炼焦周期内上升管换热器传热特性分析

戴飞祥， 包向军， 张 璐， 汪徽俊， 陈 光， 王 浩

（1. 安徽工业大学 能源与环境学院， 安徽 马鞍山 243000； 2. 中冶华天工程技术有限公司， 安徽 马鞍山 243000）

在钢铁行业中，炼焦工序为炼铁工序提供焦炭，炼焦配煤成本占钢铁企业总能源成本的70%以上［1］.炼焦过程产生的荒煤气温度约为600 ～850 ℃，余热资源占焦化总工序的36%.然而，目前大量的荒煤气余热资源并未得到有效的回收利用，主要原因有两个：一是荒煤气温度极限“坎”，当温度低于450 ℃时，煤焦油蒸汽会凝结在上升管及桥管内壁上，换热器换热效果下降甚至会失去换热效果［2］；二是荒煤气成分较为复杂，硫化氢等成分在高温环境中对常规换热器的钢材具有腐蚀作用，易造成换热介质泄露到炭化室等事故的发生.因此，回收荒煤气余热资源对换热设备的材料和结构设计均具有较高的要求.

长期以来， 焦炉荒煤气的余热回收得到了研究者们的广泛关注。 但由于焦炉上升管及桥管内部环境较为复杂， 伴随着高温、 有毒等恶劣条件， 传统的实验方法研究存在着成本高、 误差大等缺点， 无法满足实际的基本要求， 导致现有的研究多为数值模拟［3-4］. 此外， 以往的研究大多是针对高温荒煤气的余热回收［5-7］， 忽略了一个炼焦周期内焦炉荒煤气的变化规律以及中低温余热的回收问题， 未能从根本上解决荒煤气余热回收效率低下的问题.

为了提高荒煤气的余热回收效率， 本文中以焦炉上升管作为研究对象， 针对一个炼焦周期内上升管荒煤气的余热回收问题， 建立焦炉上升管模型， 采用CFD 数值模拟方法研究焦炉荒煤气余热回收过程中换热器内壁沿程的温度变化规律和传热特性， 并以此作为焦炉上升管换热器的理论基础， 为后续优化及工业应用提供参考.

1 焦炉上升管换热装置的数值模拟

1.1 物理模型

图1 为焦炉上升管及桥管系统结构示意图.主要结构包括炭化室、 焦炉上升管、 焦炉桥管、上升管水夹套式换热器、 集气室等， 其结构参数如表1 所列. 荒煤气从下方炭化室沿上升管换热器内部向上流动， 通过内壁与加热夹套内的换热介质（高压除盐水） 进行换热， 后经桥管流向集气室.

图1 上升管换热器结构图Fig.1 Structural drawing of riser heat exchanger

表1 模型主要结构尺寸Table 1 Main structural dimensions of model mm

1.2 几何模型

根据某焦化厂上升管的实际尺寸， 设计上升管换热器的模型如图2 （a） 所示。 运用建模软件1 ∶1 绘制模型并进行网格划分， 如图2 （b）所示. 由于上升管及桥管处的几何结构较为复杂、 尺寸相差较大， 为使计算简便， 此处采用适用性较好的非结构化四面体网格， 并利用分块技术将上升管桥管系统划分成高温荒煤气侧、 换热水侧及换热管3 部分。 在流固耦合区域进行局部加密， 网格采用高精度网格， 倾斜度小于0.2，网格质量值大于0.8.

图2 上升管换热系统模型示意图Fig.2 Model and mesh generation of riser heat exchange system

1.3 数学模型

为简化计算，数值模拟过程对上升管换热装置做了如下简化处理：流体流动为稳态和不可压缩流动；采用高压除盐水作为换热工质；将烟气简化为干空气.在一个炼焦周期内，焦炉上升管及桥管的荒煤气流速会发生变化，且荒煤气中含有具备发射能力的气体，故湍流模型采用标准k⁃ε模型，辐射模型采用DO 模型.

1.4 边界条件及求解器的设置

焦炉荒煤气和高压除盐水进口采用速度进口，荒煤气和高压除盐水出口采用压力出口，荒煤气和高压除盐水边界条件设置如表2 及表3 所列.换热器与空气接触的管外壁面对流换热系数设置为10 W／（m2·K），环境温度为300 K；荒煤气与固体间壁相接触的面、高压除盐水与固体间壁相接触的面均设置为耦合面.

表2 荒煤气进口边界条件设置参数Table 2 Setting parameters of boundary conditions of waste gas inlet

表3 高压除盐水进口边界条件设置参数Table 3 Setting parameters of high pressure desalted water inlet boundary conditions

在软件中，采用稳态计算方式，压力速度耦合采用SIMPLE 算法进行求解，压力项的选择为Standard 格式，且动量、湍动能、湍流扩散率及能量的求解均使用二阶迎风格式进行计算.

