PDF《蒸汽-兰炭换热与余热回收特性实验研究》

? 文章编号:1007 ? 6735(2019)02 ?

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07 DOI: 10.

13255/j.cnki.jusst.2019.02.004 蒸汽-兰炭换热与余热回收特性实验研究 宋晓轶,????孙????鹏,????王延遐,????马煜翔 (山东理工大学?交通与车辆工程学院,淄博?255049) 摘要:利用自行搭建的蒸汽C兰炭气固换热实验系统,研究了整个料层内兰炭与蒸汽的换热及余热 回收特性,分析了颗粒平均粒径、料层厚度、蒸汽流量对兰炭余热回收量和蒸汽?增的影响规律. 实验结果表明:随着换热时间的增长,料层整体平均温度以先快后慢的趋势逐渐降低,有效换热 系数逐渐减小,热回收量和蒸汽的?增上升;

增加料层厚度、减小兰炭颗粒的粒径、提高蒸汽流 量有利于有效换热系数的增加,有效换热系数的范围在 3.5~52.0?W/(m

2 ・K)之间.此外,拟合 出了粒径、料层厚度、蒸汽流量、料层整体平均温度与有效换热系数的实验关系式. 关键词:兰炭;

热回收量;

有效换热系数;

颗粒粒径;

料层厚度;

蒸汽流量 中图分类号:TK?11 + 5?文献标志码:A Experimental Study on the Heat Transfer and Heat Recovery Characteristics of Steam and Semi-coke SONG Xiaoyi, SUN Peng, WANG Yanxia, Ma Yuxiang (School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China) Abstract: In ?order ?to ?study ?the ?heat ?transfer ?between ?semi-coke ?and ?steam, ?a ?gas-solid ?heat ?transfer experimental?system?was?established.?The?effects?of?the?particle?size,?material?layer?height,?steam?flow on?the?amount?of?heat?recovery?and?energy?increase?were?analyzed.?The?experimental?results?show?that with?the?increase?of?heat?transfer?time,?the?average?temperature?of?the?whole?material?layer?decreases slowly,?the?effective?heat?transfer?coefficient?decreases?gradually,?and?the?amount?of?heat?recovery?and energy ?recovery ?increase. ?With ?the ?increase ?of ?material ?layer ?height, ?the ?reduction ?of ?particle ?size and ?the ?increase ?of ?steam ?flow, ?the ?effective ?heat ?transfer ?coefficient ?increases ?in ?the ?range ?of 3.5~52.0?W/(m

2 ・K).?The?experimental?relationship?expressions?between?the?particle?size,?material layer?height,?steam?flow,?average?temperature?of?the?whole?material?layer?and?effective?heat?transfer coefficient?were?fitted. Keywords: semi-coke;

heat recovery;

effective heat transfer coefficient;

particle size;

material layer height;

steam flow ? 上 ?海 ?理 ?工 ?大 ?学 ?学 ?报 第?41?卷?????第?2?期J.?University?of?Shanghai?for?Science?and?Technology Vol.?41????No.?2????2019 收稿日期:2018?02?25 基金项目:山东省自然科学基金资助项目(ZR2014EL030, ZR2017LEE019) ;

国家重点研发计划重点专项(2017YFB0603504-2) 第一作者:宋晓轶(1991?),男,硕士研究生.研究方向:余热利用.E-mail:[email protected] 兰炭又称半焦,是泥煤、褐煤和高挥发分的烟 煤等经低温(500~700?℃)干馏得到的固体产物, 是晋、陕、蒙、宁交界地区煤炭深加工的特有产 品[1] .兰炭在硅铁、电石、化肥等行业可以代替且 优于一般焦炭,同时在冶金燃料和还原剂、吸附 材料、制合成气等领域有着巨大的潜力 [2] .目前我 国兰炭生产规模已超过

