蒸汽-蘭炭換熱與余熱回收特性實驗研究

宋曉軼，孫 鵬，王延遐，馬煜翔

（山東理工大學 交通與車輛工程學院，淄博 255049）

蘭炭又稱半焦,是泥煤、褐煤和高揮發分的煙煤等經低溫（500～700 ℃）干餾得到的固體產物，是晉、陜、蒙、寧交界地區煤炭深加工的特有產品[1]。蘭炭在硅鐵、電石、化肥等行業可以代替且優于一般焦炭，同時在冶金燃料和還原劑、吸附材料、制合成氣等領域有著巨大的潛力[2]。目前我國蘭炭生產規模已超過1億t，但生產過程中普遍采用水熄方法對蘭炭進行冷卻，蘭炭的顯熱并沒有得到充分利用，造成巨大的能源浪費。研究利用蒸汽回收蘭炭的余熱，對于構建能源節約型社會、改善環境質量、提高人民生活水平具有重要意義。

山東理工大學提出了一種四級換熱與蒸汽強化蘭炭換熱相結合的技術，解決了長期制約行業發展的蘭炭水熄困難的問題，節省水熄消耗水資源和烘干耗能，實現了清潔生產并改善了蘭炭的質量。

為了提高蘭炭生產過程中對能源的利用效率，研究蘭炭換熱器內的氣固換熱特性，有利于蘭炭的高效率冷卻，以節省成本，提高企業核心競爭力，同時對于我國節能減排、走可持續發展之路，都具有重大的意義。

國內外許多學者對氣固換熱進行了相關研究。Yang等[3-4]采用圓形和橢圓形的軸承鋼作為固體介質研究了氣固換熱系數。武錦濤等[5]研究了移動床內與加熱面接觸的顆粒數目、接觸時間、顆粒-加熱面間接觸面的大小等因素對有效傳熱系數的影響。馬濤[6]采用不同粒徑鋼珠模擬多孔介質材料傳熱試驗來研究等效導熱系數的變化趨勢。Abdulmohsin等[7]測量了球體填充床內的對流有效換熱系數及其徑向分布。吳靜[8]研究了間接加熱列管式回轉干燥機內加熱管壁與料層間的有效換熱系數隨物料填充率、顆粒粒徑、列管回轉半徑的變化規律。在燒結礦的余熱利用方面，很多學者研究了提高燒結礦余熱利用的方法[9-12]。孔寧等[13]綜述了國內外有關干熄爐內流動和換熱過程數學模型的研究現狀及其發展趨勢。胡國新等[14]建立物理數學模型，研究了不同情況下床內顆粒料層中氣固溫度的分布規律。杜建華等[15]分析了通道內具有內熱源多孔介質固定床的冷卻過程。綜上所述，國內外學者針對蘭炭冷卻過程中蒸汽與蘭炭換熱特性的相關研究較少，蘭炭爐內一些重要的操作參數（如蒸汽流量等）和顆粒特性參數（如粒徑、料層厚度等）對氣固換熱特性的影響并不完全清楚。

本文建立了蒸汽-蘭炭換熱實驗系統，分析蒸汽與蘭炭的換熱規律，從而為余熱的高效利用、節能減排和發展循環經濟提供理論依據。

1 實驗

1.1 實驗原理與操作

在蘭炭生產過程中，熾熱的蘭炭顆粒由上往下緩慢運動，經過熄焦后在蘭炭爐底部排出。在熄焦過程中，引入部分飽和蒸汽由底層向上運動，以強化蘭炭顆粒換熱。由于蘭炭向下緩慢運動，運動速度約為20 cm/h，與蒸汽速度相比可以忽略，因而本實驗在研究蒸汽-蘭炭換熱時，令蘭炭靜止，溫度升到工作溫度（600 ℃），蒸汽從底部經過，對1 h內蘭炭冷卻的對流換熱特性進行研究。

實驗啟動過程中，既要保證蘭炭能夠達到工作溫度，又要防止蘭炭顆粒的氧化，而在溫度較低的時候蒸汽容易凝結在實驗系統內，影響系統的穩定運行和有效換熱系數的測定。本實驗采用預先向實驗筒內通入氮氣將空氣排出后再加熱升溫的方式解決上述問題，在溫度達到工作溫度后通入蒸汽進行實驗。

