夹套管荒煤气余热回收装置的热力计算和模拟

董凌云，许渡姜，梁 勇，李瑞阳

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

焦炉的余热中约有70%来自高温干馏产生的荒煤气以及成熟焦炭，15%来自烟道废气，15%来自炉体自身［1］。其中，荒煤气离开炭化室时的温度约为650 ℃或更高，就焦炉产物带出热而言，其显热高居第 2 位［2］。650～700 ℃ 的荒煤气带出热（中温余热）约占焦炉支出热的33.76%［3］，故回收其热量有极高的利用价值。目前国内外学者研究了各种焦炉上升管余热回收工艺，也进行了一些工业尝试［4］，但是其大规模推广应用仍存在诸多问题［5］。我国已有许多长流程老旧焦炉亟待改造或拆除，而采用受热面回收上升管荒煤气余热技术仍然是今后很长一段时间内的研究方向。针对换热作用不明显的问题，本文对夹套管与垂直管的结合所构成的受热面进行了热力计算和模拟分析。

1 热力计算与模拟分析

1.1 上升管的选用

荒煤气从炭化室排出后，要经过进一步的冷却处理。这个冷却过程就发生在焦炉上升管内，所以上升管的结构尺寸不能随意设定，荒煤气的参数也需要严格把关。上升管余热回收换热器的主要特性为：①整体结构简洁，没有繁琐的过程。因为该工艺已发展了十几年，目前的设备非常完善，大型的换热装置已经不复存在。②操作简单易行、安全可靠，运行费用不高。③一般情况下，焦炉会产生杂质、沉积物等，利用余热回收换热器可以高效地解决这个问题，可以抑制沉积物的生成［6］。从设计的角度，考虑到高效性、稳定性，上升管分为套筒管和夹套管。两者的区别在于，套筒式结构换热过程中热量需要经过两层管壁以及管壁间存在的气体层，这样的流程会使传热热阻明显增大，即便添加常用作增加导热性的物质，换热效果也差强人意，所以水夹套形式的上升管是较为明智之选。本文所使用的上升管如图1所示，图中尺寸单位为mm。

1.2 热力计算与模拟的关系

图1 夹套管结构Fig.1 Structure of the jacketed pipe

将上升管的受热面平分成三段，进行分段计算。其目的是获得从上升管溢出的气体的温度、管壁的平均温度。这两个温度在模拟过程中是作为边界条件来参考。为了防止温度的误差大导致计算不准确，在计算过程中，要特别注意使用迭代循环控制误差，将误差降到1%以下。设定荒煤气侧的管壁温度与计算得到的管壁温度误差小于1%，荒煤气出口温度的误差小于1%。图2为热力计算与模拟之间的关系［7］。

1.3 计算模型与边界条件

在研究回收荒煤气在上升管中的剩余热量时发现，回收过程存在两种换热形式，分别为荒煤气成分中存在的某些气体与换热管道间的辐射换热以及荒煤气与换热管道之间的对流换热。对流换热中，由于荒煤气的马赫数Ma在0.004～0.01之间，远小于0.3，所以将荒煤气的流动看作是不可压缩流体的流动。经计算得到荒煤气的雷诺数Re为4 092，大于2 300，因此流动模型可采用k–ε湍流模型。因为辐射换热中模型光学厚度不大于1，所以考虑选用Do模型［8］。该模型不仅可在任何场合使用，而且精度较高。

图2 热力计算与模拟之间的关系Fig.2 Relationship between the thermodynamic calculation and simulation

对流换热部分的模型控制方程为［9］

辐射部分的模型控制方程为［9］

模拟时，出口和入口边界条件分别采用压力出口和质量流量进口。壁面的边界条件采用分段计算壁温方法，即在各个分段内，将运用热力计算得到的温度作为各处的边界条件。

1.4 传热计算

荒煤气中掺杂了多种气体，其中存在一些有辐射作用的气体（CH4、CO2等）。根据气体辐射特点和辐射热交换方程式，可以得到上升管内荒煤气的辐射传热量qf的计算式为［10］

式中：C0为黑体辐射系数，C0= 5.67 W·m–2·K–4；εg、εs分别为气体、固体壁面的黑度；为气体在壁面温度下的吸收率；Tg、Ts分别为气体、固体壁面温度。

对流换热量qd计算式为

1.5 模拟计算结果

换热工质水的进口温度为80 ℃，进口压力为1.5 MPa，出口处为180 ℃的饱和蒸汽，其出口压力为1.5 MPa。图3、4分别为不同荒煤气流量、不同水流量时夹套管内壁温度分布模拟结果。为了减少计算量，图3、4均采用镜像对称的网格划分方法，即设定圆管对称面在中间竖直部位。每幅图中未显示的圆管另一半温度分布都与该图中的温度分布大致相同，所以可用已显示部分作示例说明。80 ℃的低温水从圆管的左下方进入，自下而上流动，从圆管右边自上而下流下，右下部分的出水口流出。圆管的正下方为荒煤气的进口，正上方为出口。