1 亿t,但生产过程中普遍 采用水熄方法对兰炭进行冷却,兰炭的显热并没 有得到充分利用,造成巨大的能源浪费.研究利 用蒸汽回收兰炭的余热,对于构建能源节约型社 会、改善环境质量、提高人民生活水平具有重要 意义. 山东理工大学提出了一种四级换热与蒸汽强 化兰炭换热相结合的技术,解决了长期制约行业 发展的兰炭水熄困难的问题,节省水熄消耗水资 源和烘干耗能,实现了清洁生产并改善了兰炭的 质量. 为了提高兰炭生产过程中对能源的利用效 率,研究兰炭换热器内的气固换热特性,有利于 兰炭的高效率冷却,以节省成本,提高企业核心 竞争力,同时对于我国节能减排、走可持续发展 之路,都具有重大的意义. 国内外许多学者对气固换热进行了相关研 究.Yang 等[3-4] 采用圆形和椭圆形的轴承钢作为固 体介质研究了气固换热系数.武锦涛等 [5] 研究了移 动床内与加热面接触的颗粒数目、接触时间、颗粒C加热面间接触面的大小等因素对有效传热系数 的影响.马涛 [6] 采用不同粒径钢珠模拟多孔介质材 料传热试验来研究等效导热系数的变化趋势. Abdulmohsin 等[7] 测量了球体填充床内的对流有效 换热系数及其径向分布.吴静 [8] 研究了间接加热列 管式回转干燥机内加热管壁与料层间的有效换热 系数随物料填充率、颗粒粒径、列管回转半径的 变化规律.在烧结矿的余热利用方面,很多学者 研究了提高烧结矿余热利用的方法 [9-12] .孔宁等 [13] 综述了国内外有关干熄炉内流动和换热过程数学 模型的研究现状及其发展趋势.胡国新等 [14] 建立 物理数学模型,研究了不同情况下床内颗粒料层 中气固温度的分布规律.杜建华等 [15] 分析了通道 内具有内热源多孔介质固定床的冷却过程.综上 所述,国内外学者针对兰炭冷却过程中蒸汽与兰 炭换热特性的相关研究较少,兰炭炉内一些重要 的操作参数(如蒸汽流量等)和颗粒特性参数(如粒 径、料层厚度等)对气固换热特性的影响并不完全 清楚. 本文建立了蒸汽C兰炭换热实验系统,分析蒸 汽与兰炭的换热规律,从而为余热的高效利用、 节能减排和发展循环经济提供理论依据.

1 实验 1.1 实验原理与操作 在兰炭生产过程中,炽热的兰炭颗粒由上往 下缓慢运动,经过熄焦后在兰炭炉底部排出.在 熄焦过程中,引入部分饱和蒸汽由底层向上运 动,以强化兰炭颗粒换热.由于兰炭向下缓慢运 动,运动速度约为 20?cm/h,与蒸汽速度相比可以 忽略,因而本实验在研究蒸汽C兰炭换热时,令兰 炭静止,温度升到工作温度(600?℃),蒸汽从底部 经过,对1?h 内兰炭冷却的对流换热特性进行研究. 实验启动过程中,既要保证兰炭能够达到工 作温度,又要防止兰炭颗粒的氧化,而在温度较 低的时候蒸汽容易凝结在实验系统内,影响系统 的稳定运行和有效换热系数的测定.本实验采用 预先向实验筒内通入氮气将空气排出后再加热升 温的方式解决上述问题,在温度达到工作温度后 通入蒸汽进行实验. 本文自行设计并搭建了蒸汽C兰炭换热实验 台,实验系统结构如图

1 所示.其中,P 为压力;

