石油焦煅燒冷卻機顯熱回收方案研究

段全斌

(中海油惠州石化有限公司,廣東 惠州 516082)

0 前言

回轉窯裝置因其具有產能大、壽命長和自動化程度高等優點，被國內多數石油焦煅燒廠家采用[1]。目前，回轉窯高溫煅后焦的冷卻處理均采用常規傳統的直接水冷法。雖然后期大部分改進型回轉窯在設計上，將冷卻機直冷水汽化后的飽和蒸汽和冷卻過程中產生的廢熱氣，作為后續單元的預熱“空氣”而“粗放”利用，但高溫煅后焦的顯熱利用未能徹底改善。如何有效回收這部分顯熱，日益成為石油焦生產企業不可回避的現實問題。本文以國內某公司石油焦煅燒冷卻機為研究對象，基于固相流體間壁傳熱機理[2-3]，設計了一套干法回收煅后焦顯熱的方案，并已申請相關專利[4]。

1 冷卻裝置現狀

1.1 冷卻機結構

回轉窯冷卻機由筒體、支承裝置、傳動裝置、擋輪組、進排溜管和進排料罩等部分組成。其中，冷卻機筒體為冷卻機的主體，一般由20～25 mm 厚的16Mn 鋼板卷制[5]，并通過滾圈傾斜放置于支撐托輪組上，在傳動機構及擋輪組的作用下實現一定區間的連續回轉。通常為避免高溫煅后焦對金屬筒體的熱沖擊及提高冷卻處理效果，除在進料端內筒壁上布設一定長度及厚度的耐火材料外，還在冷卻機中后部區域設有揚料板、冷風筒等附屬部件。

1.2 冷卻工藝

在石油焦煅燒系統中，冷卻機的作用是在負壓條件下，將回轉窯的高溫煅燒焦采用霧化水、順流空氣進行共同冷卻，使其溫度由1 200 ℃左右逐步降至80～140 ℃。目前，國內除部分冷卻機仍采用內噴與外淋的方式(圖1)對煅燒焦進行冷卻處理外[6]，多數均采用了類似于美國METSO 公司典型技術的單一直冷水法(圖2)。該方法冷卻過程產生的大量飽和蒸汽和固體顆粒經旋風除塵器分離后，作為預熱的“二次空氣”，再經引風機送至后燃燒室進行焚燒處理。雖然單一直冷水法利用了冷卻過程中的熱能，但效率較低下。

圖1 典型石油焦煅燒回轉窯系統工藝流程簡圖

圖2 新型石油焦煅燒回轉窯系統工藝流程簡圖

2 冷卻機顯熱回收分析及存在問題

2.1 冷卻機參數

國內某公司引進的大規格石油焦煅燒冷卻機，相關參數見表1。

表1 新型冷卻機相關參數

2.2 熱平衡分析

冷卻機熱收入全部來自回轉窯高溫煅后焦的顯熱。本文以某公司煅前加工量32 t/h、成品率74%等參數為依據，計算冷卻機生產過程中的相關熱收支項。其熱平衡如圖3 所示。

圖3 冷卻機熱收支平衡示意圖

2.2.1 熱收入

煅后焦產量為：

根據實測，冷卻機入口煅后焦平均溫度t1為1 240 ℃，煅后焦比熱C取1.59 kJ/(kg·℃)計，則煅后焦顯熱：

2.2.2 熱支出

由圖3 知，熱支出項主要包括冷卻水汽化吸熱、筒體表面散熱，以及冷卻焦和煙氣帶走的熱等。

2.2.2.1 冷卻水汽化吸熱

1)據實測，煅后焦冷卻用水量約230 L/min，水密度取1 kg/L，則小時用水量為：

2)假定加入冷卻機的冷卻水全部轉化為蒸汽，其水汽化潛熱按2 260 kJ/kg 計算，則冷卻水汽化吸熱：

2.2.2.2 冷卻機筒體表面散熱

已知冷卻機筒壁直徑為2.895 m，長24 m，環境溫度取20 ℃。為便于計算，通過測量筒壁溫度，將筒壁(從進料端起)劃分為L1、L2、L3三個區段。其中，L1段為0～3 m 區段，平均溫度為185 ℃；L2段為3～7 m 區段，平均溫度為80 ℃；L3段為7～24 m 區段，平均溫度為119 ℃。根據工業爐窯爐壁散熱計算公式[7]：

式中：q——熱量，kJ/h；

ε——爐殼表面黑度，取ε=0.8；

tb——爐體平均外表面溫度，℃；

te——環境溫度，℃；

ad——對流給熱系數，當風速wf＜5 m/s 時，取：ad=5.3 +3.6wf，kcal/m2·h·℃；

d——筒體直徑，m；

L——筒體有效長度，m。

當取環境風速為2 m/s 時，則L1、L2、L3區段的壁面散熱量分別為：

因此，冷卻機筒體外壁面總散熱量為：

2.2.2.3 其他支出項

為便于研究分析冷卻機的顯熱回收，冷卻焦和煙氣顯熱等熱支出項，在此不做考慮。通過上述粗略計算，冷卻機中冷卻水汽化吸熱和壁面散熱項約占煅后焦總熱比為：

冷卻水汽化吸熱和筒壁散熱約占煅后焦總熱的71%，說明在煅后焦冷卻過程中，巨大的顯熱資源被傳統的處置方式浪費。如何有效回收過程熱能，成了一個亟待解決的現實問題。

3 顯熱回收裝置改造

3.1 可行性分析

據文獻報道，自20 世紀80 年代初日本NKK 公司開發的內冷轉鼓法熱能回收裝置[8]，到1986 年中國在烏克蘭開發的爐渣干式粒化方案基礎上改造的連鑄連軋法熔渣余熱回收工藝[9]，再到2011 年中國華中科技大學開發的爐渣熱水回收鍋爐[10]，30 多年間，類似石油焦狀固相顆粒的高爐渣干式熱能回收技術得到了長足的發展，成效顯著，但與之相近的煅后焦顯熱利用方面的研究，在國內外卻鮮有提及[11]。為此，設計一臺既能冷卻固體顆粒物料又能回收顯熱的換熱裝置，在大力倡導綠色發展的現階段顯得更有意義。

