高温煅烧石油焦排料过程余热回收.pdf

2 0 1 5年第 3 4卷第 6 期 化 工 进 展 CHE M I CAL I NDUS T RY AND ENGI NE ERI NG P ROGRES S 1 5 3 9 高温煅烧石油焦排料过程余热回收 郑斌 ，刘永启 ，李瑞 阳 ，刘瑞祥 ，郁鸿凌 上海理工大学能源与动力工程学院，上海 2 0 0 0 9 3 ； 山东理工大学交通与车辆工程学院，山东 淄博 2 5 5 0 4 9 摘要为了实现煅烧石油焦在排料过程 中余热的高效回收利用，本文利用 自行搭建的高温煅烧石油焦余热回收 试验系统，研究了煅后焦当量排料速度、换热管类型、换热器当量入口流速等参数变化对余热回收性能的影响 规律。试验结果表明利用余热回收换热器既可实现煅后焦余热的高效回收，平均余热回收效率为 7 8 ． 9 ％，Y , Ag 实现煅后焦的均匀冷却，温度不均匀系数仅为 0 ． 0 7 5 7 ；随着煅后焦当量排料速度的增加，内换热器和外换热器 的传热系数均逐渐增加，余热回收效率先增加后降低；翅片型换热器比光管型换热器的换热性能明显提高，余 热回收效率提高了7 ． 4 ％，同时换热器出口 处煅后焦的温度不均匀系数减少了3 2 ． 6 ％；随着当量入 口流速的增加， 外换热器和内换热器的传热系数均逐渐增加 关键词煅烧石油焦；余热回收；传热；余热回收效率；温度不均匀系数 中图分类号T K 1 1 5 文献标志码A 文章编号1 0 0 0～6 6 1 3 2 0 1 50 61 5 3 9 0 5 D oI 1 0 ． 1 6 0 8 5 ． i s s n ． 1 0 0 0 6 6 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 0 6 Ex pe r i m e nt a l i nv e s t i g a t i o n o n wa s t e he a t r e ut i l i z a t i o n o f c a l c i ne d pe t r o l e u m c o ke Z HENG Bi n1 ～ ， LI U Y o n gq i 2 ，LIRuiya n g ， LI U Ru i xi an g2 ， YU Ho n gl i n g Co l l e g e o f E n e r g y S o u r c e a n d P o we r E n g i n e e r i n g，S h a n g h a i Un i v e r s i t y o fS c i e n c e a n d T e c h no l o gy ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ，Ch i n a ； S c h o o l o f T r an s p o r t a t i o n a n dVe h i c l eEn g i n e e r i n g ，S h and o n gUn i v e r s i ty o f T e c h n o l o gy ，Z i b o 2 5 5 0 4 9 ， S h a n d o n g ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n v e s t i g a t e d t h e h e a t t r a n s f e r b e t we e n a n e w t y p e o f h e a t e x c h a n g e r a n d t h e fl o w i n g c a l c i n e d p e t r o l e u m c o k e C P C ． T h e e x p e r i me n t a l s y s t e m o f wa s t e h e a t u t i l i z a t i o n e x c h a n g e r wa s i n s t a l l e d i n t h e t a n k c a l c i n e d f u rn a c e ． Th e e ffe c t s o f v a rio u s CP C e q u i v a l e n t ma s s fl o w r a t e ，h e a t e x c h a n g e p i p e t y p e a n d wa