高温煅后焦余热锅炉结构布置的理论研究①

谈双根， 汤　林， 李菊香

(1. 镇江焦化煤气集团有限公司，江苏 镇江　210000；2. 江苏彤明高科汽车电器股份有限公司，江苏 镇江　212300； 3. 南京工业大学能源科学与工程学院，江苏 南京　211816)

引　言

目前，在炭素的生产工艺中，对煅烧炉出口～1000 ℃高温煅后焦大多采用水淬降温或自然降温等单纯性的冷却方式[1]。迄今为止，高温煅后焦余热回收方面的研究与应用较少，主要研究仍集中在煅后焦的物理性能和煅烧工艺[2-3]方面。随着对煅后焦研究的深入，已有一些学者开始对高温煅后焦余热回收展开研究。明文雪等[4]对水冷夹套内、外钢板之间采用竖排布置的导流板进行优化，结果发现，相比于传统的水夹套，煅后焦的温度分布更为均匀。郑斌等[5]根据颗粒孔隙率研究了煅后焦传热效率的影响。Zheng等[6]采用内侧竖排列管束、外侧竖排连贯列管围成箱体的内、外换热器结构对煅后焦余热回收进行了实验研究，发现内、外换热器结构内煅后焦温度分布更加均匀，换热系数相比于传统水夹套有很大提高，同时还能产生压力为1 MPa的蒸汽。至此，高温煅后焦的余热资源利用的研究开始展开，但有关的具体研究仍较少。

1　煅后焦的表征参数简介

在煅烧过程中，石油焦被高温加热，析出少量的水蒸汽和H2，CO，CO2等热解气体[7]，使得煅后焦内部产生孔隙，孔径一般为0.2～10 μm[8]。煅后焦的比热容由焦颗粒及气体、孔隙率决定，与温度有关，有效比热容为0.5～0.6 kJ/(kg·K)[9]。煅后焦的堆密度主要由煅后焦的真实密度及孔隙率决定，煅后焦的真实密度ρs一般为2.01～2.08 kg/m3[10]。煅后焦的有效导热系数与其中的气体与固体的导热系数及孔隙率有关，同时，当温度大于600 °C时，煅后焦孔隙内的热辐射也成为导热的重要组成部分[11]。煅后焦的流动属于气-固两相流，重力式流动是以颗粒为主体受重力作用自由向下的流动，因此，可看做是煅后焦颗粒与气体两种流体混合的拟流体[12]。

2　煅后焦余热锅炉数值模拟

2.1　模型简介

取煅后焦的体积分数为0.718，其余为气体。煅后焦在箱体内自上而下因重力自流，传热管内的饱和水吸热转化为饱和蒸汽。余热锅炉由箱体和传热管连接件组成，错排传热管布置的模型如图1所示，顺排传热管布置的剖面如图2所示。

图1　 错排管余热锅炉物理模型

1.传热管；2.煅后焦颗粒图2　顺排管剖面图

简化假设如下：1)传热管内饱和温度不变，呈二维模型，管壁设为恒温传热壁面；2)由于管壁及钢板厚度很薄，忽略其导热热阻；3)煅后焦颗粒为拟流体；4)余热锅炉处于稳态；5)箱体为绝热壁面。

采用二维双精度法求解，取煅后焦进口温度800 ℃，传热管内产汽压力为1.0 MPa，饱和温度183 ℃，管壁温度设置为恒183 ℃。流体与管壁接触界面流固耦合，交界面无滑移。

2.2　余热锅炉内煅后焦温度的分布

2.2.1布置方式对煅后焦温度的影响

1)错排布置

以Y轴为高度，X轴为剖面宽度。取箱体高度为1.5 m，宽度为0.42 m。颗粒流向的管排数为8，如图3所示，每排3支管，传热管规格为Φ0.068 m，每排管中心距为0.12 m，排间距为0.18 m。左边管中心与左壁面距离为0.06 m，右边管中心与右壁面距离为0.12 m。煅后焦的流速设为0.02 mm/s。