結合冷卻機裝置的結構及運行特點，可通過“間壁夾套”的方法來滿足持續不斷的熱交換。只需在現有筒體的基礎上增設一個內筒，讓內筒與外筒間構成一個密閉的夾層環腔，進而通過夾層環腔中的水流來實現熱量的轉移和利用。

鑒于固體介質間傳熱機理的局限性，在常規方法下，除了提高金屬材料的導熱系數外，還可通過擴展介質間的接觸面、增設導熱板等無源技術來強化傳熱[12]，或通過適度延長介質的接觸時間來增加過程熱量的有效轉移。考慮到夾層水套間的供排水管徑、長度等帶來的管道摩阻以及因水體偏流產生的局部死區或旋渦[13]，可采用在內筒排料側進出水母管上布設集水箱以及多支路分流的方法，來減少供水泵載荷和預防死區或局部旋渦的產生。夾層環腔間供、排水管線的動、靜連接問題，則可通過旋轉接頭技術解決。

為避免筒內固體間換熱效率低而引起排料溫度超標問題，建議采取如下措施：

1)必要時可適度保留原部分直冷水冷卻功能和輔助引壓管線。

2)重新設計冷卻機規格，以有效延長物料在機內停留的時間。

3)將煅后焦產品輸送線初始段設計為耐高溫輸送帶，或將其輸送設備升級為通用型板鏈式輸送機。

3.2 換熱器熱回收原理與設計

3.2.1 熱回收原理

改造后的換熱器結構示意圖如4 所示。石油焦煅燒生產過程中，高溫煅后焦從回轉窯經導料溜管進入傾斜的筒內，在冷卻機連續旋轉下，借助位差作用，從高端入料口逐漸向低端排料口滑動，最終經排料出口閥排出筒外。而煅后焦所攜帶的大量顯熱，則通過傳導、輻射等方式直接作用于內筒壁，獲得熱能的內筒壁則通過夾層環腔中的強制水流不斷帶走。由于溫差的連續效應，高溫煅后焦的熱量不斷向水體轉移，水體水溫不斷升高，煅后焦溫度持續下降。

3.2.2 結構改造要點

熱能回收換熱器主要部件包括：內筒、外筒、支撐柱，進料溜管、罩部分，排料管、罩部分，進、排水管系、換熱附件等(圖4)。基于熱回收的可行性分析及裝置結構特點，換熱器改造內容及設計要點如下：

圖4 顯熱回收換熱器結構分布簡圖

1)拆除現有機體內所有附件，按照圖5 所示結構重新制作內筒；2)內筒、外筒之間通過支撐柱連接固定，形成一個帶環腔的筒式組合件；3)環腔組合件的兩側端面通過板材密封后制成新的換熱器主體；4)在換熱器排料側的端面，沿環周位置均勻布設至少三根進、排水管，并通過預設的集水母管、旋轉接頭等部件，建成密閉式換熱腔體的供排管系；5)在內筒表面布設一定量的強制換熱器件(如擋料圈、導熱板等)；6)冷卻機裝置的進、排料罩與筒體間采用雙層彈性摩擦鋼片來實現動態密封。

圖5 顯熱回收換熱器局部斷面示意圖

換熱器改造的技術要求包括：1)所預置的新筒體需與原裝置負載相匹配；2)內筒壁與外筒壁間的環腔有效間距需滿足冷卻用水需求；3)換熱器中所選用的管、材、閥等均需滿足耐磨、耐壓、耐熱等熱工需求；4)換熱器內所有的靜態結合面，應嚴格按照工業鍋爐、火力發電廠金屬技術規程等相關要求規范施工，必要時應實施探傷檢測，確保焊接質量及耐壓強度；5)對于冷卻機中可能出現的正壓揚塵問題，必要時可保留機體適度的負壓引力功能。

4 效益評估

改造后，按冷卻機內襯1 年大修一次計，每年可節約施工及材料費用約26 萬元。

若實現無水化生產，每年生產時間按照330 d計，年可減少原水消耗10.93 萬t，以水價格2.2 元/t計，則年節約水費24.05 萬元。

若廢氣引風機315 kW 電機停運，年運行330 d，且電價按0.58 元/kW·h 計，則年節約電費144.70 萬元。

按32 t/h 煅前加料量，年運行330 d，標煤熱值29 307 000 kJ/t 計，則冷卻機年顯熱回收以標煤計：

按照國家標準，節約1 t 標煤獎勵300 元，則可獲得國家獎勵267.20 萬元。

從效益評估來看，冷卻機改造后每年可節約461.95 萬元。

5 結束語

對冷卻機體內部結構進行重新設計，將原有的直冷水法轉變為間接水冷法，能充分回收石油煅后焦的顯熱。冷卻機所回收熱能，可用于余熱鍋爐除氧器，燃氣預熱、物料干燥、管線保溫、工廠采暖、制

冷等。其社會效益、經濟效益和環境效益均將有著廣闊的市場前景和深遠的現實意義。

煅后焦冷卻處理是石油焦煅燒工藝過程中的關鍵一環，煅后焦所含顯熱高，要實現既能維持工業化生產，又能有效克服固態間換熱效率低下問題，仍需進行大量的科學研究和實踐探索。