t e r e q u i v a l e n t ma s s flo w r a t e o n t h e h e a t t r a n s f e r e f fi c i e n c i e s we r e e x p e r i me n t a l l y i n v e s t i g a t e d ． T h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e wa s t e h e a t e x c h a n g e r c o u l d e ffe c t i v e l y u s e the wa s t e h e a t g e n e r a t e d b v CP C wi t h a n a v e r a g e r e u t i l i z a t i o n rat i o O f 7 8 ． 9 ％． T h e C P C c o u l d b e c o o l e d e ve nl y wi t h a no n u ni f o r mi t y t e mpe r a t u r e c o e f f i c i e n t of 0． 07 5 7．As CPC e q ui v a l e nt ma s s flo w r a t e i n c r e a s e d，the h e a t t r a n s f e r c o e c i e n t o f h e a t e x c h a n g e r i n c r e a s e d ， a n d t h e u t i l i z a t i o n r a t i o o f wa s t e h e a t i n c r e a s e d fi r s t a n d t h e n d e c r e a s e d ． Co mp a r e d wi th l i g h t ． t u b e h e a t e x c h a n g e r tub e ，fi n ． tub e h e a t e x c h a n g e r h a d b e a e r h e a t t r a n s f e r p e r f o r ma n c e s ，wi t h 7 ． 4 ％ h i g h e r wa s t e h e a t u t i l i z a t i o n r a t i o a n d 3 2． 6 ％ l e s s n o n． un i f o r m i t y t e mpe r a t ur e c o e c i e n t ．Th e he a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t i nc r e a s e d wi t h the i n c r e a s e o fwa t e r e q ui va l e n t m a s s f l o w r a t e ． 收稿 13 期 2 0 1 4 ． 1 1 0 4 ；修改稿 日期 2 0 1 4 ． 1 2 1 3 。 基金项目山东省科技发展计划 2 0 1 3 G G X1 0 4 0 4 及山东省自然科 学基金项 目 Z R 2 0 1 3 E E Q0 0 5 。 第一作者郑斌 1 9 8 2 一 ，男，博士研究生，副教授，主要从事固 体物料余热回收研究。E ma i l s d u t z b 1 6 3 ． c o rn。联系人刘永启，教 授，博士生导师，主要从事固体物料余热回收研究。E - ma i l l i u y q 6 5 1 6 3 ． t o m 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 4 0 化 工 进 展 2 0 1 5年第 3 4卷 K e y wo r ds c a l c i ne d pe t r o l e u m c o k e；wa s t e he a t r e u t i l i z a t i o n；he a t t r a n s f e r ；ut i l i z a t i o n r a t i o of wa s t e he a t ； n o n u ni f o r mi t y c o e f fic i e n t o f t e mpe r a t ur e 石油焦通过高温 1 3 5 0 ℃左右煅烧去除其挥 发分 ，完全炭化形成煅烧石油焦 又称煅后焦 。