焦爐荒煤氣余熱回收裝置的傳熱分析

王桂軍 占利斌 潘少靜

（1華電重工股份有限公司北京100070 2南京軍區(qū)鍋爐檢驗所浙江杭州310002 3杭州鍋爐集團股份有限公司浙江杭州310002）

焦爐荒煤氣余熱回收裝置的傳熱分析

王桂軍1占利斌2潘少靜3

（1華電重工股份有限公司北京100070 2南京軍區(qū)鍋爐檢驗所浙江杭州310002 3杭州鍋爐集團股份有限公司浙江杭州310002）

介紹了一種新型的上升管螺旋盤管式荒煤氣余熱回收裝置，并對其傳熱規(guī)律進行分析，得出該裝置的傳熱系數約為34W/（m2·K），為荒煤氣余熱回收裝置的設計提供理論依據。

上升管；螺旋盤管；荒煤氣

荒煤氣是煉焦過程產生的副產物，是煉焦過程產生的沒經凈化處理的煤氣。荒煤氣離開炭化室的溫度約為650℃～750℃，其攜帶的熱量約占焦爐輸入熱量的36%，具有極高的余熱回收利用潛力[1-3]。目前，對于荒煤氣余熱回收技術，國內外已進行了一系列的研究，形成了多種技術。如我國在70年代開發(fā)的上升管汽化冷卻技術；日本于1982年研制了利用導熱油-聯(lián)苯醚夾套技術回收焦爐荒煤氣余熱的煤調濕（CMC-P）技術；寶鋼梅山分廠焦化廠開展了熱管荒煤氣余熱回收技術等[4-5]。雖然已有多種荒煤氣余熱回收技術并已投入實際生產應用，但至今都未形成成熟、可靠、高效的回收技術。因此，業(yè)內人士仍在積極探索荒煤氣余熱回收的新工藝、新技術。本文將介紹一種上升管螺旋盤管式荒煤氣余熱回收裝置，并對其作理論上的計算分析。

1 上升管螺旋盤管式荒煤氣余熱回收裝置

上升管螺旋盤管式荒煤氣余熱回收裝置主要由內筒、外筒、螺旋盤管、導熱劑組成，其結構是在上升管外壁上焊接一環(huán)形夾套，螺旋盤管布于內外筒之間的環(huán)形通道內，在環(huán)形通道和螺旋盤管的空隙中填充導熱劑。本裝置回收荒煤氣余熱的流程為：高溫荒煤氣（650℃～750℃）在上升管內筒中向上流動并與內筒換熱冷卻，內筒將熱量傳給環(huán)形通道中的導熱劑，導熱劑通過螺旋盤管外壁將熱量傳給螺旋盤管中的水，從而達到回收荒煤氣余熱的目的。

2 上升管螺旋盤管式傳熱分析

上升管螺旋盤管式荒煤氣回收裝置是荒煤氣余熱回收利用系統(tǒng)中的關鍵裝置，摸清其傳熱規(guī)律對于整個系統(tǒng)的設計和安全運行至關重要。下面將對其傳熱規(guī)律進行分析。

根據某焦化廠提供的上升管換熱結構。上升管換熱裝置總高度為3.266m，各部分尺寸及材料為：內筒厚10mm，由1mm厚的1Cr13和9mm厚的Q235組成；外筒由4mm厚的Q235組成；螺旋盤管布于內外筒之間的環(huán)形空間中，由φ38×5的管子構成，材料為20G，總長度約90m；放入螺旋盤管之后，環(huán)形空間中的空隙由導熱劑粉末填充；保溫材料為保溫棉，約150mm厚；最外層為鍍鋅鐵皮，厚度2mm～3mm。上升管中所用的導熱劑導熱性能優(yōu)良，導熱系數可達90 w/(m2·K)～230w/(m2·K)。考慮到導熱劑為粉末形態(tài)，其導熱性能大打折扣，初步計算取其導熱系數為80W/(m2·K)。

為分析方便，假定熱量傳到導熱劑外壁后再傳給盤管,上升管換熱裝置的系統(tǒng)熱平衡式應為：

其中上升管外表面散熱包括鍍鋅鐵皮外表面自然對流散熱和鍍鋅鐵皮外表面輻射散熱。考慮到上升管外表面散熱與荒煤氣放熱量之比小于1.5%。為分析方便，忽略上升管向外的散熱，認為荒煤氣放出的顯熱全部傳給盤管中的水,可得到上升管換熱裝置的總溫差和總熱流表達式如下：

式中Ra1、Ra2、Ra3分別是內筒內外層之間、內筒外層外壁—導熱劑內壁之間、導熱劑外壁—盤管外壁之間的接觸熱阻。其中內筒內外層之間貼合緊密，Ra1應該可以忽略不計。整個上升管換熱裝置的總溫降約為450℃。通過各環(huán)節(jié)的溫差計算發(fā)現(xiàn)，溫降主要在荒煤氣-內筒內層內壁、內筒外層外壁-導熱劑內壁、導熱劑外壁-盤管外壁出現(xiàn)。螺旋盤管的換熱采用專用于螺旋管的關聯(lián)式，其對流傳熱系數約為24000W/（m2·K）。以盤管內表面面積為基準的整個系統(tǒng)的傳熱系數k約為34W/（m2·K）。

3 結語

通過對上升管螺旋盤管式荒煤氣余熱回收裝置的傳熱分析，得出螺旋盤管的對流傳熱系數約為24000W/（m2·K），整個裝置的傳熱系數約為34W/（m2·K），為荒煤氣顯熱回收裝置的設計提供理論依據。

[1]張宇晨,孫業(yè)新.焦爐上升管荒煤氣顯熱回收技術探討[J].冶金能源,2011,30(3):46-48.

[2]歐陽福承,王振凡.焦爐荒煤氣顯熱回收利用的研究[J].吉林化工學院學報,1993,10(3):11-12.

[3]王振環(huán).上升管汽化冷卻的應用及發(fā)展前景[J].燃料與化工, 2000,31(4):172-175.

[4]岳益鋒,張忠孝.焦爐荒煤氣顯熱回收的理論分析[D].上海:上海理工大學,2013:4-5.

[5]周慶中,王文改,朱占升.荒煤氣顯熱的回收[J].煤氣與熱力, 1998,18(1):18-20.