粗煤氣-水余熱鍋爐換熱面積設計與校核

王藝儒，詹淑慧(北京建筑大學 環(huán)境與能源工程學院，北京100044)

1 概述

粗煤氣是煤在焦爐中高溫干餾產生的混合氣，蘊含著大量的顯熱[1-2]。粗煤氣熱量回收方法主要有上升管汽化換熱、導熱油夾套換熱、熱管式換熱、余熱鍋爐換熱等[3-7]。余熱鍋爐換熱技術投資比較少，能有效克服結焦，穩(wěn)定性和回收效率比較高。本文在顯熱換熱前提下，采用Aspen Plus軟件對余熱鍋爐換熱面積進行模擬計算，確定換熱管束結構，采用關聯(lián)式法對余熱鍋爐換熱面積進行校核計算。

2 余熱鍋爐工藝流程與物料參數(shù)

① 工藝流程

余熱鍋爐工藝流程見圖1。由焦爐排出的高溫粗煤氣進入余熱鍋爐，加熱余熱鍋爐進水，加熱后的水可供居民、工業(yè)用戶使用。

圖1 余熱鍋爐工藝流程

② 粗煤氣組成

粗煤氣主要成分為干煤氣、其他雜質(包括水蒸氣)、煤焦油。干煤氣(組成見表1)是粗煤氣中的輕組分，約占粗煤氣質量的49%。其他雜質約占粗煤氣質量的40%，且大部分為水蒸氣。煤焦油約占粗煤氣質量的11%，一般分為兩部分[8]：一部分是確定的輕組分；另一部分為無法確定的組分，一般稱為瀝青。

表1 干煤氣的組成

③ 物料物性參數(shù)

余熱鍋爐可視為管殼式換熱器，粗煤氣走管程，水走殼程。設定粗煤氣流速為20 m/s，進口溫度為400 ℃，出口溫度為200 ℃，定性溫度為進出口溫度的算術平均值(300 ℃)。設定水的流速為1.0 m/s，進口溫度為30 ℃，出口溫度為80 ℃，定性溫度為進出口水溫的算術平均值(55 ℃)，物性參數(shù)見表2[9]330。采用Aspen Plus物性估算出定性溫度下的粗煤氣的物性參數(shù)，見表2。估算時，將粗煤氣視為干煤氣，組成見表1。物性方法分為狀態(tài)方程法、活度系數(shù)法，狀態(tài)方程法主要用于對氣體物性分析過程，常見的狀態(tài)方程有Ideal、SRK、PR等，SRK方程可以比較精確地推算出混合氣體物料的真實物性參數(shù)。因此，物性方法選取SRK方程。

表2 定性溫度下的粗煤氣、水的物性參數(shù)

3 余熱鍋爐初步設計

① 初步設計

選用規(guī)格為D57×3.5的碳鋼換熱管，選取Aspen Plus軟件適用于管殼式換熱器的單元模塊(HeatX)中的簡捷法模型(shortcut)。該模型不需要換熱器結構或幾何尺寸，僅通過輸入少量已知量即可對換熱器進行初步設計。輸入粗煤氣的進出口溫度、水的進口溫度，設定水的質量流量為10 t/h。運行模擬程序，得出余熱鍋爐熱負荷為644.71 kW，水出口溫度為80 ℃，換熱面積(以下稱為模擬換熱面積)為34.71 m2。

管殼式換熱器總管數(shù)N的計算式為[10]：

(1)

(2)

式中N——管殼式換熱器總管數(shù)

qm——粗煤氣的質量流量，kg/s

u——粗煤氣的流速，m/s

ρ——定性溫度下粗煤氣的密度，kg/m3

do——換熱管的外直徑，m

Φ——管殼式換熱器熱負荷，W

cp——定性溫度下粗煤氣的比定壓熱容，J/(kg·K)

Δt——粗煤氣進出口溫差，℃

換熱管單管長度L的計算式為：

(3)

(4)

式中L——換熱管單管長度，m

A——管殼式換熱器換熱面積，m2

K——管殼式換熱器總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

Δtm——對數(shù)平均溫差，℃

將已知參數(shù)代入式(1)、(2)，可計算得到管殼式換熱器總管數(shù)為50.71，進而由式(3)、(4)可計算得到換熱管單管長度為3.94 m。根據GB/T 28712.2—2012《固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)》第4.3.1條規(guī)定，換熱管單管長度選取4.5 m。

② 換熱管束結構設計

換熱管束排布方式選取采用最常見的正三角形排列方式(見圖2)，為滿足排布方式需要，管殼式換熱器總管數(shù)確定為52。

圖2 換熱管束排布方式

4 校核計算

管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hin的關聯(lián)式為[9]182：

(5)

(6)

(7)

式中hin——管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

λ——定性溫度下粗煤氣的熱導率，W/(m·K)

din——換熱管的內直徑，m

Re——粗煤氣的雷諾數(shù)

Pr——粗煤氣的普朗特數(shù)

n——指數(shù)，流體被加熱時取0.1，流體被冷卻時取0.3，這里取0.3

μ——定性溫度下粗煤氣的動力黏度，Pa·s

將已知參數(shù)代入式(5)～(7)，可計算得到管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為114.18 W/(m2·K)。

殼程為強迫對流換熱，管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)ho的關聯(lián)式為[9]183：

(8)

(9)

(10)

式中ho——管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

λw——定性溫度下水的熱導率，W/(m·K)

de——殼程當量直徑，m

uw——水的流速，m/s

ρw——定性溫度下水的密度，kg/m3

μw——定性溫度下水的動力黏度，Pa·s

Prw——水的普朗特數(shù)

Nc——位于管束中心線上的管數(shù)，為8

cp,w——定性溫度下水的比定壓熱容，J/(kg·K)

將已知參數(shù)代入式(8)～(10)，可計算得到管外傳熱系數(shù)為1 673.29 W/(m2·K)。

忽略換熱管壁的熱阻，管殼式換熱器總傳熱系數(shù)K的計算式為[9]183：

(11)

式中Ro——管外單位面積污垢熱阻，m2·K/W

Rin——管內單位面積污垢熱阻，m2·K/W

管外單位面積污垢熱阻、管內單位面積污垢熱阻按GB/T 151—2014《熱交換器》附錄E分別選取為3.5×10-4、1.76×10-4m2·K/W。將已知參數(shù)代入式(11)，可計算得到管殼式換熱器總傳熱系數(shù)為89.87 W/(m2·K)。進而由式(4)計算得到管殼式換熱器換熱面積(以下稱為計算換熱面積)為31.41 m2，與模擬換熱面積(為34.71 m2)十分接近，說明模擬結果可信。

5 結論

由Aspen Plus軟件模擬計算得到的余熱鍋爐換熱面積為34.71 m2，由關聯(lián)式法計算得到的換熱面積為31.41 m2，二者十分接近，模擬結果可信。