煅 后焦广泛应用于生产铝 电解阳极、 炼钢用石墨电极、 增碳剂、工业硅及其他炭制 品，是重要的基础原材 料 。我国煅后焦产量世界第一，其中 7 0 ％以上是采 用罐式煅烧炉生产[ 1 - 3 ] 。 罐式煅烧工艺有两种余热可 供利用高温烟气余热和高温煅后焦余热。高温烟 气余热利用技术已经较为成熟【 4 ] 。 罐式煅烧炉底板 出 口的煅后焦温度在 1 0 0 0 ℃左右 ， 其携带的余热约 占整个煅烧工艺总能的 3 3 ． 5 ％，具有很高的利用价 值；另外 ，高温煅后焦排料前需要进行密闭均匀冷 却，避免排料时发生氧化燃烧反应。目前国内外在 煅后焦余热利用研究方面均处于起步阶段 。 前人在固体物料换热器的传热特性方面开展了 一 定的研究。 B a r a t i 等L 6 J 总结了高温钢渣的多种余热 回收的方法 ，Ka s h i wa y a 等 “ 。 划 分别研究 了利用空气 冲 击式或者旋筒式造粒法实现高温钢 渣的余 热利 用， No mu r a 、 Ka s h i wa y a 、 Ma r u o k a 、 P u r w a n t o等 分别研究了高温钢渣的余热回收与副产品的协同生 产。刘军祥[ 1 1 对高炉渣余热 回收装置的传热特性进 行了实验研究，研 究了渣粒直径 、渣粒流速、换热 管排列方式、水的雷诺数和水的流动方式对换热器 综合传热系数等参数的影响规律。杨凌[ 1 4 1 利用波面 板型粒体物料换热器实验 台研究了复合肥颗粒、分 子筛颗粒及氟化铝粉末等多种粉粒体物料的传热特 性。武锦涛等L 1 5 】 结合 D E M 模型模拟了移动床中固 体颗粒与换热面之间的传热过程 。 综上所述 ，目前在煅烧石油焦余热回收方面尚 缺乏系统研究，本文利用 自行搭建的高温煅烧石油 焦余热 回收试验系统，详细研究了煅后焦 当量排料 速度、换热管类型、换热器当量入 口流速等参数变 化对余热回收性能的影响规律 ，以期为余热 回收换 热器的改进优化设计提供理论依据 。 1 实验部分 本文中的试验均利用 自制的煅烧石油焦余热回 收试验系统完成 ，其结构示意图如图 1 所示。该试 验系统 由换热器 、物料供给系统、水循环系统和测 量系统组成 。 1 换热器由内换热器和外换热器组成， 在 内、外换热器的换热管上均设有轴 向翅片，其结构 图 1 试验系统结构示意图 1 一凉水箱；2 一数据采集系统；3 一汽包 ；4 一压力传感器 5 一两相流流量计；6 一调节阀；7 一视镜；8 一余热回收换热器 9 一温度传感器；1 O 一超声波流量计；1 l 一水泵 图 2 换热器结构示意 图 l 一外换热器；2 一内换热器；3 一翅片 如图 2所示。内换热器的换热面积为 7 ． 1 m2 ，外换 热器换热面积为 l 6 ． 1 I 。 2 物料供给系统该试验系统搭建在某公司 的罐式煅烧炉上，实验过程 中高温煅后焦 由煅烧炉 直接供给，煅后焦在换热器内的流动速度通过换热 器下部排料 阀转速控制。 3 水循环系统该系统 由凉水箱、水泵、调 节阀、视镜、汽包等组成。汽包的内径为 9 0 0 mm， 长度为 1 ． 3 m。 在换热器入 口设有德 国F L UXUS F 6 0 1 超声波流量计，用于测量换热器入 口流速，其测量 精度 0 ． 5 ％，测量流速范围 0 ． 0 1 2 5 m／ s 。换热器 出口设有 WS M D型两相流流量计 ，用于测量换热 器出口蒸汽干度和流量。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 郑斌等高温煅烧石油焦排料过程余热回收 1 5 4 1 4 测量系统该系统由温度传感器、 压力传 感器和数据采集装置组成 。温度传感器用于测量换 热器内煅后焦的温度 、换热器入 口水温、换热器 出 口蒸汽温度等，压力传感器用于测量蒸汽压力，数 据 采 集 装置 为 自行 设 计 的 P L C 控 制 柜 ，采 用 P C P L C 的分布式数据采集，可实现各种数据的实 时采集与存储 。换热器内部煅后焦温度测点分布情 况如 图 3所示 。系统实验前，在同一稳定工况下， 每间隔 5 mi n进行一次数据采集，共采集 2 O次，各 试验点获得实验数据的相对误差均小于 1 ％。 内换热器 外换热器 第一测温层 第二测温层 第三测温层 第四测温层 第五测温层 图 3 换热器内煅后焦温度测点分布情况 换热器的传热系数计算如式 1 所示 。 