王藝儒,詹淑慧(北京建筑大學 環(huán)境與能源工程學院,北京100044)
粗煤氣是煤在焦爐中高溫干餾產生的混合氣,蘊含著大量的顯熱[1-2]。粗煤氣熱量回收方法主要有上升管汽化換熱、導熱油夾套換熱、熱管式換熱、余熱鍋爐換熱等[3-7]。余熱鍋爐換熱技術投資比較少,能有效克服結焦,穩(wěn)定性和回收效率比較高。本文在顯熱換熱前提下,采用Aspen Plus軟件對余熱鍋爐換熱面積進行模擬計算,確定換熱管束結構,采用關聯(lián)式法對余熱鍋爐換熱面積進行校核計算。
① 工藝流程
余熱鍋爐工藝流程見圖1。由焦爐排出的高溫粗煤氣進入余熱鍋爐,加熱余熱鍋爐進水,加熱后的水可供居民、工業(yè)用戶使用。

圖1 余熱鍋爐工藝流程
② 粗煤氣組成
粗煤氣主要成分為干煤氣、其他雜質(包括水蒸氣)、煤焦油。干煤氣(組成見表1)是粗煤氣中的輕組分,約占粗煤氣質量的49%。其他雜質約占粗煤氣質量的40%,且大部分為水蒸氣。煤焦油約占粗煤氣質量的11%,一般分為兩部分[8]:一部分是確定的輕組分;另一部分為無法確定的組分,一般稱為瀝青。

表1 干煤氣的組成
③ 物料物性參數(shù)
余熱鍋爐可視為管殼式換熱器,粗煤氣走管程,水走殼程。設定粗煤氣流速為20 m/s,進口溫度為400 ℃,出口溫度為200 ℃,定性溫度為進出口溫度的算術平均值(300 ℃)。設定水的流速為1.0 m/s,進口溫度為30 ℃,出口溫度為80 ℃,定性溫度為進出口水溫的算術平均值(55 ℃),物性參數(shù)見表2[9]330。采用Aspen Plus物性估算出定性溫度下的粗煤氣的物性參數(shù),見表2。估算時,將粗煤氣視為干煤氣,組成見表1。物性方法分為狀態(tài)方程法、活度系數(shù)法,狀態(tài)方程法主要用于對氣體物性分析過程,常見的狀態(tài)方程有Ideal、SRK、PR等,SRK方程可以比較精確地推算出混合氣體物料的真實物性參數(shù)。因此,物性方法選取SRK方程。

表2 定性溫度下的粗煤氣、水的物性參數(shù)
① 初步設計
選用規(guī)格為D57×3.5的碳鋼換熱管,選取Aspen Plus軟件適用于管殼式換熱器的單元模塊(HeatX)中的簡捷法模型(shortcut)。該模型不需要換熱器結構或幾何尺寸,僅通過輸入少量已知量即可對換熱器進行初步設計。輸入粗煤氣的進出口溫度、水的進口溫度,設定水的質量流量為10 t/h。運行模擬程序,得出余熱鍋爐熱負荷為644.71 kW,水出口溫度為80 ℃,換熱面積(以下稱為模擬換熱面積)為34.71 m2。
管殼式換熱器總管數(shù)N的計算式為[10]:
(1)
(2)
式中N——管殼式換熱器總管數(shù)
qm——粗煤氣的質量流量,kg/s
u——粗煤氣的流速,m/s
ρ——定性溫度下粗煤氣的密度,kg/m3
do——換熱管的外直徑,m
Φ——管殼式換熱器熱負荷,W
cp——定性溫度下粗煤氣的比定壓熱容,J/(kg·K)
Δt——粗煤氣進出口溫差,℃
換熱管單管長度L的計算式為:
(3)
(4)
式中L——換熱管單管長度,m
A——管殼式換熱器換熱面積,m2
K——管殼式換熱器總傳熱系數(shù),W/(m2·K)
Δtm——對數(shù)平均溫差,℃
將已知參數(shù)代入式(1)、(2),可計算得到管殼式換熱器總管數(shù)為50.71,進而由式(3)、(4)可計算得到換熱管單管長度為3.94 m。根據GB/T 28712.2—2012《固定管板式換熱器型式與基本參數(shù)》第4.3.1條規(guī)定,換熱管單管長度選取4.5 m。
② 換熱管束結構設計
換熱管束排布方式選取采用最常見的正三角形排列方式(見圖2),為滿足排布方式需要,管殼式換熱器總管數(shù)確定為52。

圖2 換熱管束排布方式
管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)hin的關聯(lián)式為[9]182:
(5)
(6)
(7)
式中hin——管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K)
λ——定性溫度下粗煤氣的熱導率,W/(m·K)
din——換熱管的內直徑,m
Re——粗煤氣的雷諾數(shù)
Pr——粗煤氣的普朗特數(shù)
n——指數(shù),流體被加熱時取0.1,流體被冷卻時取0.3,這里取0.3
μ——定性溫度下粗煤氣的動力黏度,Pa·s
將已知參數(shù)代入式(5)~(7),可計算得到管內表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為114.18 W/(m2·K)。
殼程為強迫對流換熱,管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)ho的關聯(lián)式為[9]183:
(8)
(9)
(10)
式中ho——管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K)
λw——定性溫度下水的熱導率,W/(m·K)
de——殼程當量直徑,m
uw——水的流速,m/s
ρw——定性溫度下水的密度,kg/m3
μw——定性溫度下水的動力黏度,Pa·s
Prw——水的普朗特數(shù)
Nc——位于管束中心線上的管數(shù),為8
cp,w——定性溫度下水的比定壓熱容,J/(kg·K)
將已知參數(shù)代入式(8)~(10),可計算得到管外傳熱系數(shù)為1 673.29 W/(m2·K)。
忽略換熱管壁的熱阻,管殼式換熱器總傳熱系數(shù)K的計算式為[9]183:
(11)
式中Ro——管外單位面積污垢熱阻,m2·K/W
Rin——管內單位面積污垢熱阻,m2·K/W
管外單位面積污垢熱阻、管內單位面積污垢熱阻按GB/T 151—2014《熱交換器》附錄E分別選取為3.5×10-4、1.76×10-4m2·K/W。將已知參數(shù)代入式(11),可計算得到管殼式換熱器總傳熱系數(shù)為89.87 W/(m2·K)。進而由式(4)計算得到管殼式換熱器換熱面積(以下稱為計算換熱面積)為31.41 m2,與模擬換熱面積(為34.71 m2)十分接近,說明模擬結果可信。
由Aspen Plus軟件模擬計算得到的余熱鍋爐換熱面積為34.71 m2,由關聯(lián)式法計算得到的換熱面積為31.41 m2,二者十分接近,模擬結果可信。