焦化廠上升管換熱器設(shè)計(jì)研發(fā)

邱晨晨 曾新柱

南京華電節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司 江蘇南京 210000

焦化是渣油焦炭化的簡(jiǎn)稱，是指重質(zhì)油（如重油，減壓渣油，裂化渣油甚至土瀝青等）在500℃左右的高溫條件下進(jìn)行深度的裂解和縮合反應(yīng)，產(chǎn)生氣體、汽油、柴油、蠟油和石油焦的過(guò)程。焦化主要包括延遲焦化、釜式焦化、平爐焦化、流化焦化和靈活焦化等五種工藝過(guò)程[1]。本次研究針對(duì)上升管換熱器設(shè)計(jì)研發(fā)分析，提出了螺旋盤管式上升管換熱設(shè)計(jì)理念，希望可控制出口換熱溫度，提升換熱效率，現(xiàn)將相關(guān)研究分析闡述如下。

1 工程概況

焦化廠一般由備煤、煉焦、回收、精苯、焦油、其他化學(xué)精制、化驗(yàn)和修理等車間組成。其中化驗(yàn)和修理車間為輔助生產(chǎn)車間。本次研究的A焦化廠中的原焦?fàn)t設(shè)計(jì)存在熱應(yīng)力不穩(wěn)定、介質(zhì)泄漏、焦油凝析與石墨結(jié)附造成內(nèi)部堵塞等問(wèn)題。且炭化室排除煙氣熱量溫度高，攜帶了大量熱量，未體現(xiàn)緊急生產(chǎn)。雖然生產(chǎn)廠針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行荒煤氣余熱回收改造，但是由于余熱回收裝置設(shè)計(jì)不合理，其運(yùn)用空間不大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出現(xiàn)大量問(wèn)題，未予以推廣。本次設(shè)計(jì)結(jié)合西方焦?fàn)t生產(chǎn)特點(diǎn)，針對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)，提出螺旋盤管式上升管換熱理念，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中荒煤氣順著中間圓管內(nèi)部流動(dòng)，氣氛實(shí)現(xiàn)了間壁式換熱。通過(guò)螺旋結(jié)構(gòu)改變了原有流體的流動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了螺旋換熱[2]。

2 傳熱計(jì)算

2.1 基本參數(shù)確定

本次設(shè)計(jì)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，默認(rèn)將荒煤氣的溫度當(dāng)做恒定值。實(shí)際上，上升管換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中換熱處理會(huì)受到中間圓管材質(zhì)影響，且外側(cè)螺旋盤管材料、排列方式以及接觸面積也會(huì)影響內(nèi)部換熱溫度。

A焦化廠焦?fàn)t荒煤氣進(jìn)口溫度設(shè)置為759攝氏度，出口溫度為500攝氏度，主要目的是為了防止結(jié)焦。本裝置的荒煤氣流量為482.7N立方米/小時(shí)，圓管的尺寸外徑直徑為700毫米、內(nèi)徑直徑為560毫米、高度為960毫米，控制內(nèi)部氣泡壓力值為0.4MPa，經(jīng)過(guò)“軟化補(bǔ)水”后溫度為25攝氏度。

2.2 計(jì)算方法

以及上升管換熱器兩側(cè)流體對(duì)數(shù)平均溫差求得本次計(jì)算原理是按照荒煤氣側(cè)受熱面積影響上升管換熱器流體對(duì)數(shù)的平均溫度差，以此來(lái)確定上升管換熱器的傳熱系數(shù)（如圖1所示）。

圖1 所求的上升管換熱器的傳熱系數(shù)

3 建立傳熱模型及各部分傳熱系數(shù)預(yù)測(cè)

（1） 熱阻網(wǎng)絡(luò)模型。分析傳熱系統(tǒng)的處理過(guò)程，其可以分為荒煤氣和換熱器內(nèi)壁的換熱；介質(zhì)側(cè)對(duì)流換熱；上升管壁面的導(dǎo)熱三個(gè)部分。傳熱計(jì)算中需確定上升管換熱器的熱阻、氣側(cè)對(duì)流換熱等熱阻。換熱處理中也會(huì)受到壁面材料和厚度影響，因此計(jì)算時(shí)候也需考慮其處理值；介質(zhì)側(cè)對(duì)流系數(shù)也和流體的運(yùn)動(dòng)形式、速度以及物理參數(shù)等有關(guān)，需要一一分析研究[3]。

（2） 荒煤氣側(cè)換熱系數(shù)預(yù)測(cè)?；拿簹鈧?cè)的換熱內(nèi)容有兩個(gè)內(nèi)容，第一，對(duì)流換熱：上升管煤氣因溫度場(chǎng)產(chǎn)生的溫差形成密度差，造成自然流動(dòng)。第二，輻射換熱：煤料不斷轉(zhuǎn)化焦炭，整個(gè)過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生一種受迫對(duì)流。

（3）循環(huán)水側(cè)傳熱系數(shù)預(yù)測(cè)。當(dāng)螺旋管上升運(yùn)動(dòng)時(shí)候，內(nèi)部循環(huán)水會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化。由于換熱水測(cè)的傳熱系數(shù)難以確定，因此不能直接預(yù)估水在螺旋管內(nèi)傳熱值，西方學(xué)者研究了改傳熱技術(shù)，并研究出了內(nèi)介質(zhì)沸騰換熱傳導(dǎo)系數(shù)，形成了Kandlikar 關(guān)系式[4-5]。本次研究以Kandlikar 關(guān)系式計(jì)算結(jié)果作為循環(huán)水側(cè)傳熱系數(shù)預(yù)測(cè)值。

3 工業(yè)性能測(cè)試

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)處理并予以試驗(yàn)研究后，對(duì)A焦化廠焦?fàn)t的第19 孔進(jìn)行9個(gè)煉焦周期（每個(gè)煉焦周期為20小時(shí)）研究。共計(jì)生產(chǎn)出25噸焦，生產(chǎn)過(guò)程中，螺旋盤管式上升管換熱器無(wú)故障發(fā)生，出口溫度高于500攝氏度，且每周期壓力控制在0.4 MPa；溫度為（163.2±2.54）攝氏度，產(chǎn)生飽和蒸汽直為1653.2kg，約節(jié)約熱流量52.3KW，換熱效率可達(dá)到70.3%。

4 結(jié)語(yǔ)

以上研究結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)改造后，基于生產(chǎn)使用需求基礎(chǔ)上研發(fā)焦化廠荒煤氣上升管余熱回收裝置，可以確定換熱器的結(jié)構(gòu)形式，提升了換熱面積處理效率。經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的工業(yè)試驗(yàn)處理后，焦化廠荒煤氣余熱回收利用良好，其換熱效率可以達(dá)到70.3%，建議研究推廣。