煉焦周期內上升管換熱器傳熱特性分析

戴飛祥， 包向軍， 張 璐， 汪徽俊， 陳 光， 王 浩

（1. 安徽工業大學 能源與環境學院， 安徽 馬鞍山 243000； 2. 中冶華天工程技術有限公司， 安徽 馬鞍山 243000）

在鋼鐵行業中，煉焦工序為煉鐵工序提供焦炭，煉焦配煤成本占鋼鐵企業總能源成本的70%以上［1］.煉焦過程產生的荒煤氣溫度約為600 ～850 ℃，余熱資源占焦化總工序的36%.然而，目前大量的荒煤氣余熱資源并未得到有效的回收利用，主要原因有兩個：一是荒煤氣溫度極限“坎”，當溫度低于450 ℃時，煤焦油蒸汽會凝結在上升管及橋管內壁上，換熱器換熱效果下降甚至會失去換熱效果［2］；二是荒煤氣成分較為復雜，硫化氫等成分在高溫環境中對常規換熱器的鋼材具有腐蝕作用，易造成換熱介質泄露到炭化室等事故的發生.因此，回收荒煤氣余熱資源對換熱設備的材料和結構設計均具有較高的要求.

長期以來， 焦爐荒煤氣的余熱回收得到了研究者們的廣泛關注。 但由于焦爐上升管及橋管內部環境較為復雜， 伴隨著高溫、 有毒等惡劣條件， 傳統的實驗方法研究存在著成本高、 誤差大等缺點， 無法滿足實際的基本要求， 導致現有的研究多為數值模擬［3-4］. 此外， 以往的研究大多是針對高溫荒煤氣的余熱回收［5-7］， 忽略了一個煉焦周期內焦爐荒煤氣的變化規律以及中低溫余熱的回收問題， 未能從根本上解決荒煤氣余熱回收效率低下的問題.

為了提高荒煤氣的余熱回收效率， 本文中以焦爐上升管作為研究對象， 針對一個煉焦周期內上升管荒煤氣的余熱回收問題， 建立焦爐上升管模型， 采用CFD 數值模擬方法研究焦爐荒煤氣余熱回收過程中換熱器內壁沿程的溫度變化規律和傳熱特性， 并以此作為焦爐上升管換熱器的理論基礎， 為后續優化及工業應用提供參考.

1 焦爐上升管換熱裝置的數值模擬

1.1 物理模型

圖1 為焦爐上升管及橋管系統結構示意圖.主要結構包括炭化室、 焦爐上升管、 焦爐橋管、上升管水夾套式換熱器、 集氣室等， 其結構參數如表1 所列. 荒煤氣從下方炭化室沿上升管換熱器內部向上流動， 通過內壁與加熱夾套內的換熱介質（高壓除鹽水） 進行換熱， 后經橋管流向集氣室.

圖1 上升管換熱器結構圖Fig.1 Structural drawing of riser heat exchanger

表1 模型主要結構尺寸Table 1 Main structural dimensions of model mm

1.2 幾何模型

根據某焦化廠上升管的實際尺寸， 設計上升管換熱器的模型如圖2 （a） 所示。 運用建模軟件1 ∶1 繪制模型并進行網格劃分， 如圖2 （b）所示. 由于上升管及橋管處的幾何結構較為復雜、 尺寸相差較大， 為使計算簡便， 此處采用適用性較好的非結構化四面體網格， 并利用分塊技術將上升管橋管系統劃分成高溫荒煤氣側、 換熱水側及換熱管3 部分。 在流固耦合區域進行局部加密， 網格采用高精度網格， 傾斜度小于0.2，網格質量值大于0.8.

圖2 上升管換熱系統模型示意圖Fig.2 Model and mesh generation of riser heat exchange system

1.3 數學模型

為簡化計算，數值模擬過程對上升管換熱裝置做了如下簡化處理：流體流動為穩態和不可壓縮流動；采用高壓除鹽水作為換熱工質；將煙氣簡化為干空氣.在一個煉焦周期內，焦爐上升管及橋管的荒煤氣流速會發生變化，且荒煤氣中含有具備發射能力的氣體，故湍流模型采用標準k?ε模型，輻射模型采用DO 模型.

1.4 邊界條件及求解器的設置

焦爐荒煤氣和高壓除鹽水進口采用速度進口，荒煤氣和高壓除鹽水出口采用壓力出口，荒煤氣和高壓除鹽水邊界條件設置如表2 及表3 所列.換熱器與空氣接觸的管外壁面對流換熱系數設置為10 W／（m2·K），環境溫度為300 K；荒煤氣與固體間壁相接觸的面、高壓除鹽水與固體間壁相接觸的面均設置為耦合面.

表2 荒煤氣進口邊界條件設置參數Table 2 Setting parameters of boundary conditions of waste gas inlet

表3 高壓除鹽水進口邊界條件設置參數Table 3 Setting parameters of high pressure desalted water inlet boundary conditions

在軟件中，采用穩態計算方式，壓力速度耦合采用SIMPLE 算法進行求解，壓力項的選擇為Standard 格式，且動量、湍動能、湍流擴散率及能量的求解均使用二階迎風格式進行計算.