本文自行設計并搭建了蒸汽-蘭炭換熱實驗臺，實驗系統結構如圖1所示。其中，P為壓力；ΔP為壓差。該系統由電加熱器、溫度采集裝置、流量積算儀、蒸汽發生器、氮氣罐、固定支架、實驗筒、不銹鋼網、保溫層、煙氣分析儀組成。其中，實驗臺整體材料使用304不銹鋼，固定支架為鑄鐵材料。圓筒用來裝填物料，其外徑為152.0 mm，壁厚1.0 mm，長度650.0 mm。電加熱系統由陶瓷電加熱圈和電控箱組成，加熱功率為11.0 kW，電加熱圈緊貼實驗筒外壁，主要作用是對蘭炭顆粒進行加熱，并在外層加保溫層。溫度采集系統由K型熱電偶、USB溫度采集卡和計算機組成，用來實時記錄實驗中筒內顆粒的溫度。蒸汽發生器為實驗提供蒸汽，流量積算儀用以測量并記錄蒸汽的進出口質量流量（kg/h）、熱流量（kJ/h）和溫度（℃），測量精度均為0.001。

本實驗所用的蒸汽發生器由江心鍋爐有限公司生產，型號為LDRO.017-0.7：額定功率4.0 kW，儲水容積8.0 L，重量63.0 kg，最大產汽量7.5 kg/h，溫度105 ℃，壓力0.11 MPa。

圖1 實驗系統結構示意圖Fig.1 Schematic of the experimental system

1.2 物料

實驗所用蘭炭產自神府地區，其工業分析和元素分析見表1。

表1 蘭炭工業分析和元素分析Tab.1 Industrial analysis and elemental analysis of semi-coke

實驗開始前，需要對蘭炭顆粒進行分類，根據中華人民共和國2010年發布的《蘭炭產品技術條件》，按照粒徑大小篩分成小顆粒、中顆粒、大顆粒3個類型，其粒徑范圍分別為6～13 mm，13～25 mm，25～50 mm。在筒內軸向的相應位置放置3個由蘭炭制成的測試球，測試球中心插入熱電偶，用來測量蘭炭顆粒的溫度,并以這3個點的熱電偶的平均溫度表示料層整體的平均溫度。每次實驗前都需要調整測試球的位置，將其相對高度（距離料層底部的位置y與料層厚度H之比）調整為0.1，0.5，0.9。實驗用蘭炭物性參數見表2。

表2 實驗用蘭炭物理特性Tab.2 Physical properties of semi-coke used in the experiment

1.3 評價指標

1.3.1 氣固有效換熱系數

蘭炭爐內氣固有效換熱系數he，可用下式計算

式中：q為熱流量,由積算儀測得；A為換熱面積；a為單位體積床層內顆粒有效受熱面積；V為料層體積；Δt為氣固平均溫差。

單位床層內顆粒的有效受熱面積

式中：ε為空隙率；d為顆粒平均粒徑。

氣固平均溫差可表示為

進出口蒸汽熱流量的計算公式為

1.3.2 熱回收量

實驗中熱回收量的計算公式為

式中：ΔQ為熱回收量；Q1，Q2分別為進、出口熱流總量，由積算儀測得。

1.3.3 蒸汽?增

焓分析中的熱值和?分析中?值的對應關系為

式中：E為?值；Q為熱量；Ω為能級，反映能量品質的高低。

變溫熱源能級的計算公式[16]為

式中，Tgi，Tgo為氣體的進、出口溫度。

1.3.4 空隙率

空隙率的計算公式為

1.3.5 熄焦時間

基于煤的干餾過程中，300～600 ℃為蘭炭的生成溫度，包括焦油、干餾煤氣的產生，而在常溫300 ℃這一階段，原煤的結構沒有發生較大變化。故在本文中認為，當蘭炭冷卻至300 ℃時即達到熄焦溫度，到達熄焦溫度所需時間為熄焦時間。

1.4 實驗工況

在環境溫度為18 ℃、蒸汽和蘭炭初始溫度分別為105 ℃和600 ℃的條件下進行交叉實驗，共有7組實驗。實驗工況如表3所示。

表3 實驗工況Tab.3 Experimental conditions

2 實驗結果及討論

2.1 顆粒粒徑對換熱特性的影響

選擇工況III-1，I-2，III-2，即料層高度為500 mm，蒸汽流量為7.5 kg/h，顆粒平均粒徑分別為9.0，19.0，37.5 mm，對各工況下的料層整體平均溫度、熱回收量和?增進行分析。其料層整體平均溫度變化情況如圖2所示，熱回收量和?增如圖3所示。

