蒸汽-蘭炭傳熱及余熱回收特性

高海波， 劉永啟， 鄭 斌， 孫 鵬， 宋曉軼， 陸 敏， 馬煜翔， 高召強

(山東理工大學交通與車輛工程學院， 淄博 255049)

近年來，隨著能源危機和環(huán)境污染的加劇，中國制定了各種限制能源消耗的政策法規(guī)，同時鼓勵節(jié)能減排和可再生能源的開發(fā)利用，以促進集約型經濟的發(fā)展[1-2]。蘭炭是侏羅紀煤經過低溫干餾后獲得的清潔燃料，蘭炭已經逐步取代冶金焦在燒結礦、高爐噴吹、煉焦等工業(yè)生產中得到應用[3]。目前中國蘭炭生產規(guī)模已超過1億噸，但生產過程中普遍采用水熄方法對蘭炭進行冷卻，蘭炭含水率高、均勻冷卻效果差，影響了蘭炭的質量，同時蘭炭的顯熱沒有得到回收利用，大量的余熱資源被浪費。針對蘭炭生產過程中大量余熱資源被浪費的問題，提出了在料流換熱器內通過蒸汽實現(xiàn)蘭炭余熱回收的新方法，相比水熄方法節(jié)省了水資源和蘭炭干燥過程中的煤氣，對蘭炭余熱的回收再利用實現(xiàn)了再生能源替代傳統(tǒng)能源的發(fā)電方式。該技術在蘭炭余熱資源化的同時，也減少了排放的熱污染，極大地推進了節(jié)能減排工作。

在燒結礦余熱利用方面,許多學者通過實驗和模擬的方法研究了燒結礦內氣固對流換熱特性[4-7]。Yang等[8]采用圓形和橢圓形的軸承鋼作為固體介質通過實驗研究了新型顆粒結構填料床內的強制對流換熱系數(shù)。常慶明等[9]建立了冷卻氣體與干熄焦的氣固換熱模型，研究了冷氣流量對氣固對流傳熱的影響規(guī)律。Bu等[10]采用短圓柱代替顆粒間的接觸熱阻，研究了顆粒與氣體之間的強迫對流換熱。Hou等[11]利用CFD-DEM耦合的方法研究了流化床內顆粒材料特性對氣固傳熱機制的影響規(guī)律。Zheng等[12]建立了單層石油焦顆粒的非穩(wěn)態(tài)三維傳熱模型，研究了顆粒傳熱過程中氣固貢獻率。

綜上所述，國內外學者對蒸汽-蘭炭傳熱過程中的余熱回收特性研究較少，氣固傳熱機理尚不清楚。本文建立了蒸汽-蘭炭三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，對單顆粒傳熱機理進行了分析，并研究了蘭炭粒徑、料層厚度和蒸汽流量對蒸汽-蘭炭傳熱及余熱回收特性的影響機理，從而為蘭炭余熱的高效回收和利用提供理論依據和最佳操作參數(shù)。

1 模型的簡化和數(shù)學描述

1.1 模型的簡化

蒸汽與蘭炭的對流換熱在料流換熱器內進行，料流換熱器結構如圖1所示，蘭炭顆粒如圖2所示。當高溫蘭炭在料流換熱器內依靠重力向下不斷移動時，蒸汽從下向上對高溫蘭炭進行對流冷卻。蘭炭流速非常緩慢且蘭炭顆粒間的相對位置幾乎不變，與蒸汽流速相比可以忽略，因此假定蘭炭顆粒是靜止的。雖然蘭炭形狀并非標準的球體，但是蘭炭顆粒具有較高的球形度，因而將料流換熱器內蒸汽-蘭炭換熱簡化為蒸汽在蘭炭顆粒組成的球體間的流動和換熱。在顆粒的簡單立方堆積中存在最小的對稱單元，將最小對稱單元中顆粒間接觸熱阻用短圓柱來代替，如圖3(a)所示，利用Gambit建立的顆粒簡單立方堆積物理模型整體圖如圖3(b)所示。

圖1 換熱器結構Fig.1 Structure of heat exchanger

圖2 蘭炭顆粒Fig.2 Semi-coke particle

圖3 物理模型Fig.3 Physical model

1.2 模型的數(shù)學描述

在Fluent 中將換熱模型的上、下、左、右面設置為絕熱壁面，進口介質為飽和蒸汽，初始溫度為378 K，進口速度為0.12～0.32 m/s，蘭炭顆粒和短圓柱的初始溫度為873 K，蒸汽與固體的接觸面設為氣固耦合壁面。利用Dracy-Brinkman-Forchheimer方程和非局部熱平衡方法獲得了蒸汽和蘭炭的流動與傳熱方程。

