談雙根， 湯　林， 李菊香

(1. 鎮(zhèn)江焦化煤氣集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江　210000；2. 江蘇彤明高科汽車電器股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江　212300； 3. 南京工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京　211816)

引　言

目前，在炭素的生產(chǎn)工藝中，對(duì)煅燒爐出口～1000 ℃高溫煅后焦大多采用水淬降溫或自然降溫等單純性的冷卻方式[1]。迄今為止，高溫煅后焦余熱回收方面的研究與應(yīng)用較少，主要研究仍集中在煅后焦的物理性能和煅燒工藝[2-3]方面。隨著對(duì)煅后焦研究的深入，已有一些學(xué)者開始對(duì)高溫煅后焦余熱回收展開研究。明文雪等[4]對(duì)水冷夾套內(nèi)、外鋼板之間采用豎排布置的導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的水夾套，煅后焦的溫度分布更為均勻。鄭斌等[5]根據(jù)顆粒孔隙率研究了煅后焦傳熱效率的影響。Zheng等[6]采用內(nèi)側(cè)豎排列管束、外側(cè)豎排連貫列管圍成箱體的內(nèi)、外換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)煅后焦余熱回收進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外換熱器結(jié)構(gòu)內(nèi)煅后焦溫度分布更加均勻，換熱系數(shù)相比于傳統(tǒng)水夾套有很大提高，同時(shí)還能產(chǎn)生壓力為1 MPa的蒸汽。至此，高溫煅后焦的余熱資源利用的研究開始展開，但有關(guān)的具體研究仍較少。

1　煅后焦的表征參數(shù)簡(jiǎn)介

在煅燒過程中，石油焦被高溫加熱，析出少量的水蒸汽和H2，CO，CO2等熱解氣體[7]，使得煅后焦內(nèi)部產(chǎn)生孔隙，孔徑一般為0.2～10 μm[8]。煅后焦的比熱容由焦顆粒及氣體、孔隙率決定，與溫度有關(guān)，有效比熱容為0.5～0.6 kJ/(kg·K)[9]。煅后焦的堆密度主要由煅后焦的真實(shí)密度及孔隙率決定，煅后焦的真實(shí)密度ρs一般為2.01～2.08 kg/m3[10]。煅后焦的有效導(dǎo)熱系數(shù)與其中的氣體與固體的導(dǎo)熱系數(shù)及孔隙率有關(guān)，同時(shí)，當(dāng)溫度大于600 °C時(shí)，煅后焦孔隙內(nèi)的熱輻射也成為導(dǎo)熱的重要組成部分[11]。煅后焦的流動(dòng)屬于氣-固兩相流，重力式流動(dòng)是以顆粒為主體受重力作用自由向下的流動(dòng)，因此，可看做是煅后焦顆粒與氣體兩種流體混合的擬流體[12]。

2　煅后焦余熱鍋爐數(shù)值模擬

2.1　模型簡(jiǎn)介

取煅后焦的體積分?jǐn)?shù)為0.718，其余為氣體。煅后焦在箱體內(nèi)自上而下因重力自流，傳熱管內(nèi)的飽和水吸熱轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽。余熱鍋爐由箱體和傳熱管連接件組成，錯(cuò)排傳熱管布置的模型如圖1所示，順排傳熱管布置的剖面如圖2所示。

圖1　 錯(cuò)排管余熱鍋爐物理模型

1.傳熱管；2.煅后焦顆粒圖2　順排管剖面圖

簡(jiǎn)化假設(shè)如下：1)傳熱管內(nèi)飽和溫度不變，呈二維模型，管壁設(shè)為恒溫傳熱壁面；2)由于管壁及鋼板厚度很薄，忽略其導(dǎo)熱熱阻；3)煅后焦顆粒為擬流體；4)余熱鍋爐處于穩(wěn)態(tài)；5)箱體為絕熱壁面。

采用二維雙精度法求解，取煅后焦進(jìn)口溫度800 ℃，傳熱管內(nèi)產(chǎn)汽壓力為1.0 MPa，飽和溫度183 ℃，管壁溫度設(shè)置為恒183 ℃。流體與管壁接觸界面流固耦合，交界面無滑移。

2.2　余熱鍋爐內(nèi)煅后焦溫度的分布

2.2.1布置方式對(duì)煅后焦溫度的影響

1)錯(cuò)排布置

以Y軸為高度，X軸為剖面寬度。取箱體高度為1.5 m，寬度為0.42 m。顆粒流向的管排數(shù)為8，如圖3所示，每排3支管，傳熱管規(guī)格為Φ0.068 m，每排管中心距為0.12 m，排間距為0.18 m。左邊管中心與左壁面距離為0.06 m，右邊管中心與右壁面距離為0.12 m。煅后焦的流速設(shè)為0.02 mm/s。