2 焦爐上升管水夾套換熱器傳熱特性分析

為了研究上升管換熱器在一個煉焦周期內的換熱規律，分別選取荒煤氣進口速度為6.6，6.0，4.8，3.0，0.8 m／s 的溫度場進行分析，獲得荒煤氣管道中的溫度場分布如圖3～5 所示.

由圖3 可知，在不同的煉焦時間，荒煤氣離開炭化室進入上升管，靠近水夾套管壁的荒煤氣隨高度增加逐漸被冷卻。 而上升管中心區域的溫度保持在583～883 ℃，表明該區域內的荒煤氣尚未被冷卻.進入到煉焦過程中后期，荒煤氣的流速逐漸降低，進口的荒煤氣溫度整體呈較小幅度的上升趨勢.在同一上升管高度時，煉焦過程中后期的溫度梯度相較于前期更為明顯.在大部分的煉焦時間里（1，4，7，14 h），荒煤氣流速從6.6 m／s 降至3 m／s，而進口溫度從690 ℃升高至880 ℃；在煉焦末期（16 h），進口溫度逐漸降低至776 ℃.

圖3 一個煉焦周期內不同進口速度下z＝0 截面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of z＝0 section at different inlet velocities in a coking cycle

從圖4～5 可以看出，上升管換熱器出口截面處的荒煤氣溫度分布呈現中心高、邊緣低、依次遞減的規律.這是因為邊緣區域的荒煤氣與換熱器壁面直接接觸，被迅速冷卻，而中心區域尚未被完全冷卻。 該溫度分布規律也與圖3 中z＝0 截面的相互對應，隨著荒煤氣進口速度的減小，出口高溫區范圍逐漸縮小，平均溫度逐漸降低.當煉焦時間分別為1，4，7，14，16 h 時，上升管出口平均溫度分別為612，636，645，678，480 ℃.其中，在煉焦時間為14 h 時，上升管出口平均溫度最高。 盡管此時荒煤氣進口流量較小，但其帶入的總熱焓值是最大的，因此出口溫度是最高的.

圖4 一個煉焦周期內不同進口速度下上升管換熱器出口截面溫度分布Fig.4 Temperature distribution at outlet section of riser heat exchanger at different inlet velocities in a coking cycle

圖5 一個煉焦周期內不同入口速度時出口截面溫度分布（標準狀態）Fig.5 Temperature distribution of outlet section at different inlet velocities in a coking cycle （standard state）

圖6 為一個煉焦周期內荒煤氣在上升管換熱器出口截面溫度的分布曲線圖.從圖6 可以看出，在大部分的煉焦時間里（1，4，7，14 h），上升管出口管壁溫度均高于450 ℃，并未發生焦油析出黏結現象.當處于煉焦末期（16 h），荒煤氣進口速度降低至0.8 m／s，流道內管壁處的壁面溫度低于450 ℃，析出部分焦油，徑向距離上的析出范圍約為52 mm.但由于煉焦末期時間相對較短，焦油的析出量并不大.從出口截面中心區域的溫度變化情況可以發現，該區域溫度變化幅度極小.結合傳熱過程規律分析可知，在管壁附近存在換熱邊界，換熱方式主要為對流換熱，換熱較為充分；隨著熱傳遞的進行，靠近中心區域的荒煤氣流體之間換熱程度逐漸降低，溫度變化越來越小；同時還存在來自炭化室的輻射換熱，但此時上升管出口距離炭化室較遠，輻射換熱的影響較小.

圖6 一個煉焦周期內出口截面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of outlet section in a coking cycle

為了進一步分析壁面溫度的變化，將一個煉焦周期內的沿程壁面溫度變化曲線進行對比，結果如圖7 所示.

從圖7 可以看出，隨著煉焦過程的進行，進口處壁面平均溫度由287.2 ℃降至245.2 ℃，出口處壁面平均溫度由182 ℃降至131.4 ℃.煉焦中后期的壁溫下降梯度明顯大于前期，整體平均壁面溫度在煉焦時間為14 h 時最高，16 h 時最低.這是因為荒煤氣的流速減小，而水流量不變，導致其對流換熱能力下降，總換熱量減小；同時流速減小使荒煤氣的換熱時間增長，對換熱的影響遠大于對流換熱能力下降的影響.

圖7 一個煉焦過程上升管內壁沿程溫度變化規律Fig.7 Temperature variation along the inner wall of riser in a coking process

3 結 論

（1）在一個煉焦周期內，上升管進口溫度從690 ℃升高至880 ℃，在煉焦末期時（16 h），荒煤氣進口溫度逐漸降低至776 ℃.上升管出口平均溫度分別為612，636，645，678，480 ℃，其中在煉焦時間為14 h 時，上升管出口平均溫度最高為678 ℃.

（2）當處于煉焦末期時（16 h），流道內管壁處的荒煤氣溫度還是會低于450 ℃，有部分焦油析出。 出口中心區域的荒煤氣溫度變化幅度極小

（3）上升管換熱器內壁高度方向上的溫度分布基本可以分為三段：高溫段、中溫段、低溫段.隨著煉焦過程的進行，整體平均壁面溫度在煉焦時間為14 h 時最高，16 h 時最低.