王計(jì)兵，陳 輝，趙衛(wèi)強(qiáng)，楊師緣，師沛生

（1.沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2. 蘇家屯職教中心，遼寧 沈陽 110165）

0 引言

我國余熱資源非常豐富，主要是分布在鋼鐵、化工、機(jī)械、建材等行業(yè)。工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的余熱卻得不到合理有效的利用，這些熱量直接排放到大氣中去，不僅造成嚴(yán)重的能源和水資源浪費(fèi)，更會(huì)造成熱污染[2]，因此如何高效地實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中余熱的回收再利用，就成為了一個(gè)普遍關(guān)注并急需解決的問題。目前，熱泵技術(shù)在我國已經(jīng)發(fā)展比較成熟，基于熱泵技術(shù)的余熱回收系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于沖壓件的生產(chǎn)。但將熱泵技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)生產(chǎn)中的報(bào)道還十分少見，本文主要是對(duì)天然氣減阻劑生產(chǎn)線余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行分析，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，并且對(duì)系統(tǒng)中的油熱系統(tǒng)進(jìn)行熱平衡計(jì)算，以獲取熱油系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。本文對(duì)天然氣減阻劑生產(chǎn)線余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行研究，順應(yīng)了節(jié)能減排的要求，擴(kuò)大以熱泵為基礎(chǔ)的余熱回收系統(tǒng)在化學(xué)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 天然氣減阻劑生產(chǎn)線系統(tǒng)

1.1 天然氣減阻劑生產(chǎn)線原系統(tǒng)組成

天然氣減阻劑生產(chǎn)線原系統(tǒng)主要是由兩個(gè)子系統(tǒng)組成： ①1 號(hào)反應(yīng)釜以及蒸餾罐的熱油加熱系統(tǒng)；②天然氣減阻劑生產(chǎn)工藝系統(tǒng)。圖1 為天然氣減阻劑生產(chǎn)線原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

1.2 天然氣減阻劑生產(chǎn)線原系統(tǒng)工作過程

圖1 天然氣減阻劑生產(chǎn)線原系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Gas drag reduction agent production line of the original system structure

減阻劑生產(chǎn)工藝中，1 號(hào)和2 號(hào)物料在1 號(hào)反應(yīng)釜相應(yīng)條件 （常壓、70℃～110℃、24h）下反應(yīng)生成中間產(chǎn)物后進(jìn)入2號(hào)反應(yīng)釜，然后再加 入3號(hào)物料，在常溫、常壓下反應(yīng)24h 后生成含成品物料，經(jīng)過沉淀（24h）、蒸餾（常壓、60℃-70℃、6h）得到成品。其中接料盤中液態(tài)物料與加入的4號(hào)物料進(jìn)入蒸餾罐蒸餾，然后蒸餾出的物料繼續(xù)進(jìn)入回收罐進(jìn)行收集，剩下的物料即為成品。原生產(chǎn)線工藝中，1 號(hào)反應(yīng)釜以及蒸餾罐使用油熱系統(tǒng)提供生產(chǎn)所需的工作溫度，2 號(hào)反應(yīng)釜以及冷凝器的冷凝需要冷卻水進(jìn)行冷卻。生產(chǎn)中冷卻水經(jīng)過需要冷卻的器皿后水溫升高，然后將其排掉，這造成了嚴(yán)重的水資源以及熱能資源浪費(fèi)。

1.3 帶有余熱回收系統(tǒng)的天然氣減阻劑生產(chǎn)線系統(tǒng)

天然氣減阻劑原生產(chǎn)中工藝中通過油熱系統(tǒng)對(duì)1 號(hào)反應(yīng)釜和蒸餾罐加熱到生產(chǎn)系統(tǒng)所需要的溫度，以往對(duì)1 號(hào)反應(yīng)釜、2 號(hào)反應(yīng)釜以及冷凝器冷卻所產(chǎn)生的大量余熱直接排放到大氣中，而且冷卻水直接排放到地下，從能源綜合利用的角度出發(fā)，有必要將這部分余熱以及水資源進(jìn)行回收并將其充分利用，使整個(gè)天然氣減阻劑的生產(chǎn)過程走上即環(huán)保又節(jié)能的道路。

