煉焦周期內(nèi)上升管換熱器傳熱特性分析

戴飛祥， 包向軍， 張 璐， 汪徽俊， 陳 光， 王 浩

（1. 安徽工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243000； 2. 中冶華天工程技術(shù)有限公司， 安徽 馬鞍山 243000）

在鋼鐵行業(yè)中，煉焦工序為煉鐵工序提供焦炭，煉焦配煤成本占鋼鐵企業(yè)總能源成本的70%以上［1］.煉焦過程產(chǎn)生的荒煤氣溫度約為600 ～850 ℃，余熱資源占焦化總工序的36%.然而，目前大量的荒煤氣余熱資源并未得到有效的回收利用，主要原因有兩個：一是荒煤氣溫度極限“坎”，當(dāng)溫度低于450 ℃時，煤焦油蒸汽會凝結(jié)在上升管及橋管內(nèi)壁上，換熱器換熱效果下降甚至?xí)Q熱效果［2］；二是荒煤氣成分較為復(fù)雜，硫化氫等成分在高溫環(huán)境中對常規(guī)換熱器的鋼材具有腐蝕作用，易造成換熱介質(zhì)泄露到炭化室等事故的發(fā)生.因此，回收荒煤氣余熱資源對換熱設(shè)備的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計均具有較高的要求.

長期以來， 焦?fàn)t荒煤氣的余熱回收得到了研究者們的廣泛關(guān)注。 但由于焦?fàn)t上升管及橋管內(nèi)部環(huán)境較為復(fù)雜， 伴隨著高溫、 有毒等惡劣條件， 傳統(tǒng)的實驗方法研究存在著成本高、 誤差大等缺點， 無法滿足實際的基本要求， 導(dǎo)致現(xiàn)有的研究多為數(shù)值模擬［3-4］. 此外， 以往的研究大多是針對高溫荒煤氣的余熱回收［5-7］， 忽略了一個煉焦周期內(nèi)焦?fàn)t荒煤氣的變化規(guī)律以及中低溫余熱的回收問題， 未能從根本上解決荒煤氣余熱回收效率低下的問題.

為了提高荒煤氣的余熱回收效率， 本文中以焦?fàn)t上升管作為研究對象， 針對一個煉焦周期內(nèi)上升管荒煤氣的余熱回收問題， 建立焦?fàn)t上升管模型， 采用CFD 數(shù)值模擬方法研究焦?fàn)t荒煤氣余熱回收過程中換熱器內(nèi)壁沿程的溫度變化規(guī)律和傳熱特性， 并以此作為焦?fàn)t上升管換熱器的理論基礎(chǔ)， 為后續(xù)優(yōu)化及工業(yè)應(yīng)用提供參考.

1 焦?fàn)t上升管換熱裝置的數(shù)值模擬

1.1 物理模型

圖1 為焦?fàn)t上升管及橋管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖.主要結(jié)構(gòu)包括炭化室、 焦?fàn)t上升管、 焦?fàn)t橋管、上升管水夾套式換熱器、 集氣室等， 其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所列. 荒煤氣從下方炭化室沿上升管換熱器內(nèi)部向上流動， 通過內(nèi)壁與加熱夾套內(nèi)的換熱介質(zhì)（高壓除鹽水） 進(jìn)行換熱， 后經(jīng)橋管流向集氣室.

圖1 上升管換熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawing of riser heat exchanger

表1 模型主要結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Main structural dimensions of model mm

1.2 幾何模型

根據(jù)某焦化廠上升管的實際尺寸， 設(shè)計上升管換熱器的模型如圖2 （a） 所示。 運(yùn)用建模軟件1 ∶1 繪制模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 如圖2 （b）所示. 由于上升管及橋管處的幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、 尺寸相差較大， 為使計算簡便， 此處采用適用性較好的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格， 并利用分塊技術(shù)將上升管橋管系統(tǒng)劃分成高溫荒煤氣側(cè)、 換熱水側(cè)及換熱管3 部分。 在流固耦合區(qū)域進(jìn)行局部加密， 網(wǎng)格采用高精度網(wǎng)格， 傾斜度小于0.2，網(wǎng)格質(zhì)量值大于0.8.