图3　错排余热锅炉内煅后焦温度分布云图

图3为煅后焦的温度分布云图，图4为煅后焦温度分布，自下而上共7层测温点。由图3，4可知，高温煅后焦进入余热锅炉先经过第一排传热管降温冷却后，温度分布不是很均匀。相比同一层其他温度点，靠近x=0.4 m处区域的煅后焦温度最高，第7层内温差最大，这是因为传热管是错排排列，传热管与箱体间为不对称布置，第1支管离左侧箱体壁面较近，第3支管离右侧箱体壁面较远，造成第3支管与右侧箱体壁面间形成较宽通道，该处煅后焦横向扰动小，传热系数低，煅后焦不能及时被冷却。随着煅后焦继续向下，X向的温度分布逐渐趋于平稳，到第1层时层内温差很小，说明当煅后焦流过多排传热管后，横向的扰动混合使温度分布趋为更均匀，左、右两边管与箱体壁面间不相等距离的影响越来越小。煅后焦沿着Y方向的温降梯度相对均衡，这可能是因为传热管是横向布置且为恒温管壁的缘故。

图4　错排管煅后焦的温度分布

2)顺排布置

其他条件相同，左、右两管中心与壁面的距离均为0.09 m时顺排管余热锅炉内煅后焦的温度分布云图如图5所示，温度分布如图6所示。由图5，6可知，高温煅后焦进入余热锅炉后，经过第一排传热管降温冷却后的温度分布不是很均匀，同层温差很大。主要是因为传热管是顺排布置，每两列的管间距形成了相对短路的煅后焦流道，扰动相对较小，煅后焦的热量传输较少；但当经过了几排传热管后，由

图5　顺排余热锅炉内煅后焦温度分布云图

于扰动，使得煅后焦的横向运动增强，加强了煅后焦内部气体的对流传热、焦颗粒间的接触传热、以及气体与焦颗粒间的对流传热，换热量相对增加，温差变小。而边管与箱壁间由于间距较小强化了传热，使得两侧的温度更低。

3)对比错排与顺排布置方式，为获得较低的出口温度及较为均匀的煅后焦温度分布，推荐采用错排管布置结构。

图6　 顺排余热锅炉内煅后焦的温度分布

2.2.2管排数对煅后焦温度的影响

选择错排管余热锅炉的传热管排数分别为6排、8排和10排。传热管的中心管间距为0.12 m，排间距为0.18 m，6排、8排和10排对应的余热锅炉总高度分别为1.2，1.5和2.0 m。余热锅炉宽度、煅后焦进口温度、孔隙率、流速、管壁温度、传热管间距等参数同上。图7为不同管排余热锅炉内煅后焦的温度分布云图。

图7　不同管排余热锅炉器内煅后焦的温度分布云图

由图7可知，6排的煅后焦出口温度最高，10排的煅后焦出口温度最低，这主要是传热面积的影响，管排数越少，煅后焦的停留时间越短，余热锅炉的换热量也越小。从出口截面的温度均匀性来看，10排的最为均匀，但是，10排的余热锅炉内，当煅后焦下降到8排时，温度就已显得较为均匀，后两排对其温降及温度均匀性的贡献较小，因此，本计算中的最佳传热管排数为8排。

3　结束语

本文对高温煅后焦提出了余热锅炉的热量回收设想，并初步研究了余热锅炉内管排的布置方式对煅后焦温度分布的影响，得出结论如下：

(1)错排管布置优于顺排管布置；

(2)在错排管布置优于顺排管布置的基础上，余热锅炉存在一个最佳的管排数。

参考文献：

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[4]明文雪, 罗立军. 基于CFD的罐式煅烧炉冷却水套的优化研究[J]. 炭素技术, 2013，32(03):16—18.

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