整個(gè)生產(chǎn)線中可回收的余熱分為三個(gè)部分： ①2 號(hào)反應(yīng)釜的冷卻： 物料經(jīng)過1 號(hào)反應(yīng)釜反應(yīng)完全后進(jìn)入2號(hào)反應(yīng)釜，2 號(hào)反應(yīng)釜中的物料需要冷卻至常溫，這部分熱能需要進(jìn)行回收；②冷凝器的冷卻： 物料經(jīng)過蒸餾罐被加熱至60℃~70℃，經(jīng)過冷凝器冷卻，以到達(dá)產(chǎn)品提純的目的。這部分熱能也需要進(jìn)行回收；③油熱的降溫： 流經(jīng)1 號(hào)反應(yīng)釜的溫度為70℃~110℃，而變壓器油需要給蒸餾罐提供的溫度為60℃~70℃，這部分的熱能需要通過板式換熱器進(jìn)行提取回收。

因此在原有減阻劑生產(chǎn)線中加入余熱回收裝置，將水資源以及這部分余熱進(jìn)行回收并加以利用是十分必要的。帶有余熱回收系統(tǒng)的天然氣減阻劑生產(chǎn)線系統(tǒng)如圖2 所示。

生產(chǎn)工藝中油熱系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)的相互配合為各個(gè)反應(yīng)階段提供合適的生產(chǎn)溫度，反應(yīng)中冷水經(jīng)過需要冷卻的器皿后水溫升高，采用熱泵系統(tǒng)將其熱量提取，同時(shí)釋放給生活用水，用于生活洗浴以及鍋爐用水；在需要的時(shí)候可以通過高溫?zé)崴畬?duì)油熱系統(tǒng)中的變壓器油進(jìn)行加熱，以達(dá)到最大限度的節(jié)能效果。

圖2 帶有余熱回收裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 With waste heat recovery unit of the system structure

1 號(hào)反應(yīng)釜工作的正常溫度為70℃~110℃，由于溫度較高，水在100℃以上就會(huì)變?yōu)檎羝?，因此通過油熱系統(tǒng)提供反應(yīng)所需的溫度。該系統(tǒng)中，為了節(jié)能環(huán)保，其冷卻使用循環(huán)水，加熱使用25 號(hào)變壓器油。熱泵機(jī)組將冷水降低至20℃以下，同時(shí)將熱水加熱到55℃，通過板式換熱器將變壓器油加熱至55℃，然后再使用電加熱棒輔助加熱變壓器油至110℃。蒸餾罐正常的工作溫度是60℃~70℃，流經(jīng)1 號(hào)反應(yīng)釜后出來的變壓器油溫度如果高于蒸餾罐工作所需的溫度，則經(jīng)過板式換熱器將油溫降低至蒸餾罐的正常工作溫度。如果油溫正好合適，則直接通向蒸餾罐。1 號(hào)反應(yīng)釜完成反應(yīng)后，反應(yīng)后的物料進(jìn)入2 號(hào)反應(yīng)釜,同時(shí)物料3 進(jìn)入，并且對(duì)2 號(hào)反應(yīng)釜使用余熱回收系統(tǒng)冷卻循環(huán)水進(jìn)行冷卻至常溫。反應(yīng)產(chǎn)物完全反應(yīng)后到達(dá)蒸餾罐并且加入物料4，將物料蒸發(fā)，通過冷凝器進(jìn)行冷凝回收。其中2 號(hào)反應(yīng)釜、冷凝器以及板式換熱器的余熱由余熱回收部分將其熱量回收，用于加熱成高溫水供鍋爐給水和職工洗浴用水。

1.4 余熱回收系統(tǒng)

