热气机对冶金余热利用现况与改进

冶金企业是能耗大户，同时也是排放大户。由于冷却和燃烧的需要，在烧结、炼铁、炼钢、轧钢等各个工段会产生大量热废气，热废气温度从200～1000℃不等。在目前通过一些余热回收技术(如汽化冷却、废热锅炉、空煤气预热)回收了大部分的热量，同时通过热电联产技术，将生产的余热蒸汽的富余部分通过汽轮机发电，回收能源。冶金企业的生产工艺决定了在大多数种类热废气中粉尘或二氧化硫含量较高。含尘烟气容易造成余热回收设备换热管束的冲刷破坏，除尘技术的应用又降低了热烟气的温度，对余热回收的效率造成了很大影响。含硫烟气中的二氧化硫在较低温度下的露点腐蚀又限制了余热设备的换热温度。这两方面原因造成在冶金企业中很多余热设备的设计进退两难，部分废烟气没有经过回收就直接排放，造成较大的浪费。而这些难题可以通过热气机轻松解决。采用热气机可以将热能直接转化为机械能，相比采用废热锅炉通过蒸汽转换为机械能和电能更为直接，也更为简便，同时也更适应工厂内恶劣的工作环境。

1热气机的工作原理

热气机是一种由外部供热使气体在不同温度下做周期性压缩和膨胀的闭式循环往复式发动机，又称斯特林发动机。相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点热气机又被称作外燃机。在热气机封闭的气缸内充有一定容积的工质，可采用氢、氮、氦或空气等。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀作功。燃料连续燃烧或热空气通过换热器传热给工质，工质不直接参与，也不更换。此发动机有两个冲程，且两个冲程都是做功冲程。此发动机有两个活塞，图1左边的是配气活塞(活塞和气缸之间有间隙，以便空气在冷热端流动)，右边是动力活塞，两活塞是刚性连接。发动机被动力活塞封闭成一个与外部隔绝的密封腔体。当活塞从上止点往下止点(从左向右)移动时，将冷端的冷空气压向热端，冷空气在热端受热膨胀，腔体里气体压力高于大气压，故进一步推动活塞向下止点移动(做功冲程)。当活塞运动到下止点时，管道A的X开口和动力气缸的排气口接通，热空气通过管道A排出到外部。由轮的惯性作用，活塞将从下止点向上止点(从右向左)移动，此时残留在热端的热空气将被压向冷端，进入冷端的热空气被冷却后收缩，将引起腔体内的气体压力下降到低于大气压，故动力活塞在外部大气压的作用下进一步向上止点(向左)移动(也是做功冲程)。当活塞移动到上止点时，管道B被接通，外部的冷空气通过此管道被吸入腔体(因为此时腔体内的气压低于大气压)。如此往复循环。热气机循环是由两个定容吸热过程和两个定温膨胀过程组成的可逆循环，而且定容放热过程放出的热量恰好为定容吸热过程所吸收。热机在定温(T1)膨胀过程中从高温热源吸热，在定温(T2)压缩过程中向低温热源放热。斯特林循环的热效率为:ηt=W/Q1=1－T2/T1式中:W为输出的净功，Q1为输入的热量。根据这个公式，ηt只取决于T1和T2，T1越高、T2越低时，则ηt越高，而且等于相同温度范围内的卡诺循环热效率。因此，斯特林发动机是一种很有前途的热力发动机。斯特林循环也可以反向操作，这时它就成为最有效的制冷机循环。

2热气机的优势

热气机的特点有别于内燃机和汽轮机，在冶金行业的余热利用中具有几大优势:

(1)采用的工质多样化，可使用氢、氮、氦或空气等。不局限于燃料的燃油、燃气或中间介质水蒸气。通过介质直接将热能转化为回转机械能。这样就不必如现有余热热电联产系统必须采用汽轮机对热能进行二次转化。

(2)热气机采用独立的燃烧室，或者称为换热室。燃气或热废气与工质不直接接触，可使用不同种类的高温热源，而发动机本身不需要进行任何改造。对于冶金余热高温废气，如果其含尘量或含硫量超标，作为废热锅炉必须采取大量而复杂的设计才能对其适应，而有些特殊工艺直接将废热锅炉拒之门外。热气机却只要简单的做好相应的耐磨结构即可，适应性大为提高。

(3)由于采用了独立的燃烧室，可以很容易的控制进入燃烧室的燃料或热废气总量。即便废热资源不稳定，对热气机的影响也很小。更能适应烧结、炼铁等频繁变化的工况。

(4)热适应性好，从200～1000℃的高温热废气均能接受，最低可接受100℃的低温生产。余热易于回收，容易实现热电联产。

(5)热气机的整体结构比较简单，密封结构较少，系简单。相比内燃机、汽轮机、锅炉的维护更为简便。气缸的结构简单，相比汽轮机没有复杂的进排蒸汽装置，没有复杂的射水泵系统，冷却系统也较简单，维护成本相应降低。

(6)单机容量较小，可灵活分布。在大容量的装机情况下，可通过模块化阵列组合形式实现输出大功率的场所。

3热气机的缺点

纵然热气机有很多优点，但同时也有几大缺点，在冶金行业某些特定的工艺环境下使用还有待改进:

(1)瞬态功率调整性能较差。热气机的功率输出相对比较稳定，很难迅速的从一个功率等级调整到另一个功率等级，当热气机为风机提供动力时，不能对不同的工况迅速做出反应，且瞬间提高动力性非常差，风机需要配置调节阀门保持迅速调节性，造成功率浪费。