k 1 A 垒 二 垒 l n △ i 式中，k为换热器 的传热系数 ，W／ m2 ‘ K1 ；O 为换热器的换热量 ，J ； 为换 热器 的换热面积 ， m2 ；△ 为两换热介质最大温差 ，K；△ ’m为两换 热介质最小温差 ，K。 换热器 的余热回收效率是指通过换热器回收的 热量 占进入换热器时煅后焦携带总热量的比例，计 算如式 2 所示。 r l q h o ． , - h m 1 0 0 ％ 2 c q 2 2’ 式中， 为余热 回收效率 ，％； 1 为水的质量 流量，k ；h 。 m为换热器 出口工质焓值，k J ／ k g ；h i 为换 热器 入 口工质 焓 值 ，k J ／ k g；c为 比热容 ， k J ／ k g ‘ K1 ；q 2 为煅后焦流量 ，k g ／ h T为煅后焦进入 换热器时的温度，K。 温度不均匀系数是指在同一水平测量面上煅后 焦温度分布的不均匀程度，计算如式 3 所示。 3 式中， ， 为温度不均匀系数；t a v 。 为煅后焦平均 温度值，K；△ f c 为与煅后焦平均温度值的最大温 度差 ，K。 实验过程 中，煅烧石油焦的排料速度利用量纲 为 1的当量排料速度表示 ，煅后焦 当量排料速度是 指煅后焦在换热器中实际流动速度与设计速度的比 值。换热器入 口流速利用当量入 口流速表示，其是 指换热器管内工质在换热管入 口处的实际流速与设 计流速 的比值。 2 实验结果与讨论 2 ． 1 高温煅后焦的余热 回收 图 4为高温煅烧石油焦排料过程 中余热回收的 情况，整个实验过程 中，换热器进 口处煅后焦 的平 均温度为 9 5 8 ℃，出口处煅后焦的平均温度为 1 8 1 ℃。由图 4可知，在整个实验周期内，蒸汽的产生 速率和余热回收效率均 比较稳定，波动较小，蒸汽 为饱和蒸汽，其饱和压力为 1 ． 0 MP a ，单支换热器平 均蒸汽产生速率 为 7 5 ． 6 k g ／ h ，平 均余热 回收效率 为 7 8 ． 9 ％。 图 5为在换热器内煅后焦的温度分布规律 。由 图 5可知 ，在垂直截面上，煅后焦 的温度从换热器 入 口到换热器出 口依次降低 。在水平截面上，内、 外换热器之间中心点位置的温度最高 ，两侧煅后焦 温度依次降低。在第一测量层上，最高温度点可达 8 6 3 ℃，最低温度点为 4 0 5 ℃，温差高达 4 5 8 ℃，温 度不均匀系数高达 0 ． 4 1 1 。 这主要是因为煅后焦的导 热系数小，水平方向传热热阻较大，导致其温度梯 1 0 0 5 0 l f I 米 蒸汽产量 一 ★ 余热回收效率 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 时间／ I 1 图4 蒸汽产生速率和煅后焦余热回收效率随时间变化规律 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 4 2 化 工 进 展 2 0 1 5年第 3 4卷 图 5 换热器内部煅后焦的温度分布规律 度 巨大。随着煅后焦 向换热器出 口移动，同一水平 面上最高温度 点与最低温度 点之 间的温差逐渐减 小。在第五测量层上，最高温度点为 2 4 9 C，最低 温度点为 2 1 5 ℃，温差仅为 3 4 ℃，温度不均匀系数 仅为 0 ． 0 7 5 7 ，其温度分布的均匀程度明显高于第一 测量层。 综上所述 ，利用余热回收换热器既可 以实现煅 后焦余热的高效回收 ，获得大量 的蒸汽，又能够实 现煅后焦的冷却， 冷却温度低， 同时冷却均匀度高， 从而避免排料时发生氧化燃烧反应。 2 ． 2 煅后焦当量排料速度的影响 图 6为煅后焦当量排料速度变化对换热器传热 系数的影响规律 。由图 6可知 ，随着煅后焦当量排 料速度的增加，内换热器和外换热器的传热系数均 逐渐增加 ，而且两者的变化趋势基本相同，内换热 器的传热系数大于外换热器的传热系数。这是因为 随着煅后焦当量排料速度的增大，单位时间内与换 热管表面接触 的颗粒数 目增多，而且煅后焦的温度 相对较高，煅后焦与换热管之间的换热量增大 。由 膜控制机理可知，煅后焦的当量排料速度影响换热 管外层 的气膜厚度，煅后焦当量排料速度越大，煅 后焦冲刷气膜的频率越高 ， 气膜越薄， 其热阻越小， 图6 煅后焦当量排料速度对传热系数的影响规律 从而使传热系数增大。 图 7为煅后焦当量排料速度变化对余热 回收效 率的影响规律 。