圖2 上升管換熱系統(tǒng)模型示意圖Fig.2 Model and mesh generation of riser heat exchange system

1.3 數(shù)學(xué)模型

為簡化計算，數(shù)值模擬過程對上升管換熱裝置做了如下簡化處理：流體流動為穩(wěn)態(tài)和不可壓縮流動；采用高壓除鹽水作為換熱工質(zhì)；將煙氣簡化為干空氣.在一個煉焦周期內(nèi)，焦?fàn)t上升管及橋管的荒煤氣流速會發(fā)生變化，且荒煤氣中含有具備發(fā)射能力的氣體，故湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型，輻射模型采用DO 模型.

1.4 邊界條件及求解器的設(shè)置

焦?fàn)t荒煤氣和高壓除鹽水進(jìn)口采用速度進(jìn)口，荒煤氣和高壓除鹽水出口采用壓力出口，荒煤氣和高壓除鹽水邊界條件設(shè)置如表2 及表3 所列.換熱器與空氣接觸的管外壁面對流換熱系數(shù)設(shè)置為10 W／（m2·K），環(huán)境溫度為300 K；荒煤氣與固體間壁相接觸的面、高壓除鹽水與固體間壁相接觸的面均設(shè)置為耦合面.

表2 荒煤氣進(jìn)口邊界條件設(shè)置參數(shù)Table 2 Setting parameters of boundary conditions of waste gas inlet

表3 高壓除鹽水進(jìn)口邊界條件設(shè)置參數(shù)Table 3 Setting parameters of high pressure desalted water inlet boundary conditions

在軟件中，采用穩(wěn)態(tài)計算方式，壓力速度耦合采用SIMPLE 算法進(jìn)行求解，壓力項的選擇為Standard 格式，且動量、湍動能、湍流擴(kuò)散率及能量的求解均使用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行計算.

2 焦?fàn)t上升管水夾套換熱器傳熱特性分析

為了研究上升管換熱器在一個煉焦周期內(nèi)的換熱規(guī)律，分別選取荒煤氣進(jìn)口速度為6.6，6.0，4.8，3.0，0.8 m／s 的溫度場進(jìn)行分析，獲得荒煤氣管道中的溫度場分布如圖3～5 所示.

由圖3 可知，在不同的煉焦時間，荒煤氣離開炭化室進(jìn)入上升管，靠近水夾套管壁的荒煤氣隨高度增加逐漸被冷卻。 而上升管中心區(qū)域的溫度保持在583～883 ℃，表明該區(qū)域內(nèi)的荒煤氣尚未被冷卻.進(jìn)入到煉焦過程中后期，荒煤氣的流速逐漸降低，進(jìn)口的荒煤氣溫度整體呈較小幅度的上升趨勢.在同一上升管高度時，煉焦過程中后期的溫度梯度相較于前期更為明顯.在大部分的煉焦時間里（1，4，7，14 h），荒煤氣流速從6.6 m／s 降至3 m／s，而進(jìn)口溫度從690 ℃升高至880 ℃；在煉焦末期（16 h），進(jìn)口溫度逐漸降低至776 ℃.

圖3 一個煉焦周期內(nèi)不同進(jìn)口速度下z＝0 截面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of z＝0 section at different inlet velocities in a coking cycle

從圖4～5 可以看出，上升管換熱器出口截面處的荒煤氣溫度分布呈現(xiàn)中心高、邊緣低、依次遞減的規(guī)律.這是因為邊緣區(qū)域的荒煤氣與換熱器壁面直接接觸，被迅速冷卻，而中心區(qū)域尚未被完全冷卻。 該溫度分布規(guī)律也與圖3 中z＝0 截面的相互對應(yīng)，隨著荒煤氣進(jìn)口速度的減小，出口高溫區(qū)范圍逐漸縮小，平均溫度逐漸降低.當(dāng)煉焦時間分別為1，4，7，14，16 h 時，上升管出口平均溫度分別為612，636，645，678，480 ℃.其中，在煉焦時間為14 h 時，上升管出口平均溫度最高。 盡管此時荒煤氣進(jìn)口流量較小，但其帶入的總熱焓值是最大的，因此出口溫度是最高的.