2 焦炉上升管水夹套换热器传热特性分析

为了研究上升管换热器在一个炼焦周期内的换热规律，分别选取荒煤气进口速度为6.6，6.0，4.8，3.0，0.8 m／s 的温度场进行分析，获得荒煤气管道中的温度场分布如图3～5 所示.

由图3 可知，在不同的炼焦时间，荒煤气离开炭化室进入上升管，靠近水夹套管壁的荒煤气随高度增加逐渐被冷却。 而上升管中心区域的温度保持在583～883 ℃，表明该区域内的荒煤气尚未被冷却.进入到炼焦过程中后期，荒煤气的流速逐渐降低，进口的荒煤气温度整体呈较小幅度的上升趋势.在同一上升管高度时，炼焦过程中后期的温度梯度相较于前期更为明显.在大部分的炼焦时间里（1，4，7，14 h），荒煤气流速从6.6 m／s 降至3 m／s，而进口温度从690 ℃升高至880 ℃；在炼焦末期（16 h），进口温度逐渐降低至776 ℃.

图3 一个炼焦周期内不同进口速度下z＝0 截面温度分布Fig.3 Temperature distribution of z＝0 section at different inlet velocities in a coking cycle

从图4～5 可以看出，上升管换热器出口截面处的荒煤气温度分布呈现中心高、边缘低、依次递减的规律.这是因为边缘区域的荒煤气与换热器壁面直接接触，被迅速冷却，而中心区域尚未被完全冷却。 该温度分布规律也与图3 中z＝0 截面的相互对应，随着荒煤气进口速度的减小，出口高温区范围逐渐缩小，平均温度逐渐降低.当炼焦时间分别为1，4，7，14，16 h 时，上升管出口平均温度分别为612，636，645，678，480 ℃.其中，在炼焦时间为14 h 时，上升管出口平均温度最高。 尽管此时荒煤气进口流量较小，但其带入的总热焓值是最大的，因此出口温度是最高的.

图4 一个炼焦周期内不同进口速度下上升管换热器出口截面温度分布Fig.4 Temperature distribution at outlet section of riser heat exchanger at different inlet velocities in a coking cycle

图5 一个炼焦周期内不同入口速度时出口截面温度分布（标准状态）Fig.5 Temperature distribution of outlet section at different inlet velocities in a coking cycle （standard state）

图6 为一个炼焦周期内荒煤气在上升管换热器出口截面温度的分布曲线图.从图6 可以看出，在大部分的炼焦时间里（1，4，7，14 h），上升管出口管壁温度均高于450 ℃，并未发生焦油析出黏结现象.当处于炼焦末期（16 h），荒煤气进口速度降低至0.8 m／s，流道内管壁处的壁面温度低于450 ℃，析出部分焦油，径向距离上的析出范围约为52 mm.但由于炼焦末期时间相对较短，焦油的析出量并不大.从出口截面中心区域的温度变化情况可以发现，该区域温度变化幅度极小.结合传热过程规律分析可知，在管壁附近存在换热边界，换热方式主要为对流换热，换热较为充分；随着热传递的进行，靠近中心区域的荒煤气流体之间换热程度逐渐降低，温度变化越来越小；同时还存在来自炭化室的辐射换热，但此时上升管出口距离炭化室较远，辐射换热的影响较小.

图6 一个炼焦周期内出口截面温度分布Fig.6 Temperature distribution of outlet section in a coking cycle

为了进一步分析壁面温度的变化，将一个炼焦周期内的沿程壁面温度变化曲线进行对比，结果如图7 所示.

从图7 可以看出，随着炼焦过程的进行，进口处壁面平均温度由287.2 ℃降至245.2 ℃，出口处壁面平均温度由182 ℃降至131.4 ℃.炼焦中后期的壁温下降梯度明显大于前期，整体平均壁面温度在炼焦时间为14 h 时最高，16 h 时最低.这是因为荒煤气的流速减小，而水流量不变，导致其对流换热能力下降，总换热量减小；同时流速减小使荒煤气的换热时间增长，对换热的影响远大于对流换热能力下降的影响.

图7 一个炼焦过程上升管内壁沿程温度变化规律Fig.7 Temperature variation along the inner wall of riser in a coking process

3 结 论

（1）在一个炼焦周期内，上升管进口温度从690 ℃升高至880 ℃，在炼焦末期时（16 h），荒煤气进口温度逐渐降低至776 ℃.上升管出口平均温度分别为612，636，645，678，480 ℃，其中在炼焦时间为14 h 时，上升管出口平均温度最高为678 ℃.

（2）当处于炼焦末期时（16 h），流道内管壁处的荒煤气温度还是会低于450 ℃，有部分焦油析出。 出口中心区域的荒煤气温度变化幅度极小

（3）上升管换热器内壁高度方向上的温度分布基本可以分为三段：高温段、中温段、低温段.随着炼焦过程的进行，整体平均壁面温度在炼焦时间为14 h 时最高，16 h 时最低.