（1）余熱回收系統(tǒng)組成。余熱回收系統(tǒng)根據(jù)功能要求主要分為4 個(gè)部分，如圖3 所示。

圖3 余熱回收系統(tǒng)的組成Fig.3 The constitute of waste heat recovery system

（2）余熱回收系統(tǒng)的基本原理。余熱回收系統(tǒng)中主要是使用熱泵機(jī)組進(jìn)行熱量回收。熱泵是一種將低位熱源的熱能轉(zhuǎn)移到高位熱源的裝置，是世界備受關(guān)注的新能源技術(shù)。它以消耗一部分低品位能源 （機(jī)械能、電能或高溫?zé)崮埽?作為補(bǔ)償，使熱能從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩磦鬟f的裝置。其實(shí)質(zhì)是借助降低一定量的功的品位，提高品位較低而數(shù)量更多的能量[9]。余熱回收系統(tǒng)為2 號(hào)反應(yīng)釜、冷凝器以及板式換熱器的冷卻提供工作中所需要的冷卻水，當(dāng)水溫高出要求的水溫時(shí)，熱泵機(jī)組就會(huì)開始工作，對(duì)冷卻循環(huán)水進(jìn)行降溫。熱泵冷端所需要的冷卻循環(huán)水由水設(shè)備提供，冷卻循環(huán)水帶走所需冷卻設(shè)備的熱量后水溫升高，熱泵機(jī)組將溫度提取，將熱端水加熱，直接供給高溫水箱，以此來完成對(duì)物料冷卻余熱的收回。熱水系統(tǒng)所得的熱水直接用于鍋爐和職工的洗浴。余熱回收系統(tǒng)原理如圖4 所示。

圖4 余熱回收系統(tǒng)原理圖Fig.4 Principle of waste heat recovery system

2 帶有余熱回收系統(tǒng)的天然氣減阻劑生產(chǎn)線系統(tǒng)熱力學(xué)分析

2.1 管內(nèi)傳熱的基本方式

本系統(tǒng)中主要是運(yùn)用到了熱傳導(dǎo)與對(duì)流傳熱。

（1）熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是指在物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移的前提下，僅僅依靠物質(zhì)分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而使得熱量從溫度高的部分向溫度低的部分傳遞的現(xiàn)象[4]。它是固體中熱量傳遞的主要形式，在不流動(dòng)的液體或者是氣體層中熱量層層傳遞，在流動(dòng)情況下也會(huì)發(fā)生，不過往往是和對(duì)流同時(shí)存在的。影響熱傳導(dǎo)的主要因素是： 溫差、導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)熱物體的厚度和截面積。導(dǎo)熱系數(shù)愈大、厚度愈小、傳導(dǎo)的熱量愈多。

（2）對(duì)流傳熱。對(duì)流傳熱是流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過程。流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)傳熱過程有著重要的影響。對(duì)流傳熱是流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過程。流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)傳熱過程有著重要的影響。當(dāng)邊界層中的流動(dòng)完全處于層流狀態(tài)時(shí)，垂直于流動(dòng)方向上的熱量傳遞雖然只能通過流體內(nèi)部的導(dǎo)熱，但流體的流動(dòng)造成了沿流動(dòng)方向的溫度變化，使壁面處的溫度梯度增加，因而促進(jìn)了傳熱；當(dāng)邊界層中的流動(dòng)是湍流時(shí)，壁面附近的流動(dòng)結(jié)構(gòu)包括湍流區(qū)、過渡區(qū)和層流底層。湍流區(qū)垂直于流動(dòng)方向上的熱量傳遞除了熱傳導(dǎo)外，主要依靠不同溫度的微團(tuán)之間劇烈混合，即依靠對(duì)流換熱[12]。

流體通過固體壁面發(fā)生的熱量傳遞問題就是典型的對(duì)流換熱問題。對(duì)流換熱遵循著牛頓冷卻定律即： 溫度高于周圍環(huán)境的物體向周圍媒質(zhì)傳遞熱量逐漸冷卻時(shí)所遵循的規(guī)律。當(dāng)物體表面與周圍存在溫度差時(shí)，單位時(shí)間從單位面積散失的熱量與溫度差成正比，比例系數(shù)稱為熱傳遞系數(shù)。牛頓冷卻定律是牛頓在1701年用實(shí)驗(yàn)確定的，在強(qiáng)制對(duì)流時(shí)與實(shí)際符合較好，在自然對(duì)流時(shí)只在溫度差不太大時(shí)才成立。牛頓冷卻公式：