圖4 一個煉焦周期內(nèi)不同進(jìn)口速度下上升管換熱器出口截面溫度分布Fig.4 Temperature distribution at outlet section of riser heat exchanger at different inlet velocities in a coking cycle

圖5 一個煉焦周期內(nèi)不同入口速度時出口截面溫度分布（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）Fig.5 Temperature distribution of outlet section at different inlet velocities in a coking cycle （standard state）

圖6 為一個煉焦周期內(nèi)荒煤氣在上升管換熱器出口截面溫度的分布曲線圖.從圖6 可以看出，在大部分的煉焦時間里（1，4，7，14 h），上升管出口管壁溫度均高于450 ℃，并未發(fā)生焦油析出黏結(jié)現(xiàn)象.當(dāng)處于煉焦末期（16 h），荒煤氣進(jìn)口速度降低至0.8 m／s，流道內(nèi)管壁處的壁面溫度低于450 ℃，析出部分焦油，徑向距離上的析出范圍約為52 mm.但由于煉焦末期時間相對較短，焦油的析出量并不大.從出口截面中心區(qū)域的溫度變化情況可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域溫度變化幅度極小.結(jié)合傳熱過程規(guī)律分析可知，在管壁附近存在換熱邊界，換熱方式主要為對流換熱，換熱較為充分；隨著熱傳遞的進(jìn)行，靠近中心區(qū)域的荒煤氣流體之間換熱程度逐漸降低，溫度變化越來越??；同時還存在來自炭化室的輻射換熱，但此時上升管出口距離炭化室較遠(yuǎn)，輻射換熱的影響較小.

圖6 一個煉焦周期內(nèi)出口截面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of outlet section in a coking cycle

為了進(jìn)一步分析壁面溫度的變化，將一個煉焦周期內(nèi)的沿程壁面溫度變化曲線進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7 所示.

從圖7 可以看出，隨著煉焦過程的進(jìn)行，進(jìn)口處壁面平均溫度由287.2 ℃降至245.2 ℃，出口處壁面平均溫度由182 ℃降至131.4 ℃.煉焦中后期的壁溫下降梯度明顯大于前期，整體平均壁面溫度在煉焦時間為14 h 時最高，16 h 時最低.這是因為荒煤氣的流速減小，而水流量不變，導(dǎo)致其對流換熱能力下降，總換熱量減小；同時流速減小使荒煤氣的換熱時間增長，對換熱的影響遠(yuǎn)大于對流換熱能力下降的影響.

圖7 一個煉焦過程上升管內(nèi)壁沿程溫度變化規(guī)律Fig.7 Temperature variation along the inner wall of riser in a coking process

3 結(jié) 論

（1）在一個煉焦周期內(nèi)，上升管進(jìn)口溫度從690 ℃升高至880 ℃，在煉焦末期時（16 h），荒煤氣進(jìn)口溫度逐漸降低至776 ℃.上升管出口平均溫度分別為612，636，645，678，480 ℃，其中在煉焦時間為14 h 時，上升管出口平均溫度最高為678 ℃.

（2）當(dāng)處于煉焦末期時（16 h），流道內(nèi)管壁處的荒煤氣溫度還是會低于450 ℃，有部分焦油析出。 出口中心區(qū)域的荒煤氣溫度變化幅度極小

（3）上升管換熱器內(nèi)壁高度方向上的溫度分布基本可以分為三段：高溫段、中溫段、低溫段.隨著煉焦過程的進(jìn)行，整體平均壁面溫度在煉焦時間為14 h 時最高，16 h 時最低.