由图 7可知，随着煅后焦当量排料 速度的增加，余热回收效率先逐渐增大，但 当当量 排料速度增加到一定值时，余热 回收效率随着当量 排料速度的增加而减小。这是因为传热系数随着煅 后焦当量排料速度的增加而逐渐增大，换热器 的总 换热量增加 ，余热回收效率增大；当煅后焦当量排 料速度过大时，虽然传热系数继续增大 ，但是换热 时间下降，无法保证换热过程 的充分进行，导致余 热回收效率降低。 2 ． 3 换热管类型 的影响 表 1 为不同换热管类型对换热器出口处煅后焦 的平均温度、温度不均匀系数、蒸汽产生速率和余 热 回收效率的影响规律 。由表 1 可知，换热管上设 置翅片后，换热器的换热能力明显提高，平均蒸汽 产 生速 率提 高 了 7 ． 2 k g ／ h，余 热 回收效率提 高 了 7 ． 4 ％；换热器 出口处煅后焦温度明显降低，温度下 降了 1 4 C，并且煅后焦温度分布 的均匀程度提高， 在第五测量层温度不均匀系数减少 了 3 2 ． 6 ％。这是 因为 煅后焦导热性能差，换热器管外热阻大，换 热管设置轴向翅片后，翅片深入煅后焦 内部，既使 换热面积有效增加 ，又 明显减小 了换热器中心部位 的煅后焦到换热器 的传热距离，使换热器的管外传 热热阻明显下降，有效地强化了换热器与煅后焦的 传热过程。 图7 煅后焦当量排料速度对余热回收效率的影响规律 表 1 翅片型换热器与光管型换热器对比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 郑斌等高温煅烧石油焦排料过程余热回收 1 5 4 3 2 ． 4 换热器当量入口流速的影响 图 8为换热器入 口水温 4 O ℃、 入 口压力 0 ． 4 MP a 时 ，换热器 当量入 口流速变化对 内、外换热器传热 系数的影响规律。由图 8可知，随着 当量入 口流速 的增加，内、外换热器传热系数均逐渐增加。这是 因为 当量入 口流速很低时，在 内、外换热器的出口 处，水的状态均为过热蒸汽，换热过程中管 内气相 比例较高，管内换热热阻较大，使传热系数较小； 随着 当量入 口流速 的增加 ，在 内、外换热器的出口 处，水的状态均为湿蒸汽 ，换热过程中管 内气相比 例下降，管 内换热热阻下降，传热系数上升；当当 量入 口流速增加到一定程度时，在 内、外换热器的 出口处，水的状态均为单相过冷水 ，管内换热热阻 较小 ，传热系数较大。 图 8 当量入 口流速变化对传热 系数 的影 响规 律 3 结 论 1 利用余热回收换热器实现了高温煅后焦余 热的回收，可获得压力为 1 ． 0 MP a的饱和蒸气，平 均蒸汽产生速率为 7 5 ． 6 k e g h ，平均余热回收效率为 7 8 ． 9 ％；同时又实现 了煅后焦的均匀冷 却，在第五 测量层煅后焦温度 的不均匀系数仅为 0 ． 0 7 5 7 。 2 换热管设有翅片后， 换热器的换热性能明 显增加，蒸汽产生速率提高 了 7 ． 2 k g ／ h ，余热回收效 率提高了 7 ． 4 ％，同时离开换热器时煅后焦的冷却均 匀程度提高，换热器出口处煅后焦的平均温度下降 了 1 4 ℃， 第五测量层煅后焦温度不均匀系数减少 了 3 2． 6％ 。 3 随着煅后焦当量排料速度的增加，内换热 器和外换热器的传热系数均逐渐增加，余热回收效 率先增加后降低 。 4 随着换热器当量入 口流速的增加，外换热 器和 内换热器 的传热系数均逐渐增加 。 参考文献 [ 1 ] 王平甫，罗英涛． 近年来我国炭阳极行业 的发展特点和技术进步 [ J ] ．炭素技术，2 0 1 1 ，3 0 1 4 0 - 4 6 ． 【 2 ] 朱世发，许建华，罗英涛 ，等．石油焦高温煅烧技术 的探讨和实 践f J ] ． 轻金属，2 0 1 0 3 3 0 3 4 ． [ 3 ] 郑斌，刘永启，王佐任， 等． 煅后石油焦热物理性能研究[ J 】 ． 炭素 技术，2 0 1 3 ，3 2 3 3 3 ． 3 5 ． [ 4 ] 孙毅．中国炭素工业生产节能减排主要技术浅析[ J 】 l炭素技术 ， 2 0 1 2， 3 l 5 1 - 5 ． [ 5 】 张峻松．炭素煅烧余热烟气加热导热油技术的应用[ J ] _ 四川冶金， 2 0 1 2，3 4 1 3 8 ． 