圖2 顆粒粒徑對料層整體平均溫度的影響Fig.2 Effects of the particle diameters on the average temperature of the whole material layer

由圖2和圖3可以看出，料層整體平均溫度的變化規律是先急劇下降，然后溫降變化速率逐步減緩。以平均粒徑為19.0 mm的料層溫度變化為例，在 0～20 min，20～40 min，40～60 min的時間范圍內，平均溫降速率分別為14.6，6.0 ，1.9 ℃/min。這是由于隨著實驗的進行，氣固兩相之間的平均溫差降低，導致換熱減慢，熱回收速率下降。

在相同的料層厚度和蒸汽流量條件下，隨著粒徑的增大，蘭炭溫度降低越快，熄焦時間越短，熄焦時間分別為24，21，15 min，即粒徑越大，完成熄焦所需時間越短。但熱回收量增加越慢，III-1，I-2，III-2這3個工況回收熱量依次降低，回收總熱量分別為3.9×103，3.6×103，3.4×103kJ，?增分別為 2.0×103，1.8×103，1.6×103kJ。這是因為顆粒粒徑越大，空隙率越大，相同料層高度條件下，料層內的蘭炭質量較小，初始蓄熱量低；而且顆粒越大，物料與蒸汽的有效換熱面積越小，所以熱量回收得越慢。在III-1，I-2，III-2工況下，單位質量的蘭炭熱回收量分別為8.9×102，8.6×102， 8.5×102kJ/kg， ? 增 分 別 為 4.5×102，4.3×102，4.0×102kJ/kg。這是由于隨著粒徑的增大，單位質量的蘭炭顆粒有效換熱面積減小，故熱回收量和?增變小。

為進一步揭示蒸汽與蘭炭的換熱特性，通過粒徑影響實驗結果計算得到蒸汽與蘭炭的有效換熱系數，如圖4所示。

圖3 顆粒粒徑對熱回收量和?增的影響Fig. 3 Effects of particle diameters on the amount of heat recovery and energy increase

圖4 顆粒粒徑對有效換熱系數的影響Fig.4 Effects of the particle diameters on the effective heat transfer coefficient

當料層整體平均溫度相同時，顆粒粒徑越小，實驗筒內的氣固有效換熱系數越大。在不同溫度段中，料層整體平均溫度越高，有效換熱系數越大。這是因為顆粒溫度越高，蒸汽體積流量越大，氣固間相對流速越大，對流換熱增強。同時顆粒溫度越高，顆粒對蒸汽的輻射傳熱越強，所以料層整體平均溫度高時的有效換熱系數比較大。

2.2 料層厚度對換熱特性的影響

選擇工況I-1，I-2，I-3，即顆粒平均粒徑為19.0 mm，蒸汽流量為 7.5 kg/h，料層厚度分別為400，500，600 mm，對各工況下的料層整體平均溫度、熱回收量和?增進行分析。

圖5和圖6分別給出了料層厚度對料層整體平均溫度、熱回收量和?增的影響。在相同粒徑和蒸汽流量的條件下，各個料層厚度的蘭炭溫度均在前40 min急速降低，且料層厚度越小，溫度下降越快，熱量回收越慢。以0～40 min為例，料層厚度為400，500，600 mm的料層整體平均溫降分別為10.9，10.3，9.7 ℃/min。在40 min之后，隨著氣固平均溫差的減小，兩者之間的換熱減弱，料層整體平均溫降速率較為緩慢，熱回收量增加較慢。

圖5 料層厚度對料層整體平均溫度的影響Fig. 5 Effects of layer height on the average temperature of the whole material layer

圖6 料層厚度對熱回收量和?增的影響Fig. 6 Effects of layer height on the amount of heat recovery and energy increase

在相同的粒徑和蒸汽流量的條件下，隨著料層厚度的增大，料層整體溫度降低越慢，熄焦時間越長，熄焦時間分別為20，22，28 min，且熱回收量增大?；厥湛偀崃糠謩e為2.8×103，3.6×103，3.9×103kJ，?增分別為1.5×103，1.8×103，2.0×103kJ。這是因為隨著料層厚度的增大，整個料層的初始蓄熱量會增加，且氣體在料層中流動時間增長，進而氣體與顆粒的換熱量增大。為進一步揭示蒸汽與蘭炭的換熱特性，通過蘭炭的料層厚度影響實驗結果計算得到蒸汽與蘭炭的有效換熱系數，如圖7所示。