由图3中知，随着荒煤气流量增大，荒煤气在上升管出口处温度升高。在上升管同一截面上，荒煤气出口温度变化呈逐渐上升趋势。这是因为荒煤气排放量越来越大，流动换热的速度也越来越快，因此，上升管换热量会相应变大，对流换热程度逐渐加强。虽然荒煤气的流量变大，表面上对流换热也会变强，但是不能忽略管道所要承受的热负荷也不断上升。从理论上可知，上升管所承受的热负荷对管口温度影响更大，其增加幅度也要远大于换热系数增加幅度。因此，荒煤气流量增大，上升管出口温度也会随之上升。

在荒煤气显热回收过程中，不仅存在前文所述的两种换热形式，而且存在辐射换热。这种辐射换热是由焦炉口的红焦散发的，其辐射热量与荒煤气流量成反比，即：流量增加，热量相应变小。因为辐射换热部分并不是整个换热系统的主要部分，所以总辐射系数占换热过程的比重并不大，而且这种红焦产生的辐射热量的减少并不影响总辐射换热系数的变化，若有变化，也微乎其微。故出口处荒煤气溢出时的温度与其流量的增大仍成正比。这一总趋势不会改变。

保持荒煤气流量为 350 m3·h–1时，观察水流量对上升管内壁温度的影响（如图4所示）。由图4中可知，水流量对荒煤气沿上升管流程的温度分布场有一定影响：在上升管同一截面上，随着水流量增大，荒煤气出口温度越来越低。当水流量设定为 1 033 kg·h–1时，发现荒煤气对流速和温度影响较大，主要体现在换热管壁至管道中心这一段，此时出口处荒煤气溢出时的温度和流速均较小，最小值分别为：出口处平均温度为 472 ℃；出口处平均流速为 1.88 m·h–1。之后，水流量逐渐变小，出口处荒煤气溢出时的温度和流速随之缓慢增大。具体表现为水流量减小至 833 kg·h–1时，对应荒煤气出口温度为493 ℃，荒煤气出口流速为 2.39 m·h–1。因此，水流量对上升管内壁温度的影响没有荒煤气流量对内壁温度的影响大。

图3 不同荒煤气流量时夹套管内壁温度分布Fig.3 Inner surface temperature distribution of the jacketed pipe with different raw gas flow rates

图4 不同水流量时夹套管内壁温度分布Fig.4 Inner surface temperature distribution of the jacketed pipe with different water flow rates

2 模拟结果分析

图3、4中圆管对称面左半边气体和液体的换热方式为顺流换热，右半边气体和液体的换热方式为逆流换热。由于逆流时的传热效率比顺流时的高，而且温差大会导致热传导的动力大，所以在圆管内部右边的温度比左边高。在图3、4中表现为竖直部位右边的低温区范围比左边的低温区范围小，而其高温区范围比左边的高温区范围大。

管壁的最低温并不出现在圆管的最上方，而是在距离荒煤气出口一定距离处。出现这种情况的原因可能是因为水在此处要改变流动方向，造成水流湍急，从而导致较高的局部换热系数，因此出现了管壁的最低温。

从上升管中荒煤气的温度分布来看，上升管的温度场按照温度不同可划分为三部分，并且可以根据各个部分的温度分布选择上升管的材料。第一部分是高温部分，该部分位于管道流程的前1 m内，其中不仅有来自于荒煤气的热量，而且有占比达30%的红焦辐射热，因此由于温度高该部分可以选择耐温材料。第二部分为中温部分，其位于管道流程的1～2 m处。第三部分位于管道流程的最后1 m。后两部分可以选择一些导热性能较好的材料。

3 结 论

（1）在上升管中，当进行换热的荒煤气流量较小时，换热强度会变弱，温度沿着管道变化的速度也会变慢。反之，当荒煤气流量较大时，换热会变强。但不能一味地为了追求换热效果而增加荒煤气流量，因为荒煤气流量变大会导致沿程流速变高，荒煤气流出上升管道的时间变少，从而无法保证进行充分的热量交换，这同样会造成荒煤气显热的损失。由理论计算和模拟分析可以得到，荒煤气流量控制在 300～350 m3·h–1是进行显热回收较理想的条件。

（2）适当增大荒煤气流量，虽然理论上可以使换热系数变大，换热效果变好，但不能忽视受热面的热负荷。受热面的热负荷与荒煤气流量成正比，会随着荒煤气流量的增大而增加，且热负荷增加的幅度会远大于换热系数增加的幅度，所以依然会使得荒煤气出口温度升高。水流量改变所造成的内壁温度变化没有荒煤气流量改变造成的内壁温度变化明显，所以在余热回收时可着重考虑改变荒煤气流量来改变换热效果。