干法與濕法的高爐渣余熱回收熱效率與效率分析

李洋++馮立斌

摘要：該文以回收高爐渣余熱為目標，采用熱與 為中間變量，通過計算熱效率和 效率來比較干法、濕法高爐渣余熱回收的異同。最終得出換熱面積在一定范圍內，濕法余熱回收熱效率低于干法余熱回收熱效率，濕法余熱回收 效率高于干法余熱回收 效率。對干法和濕法高爐渣余熱回收進行效率分析，為今后從熱效率和 效率兩方面對高爐渣進行余熱回收提供了理論依據。

Abstract： This article focuses on the blast furnace slag waste heat， takes heat and exergy as the intermediate variables， by calculating the heat efficiency and exergy efficiency， compares the similarities and differences of the dry method and the wet method blast furnace slag waste heat. The result is that： when the heat exchange is within a certain range， the wet method waste heat recovery heat efficiency is lower than the dry method waste heat recovery heat efficiency rate. the wet method waste heat recovery exergy efficiency is higher than the dry method waste heat recovery exergy efficiency， the analysis of wet method and dry method blast furnace slag waste heat recovery efficiency provides the theoretical basis for the heat recovery rate research in both heat efficiency and exergy efficency in future.

關鍵詞：高爐渣；余熱回收；熱效率；效率；理論依據

Key words： blast furnace slag；heat recovery；heat efficiency；exergy efficiency；theoretical basis

中圖分類號：X757 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）02-0157-03

0 引言

中國現在是鋼鐵產業大國，鋼鐵產業還是耗能大戶，能耗約占我國總能耗的10%-15%，在消耗能源的同時還會產生大量的熱。我國高爐煉鐵歷史悠久，技術成熟，而在煉鐵過程中會產生大量高爐渣，每煉出1t生鐵，即可產生高爐渣250kg-300kg[1]，其中余熱大部分未能回收，不僅造成了能源的浪費也對生態環境造成了污染[2]，因此高爐渣余熱回收存在巨大的回收潛力。由于高爐渣內含有豐富的熱量，研究開發高效經濟的熱回收方法是非常有必要的。日本新日鐵公司從80年代初就開始研究高爐渣余熱回收技術，其他國家如英國和美國也都在開發高爐渣余熱回收技術[2]，現如今在節能方面，對余熱回收的比重越來越大[3]。

目前，回收高爐渣余熱的方法有很多，主要分為兩大類，干法高爐渣余熱回收和濕法高爐渣余熱回收[4]，干法余熱回收現如今主要采用的是粒化的方法[5]，濕法高爐渣余熱回收方法是用水或者是水與空氣的混合物使高爐熔渣冷卻，從而回收余熱。本研究通過利用干空氣以及冷卻水為介質分別對干法和濕法高爐渣余熱回收的熱效率、 效率進行比較，從而客觀、系統的分析出高爐渣的回收價值。

1 理論推導

1.1 熱效率

對于特定的換熱裝置，其中有效輸出的熱量與輸入的總熱量之比稱之為熱效率[6]。分別用20℃冷卻水和20℃干空氣兩種冷流體對高爐渣余熱進行回收，并比較其熱效率。在該理論計算中冷卻水，干空氣以及高爐渣物性均為常數，并且對換熱面積進行約束，從而保證熱效率比較的公平性。

設Wg為高爐渣質量流量（kg/s），Cg為比熱容（kJ/kg·K），hg為對流換熱系數（W/m2·K），T1為進口溫度（℃），T2為出口溫度（℃）。Wa為20℃的冷卻水（干空氣）質量流量（kg/s），Ca為比熱容（kJ/kg·K），t1為進口溫度（℃），t2為出口溫度（℃），ha為對流換熱系數（W/m2·K），λa為導熱系數（W/m·K），νa為黏度系數（m2/s），ua為流速（m/s），S為換熱面積（m2），L為厚度（m）。

