使用赤藓糖醇相变材料进行工业烟气余热回收的三目标优化与三维建模

《Energy Conversion and Management》：Triple-objective optimization and three-dimensional modeling of industrial flue gas waste heat recovery using erythritol phase change material

提出环形外翅管潜热储热系统，通过三维建模和响应面法优化管径、间距等参数，实现热传导系数32.33 W/(m2·K)、压力降152.66 Pa、平均废气温度147.23℃，热阻较未翅管降低60倍，为工业废热回收提供新方案。

　　

姜佳洁|范立武

浙江大学能源工程学院热科学与动力系统研究所，中国杭州310027

摘要

低品位烟气（例如来自冶金工业的烟气）的废热回收和利用有助于提高能源效率，从而推动各个工业领域的脱碳。然而，现有的废热回收技术的热容量和效率仍然较低，主要是由于热设计不佳以及缺乏用于热储存的高能耗材料。本文提出了一种创新的潜热热能储存（LHTES）系统，该系统采用环形外部翅片管，并通过三维建模模拟了在不同实际流速、管径、管间距和翅片间距条件下的烟气横流热传递和流动特性。利用响应面方法，我们发现流速显著影响热传递，而管径对烟气压降和平均温度有较大影响，同时建立了响应与设计参数之间的复杂关系。通过非支配排序遗传算法II（NSGA-Ⅱ），我们找到了三个目标的最优解，并利用熵权重TOPSIS决策方法确定了最优点，使得热传递系数达到32.33 W/(m2·K)，压降为152.66 Pa，平均烟气温度为147.23°C。在瞬态建模中考虑了管子上下区域之间的显著热传递差异，这导致上部区域自然对流增强，熔化速率提高。翅片管的充电状态（SOC）分为两个阶段（SOC ∝ t 和 SOC ∝ t^0.7），其热阻比无翅片管降低了60倍以上。所提出的方法和结果可为工业烟气废热回收的高性能LHTES系统的设计和实施提供指导。

引言

工业废热的回收和利用已经进行了几个世纪。目前可行的技术包括热力发电循环[1]、热电发电[2]和废热驱动的吸附式制冷机[3]。根据温度范围，工业废热可分为：低温（<230°C）、中温（230–650°C）和高温（>650°C）[4]。每年未回收的总废热量为1.56 EJ，其中低品位废热（<230°C）占总废热的约60%[5]。此外，工业废热以固态、液态和气态三种形式存在，包括炉渣、污水和废气[6]。与太阳能和风能的间歇性和不稳定性相比，工业烟气废热通常更为稳定和可靠。在环境保护[7]的背景下，热能储存是应对气候变化的关键技术[8]。作为有前景的热能储存技术，热能储存已得到广泛应用[9]。

潜热热能储存（LHTES）是一种关键的热能储存技术，它可以使用高能耗的相变材料（PCMs）在现场和异地回收废热，然后将其提供给需求方[10]。这种解决方案目前被认为是最简单的技术之一，能够在工业[11]和住宅[12]环境中高效利用废热。Matuszek等人[13]回顾了熔点在100至220°C之间的有机和无机PCM。Li等人[14]报道了熔点范围在100至189°C之间的潜在有机PCM的热物理性质。尽管这些材料具有相当大的热能储存能力，但它们在实际应用中还不够可靠。特别是在工业废热回收情况下，LHTES系统的设计及其与PCM的兼容性自然需要更多关注。

热能储存技术已得到广泛研究，包括使用热泵的PCM以及PCM的改进。Y?ld?z等人[15]将热能储存与空气源热泵结合使用，使后者的性能提高了18.5%。Zheng等人[16]报告称，带有PCM地面的空气源热泵辅助太阳能加热系统的性能系数从3.49提高到了5.43，而未带PCM地面的建筑则没有这种提升。Li等人[17]系统研究了空气源热泵与热储存罐结合时的进水流量、充电完成时间和总能耗之间的关系，并确定了最佳进水流量。Prima等人[18]在空气-水热泵中集成了潜热储存系统，评估了传热流体的温度和流量对PCM固化时间的影响。Cabeza等人[19]开发了一种使用生物基粘合剂的PCM浸渍木材复合材料，注意到相变过程中有效导热率的变化。Akhtari和Ghazani[20]系统回顾了基于PCM的散热器的导热增强剂，重点关注材料和结构创新以及在各种热条件下的性能。

