焦化廠上升管換熱器設計研發

邱晨晨 曾新柱

南京華電節能環保設備有限公司 江蘇南京 210000

焦化是渣油焦炭化的簡稱，是指重質油（如重油，減壓渣油，裂化渣油甚至土瀝青等）在500℃左右的高溫條件下進行深度的裂解和縮合反應，產生氣體、汽油、柴油、蠟油和石油焦的過程。焦化主要包括延遲焦化、釜式焦化、平爐焦化、流化焦化和靈活焦化等五種工藝過程[1]。本次研究針對上升管換熱器設計研發分析，提出了螺旋盤管式上升管換熱設計理念，希望可控制出口換熱溫度，提升換熱效率，現將相關研究分析闡述如下。

1 工程概況

焦化廠一般由備煤、煉焦、回收、精苯、焦油、其他化學精制、化驗和修理等車間組成。其中化驗和修理車間為輔助生產車間。本次研究的A焦化廠中的原焦爐設計存在熱應力不穩定、介質泄漏、焦油凝析與石墨結附造成內部堵塞等問題。且炭化室排除煙氣熱量溫度高，攜帶了大量熱量，未體現緊急生產。雖然生產廠針對該問題進行荒煤氣余熱回收改造，但是由于余熱回收裝置設計不合理，其運用空間不大，導致設計出現大量問題，未予以推廣。本次設計結合西方焦爐生產特點，針對換熱器結構，提出螺旋盤管式上升管換熱理念，結構設計中荒煤氣順著中間圓管內部流動，氣氛實現了間壁式換熱。通過螺旋結構改變了原有流體的流動狀態，實現了螺旋換熱[2]。

2 傳熱計算

2.1 基本參數確定

本次設計為了簡化計算，默認將荒煤氣的溫度當做恒定值。實際上，上升管換熱器內部結構中換熱處理會受到中間圓管材質影響，且外側螺旋盤管材料、排列方式以及接觸面積也會影響內部換熱溫度。

A焦化廠焦爐荒煤氣進口溫度設置為759攝氏度，出口溫度為500攝氏度，主要目的是為了防止結焦。本裝置的荒煤氣流量為482.7N立方米/小時，圓管的尺寸外徑直徑為700毫米、內徑直徑為560毫米、高度為960毫米，控制內部氣泡壓力值為0.4MPa，經過“軟化補水”后溫度為25攝氏度。

2.2 計算方法

以及上升管換熱器兩側流體對數平均溫差求得本次計算原理是按照荒煤氣側受熱面積影響上升管換熱器流體對數的平均溫度差，以此來確定上升管換熱器的傳熱系數（如圖1所示）。

圖1 所求的上升管換熱器的傳熱系數

3 建立傳熱模型及各部分傳熱系數預測

（1） 熱阻網絡模型。分析傳熱系統的處理過程，其可以分為荒煤氣和換熱器內壁的換熱；介質側對流換熱；上升管壁面的導熱三個部分。傳熱計算中需確定上升管換熱器的熱阻、氣側對流換熱等熱阻。換熱處理中也會受到壁面材料和厚度影響，因此計算時候也需考慮其處理值；介質側對流系數也和流體的運動形式、速度以及物理參數等有關，需要一一分析研究[3]。

（2） 荒煤氣側換熱系數預測。荒煤氣側的換熱內容有兩個內容，第一，對流換熱：上升管煤氣因溫度場產生的溫差形成密度差，造成自然流動。第二，輻射換熱：煤料不斷轉化焦炭，整個過程也會產生一種受迫對流。

（3）循環水側傳熱系數預測。當螺旋管上升運動時候，內部循環水會發生對應的變化。由于換熱水測的傳熱系數難以確定，因此不能直接預估水在螺旋管內傳熱值，西方學者研究了改傳熱技術，并研究出了內介質沸騰換熱傳導系數，形成了Kandlikar 關系式[4-5]。本次研究以Kandlikar 關系式計算結果作為循環水側傳熱系數預測值。

3 工業性能測試

經過設計處理并予以試驗研究后，對A焦化廠焦爐的第19 孔進行9個煉焦周期（每個煉焦周期為20小時）研究。共計生產出25噸焦，生產過程中，螺旋盤管式上升管換熱器無故障發生，出口溫度高于500攝氏度，且每周期壓力控制在0.4 MPa；溫度為（163.2±2.54）攝氏度，產生飽和蒸汽直為1653.2kg，約節約熱流量52.3KW，換熱效率可達到70.3%。

4 結語

以上研究結果可知，經過改造后，基于生產使用需求基礎上研發焦化廠荒煤氣上升管余熱回收裝置，可以確定換熱器的結構形式，提升了換熱面積處理效率。經過對應的工業試驗處理后，焦化廠荒煤氣余熱回收利用良好，其換熱效率可以達到70.3%，建議研究推廣。