圖3　錯(cuò)排余熱鍋爐內(nèi)煅后焦溫度分布云圖

圖3為煅后焦的溫度分布云圖，圖4為煅后焦溫度分布，自下而上共7層測(cè)溫點(diǎn)。由圖3，4可知，高溫煅后焦進(jìn)入余熱鍋爐先經(jīng)過第一排傳熱管降溫冷卻后，溫度分布不是很均勻。相比同一層其他溫度點(diǎn)，靠近x=0.4 m處區(qū)域的煅后焦溫度最高，第7層內(nèi)溫差最大，這是因?yàn)閭鳠峁苁清e(cuò)排排列，傳熱管與箱體間為不對(duì)稱布置，第1支管離左側(cè)箱體壁面較近，第3支管離右側(cè)箱體壁面較遠(yuǎn)，造成第3支管與右側(cè)箱體壁面間形成較寬通道，該處?kù)押蠼箼M向擾動(dòng)小，傳熱系數(shù)低，煅后焦不能及時(shí)被冷卻。隨著煅后焦繼續(xù)向下，X向的溫度分布逐漸趨于平穩(wěn)，到第1層時(shí)層內(nèi)溫差很小，說明當(dāng)煅后焦流過多排傳熱管后，橫向的擾動(dòng)混合使溫度分布趨為更均勻，左、右兩邊管與箱體壁面間不相等距離的影響越來越小。煅后焦沿著Y方向的溫降梯度相對(duì)均衡，這可能是因?yàn)閭鳠峁苁菣M向布置且為恒溫管壁的緣故。

圖4　錯(cuò)排管煅后焦的溫度分布

2)順排布置

其他條件相同，左、右兩管中心與壁面的距離均為0.09 m時(shí)順排管余熱鍋爐內(nèi)煅后焦的溫度分布云圖如圖5所示，溫度分布如圖6所示。由圖5，6可知，高溫煅后焦進(jìn)入余熱鍋爐后，經(jīng)過第一排傳熱管降溫冷卻后的溫度分布不是很均勻，同層溫差很大。主要是因?yàn)閭鳠峁苁琼樑挪贾?，每?jī)闪械墓荛g距形成了相對(duì)短路的煅后焦流道，擾動(dòng)相對(duì)較小，煅后焦的熱量傳輸較少；但當(dāng)經(jīng)過了幾排傳熱管后，由

圖5　順排余熱鍋爐內(nèi)煅后焦溫度分布云圖

于擾動(dòng)，使得煅后焦的橫向運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，加強(qiáng)了煅后焦內(nèi)部氣體的對(duì)流傳熱、焦顆粒間的接觸傳熱、以及氣體與焦顆粒間的對(duì)流傳熱，換熱量相對(duì)增加，溫差變小。而邊管與箱壁間由于間距較小強(qiáng)化了傳熱，使得兩側(cè)的溫度更低。

3)對(duì)比錯(cuò)排與順排布置方式，為獲得較低的出口溫度及較為均勻的煅后焦溫度分布，推薦采用錯(cuò)排管布置結(jié)構(gòu)。

圖6　 順排余熱鍋爐內(nèi)煅后焦的溫度分布

2.2.2管排數(shù)對(duì)煅后焦溫度的影響

選擇錯(cuò)排管余熱鍋爐的傳熱管排數(shù)分別為6排、8排和10排。傳熱管的中心管間距為0.12 m，排間距為0.18 m，6排、8排和10排對(duì)應(yīng)的余熱鍋爐總高度分別為1.2，1.5和2.0 m。余熱鍋爐寬度、煅后焦進(jìn)口溫度、孔隙率、流速、管壁溫度、傳熱管間距等參數(shù)同上。圖7為不同管排余熱鍋爐內(nèi)煅后焦的溫度分布云圖。

圖7　不同管排余熱鍋爐器內(nèi)煅后焦的溫度分布云圖

由圖7可知，6排的煅后焦出口溫度最高，10排的煅后焦出口溫度最低，這主要是傳熱面積的影響，管排數(shù)越少，煅后焦的停留時(shí)間越短，余熱鍋爐的換熱量也越小。從出口截面的溫度均勻性來看，10排的最為均勻，但是，10排的余熱鍋爐內(nèi)，當(dāng)煅后焦下降到8排時(shí)，溫度就已顯得較為均勻，后兩排對(duì)其溫降及溫度均勻性的貢獻(xiàn)較小，因此，本計(jì)算中的最佳傳熱管排數(shù)為8排。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高溫煅后焦提出了余熱鍋爐的熱量回收設(shè)想，并初步研究了余熱鍋爐內(nèi)管排的布置方式對(duì)煅后焦溫度分布的影響，得出結(jié)論如下：

(1)錯(cuò)排管布置優(yōu)于順排管布置；

(2)在錯(cuò)排管布置優(yōu)于順排管布置的基礎(chǔ)上，余熱鍋爐存在一個(gè)最佳的管排數(shù)。

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