焦化厂上升管换热器设计研发

邱晨晨 曾新柱

南京华电节能环保设备有限公司 江苏南京 210000

焦化是渣油焦炭化的简称，是指重质油（如重油，减压渣油，裂化渣油甚至土沥青等）在500℃左右的高温条件下进行深度的裂解和缩合反应，产生气体、汽油、柴油、蜡油和石油焦的过程。焦化主要包括延迟焦化、釜式焦化、平炉焦化、流化焦化和灵活焦化等五种工艺过程[1]。本次研究针对上升管换热器设计研发分析，提出了螺旋盘管式上升管换热设计理念，希望可控制出口换热温度，提升换热效率，现将相关研究分析阐述如下。

1 工程概况

焦化厂一般由备煤、炼焦、回收、精苯、焦油、其他化学精制、化验和修理等车间组成。其中化验和修理车间为辅助生产车间。本次研究的A焦化厂中的原焦炉设计存在热应力不稳定、介质泄漏、焦油凝析与石墨结附造成内部堵塞等问题。且炭化室排除烟气热量温度高，携带了大量热量，未体现紧急生产。虽然生产厂针对该问题进行荒煤气余热回收改造，但是由于余热回收装置设计不合理，其运用空间不大，导致设计出现大量问题，未予以推广。本次设计结合西方焦炉生产特点，针对换热器结构，提出螺旋盘管式上升管换热理念，结构设计中荒煤气顺着中间圆管内部流动，气氛实现了间壁式换热。通过螺旋结构改变了原有流体的流动状态，实现了螺旋换热[2]。

2 传热计算

2.1 基本参数确定

本次设计为了简化计算，默认将荒煤气的温度当做恒定值。实际上，上升管换热器内部结构中换热处理会受到中间圆管材质影响，且外侧螺旋盘管材料、排列方式以及接触面积也会影响内部换热温度。

A焦化厂焦炉荒煤气进口温度设置为759摄氏度，出口温度为500摄氏度，主要目的是为了防止结焦。本装置的荒煤气流量为482.7N立方米/小时，圆管的尺寸外径直径为700毫米、内径直径为560毫米、高度为960毫米，控制内部气泡压力值为0.4MPa，经过“软化补水”后温度为25摄氏度。

2.2 计算方法

以及上升管换热器两侧流体对数平均温差求得本次计算原理是按照荒煤气侧受热面积影响上升管换热器流体对数的平均温度差，以此来确定上升管换热器的传热系数（如图1所示）。

图1 所求的上升管换热器的传热系数

3 建立传热模型及各部分传热系数预测

（1） 热阻网络模型。分析传热系统的处理过程，其可以分为荒煤气和换热器内壁的换热；介质侧对流换热；上升管壁面的导热三个部分。传热计算中需确定上升管换热器的热阻、气侧对流换热等热阻。换热处理中也会受到壁面材料和厚度影响，因此计算时候也需考虑其处理值；介质侧对流系数也和流体的运动形式、速度以及物理参数等有关，需要一一分析研究[3]。

（2） 荒煤气侧换热系数预测。荒煤气侧的换热内容有两个内容，第一，对流换热：上升管煤气因温度场产生的温差形成密度差，造成自然流动。第二，辐射换热：煤料不断转化焦炭，整个过程也会产生一种受迫对流。

（3）循环水侧传热系数预测。当螺旋管上升运动时候，内部循环水会发生对应的变化。由于换热水测的传热系数难以确定，因此不能直接预估水在螺旋管内传热值，西方学者研究了改传热技术，并研究出了内介质沸腾换热传导系数，形成了Kandlikar 关系式[4-5]。本次研究以Kandlikar 关系式计算结果作为循环水侧传热系数预测值。

3 工业性能测试

经过设计处理并予以试验研究后，对A焦化厂焦炉的第19 孔进行9个炼焦周期（每个炼焦周期为20小时）研究。共计生产出25吨焦，生产过程中，螺旋盘管式上升管换热器无故障发生，出口温度高于500摄氏度，且每周期压力控制在0.4 MPa；温度为（163.2±2.54）摄氏度，产生饱和蒸汽直为1653.2kg，约节约热流量52.3KW，换热效率可达到70.3%。

4 结语

以上研究结果可知，经过改造后，基于生产使用需求基础上研发焦化厂荒煤气上升管余热回收装置，可以确定换热器的结构形式，提升了换热面积处理效率。经过对应的工业试验处理后，焦化厂荒煤气余热回收利用良好，其换热效率可以达到70.3%，建议研究推广。