段全斌

(中海油惠州石化有限公司,廣東 惠州 516082)

0 前言

回轉(zhuǎn)窯裝置因其具有產(chǎn)能大、壽命長和自動化程度高等優(yōu)點，被國內(nèi)多數(shù)石油焦煅燒廠家采用[1]。目前，回轉(zhuǎn)窯高溫煅后焦的冷卻處理均采用常規(guī)傳統(tǒng)的直接水冷法。雖然后期大部分改進型回轉(zhuǎn)窯在設計上，將冷卻機直冷水汽化后的飽和蒸汽和冷卻過程中產(chǎn)生的廢熱氣，作為后續(xù)單元的預熱“空氣”而“粗放”利用，但高溫煅后焦的顯熱利用未能徹底改善。如何有效回收這部分顯熱，日益成為石油焦生產(chǎn)企業(yè)不可回避的現(xiàn)實問題。本文以國內(nèi)某公司石油焦煅燒冷卻機為研究對象，基于固相流體間壁傳熱機理[2-3]，設計了一套干法回收煅后焦顯熱的方案，并已申請相關專利[4]。

1 冷卻裝置現(xiàn)狀

1.1 冷卻機結構

回轉(zhuǎn)窯冷卻機由筒體、支承裝置、傳動裝置、擋輪組、進排溜管和進排料罩等部分組成。其中，冷卻機筒體為冷卻機的主體，一般由20～25 mm 厚的16Mn 鋼板卷制[5]，并通過滾圈傾斜放置于支撐托輪組上，在傳動機構及擋輪組的作用下實現(xiàn)一定區(qū)間的連續(xù)回轉(zhuǎn)。通常為避免高溫煅后焦對金屬筒體的熱沖擊及提高冷卻處理效果，除在進料端內(nèi)筒壁上布設一定長度及厚度的耐火材料外，還在冷卻機中后部區(qū)域設有揚料板、冷風筒等附屬部件。

1.2 冷卻工藝

在石油焦煅燒系統(tǒng)中，冷卻機的作用是在負壓條件下，將回轉(zhuǎn)窯的高溫煅燒焦采用霧化水、順流空氣進行共同冷卻，使其溫度由1 200 ℃左右逐步降至80～140 ℃。目前，國內(nèi)除部分冷卻機仍采用內(nèi)噴與外淋的方式(圖1)對煅燒焦進行冷卻處理外[6]，多數(shù)均采用了類似于美國METSO 公司典型技術的單一直冷水法(圖2)。該方法冷卻過程產(chǎn)生的大量飽和蒸汽和固體顆粒經(jīng)旋風除塵器分離后，作為預熱的“二次空氣”，再經(jīng)引風機送至后燃燒室進行焚燒處理。雖然單一直冷水法利用了冷卻過程中的熱能，但效率較低下。

圖1 典型石油焦煅燒回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)工藝流程簡圖

圖2 新型石油焦煅燒回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)工藝流程簡圖

2 冷卻機顯熱回收分析及存在問題

2.1 冷卻機參數(shù)

國內(nèi)某公司引進的大規(guī)格石油焦煅燒冷卻機，相關參數(shù)見表1。

表1 新型冷卻機相關參數(shù)

2.2 熱平衡分析

冷卻機熱收入全部來自回轉(zhuǎn)窯高溫煅后焦的顯熱。本文以某公司煅前加工量32 t/h、成品率74%等參數(shù)為依據(jù)，計算冷卻機生產(chǎn)過程中的相關熱收支項。其熱平衡如圖3 所示。

圖3 冷卻機熱收支平衡示意圖

2.2.1 熱收入

煅后焦產(chǎn)量為：

根據(jù)實測，冷卻機入口煅后焦平均溫度t1為1 240 ℃，煅后焦比熱C取1.59 kJ/(kg·℃)計，則煅后焦顯熱：

2.2.2 熱支出

由圖3 知，熱支出項主要包括冷卻水汽化吸熱、筒體表面散熱，以及冷卻焦和煙氣帶走的熱等。

2.2.2.1 冷卻水汽化吸熱

1)據(jù)實測，煅后焦冷卻用水量約230 L/min，水密度取1 kg/L，則小時用水量為：

2)假定加入冷卻機的冷卻水全部轉(zhuǎn)化為蒸汽，其水汽化潛熱按2 260 kJ/kg 計算，則冷卻水汽化吸熱：

2.2.2.2 冷卻機筒體表面散熱

已知冷卻機筒壁直徑為2.895 m，長24 m，環(huán)境溫度取20 ℃。為便于計算，通過測量筒壁溫度，將筒壁(從進料端起)劃分為L1、L2、L3三個區(qū)段。其中，L1段為0～3 m 區(qū)段，平均溫度為185 ℃；L2段為3～7 m 區(qū)段，平均溫度為80 ℃；L3段為7～24 m 區(qū)段，平均溫度為119 ℃。根據(jù)工業(yè)爐窯爐壁散熱計算公式[7]：