對高爐渣的余熱回收是通過換熱器的熱交換，實質是對流換熱，因此，要求出20℃冷卻水（干空氣）的對流換熱系數，從而要借助到雷諾數Re，普朗特數為Pr和努塞爾數Nu。

通過帶入物性參數以及數值比較通過20℃冷卻水以及20℃干空氣的高爐渣余熱回收熱效率。

1.2 效率

理論上，最大可能的轉換能力用來作為量度能量高低品味的尺度，而這種尺度就稱為 [7]。在系統中， 效率是指在換熱系統中，在進行轉換過程中，被利用（被收益）的 與輸入 之比。分別用20℃冷卻水和20℃干空氣兩種冷流體對高爐渣余熱進行回收，并比較其 效率[8]。在該理論計算中冷卻水，干空氣以及高爐渣物性均為常數，并且對換熱面積進行約束，從而保證 效率比較的公平性。

設T0為環境溫度（℃），則20℃冷卻水（干空氣）得到的熱量 ΔEs為：

在流體流動時，一定存在著阻力，我們稱之為沿程阻力和局部阻力，要克服阻力就要在該裝置的進出口建立一定壓差，因此會產生 損失[9]。endprint

設ksa為20℃冷卻水（干空氣）絕熱系數，Fsa為20℃冷卻水（干空氣）影響系數，則冷卻水 損失為ΔEsa：

設ksg為高爐渣絕熱系數，Fsg為高爐渣影響系數，則高爐渣 損失為ΔEsg：

通過帶入物性參數以及數值比較通過20℃冷卻水以及20℃干空氣的高爐渣余熱回收 效率。

2 計算實例

分別分析以20℃冷卻水和20℃干空氣為介質，對經過換熱的高爐渣余熱回收的熱效率及 效率進行比較。參數如表1[10]所示。

由以上參數計算得當換熱面積S變化時以20℃冷卻水和20℃干空氣為介質，經過換熱的高爐渣余熱回收的熱效率及 效率，詳細見圖1，圖2。

如圖1所示，當以冷卻水為換熱質時，余熱回收熱效率隨著換熱面積的增大而增大，熱效率波動不明顯。當以干空氣為換熱質時，余熱回收熱效率隨著換熱面積的增大而增大，熱效率波動明顯。從總體上看，在換熱面積一定時，冷卻水的余熱回收熱效率低于干空氣余熱回收熱效率。

如圖2所示，當以冷卻水為換熱質時，余熱回收 效率隨著換熱面積的增大而減小， 效率波動不明顯。當以干空氣為換熱質時，余熱回收熱效率隨著換熱面積的增大而減小，效率波動明顯。從總體上看，在換熱面積一定時，冷卻水的余熱回收 效率高于干空氣余熱回收 效率。

3 結論

①對干法與濕法高爐渣余熱進行熱效率與 效率的理論計算，計算得出在熱效率方面，當換熱面積在一定范圍時，濕法余熱回收低于干法余熱回收熱效率，在 效率方面，濕法余熱回收高于干法余熱回收 效率。

②辯證分析干法與濕法高爐渣余熱回收的熱效率與 效率，根據不同的條件對其熱效率與 效率要有不同的取值。

參考文獻：

[1]李玉琴，王紅兵.高爐渣顯熱回收利用技術現狀研究[J].安徽冶金，2016（2）：30-31.

[2]倪維斗.我國能源現狀與戰略對策[M].北京：中國化工學會，2008.

[3]Bebar L，Martinak P，Hajek J.Waste to energy in the field of thermal processing of waste. Applied Thermal Engineering，2002（22）：897-906.

[4]華建社，樊建利.我國高爐渣余熱回收技術進展[J].鋼鐵研究，2008，36（4）：51-53.

[5]Bisio G.Energy recovery from molten slag and exploitation of the recovered energy[J].Energy，1997，22（5）：501-509.

[6]王亞君，劉華冰，張有偉.提高加熱爐熱效率的開發研究[J].精細與專用化學品.2016，24（4）：30-32.

[7]孫青琳.基于 分析的能源效率評價模型研究及應用[D].北京：華北電力大學，2015：5-8.

[8]Dunber W R.The Component Equation of Energy and Exergy[J].Journal of Energy Resources Technology，1992，114（1）：75-83.

[9]孟嘉.工業煙氣余熱回收利用方案優化研究[D].武漢：華中科技大學，2008：25-27.

[10]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006：559-565.endprint