焦?fàn)t荒煤氣余熱回收裝置的傳熱分析

王桂軍 占利斌 潘少靜

（1華電重工股份有限公司北京100070 2南京軍區(qū)鍋爐檢驗(yàn)所浙江杭州310002 3杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司浙江杭州310002）

焦?fàn)t荒煤氣余熱回收裝置的傳熱分析

王桂軍1占利斌2潘少靜3

（1華電重工股份有限公司北京100070 2南京軍區(qū)鍋爐檢驗(yàn)所浙江杭州310002 3杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司浙江杭州310002）

介紹了一種新型的上升管螺旋盤管式荒煤氣余熱回收裝置，并對(duì)其傳熱規(guī)律進(jìn)行分析，得出該裝置的傳熱系數(shù)約為34W/（m2·K），為荒煤氣余熱回收裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

上升管；螺旋盤管；荒煤氣

荒煤氣是煉焦過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物，是煉焦過程產(chǎn)生的沒經(jīng)凈化處理的煤氣?；拿簹怆x開炭化室的溫度約為650℃～750℃，其攜帶的熱量約占焦?fàn)t輸入熱量的36%，具有極高的余熱回收利用潛力[1-3]。目前，對(duì)于荒煤氣余熱回收技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了一系列的研究，形成了多種技術(shù)。如我國(guó)在70年代開發(fā)的上升管汽化冷卻技術(shù)；日本于1982年研制了利用導(dǎo)熱油-聯(lián)苯醚夾套技術(shù)回收焦?fàn)t荒煤氣余熱的煤調(diào)濕（CMC-P）技術(shù)；寶鋼梅山分廠焦化廠開展了熱管荒煤氣余熱回收技術(shù)等[4-5]。雖然已有多種荒煤氣余熱回收技術(shù)并已投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，但至今都未形成成熟、可靠、高效的回收技術(shù)。因此，業(yè)內(nèi)人士仍在積極探索荒煤氣余熱回收的新工藝、新技術(shù)。本文將介紹一種上升管螺旋盤管式荒煤氣余熱回收裝置，并對(duì)其作理論上的計(jì)算分析。

1 上升管螺旋盤管式荒煤氣余熱回收裝置

上升管螺旋盤管式荒煤氣余熱回收裝置主要由內(nèi)筒、外筒、螺旋盤管、導(dǎo)熱劑組成，其結(jié)構(gòu)是在上升管外壁上焊接一環(huán)形夾套，螺旋盤管布于內(nèi)外筒之間的環(huán)形通道內(nèi)，在環(huán)形通道和螺旋盤管的空隙中填充導(dǎo)熱劑。本裝置回收荒煤氣余熱的流程為：高溫荒煤氣（650℃～750℃）在上升管內(nèi)筒中向上流動(dòng)并與內(nèi)筒換熱冷卻，內(nèi)筒將熱量傳給環(huán)形通道中的導(dǎo)熱劑，導(dǎo)熱劑通過螺旋盤管外壁將熱量傳給螺旋盤管中的水，從而達(dá)到回收荒煤氣余熱的目的。

2 上升管螺旋盤管式傳熱分析

上升管螺旋盤管式荒煤氣回收裝置是荒煤氣余熱回收利用系統(tǒng)中的關(guān)鍵裝置，摸清其傳熱規(guī)律對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行至關(guān)重要。下面將對(duì)其傳熱規(guī)律進(jìn)行分析。

根據(jù)某焦化廠提供的上升管換熱結(jié)構(gòu)。上升管換熱裝置總高度為3.266m，各部分尺寸及材料為：內(nèi)筒厚10mm，由1mm厚的1Cr13和9mm厚的Q235組成；外筒由4mm厚的Q235組成；螺旋盤管布于內(nèi)外筒之間的環(huán)形空間中，由φ38×5的管子構(gòu)成，材料為20G，總長(zhǎng)度約90m；放入螺旋盤管之后，環(huán)形空間中的空隙由導(dǎo)熱劑粉末填充；保溫材料為保溫棉，約150mm厚；最外層為鍍鋅鐵皮，厚度2mm～3mm。上升管中所用的導(dǎo)熱劑導(dǎo)熱性能優(yōu)良，導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)90 w/(m2·K)～230w/(m2·K)?？紤]到導(dǎo)熱劑為粉末形態(tài)，其導(dǎo)熱性能大打折扣，初步計(jì)算取其導(dǎo)熱系數(shù)為80W/(m2·K)。

為分析方便，假定熱量傳到導(dǎo)熱劑外壁后再傳給盤管,上升管換熱裝置的系統(tǒng)熱平衡式應(yīng)為：

其中上升管外表面散熱包括鍍鋅鐵皮外表面自然對(duì)流散熱和鍍鋅鐵皮外表面輻射散熱?？紤]到上升管外表面散熱與荒煤氣放熱量之比小于1.5%。為分析方便，忽略上升管向外的散熱，認(rèn)為荒煤氣放出的顯熱全部傳給盤管中的水,可得到上升管換熱裝置的總溫差和總熱流表達(dá)式如下：

式中Ra1、Ra2、Ra3分別是內(nèi)筒內(nèi)外層之間、內(nèi)筒外層外壁—導(dǎo)熱劑內(nèi)壁之間、導(dǎo)熱劑外壁—盤管外壁之間的接觸熱阻。其中內(nèi)筒內(nèi)外層之間貼合緊密，Ra1應(yīng)該可以忽略不計(jì)。整個(gè)上升管換熱裝置的總溫降約為450℃。通過各環(huán)節(jié)的溫差計(jì)算發(fā)現(xiàn)，溫降主要在荒煤氣-內(nèi)筒內(nèi)層內(nèi)壁、內(nèi)筒外層外壁-導(dǎo)熱劑內(nèi)壁、導(dǎo)熱劑外壁-盤管外壁出現(xiàn)。螺旋盤管的換熱采用專用于螺旋管的關(guān)聯(lián)式，其對(duì)流傳熱系數(shù)約為24000W/（m2·K）。以盤管內(nèi)表面面積為基準(zhǔn)的整個(gè)系統(tǒng)的傳熱系數(shù)k約為34W/（m2·K）。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)上升管螺旋盤管式荒煤氣余熱回收裝置的傳熱分析，得出螺旋盤管的對(duì)流傳熱系數(shù)約為24000W/（m2·K），整個(gè)裝置的傳熱系數(shù)約為34W/（m2·K），為荒煤氣顯熱回收裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

[1]張宇晨,孫業(yè)新.焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱回收技術(shù)探討[J].冶金能源,2011,30(3):46-48.

[2]歐陽(yáng)福承,王振凡.焦?fàn)t荒煤氣顯熱回收利用的研究[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào),1993,10(3):11-12.

[3]王振環(huán).上升管汽化冷卻的應(yīng)用及發(fā)展前景[J].燃料與化工, 2000,31(4):172-175.

[4]岳益鋒,張忠孝.焦?fàn)t荒煤氣顯熱回收的理論分析[D].上海:上海理工大學(xué),2013:4-5.

[5]周慶中,王文改,朱占升.荒煤氣顯熱的回收[J].煤氣與熱力, 1998,18(1):18-20.