式中：q——熱量，kJ/h；

ε——爐殼表面黑度，取ε=0.8；

tb——爐體平均外表面溫度，℃；

te——環(huán)境溫度，℃；

ad——對流給熱系數(shù)，當風速wf＜5 m/s 時，?。篴d=5.3 +3.6wf，kcal/m2·h·℃；

d——筒體直徑，m；

L——筒體有效長度，m。

當取環(huán)境風速為2 m/s 時，則L1、L2、L3區(qū)段的壁面散熱量分別為：

因此，冷卻機筒體外壁面總散熱量為：

2.2.2.3 其他支出項

為便于研究分析冷卻機的顯熱回收，冷卻焦和煙氣顯熱等熱支出項，在此不做考慮。通過上述粗略計算，冷卻機中冷卻水汽化吸熱和壁面散熱項約占煅后焦總熱比為：

冷卻水汽化吸熱和筒壁散熱約占煅后焦總熱的71%，說明在煅后焦冷卻過程中，巨大的顯熱資源被傳統(tǒng)的處置方式浪費。如何有效回收過程熱能，成了一個亟待解決的現(xiàn)實問題。

3 顯熱回收裝置改造

3.1 可行性分析

據(jù)文獻報道，自20 世紀80 年代初日本NKK 公司開發(fā)的內(nèi)冷轉(zhuǎn)鼓法熱能回收裝置[8]，到1986 年中國在烏克蘭開發(fā)的爐渣干式粒化方案基礎上改造的連鑄連軋法熔渣余熱回收工藝[9]，再到2011 年中國華中科技大學開發(fā)的爐渣熱水回收鍋爐[10]，30 多年間，類似石油焦狀固相顆粒的高爐渣干式熱能回收技術得到了長足的發(fā)展，成效顯著，但與之相近的煅后焦顯熱利用方面的研究，在國內(nèi)外卻鮮有提及[11]。為此，設計一臺既能冷卻固體顆粒物料又能回收顯熱的換熱裝置，在大力倡導綠色發(fā)展的現(xiàn)階段顯得更有意義。

結合冷卻機裝置的結構及運行特點，可通過“間壁夾套”的方法來滿足持續(xù)不斷的熱交換。只需在現(xiàn)有筒體的基礎上增設一個內(nèi)筒，讓內(nèi)筒與外筒間構成一個密閉的夾層環(huán)腔，進而通過夾層環(huán)腔中的水流來實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移和利用。

鑒于固體介質(zhì)間傳熱機理的局限性，在常規(guī)方法下，除了提高金屬材料的導熱系數(shù)外，還可通過擴展介質(zhì)間的接觸面、增設導熱板等無源技術來強化傳熱[12]，或通過適度延長介質(zhì)的接觸時間來增加過程熱量的有效轉(zhuǎn)移?？紤]到夾層水套間的供排水管徑、長度等帶來的管道摩阻以及因水體偏流產(chǎn)生的局部死區(qū)或旋渦[13]，可采用在內(nèi)筒排料側進出水母管上布設集水箱以及多支路分流的方法，來減少供水泵載荷和預防死區(qū)或局部旋渦的產(chǎn)生。夾層環(huán)腔間供、排水管線的動、靜連接問題，則可通過旋轉(zhuǎn)接頭技術解決。