式中： q—熱流密度（J/m2·s）；h—物質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù)（W/(m2·℃））；Φ—傳熱功率（W）；A—傳熱面積；tw及tf分別為壁面溫度和流體溫度（℃）；對(duì)流換熱問題還遵循著質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒以及能量守恒三大定律。圖5 表示了壁面溫度和流體溫度的變化狀態(tài)曲線圖。

2.2 1 號(hào)反應(yīng)釜加熱系統(tǒng)熱平衡計(jì)算

1 號(hào)反應(yīng)釜的加熱以及保溫系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。通過各種傳熱方式的分析可知，油熱系統(tǒng)在對(duì)1 號(hào)反應(yīng)釜的加熱主要是靠對(duì)流傳熱以及熱傳導(dǎo)來完成的。1 號(hào)反應(yīng)釜由下端通入熱油，熱油通過不銹鋼的傳熱壁將熱量傳遞給物料。系統(tǒng)要求1 號(hào)反應(yīng)釜的入口油溫為110℃，需要將物料由常溫25℃加熱至90℃。為了方便計(jì)算可以把1 號(hào)反應(yīng)釜加熱系統(tǒng)，簡化為一個(gè)換熱器。則1 號(hào)反應(yīng)釜中，物料的物性參數(shù)按25℃給出如下：

圖5 tw 和tf 變化曲線圖Fig.5 The change diagram of tw and tf

圖6 1 號(hào)反應(yīng)釜加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成Fig.6 The architecture of the no.1 reactor heating system

物料密度： ρ=0.97g/ml；室溫粘度： η=1.25MPa·s；室溫?zé)崛荩?cp=1.71kJ /（K·kg）。則物料的質(zhì)量：

物料升至90℃所需要的熱量Q=1.71×65×1455=161723.25 KJ。帶夾套反應(yīng)釜對(duì)流換熱系數(shù)u 滿足：

其中，α1、α2分別為反應(yīng)釜內(nèi)物料、夾套內(nèi)載體的對(duì)流傳熱系數(shù)（W/（m2·K）；R1、R2分別為反應(yīng)釜內(nèi)、夾套內(nèi)污垢層熱阻（（m2·K）/W）；b—釜壁厚度（m）；λ—釜壁材料導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·k））。夾套中R1、R2很小，可忽略不計(jì)。b=0.01m，λ=20 W/（m·k），α1=1500 W/（m2·K），α2=1200 W/（m2·K）；可得： u=500 W/（m2·K），符合傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值[11]。

已知將物料加熱至90℃所需要的時(shí)間為0.5 小時(shí)，則變壓器油的傳熱速率q=89.85KJ/s，總系統(tǒng)的傳熱系數(shù)u=500W/（m2·K）。引入修正系數(shù)F=0.9；運(yùn)用對(duì)數(shù)平均溫差法[10]進(jìn)行計(jì)算步驟如下：

式中，A—換熱面積；ΔTm—系統(tǒng)的平均有效溫差。

油的出口溫度為： T出口=50.85+25=75.85℃，又q=m˙ cpΔT。式中，油的比熱容cp=2.219×103J/（kg·K）；m˙—熱油的質(zhì)量流量。而且，已知變壓器油在110℃時(shí)的密度ρ=895kg/m3，變壓器油的體積流量：

選取公稱直徑為2 3/8 in 的API 供油管，其中油管外徑尺寸為60.3mm，內(nèi)徑尺寸為50.3mm。則供油管的橫截面積：

則管道中變壓器油的平均流速：

3 結(jié)論

（1）通過對(duì)減阻劑生產(chǎn)中余熱回收方案的分析，得到了余熱回收系統(tǒng)在減阻劑生產(chǎn)中的應(yīng)用是可行的。

（2）據(jù)天然氣減阻劑生產(chǎn)線系統(tǒng)工況要求，計(jì)算得到1 號(hào)反應(yīng)釜總換熱面積為6.04m2，換熱量為89.85KJ/s，總傳熱系數(shù)為500W/（m2·K），熱油出口溫度為75.85℃，變壓器油的質(zhì)量流量為1.19kg/s，選取供油管外徑尺寸為60.3mm，內(nèi)徑尺寸為50.3mm, 結(jié)果滿足工況要求。

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