(2)快速启动性较差，热气机不能开机马上正常工作，需要一段暖机的过程，时间较长。对于需要快速启动的工况如风机和水泵等不能适应。

(3)热气机的冷却端需要尽可能低的温度，以此来提高热效率，这样就导致了冷却端的排气需要较大面积的散热器，特别对于小温差工况下的热气机，由于散热器的缘故，无法实现紧凑设计。在模块化阵列组合时相互制约，因此必须引入水冷系统，增加了系统的复杂性。

(4)氢、氦的低分子质量特性使其非常适合作为热气机的工质，但氢、氦为小分子物质，密封比较困难，因此须增加储气罐或气体发生器来保障氢、氦的需求量。以氢、氦为工质也会带来腐蚀、脆化、工质流程复杂等问题，由此增加的辅助装置也增加了成本与系统的复杂性。

(5)燃烧室的要求不高，但加热器与工质之间必须保障无腐蚀、无污垢，因此技术要求较高。

(6)加工、装配精度要求较高，但相比废热锅炉和汽轮机的极度复杂，还是可以承受的。

4热气机的适用范围

目前热气机在冶金企业中余热利用的最佳应用范围是在较高温度、较少热风流量的工况下，对烧结、炼铁、炼钢等生产工序作为补充功率储备。例如，在2002年，中钢热能为北京直还铁厂球团回转窑的窑尾配置了一台立式热管烟道锅炉，回转窑废烟气温度约为624℃，烟气量为40000m3/h。因废烟气中含有大量的灰尘，为延长锅炉寿命，换热采用了热管式，可以防止换热面的破坏对锅炉产生漏水影响，在某段换热面破裂的情况下，不影响其他受热面。但这种措施不能从根本上解决问题，破损的热管不可恢复。从锅炉服役开始，蒸汽产量2t/h，一年半以后，多半热管已经破坏，蒸汽产量降低至0.5t/h，严重低于设计能力，回收的热量不足以抵消锅炉的运行成本。热管锅炉虽然采用了热管将换热段和受热段分开，但是由于热管制造采用的钢管管壁不能太厚，而热管的热物理性能决定，其本身内部在受热后会产生较大的压力，在温度突变的情况下不能有效缓解内部压力的急剧增大，因此在外壁冲刷和内腔增压的情况下容易产生破坏。在余热回收应用中，如果采用了热气机回收能源，热气机内部产生的压力变化却正适合机械能的转换，受热燃烧室的换热部分只要做到同等的受热面面积，即可完成相应的热交换。由于灰尘的冲刷使受热面受损，只要更换燃烧室受热面即可恢复热气机的运行。再则，近年来在烧结余热的回收过程中，全国各大钢厂在烧结冷却工段，大量采用了回风烧结余热发电系统。系在日本川崎锅炉的技术上进行改进，利用风机循环系统在烧结冷却机前段装备余热锅炉生产双压蒸汽，进而采用补汽凝汽式汽轮机带动发电机发电。为达到节能减排的目的，很多企业已经对其进行了应用。但是，在整个系统中，循环风机本身需要消耗大量的电能，带来的能源消耗只能抵消回热风所带来的多余热量，因此可以减排但并不能节能。而采用蒸汽作为中间介质，需要进行二次热交换才能用汽轮机将热能转化为机械能，从而带动发电机发电。在烧结余热的回收中如果采用了热气机，可以省却废热锅炉和汽轮机设备，代之以热气机直接将废热烟气的热量转化为机械能。而此时输出的回转机械能不仅可以作为发电使用，也可以作为其他冷却风机的动力源使用，降低整个系统的运行成本。热气机也可以在高炉煤气余压发电系统中采用，由于煤气直接燃烧能够带来更高的温度，可以更多的提高热气机的效率。总之，在冶金行业的很多工序中灵活加以运用，可以有更宽广的应用前景。

5热气机的适应性改进

(1)提高热气机的可靠性。作为新型的能源转化设备，在冶金行业中的不同工况下的经验较少，因此它的可靠性还有待实践的检验和改进。

(2)提高热效率。气流流动和传热相互影响、相互作用，而气动损失是目前热气机设计中面临的最大难题之一。如何考虑其流通道设计，尽可能将死容积减到最小，如何使用正确的膨胀比，如何增大燃烧室的换热效率，如何尽可能将温度损失减到最低，以及如何综合的平衡这些因素和目标等，这些都是在未来的热气机设计、改进中具有相当大潜力的地方。

(3)通过优化换热器的表面结构，以提高热流密度的设计方法目前基本已经完善。未来发展的方向之一是集合纳米材料技术，改善换热材料的物性参数，提高传热系数。

(4)氢、氦作为热气机的工质，对密封性能提出较高的要求。活塞环和活塞连杆的动密封应保障工质不从汽缸内泄漏出去，而油不能进入汽缸，因此密封技术的改进也是当务之急。

6结语

热气机以其适应温度的灵活性、较高效率、低噪声、低排放、低维护成本、模块化组合等优势，完全可以在冶金行业的余热利用领域发挥巨大的作用，尤其是余热发电系统的应用更能得到完美地发挥。从严格意义上来讲，热气机在冶金行业的应用研究上还不够成熟，还没有进入实用阶段。但不可否认，热气机技术是21世纪能源动力系统中的关键技术之一，对于提高能源利用率和减轻环境污染都有着非常积极的作用。继续深入研发与实验，提高热气机的实用性，对于冶金行业的节能减排有着深远的意义。