41 ． [ 6 】 B a r a t i M，E s f a h a n i S ，U t i g a r d T A． E n e r g y r e c o v e r y f r o m h i 曲 t e mp e r a t u r e s l a g s [ J ] ． E n e r g y ，2 0 1 1 ，3 6 9 5 4 4 0 - 5 449 ． [ 7 ] K a s h i wa y a Y，l n -Na mi Y，A k i y a ma Me c h a n i s m o f t h e f o r ma ti o n o f s l a g p a r t i c l e s b y the r o t a r y c y l i n d e r a t o mi z a t i o n [ J ] ．I S I J I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 1 0 ， 5 0 9 1 2 5 2 1 2 5 8 ． [ 8 ] K a s h i wa y a Y，I n - Na mi Y，A k i y a ma D e v e l o p me n t o f a r o t a r y c y l i n d e r a t o mi z i n g me t h o d o f s l a g f o r t h e p r o d u c t i o n o f a mo r p h o u s s l a g p a r t i c l e s [ J ] ． I S I J I n t e r n a t i o n a l ，2 0 1 0 ，5 0 9 1 2 4 5 1 2 5 1 ． [ 9 ] Ma r u o k a N，Miz u o c h i T，P u r wa n t o H ．F e a s i b i l i t y s t u d y f o r r e c o v e r i n g wa s t e h e a t i n t h e s t e e lma k i n g i n d u s t r y us i n g a c h e mi c a l r e c u p e r a t o r [ J ] ． 1 S I J I n te r n a t i o n a l ，2 0 0 4 ，4 4 2 2 5 7 - 2 6 2 ． [ 1 0 ] N o mu r a T， Ok in a k a N， Ak i y a m a T e c h n o l o g y o f la t e n t h e a t s t o r a g e f o r h i g h t e mp e r a t u r e a p p l i c a t i o n A r e v i e w [ J ] ． I S I J I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 1 0，5 0 9 1 2 2 9 ． 1 2 3 9 ． [ 1 1 】 K a s h i w a y a Y， Ak i y a maT ， I n N a mi Y L a t e n t h e a t o f a mo r p h o u s s l a g s a n d the i r u t i l iz a t i o n a s a h i【g h t e mp e r a t u r e P C M[ J ] ．1 S I J I n t e rna t i o n a l ， 2 0 1 0， 5 0 9 1 2 5 9 1 2 6 4 ． [ 1 2 】 P u r wa n t o H， A k i y a m a H y d r o g e n p r o d u c t i o n fr o m b i o g a s u s i n g h o t s l a g [J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o fH y d r o g e n E n e r g y，2 0 0 6 ，3 1 4 4 9 1 -4 9 5 ． [ 1 3 ] 刘军祥．高炉渣余热回收装置传热特性实验研究【 D】 ． 沈阳东北 大学，2 0 0 9 ． [ 1 4 ] 杨凌．粉体流流动及传热参数藕合特性研究[ D] ．大连大连理工 大学，2 o o 7 ． [ 1 5 】 武锦涛，陈纪忠，阳永荣．移动床中颗粒接触传热的数学模型[ J ] ． 化工学报，2 0 0 6 ，5 7 4 7 1 9 7 2 5 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m