焦炉荒煤气余热回收装置的传热分析

2015-04-27王桂军占利斌潘少静

资源节约与环保 2015年12期

关键词：内筒管式焦炉

王桂军占利斌潘少静

（1华电重工股份有限公司北京100070 2南京军区锅炉检验所浙江杭州310002 3杭州锅炉集团股份有限公司浙江杭州310002）

焦炉荒煤气余热回收装置的传热分析

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（1华电重工股份有限公司北京100070 2南京军区锅炉检验所浙江杭州310002 3杭州锅炉集团股份有限公司浙江杭州310002）

介绍了一种新型的上升管螺旋盘管式荒煤气余热回收装置，并对其传热规律进行分析，得出该装置的传热系数约为34W/（m2·K），为荒煤气余热回收装置的设计提供理论依据。

上升管；螺旋盘管；荒煤气

荒煤气是炼焦过程产生的副产物，是炼焦过程产生的没经净化处理的煤气。荒煤气离开炭化室的温度约为650℃～750℃，其携带的热量约占焦炉输入热量的36%，具有极高的余热回收利用潜力[1-3]。目前，对于荒煤气余热回收技术，国内外已进行了一系列的研究，形成了多种技术。如我国在70年代开发的上升管汽化冷却技术；日本于1982年研制了利用导热油-联苯醚夹套技术回收焦炉荒煤气余热的煤调湿（CMC-P）技术；宝钢梅山分厂焦化厂开展了热管荒煤气余热回收技术等[4-5]。虽然已有多种荒煤气余热回收技术并已投入实际生产应用，但至今都未形成成熟、可靠、高效的回收技术。因此，业内人士仍在积极探索荒煤气余热回收的新工艺、新技术。本文将介绍一种上升管螺旋盘管式荒煤气余热回收装置，并对其作理论上的计算分析。

1 上升管螺旋盘管式荒煤气余热回收装置

上升管螺旋盘管式荒煤气余热回收装置主要由内筒、外筒、螺旋盘管、导热剂组成，其结构是在上升管外壁上焊接一环形夹套，螺旋盘管布于内外筒之间的环形通道内，在环形通道和螺旋盘管的空隙中填充导热剂。本装置回收荒煤气余热的流程为：高温荒煤气（650℃～750℃）在上升管内筒中向上流动并与内筒换热冷却，内筒将热量传给环形通道中的导热剂，导热剂通过螺旋盘管外壁将热量传给螺旋盘管中的水，从而达到回收荒煤气余热的目的。

2 上升管螺旋盘管式传热分析

上升管螺旋盘管式荒煤气回收装置是荒煤气余热回收利用系统中的关键装置，摸清其传热规律对于整个系统的设计和安全运行至关重要。下面将对其传热规律进行分析。

根据某焦化厂提供的上升管换热结构。上升管换热装置总高度为3.266m，各部分尺寸及材料为：内筒厚10mm，由1mm厚的1Cr13和9mm厚的Q235组成；外筒由4mm厚的Q235组成；螺旋盘管布于内外筒之间的环形空间中，由φ38×5的管子构成，材料为20G，总长度约90m；放入螺旋盘管之后，环形空间中的空隙由导热剂粉末填充；保温材料为保温棉，约150mm厚；最外层为镀锌铁皮，厚度2mm～3mm。上升管中所用的导热剂导热性能优良，导热系数可达90 w/(m2·K)～230w/(m2·K)。考虑到导热剂为粉末形态，其导热性能大打折扣，初步计算取其导热系数为80W/(m2·K)。

为分析方便，假定热量传到导热剂外壁后再传给盘管,上升管换热装置的系统热平衡式应为：

其中上升管外表面散热包括镀锌铁皮外表面自然对流散热和镀锌铁皮外表面辐射散热。考虑到上升管外表面散热与荒煤气放热量之比小于1.5%。为分析方便，忽略上升管向外的散热，认为荒煤气放出的显热全部传给盘管中的水,可得到上升管换热装置的总温差和总热流表达式如下：

式中Ra1、Ra2、Ra3分别是内筒内外层之间、内筒外层外壁—导热剂内壁之间、导热剂外壁—盘管外壁之间的接触热阻。其中内筒内外层之间贴合紧密，Ra1应该可以忽略不计。整个上升管换热装置的总温降约为450℃。通过各环节的温差计算发现，温降主要在荒煤气-内筒内层内壁、内筒外层外壁-导热剂内壁、导热剂外壁-盘管外壁出现。螺旋盘管的换热采用专用于螺旋管的关联式，其对流传热系数约为24000W/（m2·K）。以盘管内表面面积为基准的整个系统的传热系数k约为34W/（m2·K）。