圖7 料層厚度對有效換熱系數的影響Fig.7 Effects of layer height on the effective heat transfer coefficient

料層整體平均溫度相同時，料層厚度越大，有效換熱系數越小。這是因為料層越厚，氣體在料層中的流動時間越長，隨著氣體的流動，氣固之間的平均溫差逐漸降低，換熱減慢，導致料層整體有效換熱系數降低。隨著料層整體平均溫度的降低，有效換熱系數降低。

2.3 蒸汽流量對換熱特性的影響

選擇工況II-1，II-2，I-2，即顆粒平均粒徑為19.0 mm，料層厚度為500 mm，蒸汽流量分別為4.5，6.0，7.5 kg/h，對各工況下的料層整體平均溫度、熱回收量和?增進行分析。

圖8和圖9分別給出了蒸汽流量對料層整體平均溫度、熱回收量和?增的影響。料層整體平均溫度的變化規律是先急劇下降，然后溫降變化速率逐步減緩。在相同的粒徑和料層厚度條件下，蒸汽流量越大，單位時間內的料層溫降越大，熱回收量增加。以0～20 min為例，蒸汽流量為4.5，6.0，7.5 kg/h時的溫降分別為 11.5，14.6，15.2 ℃/min。隨著蒸汽流量的增大，熄焦時間減少，熄焦時間分別為56，33，21 min。在整個換熱過程中回收熱量分別為 2.7×103，3.0×103，3.6×103kJ，?增分別為 1.2×103，1.5×103，1.8×103kJ。這是因為隨著蒸汽流量的增加，換熱效果增強，單位時間內氣體帶走的熱量增加。

圖8 蒸汽流量對料層整體平均溫度的影響Fig.8 Effects of steam flow on the average temperature of the whole material layer

圖9 蒸汽流量對熱回收量和?增的影響Fig.9 Effects of steam flow on the amount of heat recovery and energy increase

為進一步揭示蒸汽與蘭炭的換熱特性，通過蒸汽流量影響實驗數據計算得到蒸汽與蘭炭的有效換熱系數，如圖10所示。

當蒸汽流量較大時，實驗筒內氣體流速較大，蒸汽與顆粒之間的對流換熱增強，換熱系數較大。隨著料層溫度的降低，有效換熱系數降低。

圖10 蒸汽流量對有效換熱系數的影響Fig. 10 Effects of the steam flow on the effective heat transfer coefficient

3 實驗關聯式

將實驗所得數據做非線性曲線擬合，可得出粒徑、料層厚度、蒸汽的質量流量、料層溫度與有效換熱系數的關系式，平均誤差為12.9%。經檢驗，蘭炭混料與蒸汽的有效換熱系數依然符合該關系式，關系式如下：

式中：H為料層厚度；t為料層整體平均溫度。

4 結 論

氣固換熱的前期，熱量交換比較劇烈，料層整體平均溫度下降較快，熱回收量和?增顯著增加。隨著實驗的進行，有效換熱系數降低。本文中，蒸汽可回收熱量范圍為 2.7×103～3.9×103kJ，?增的范圍為 1.2×103～2.0×103kJ，熄焦時間為15～56 min。

料層厚度和蒸汽流量不變，隨著粒徑的增大，料層整體的溫降速率增快，熱回收量減少,蒸汽?增量降低。顆粒粒徑和蒸汽流量不變，隨著料層厚度的增加，料層整體的溫降速率減慢，熱回收總量增大，蒸汽?增量增大。料層厚度和顆粒粒徑不變，隨著蒸汽流量增加，料層整體溫降速率加快，熱回收量增大，蒸汽?增量增大。

隨著料層整體溫度的降低，有效換熱系數減??；隨著料層厚度的減小、顆粒平均粒徑的降低、蒸汽流量的增大，氣固有效換熱系數均增大。氣固有效換熱系數范圍為3.5～52.0 W/（m2·K），獲得最大有效換熱系數的工況：蒸汽流量為7.5 kg/h，料層厚度為400 mm，顆粒平均粒徑為19.0 mm，顆粒溫度為600 ℃。