蒸汽的連續(xù)性方程：

(1)

式(1)中：ρf為蒸汽密度，kg/m3；t為時間，s；Vf為蒸汽速度，m/s。

蒸汽的標準動量方程：

(2)

式(2)中：Pf為蒸汽微元體上的壓力，Pa；μ為動力黏度，(N·s)/m2；f為蒸汽微元體的體積力，N/m3。

蒸汽的能量方程：

ε·(λfTf)+hv(Ts-Tf)

(3)

式(3)中：ε為孔隙率；Cf為蒸汽比熱容，J/(kg·K)；Tf為蒸汽溫度，K；λf蒸汽導熱系數(shù)，W/(m·k)；hv為蒸汽與蘭炭間的體積換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ts為蘭炭溫度，K。

蘭炭的能量方程：

(1-ε)·(λsTs)+hv(Tf-Ts)

(4)

式(4)中：ρs為蘭炭密度，kg/m3；Cs為蘭炭比熱容，J/(kg·K)；Vs為蒸汽相對于蘭炭的速度，m/s；λs為蘭炭導熱系數(shù)，W/(m·K)。

2 實驗系統(tǒng)與模型驗證

圖4為蒸汽-蘭炭換熱實驗臺，蒸汽-蘭炭對流換熱實驗由該實驗臺進行，實驗系統(tǒng)具體結構示意圖如圖5所示。利用實驗系統(tǒng)對所建立的模型進行驗證，當蘭炭粒徑為9 mm時，蘭炭料床溫度的實驗與模擬的比較如圖6所示。由圖6可知，料床溫度的實驗與模擬的誤差小于8%，因此模型是合理的，可以用于進一步的模擬計算。

圖4 蒸汽-蘭炭換熱實驗臺Fig.4 Heat transfer experimental platform of steam and semi-coke

圖5 實驗系統(tǒng)結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of experimental system structure

圖6 蘭炭料床溫度的比較Fig.6 Comparison of semi-coke bed temperature

圖7 單顆粒溫度變化Fig.7 Temperature variation of single particle

3 結果與討論

3.1 單顆粒傳熱機理研究

在平均粒徑為19.0 mm，料層厚度為400 mm，蒸汽流量為7.5 kg/h時，對底層顆粒、中層顆粒和頂層顆粒的傳熱機理進行了研究分析。圖7為單顆粒溫度分布云圖。由圖7可知，顆粒溫度隨時間逐漸降低，同一時刻顆粒溫度由高到低依次為頂層顆粒、中層顆粒和底層顆粒。底層顆粒和中層顆粒分別在10、30 min左右完成換熱，而頂層顆粒在50 min時還未完成換熱，這是因為蒸汽由下向上流動時溫度逐漸升高，氣固溫差變小，因此頂層顆粒對流換熱差、冷卻速率慢。

圖8 單顆粒熱流量曲線Fig.8 Heat transfer rate curve of single particle

圖8為單顆粒熱流量變化曲線。由圖8可知，底層顆粒熱流量隨時間先急劇減小后趨于0。因為在換熱初期，蘭炭與蒸汽溫差較大，隨后底層顆粒溫度逐漸下降，氣固溫差減小，導致熱流量逐漸下降，最后趨于0。當蒸汽經底層顆粒加熱后流經中層顆粒時，氣固溫差較小，對流換熱強度小于底層顆粒，因此底層顆粒熱流量大于中層顆粒熱流量。隨后底層顆粒溫度減小，蒸汽流經底層顆粒時氣固溫差小于中層氣固溫差，導致底層顆粒熱流量在7.5 min后小于中層顆粒熱流量。隨著中層顆粒溫度逐漸減小，蒸汽流經中層顆粒時氣固溫差小于頂層氣固溫差，導致中層顆粒熱流量在17.5 min后小于頂層顆粒熱流量。中層顆粒和頂層顆粒熱流量均是隨著換熱時間先增加后減小，具有相似的變化規(guī)律，而底層顆粒熱流量的變化規(guī)律不同于中層顆粒和頂層顆粒熱流量的變化規(guī)律，底層顆粒熱流量是隨著換熱時間逐漸減小最后趨于0。

圖9 不同蘭炭粒徑下料床的溫度分布Fig.9 Temperature distribution of semi-coke bed with different diameter