為避免筒內(nèi)固體間換熱效率低而引起排料溫度超標問題，建議采取如下措施：

1)必要時可適度保留原部分直冷水冷卻功能和輔助引壓管線。

2)重新設計冷卻機規(guī)格，以有效延長物料在機內(nèi)停留的時間。

3)將煅后焦產(chǎn)品輸送線初始段設計為耐高溫輸送帶，或?qū)⑵漭斔驮O備升級為通用型板鏈式輸送機。

3.2 換熱器熱回收原理與設計

3.2.1 熱回收原理

改造后的換熱器結構示意圖如4 所示。石油焦煅燒生產(chǎn)過程中，高溫煅后焦從回轉(zhuǎn)窯經(jīng)導料溜管進入傾斜的筒內(nèi)，在冷卻機連續(xù)旋轉(zhuǎn)下，借助位差作用，從高端入料口逐漸向低端排料口滑動，最終經(jīng)排料出口閥排出筒外。而煅后焦所攜帶的大量顯熱，則通過傳導、輻射等方式直接作用于內(nèi)筒壁，獲得熱能的內(nèi)筒壁則通過夾層環(huán)腔中的強制水流不斷帶走。由于溫差的連續(xù)效應，高溫煅后焦的熱量不斷向水體轉(zhuǎn)移，水體水溫不斷升高，煅后焦溫度持續(xù)下降。

3.2.2 結構改造要點

熱能回收換熱器主要部件包括：內(nèi)筒、外筒、支撐柱，進料溜管、罩部分，排料管、罩部分，進、排水管系、換熱附件等(圖4)?；跓峄厥盏目尚行苑治黾把b置結構特點，換熱器改造內(nèi)容及設計要點如下：

圖4 顯熱回收換熱器結構分布簡圖

1)拆除現(xiàn)有機體內(nèi)所有附件，按照圖5 所示結構重新制作內(nèi)筒；2)內(nèi)筒、外筒之間通過支撐柱連接固定，形成一個帶環(huán)腔的筒式組合件；3)環(huán)腔組合件的兩側端面通過板材密封后制成新的換熱器主體；4)在換熱器排料側的端面，沿環(huán)周位置均勻布設至少三根進、排水管，并通過預設的集水母管、旋轉(zhuǎn)接頭等部件，建成密閉式換熱腔體的供排管系；5)在內(nèi)筒表面布設一定量的強制換熱器件(如擋料圈、導熱板等)；6)冷卻機裝置的進、排料罩與筒體間采用雙層彈性摩擦鋼片來實現(xiàn)動態(tài)密封。

圖5 顯熱回收換熱器局部斷面示意圖

換熱器改造的技術要求包括：1)所預置的新筒體需與原裝置負載相匹配；2)內(nèi)筒壁與外筒壁間的環(huán)腔有效間距需滿足冷卻用水需求；3)換熱器中所選用的管、材、閥等均需滿足耐磨、耐壓、耐熱等熱工需求；4)換熱器內(nèi)所有的靜態(tài)結合面，應嚴格按照工業(yè)鍋爐、火力發(fā)電廠金屬技術規(guī)程等相關要求規(guī)范施工，必要時應實施探傷檢測，確保焊接質(zhì)量及耐壓強度；5)對于冷卻機中可能出現(xiàn)的正壓揚塵問題，必要時可保留機體適度的負壓引力功能。

4 效益評估

改造后，按冷卻機內(nèi)襯1 年大修一次計，每年可節(jié)約施工及材料費用約26 萬元。

若實現(xiàn)無水化生產(chǎn)，每年生產(chǎn)時間按照330 d計，年可減少原水消耗10.93 萬t，以水價格2.2 元/t計，則年節(jié)約水費24.05 萬元。

若廢氣引風機315 kW 電機停運，年運行330 d，且電價按0.58 元/kW·h 計，則年節(jié)約電費144.70 萬元。

按32 t/h 煅前加料量，年運行330 d，標煤熱值29 307 000 kJ/t 計，則冷卻機年顯熱回收以標煤計：

按照國家標準，節(jié)約1 t 標煤獎勵300 元，則可獲得國家獎勵267.20 萬元。

從效益評估來看，冷卻機改造后每年可節(jié)約461.95 萬元。

5 結束語

對冷卻機體內(nèi)部結構進行重新設計，將原有的直冷水法轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接水冷法，能充分回收石油煅后焦的顯熱。冷卻機所回收熱能，可用于余熱鍋爐除氧器，燃氣預熱、物料干燥、管線保溫、工廠采暖、制

冷等。其社會效益、經(jīng)濟效益和環(huán)境效益均將有著廣闊的市場前景和深遠的現(xiàn)實意義。

煅后焦冷卻處理是石油焦煅燒工藝過程中的關鍵一環(huán)，煅后焦所含顯熱高，要實現(xiàn)既能維持工業(yè)化生產(chǎn)，又能有效克服固態(tài)間換熱效率低下問題，仍需進行大量的科學研究和實踐探索。