渣的余热占比最少只有 4%，虽然此部分余热占比最少，但这部分余热温度高、品味高，是余热回收利用中的优质热源。
.............................
第 2 章 热能利用动力循环的适用条件分析
由热力学第二定律可知，工作于两个热源间的热力循环以卡诺循环的热效率最高。但是由于卡诺循环需要两个等温吸热过程，而等温吸热过程在实际上是难以实现的（工质在高温热源吸热的过程中，工质的温度总是越来越高的），因此实际应用中都不采用卡诺循环，而是采用朗肯循环。朗肯循环示意图见下图：
........................
2.2 有机朗肯循环
不同于传统的水蒸气朗肯循环，有机朗肯循环的工质是有机工质，对于低温热源有着较好的性能表现。有机工质的密度比水大得多，可有效的减小容量机组设备的体积，降低经济投资。水朗肯循环为了降低涡轮机处排气的湿度，往往配置过热设施，而在有机朗肯循环中，如果工质使用干流体，就不存在湿度高的问题，可不设置过热装置。有机朗肯循环的系统构成与传统朗肯循环类似，热力学过程也近似。现在应用在水泥、玻璃、冶金等行业中的有机朗肯循环机组容量一般在 0.5-5 MW。有机朗肯循环可应用于400℃以下温度段，且温度越低，其热力学优势越明显。
跨临界有机朗肯循环与亚临界有机朗肯循环的系统构成基本一致，区别是跨临界循环工质的吸热是在超临界压力下，工质直接由液态转化为气态，不存在定温吸热过程。亚临界循环中，工质在蒸发过程是定温吸热，工质与热源的传热温差较大、存在明显的传热温差，会造成较大的不可逆损失[19]。而跨临界循环工质的吸热特性，使得工质的温焓曲线连续顺滑，工质的吸热曲线与热源的放热曲线能更好的匹配，如图 2-2、图 2-3 所示，从而减少蒸发器中的不可逆损失[20-21]，对提高整个系统的性能发挥很大的积极作用。文献[22-23]的研究发现，循环压力的提高和工质流量的降低，促进有机循环系统对余热回收性能的提升。
..........................
第 3 章 焦炉红焦余热回收利用的研究 ............................... 18
3.1 炼焦工艺流程及焦炉余热产物 .................................. 18
3.2 干熄焦余热回收工艺 .............................. 20
第 4 章 焦炉荒煤气余热回收利用的研究 ........................... 34
4.1 荒煤气余热特点 ........................ 34
4.2 荒煤气余热回收系统的设计 ........................... 34
第 5 章 电炉烟气余热回收利用的研究 ............................. 46
5.1 电炉余热回收研究意义 ...................................... 46
5.2 新型复合循环系统的设计............................... 46
第 5 章 电炉烟气余热回收利用的研究
5.1 电炉余热回收研究意义
电炉炼钢是当今世界最重要的炼钢工艺之一，由于电炉炼钢的大部分原料是废钢，因此电炉炼钢工艺在节约能源、保护环境和净化冶金环境等方面发挥着重要作用。同时，电炉炼钢还具有投资少，运行成本低等优点。因此，开发紧凑型电炉短流程已成为许多国家的战略重点，但是与世界平均水平相比，我国电炉炼钢的比例较低。近年来，有关电炉炼钢方面的研究成果众多，但目前相关研究主要集中在提高电炉工作效率和炉渣的回收利用问题上[128-132]，关于电炉烟气余热回收利用的研究较少。
电炉烟气余热回收利用的潜力巨大：电炉炼钢工艺流程的单位能耗约为 12.4GJ/吨钢[133]，其中，约有 13-20%[134]的能量以炼钢过程释放的烟气余热的形式存在。作为一个产钢大国，虽然我国电炉炼钢的比例较世界平均水平偏低，但依然产量巨大，2018 年我国电炉钢产量为 1.05 亿吨[135]，能耗约为 1.3×109GJ，其中烟气余热能量不低于 1.69×108 GJ。在 2019 年中国电炉炼钢技术及服务峰会上，提出了发展电炉炼钢是一个必然趋势，合理利用电炉烟气余热具有极大的现实意义，将会成为相关领域的研究热点。本章将对电炉烟气余热的回收利用进行针对性的研究设计。
...........................
结论与展望
结论： 工业生产总是伴随着大量余热的产生，很多工艺流程的余热回收系统存在着因动力循环系统与热源匹配度不佳，导致的净输出功率和余热利用率不高等问题。对余热资源进行针对性的研究设计，可有效优化余热回收系统热力学性能，所以本文对钢铁生产链条上的三种余热资源，进行了动力循环层面的针对性研究。对每种余热资源的特点及其工艺流程的约束条件进行了梳理，设计了新型动力循环系统，建立了数学模型，对循环系统进行了参数优化分析及性能评价，得到了以下结论：
1．对焦炉红焦的余热回收利用问题进行了研究，从提高循环系统与热源匹配性的角度出发，设计了一个新型复合循环系统用以回收干熄焦炉排出的高温惰性气体余热。复合循环系统以再膨胀再热式跨临界二氧化碳循环为一级循环，跨临界苯有机朗肯循环为二级循环。通过对新型复合循环系统的优化分析，确定了循环参数与净输出功率间的影响规律：净输出功率随热源初温、主膨胀压力和二级循环膨胀初温、膨胀初压的升高而升高。复合循环系统在最优工况下的净输出功率、余热回收效率，相比传统水朗肯循环系统分别高出 17.85%，20.48%，充分体现了复合循环的优越性。
2．对上升管荒煤气的余热回收利用问题进行了研究，为规避传统饱和水蒸气发电系统因蒸气参数不高、做功能力差而导致发电效率低的缺点，设计了以饱和蒸气-有机朗肯循环发电系统用以回收荒煤气余热。由于温度低于 450℃是上升管中易发生结焦、积碳现象，荒煤气进行余热回收时温度受限，所以在上升管处进行了壁温校核计算，通过控制水流量对上升管壁温和荒煤气出口温度进行控制，避免结焦、积碳现象的发生。复合循环发电系统的优化结果表明，复合循环发电系统发电效率最高达到 15.66%，相较饱和蒸气发电系统发电效率提高了 34.72%。并且蒸气压力参数越低，发电效率提升率越高，有力证明了复合循环发电系统解决了因饱和水蒸气参数不高而导致的系统做功能力差、发电效率低的问题。
参考文献（略）