3.2 蘭炭粒徑對余熱回收特性的影響

在料層厚度為500 mm，蒸汽流量為7.5 kg/h時，研究了蘭炭粒徑對余熱回收特性的影響規(guī)律。圖9為不同蘭炭粒徑下料床的溫度分布。由圖9可以看出，顆粒越大溫度越低，料床溫度隨料床高度的增大逐漸上升。因為蒸汽從下往上流動過程中不斷吸熱，氣固溫差變小，料床上部的對流換熱較弱，因此料床溫度自下而上逐漸上升。圖10為蘭炭粒徑對熱回收量的影響。由圖10可知，粒徑越大熱量回收越慢且熱回收量越少，這是由于大粒徑料床的初始蓄熱量和氣固換熱面積小，單位時間換熱量較小，因此粒徑越大熱量回收越慢且熱回收量越少。

3.3 料層厚度對余熱回收特性的影響

當蘭炭粒徑(19.0 mm)和蒸汽流量(7.5 kg/h)保持不變時，研究了料層厚度對余熱回收特性的影響規(guī)律。圖11為不同厚度蘭炭料床的溫度分布。由圖可知，不同厚度蘭炭料床的溫度分布具有相似的規(guī)律，顆粒溫度均是自下而上逐漸升高。熱回收量隨料層厚度的變化如圖12所示。由圖12可知，熱回收量隨著料層厚度的增加幾乎呈線性增加，因為隨著料層厚度的增大料層的初始蓄熱量增加，蒸汽在料層中的流動時間變長，因此料層越厚熱回收量越大且?guī)缀醭示€性增加。

圖10 蘭炭粒徑對熱回收量的影響Fig.10 Effect of semi-coke particle size on amount of heat recovery

圖11 不同厚度蘭炭料床的溫度分布Fig.11 Temperature distribution of semi-coke bed with different thickness

圖12 蘭炭料床厚度對熱回收量的影響Fig.12 Effect of semi-coke bed thickness on amount of heat recovery

3.4 蒸汽流量對余熱回收特性的影響

圖13 不同蒸汽流量下蘭炭料床的溫度分布Fig.13 Temperature distribution of semi-coke bed with different steam flow

在蘭炭粒徑為19.0 mm，料層厚度為500 mm時，研究了蒸汽流量對余熱回收特性的影響規(guī)律。圖13為不同蒸汽流量下蘭炭料床的溫度分布。由圖13可知，不同蒸汽流量下蘭炭料床溫度分布同樣具有相似的規(guī)律，顆粒溫度均是自下而上逐漸升高，當蒸汽流量變大時，蘭炭料床冷卻速率變快。由于對流換熱系數(shù)隨蒸汽流量的增大而增大，因此氣固換熱加劇，蘭炭料床冷卻更快。熱回收量隨蒸汽流量的變化如圖14所示。由圖14可知，熱回收量隨蒸汽流量的增大先逐漸增大后趨于穩(wěn)定，最大熱回收量為3.35×103kJ。蒸汽流量大于9.0 kg/h時，熱收量幾乎不變，因此在保證余熱回收量最大的情況下蒸汽的最佳流量為9.0 kg/h。

圖14 蒸汽流量對熱回收量的影響Fig.14 Effect of steam flow on the amount of heat recovery

4 結論

(1)對于單顆粒傳熱，在蒸汽-蘭炭換熱初始階段，熱流量由大到小依次為底層顆粒、中層顆粒和頂層顆粒，在7.5 min后，中層顆粒熱流量開始高于底層顆粒熱流量，在17.5 min后，頂層顆粒熱流量開始高于中層顆粒熱流量。

(2)中層顆粒和頂層顆粒熱流量均是隨著換熱時間先增加后減小，具有相似的變化規(guī)律，而底層顆粒熱流量的變化規(guī)律不同于中層顆粒和頂層顆粒熱流量的變化規(guī)律，底層顆粒熱流量是隨著換熱時間逐漸減小最后趨于0。

(3)蒸汽和蘭炭換熱初期，熱量交換比較劇烈，料層整體平均溫度下降較快，熱回收量顯著增加。熱回收量隨著蘭炭粒徑的增大逐漸減小，隨著料層厚度的增加幾乎呈線性增加，隨著蒸汽流量的增大先逐漸增大后趨于穩(wěn)定，在保證余熱回收量最大的情況下蒸汽的最佳流量為9.0 kg/h。