除此之外，Yang等人[21]构建了一个级联LHTES系统，使用一个赤藓糖醇单元和两个石蜡单元，将废热回收效率从15.8%提高到了63.4%，优于单个赤藓糖醇单元。Tang等人[22]研究了带有内部翅片的LHTES管对高粉尘烟气的热响应，并优化了翅片排列以调节烟气温度。Qin等人[23]研究了不同截面LHTES容器中自然对流的增强效果，用于废气废热回收。结合高温热泵，使用计算流体动力学（CFD）模拟了直管中六水合氯化镁的LHTES过程[24]。Rahimi等人[25]将石蜡PCM封装在直径为40毫米的聚乙烯球中，使用空气作为传热流体在加热阶段回收烟气废热，并研究了进气温度和流速对系统性能的影响。总体而言，以往的实验通常使用其他流体来模拟烟气，而数值模拟缺乏实际运行数据。因此，工业烟气废热的LHTES技术仍是一个重大挑战。

几个挑战包括：（Ⅰ）工业烟气通常含有湿度[26]和二氧化碳[27]，以及氮氧化物[28]、硫氧化物[27]、灰尘[29]，甚至汞[30]。（Ⅱ）烟气侧是主要的热阻，应优先降低其热阻[31]。（Ⅲ）热能储存需要高导热性和高能耗的PCM[10]。（Ⅳ）应考虑多个目标，如热传递性能、烟气压降和进出口温差[32]。第一个挑战已经通过先进技术得到解决，例如捕获和转化二氧化碳以生产合成气[33]，以及同时进行脱硫和脱氮[34]。然而，挑战Ⅱ-Ⅳ尚未得到有效解决，尤其是在学术和工业领域，这是本研究的重点。

具体而言，本研究的新颖之处包括：（Ⅰ）通过环形外部翅片设计，热阻比无翅片管降低了60倍；（Ⅱ）通过热边界链接创新性地结合了3D稳态和3D瞬态模拟；（Ⅲ）在实际运行条件下实现了热传递系数、压降和平均烟气温度的三目标优化。本研究为工业废热回收的热设计、优化和验证提供了指导，具体步骤如图1所示。总体而言，这项研究为实际氧化铝生产线中的废热转换、储存和利用提供了一种创新技术，标志着向工业脱碳迈出了重要一步。

技术流程

根据图2中热能的来源和用途，可以分为工业源侧和多样化的负载侧。工业来源的烟气包括燃煤电厂、冶金、石油精炼和废物焚烧行业，而用户侧的热能需求包括家庭热水、食品干燥、建筑供暖和温室种植。如图2所示，在实施废热回收之前，会先去除烟气中的颗粒

稳态建模

对于气体（烟气）-固体（翅片管）-液体（PCM）系统的热传递和流动过程的稳态模拟，主要假设包括：（1）稳态流动 $?/?t=0$;（2）不可压缩流体 ρ = 常数；（3）烟气流动模式为湍流 Re = ρvd/μ，d = 4·A_wet/P_wet，Re_min≈1.66 × 10⁵；（4）流体是牛顿流体且各向同性的；（5）对于低温烟气，忽略了烟气与管壁之间的辐射热传递[46]；（6）烟气的成分

响应面分析

对于涉及随机选择样本[53]、分层采样[54]、辅助建模不确定性[55]等情况，拉丁超立方采样是推荐的方法[56]。中心复合设计（CCD）是一种响应面方法（RSM）分析，它结合了数学和统计技术来开发、改进和优化各种过程，如吸附优化、热绝缘优化、热解过程优化和复合材料

结果与讨论

本研究设计了一种创新的LHTES系统，使用赤藓糖醇PCM从工业烟气中回收废热，烟气处理能力达到10,000 m3/h。

结论

本研究成功开发了一种用于冶金工业低品位烟气废热回收的环形外部翅片LHTES系统。通过对不同实际流速、不同管径、管间距和翅片间距的烟气进行3D稳态建模，并与赤藓糖醇PCM的瞬态LHTES建模相结合，显著降低了计算成本和时间。通过NSGA-Ⅱ优化的LHTES系统表现出良好的热充电性能

CRediT作者贡献声明

姜佳洁：撰写——原始草案、方法论、调查、形式分析、概念化。范立武：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：[范立武报告称获得了中国国家自然科学基金的支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响工作的财务利益或个人关系

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52276088）和中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFC3712100和2024YFC3712103）的支持。