ΔP 为压差.该系统由电加热器、温度采集装置、 流量积算仪、蒸汽发生器、氮气罐、固定支架、 实验筒、不锈钢网、保温层、烟气分析仪组成. 其中,实验台整体材料使用

304 不锈钢,固定支 架为铸铁材料.圆筒用来装填物料,其外径为 152.0?mm,壁厚 1.0?mm,长度 650.0?mm.电加热 系统由陶瓷电加热圈和电控箱组成,加热功率为 11.0?kW,电加热圈紧贴实验筒外壁,主要作用是 对兰炭颗粒进行加热,并在外层加保温层.温度 采集系统由 K 型热电偶、USB 温度采集卡和计算 机组成,用来实时记录实验中筒内颗粒的温度. 蒸汽发生器为实验提供蒸汽,流量积算仪用以测 量并记录蒸汽的进出口质量流量(kg/h)、热流量 (kJ/h)和温度(℃),测量精度均为 0.001. 本实验所用的蒸汽发生器由江心锅炉有限公 司生产,型号为 LDRO.017C0.7:额定功率 4.0?kW, 储水容积 8.0?L,重量 63.0?kg,最大产汽量 7.5?kg/h, 温度 105?℃,压力 0.11?MPa.

124 上??海??理??工??大??学??学??报2019?年?第?41?卷1.2 物料 实验所用兰炭产自神府地区,其工业分析和 元素分析见表 1. ? ? ? 表1兰炭工业分析和元素分析 Tab.1 Industrial analysis and elemental analysis of semi-coke 煤样 工业分析/% 元素分析/% Mad Aad Vad Cdaf Hdaf Ndaf Sdaf Odaf 神府 0.82 5.85 9.99 90.68 2.67 1.09 0.59 4.97 ? ? 实验开始前,需要对兰炭颗粒进行分类,根 据中华人民共和国

2010 年发布的《兰炭产品技术 条件》,按照粒径大小筛分成小颗粒、中颗粒、 大颗粒

3 个类型,其粒径范围分别为 6~13?mm, 13~25?mm,25~50?mm.在筒内轴向的相应位置 放置

3 个由兰炭制成的测试球,测试球中心插入 热电偶,用来测量兰炭颗粒的温度,并以这

3 个点 的热电偶的平均温度表示料层整体的平均温度. 每次实验前都需要调整测试球的位置,将其相对 高度(距离料层底部的位置 y 与料层厚度 H 之比) 调整为0.1, 0.5, 0.9. 实验用兰炭物性参数见表2. ? ? 表2实验用兰炭物理特性 Tab.2 Physical properties of semi-coke used in the experiment 筛分直径/mm 空隙率 质量百分比/% 平均粒径/mm 6~13 0.46 0.08 9.0 13~25 0.54 0.17 19.0 25~50 0.59 0.75 37.5 ? ? 1.3 评价指标 1.3.1???气固有效换热系数 兰炭炉内气固有效换热系数 he,可用下式计算 式中:q 为热流量,由积算仪测得;

A 为换热面积;

a 为单位体积床层内颗粒有效受热面积;

V 为料层 体积;

Δt 为气固平均温差. 单位床层内颗粒的有效受热面积 式中:ε 为空隙率;

d 为颗粒平均粒径. 气固平均温差可表示为 ? ? 图1实验系统结构示意图 Fig.1 Schematic of the experimental system 第?2?期 宋晓轶,等:蒸汽?兰炭换热与余热回收特性实验研究

125 其中, 和 分别为气固间最大和最小温差. 标准节流装置的质量流量表达式为 式中: 为蒸汽的质量流量;

为流出系数,无量 纲;

为管径比,无量纲;

为被测介质的可膨胀 系数,无量纲;

为孔板开孔直径;

为压差;

为工作状态下的介质密度. 进出口蒸汽热流量的计算公式为 式中, 为热焓,蒸汽的热焓依据 IAPWS-IF97 公 式进行实时计算. 1.3.2???热回收量 实验中热回收量的计算公式为 式中:ΔQ 为热回收量;

Q1,Q2 分别为进、出口 热流总量,由积算仪测得. 1.3.3???蒸汽?增 焓分析中的热值和?分析中?值的对应关系 为 式中:E ........