煅燒爐冷卻水套三維傳熱特性的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究.pdf

1、炭素行業(yè)中高溫煅后焦在冷卻水套內(nèi)的冷卻過程是石油焦煅燒工藝中很關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，然而現(xiàn)今行業(yè)內(nèi)普遍使用的夾套式冷卻水套對(duì)高溫煅后焦的冷卻效果較差。一方面高溫物料內(nèi)部熱量不易及時(shí)導(dǎo)出，冷卻后焦料溫度依然較高，易發(fā)生氧化，對(duì)石油焦顆粒的質(zhì)量及后續(xù)工藝產(chǎn)生較大不利影響;另一方面中空夾套內(nèi)的冷卻水流速過小且分布不均，存在漩渦區(qū)，易發(fā)生汽化，影響水套的傳熱，因此研究水套內(nèi)的傳熱特性以改善其換熱性能迫在眉睫。
　　本文首先使用GAMBIT軟件建

2、立了罐式煅燒爐冷卻水套的幾何模型，并對(duì)建立的模型劃分網(wǎng)格，采用FLUENT軟件，分別選用Mixture模型和多孔介質(zhì)模型對(duì)高溫焦料側(cè)進(jìn)行模擬計(jì)算，通過數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，驗(yàn)證結(jié)果表明這兩種模型可準(zhǔn)確地對(duì)物料側(cè)的溫度場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。
　　其次，對(duì)單罐產(chǎn)量為80kg/h的煅燒爐冷卻水套進(jìn)行了傳熱特性分析，得到了冷卻水側(cè)的速度場、溫度場、物料側(cè)的溫度場以及冷卻水、焦料的出套溫度等重要參數(shù)的演變規(guī)律，以焦料出口溫度

3、和冷卻效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了夾套式水套的換熱弊端。在此基礎(chǔ)上，改變冷卻水流量并進(jìn)行計(jì)算，由結(jié)果可知，冷卻水流量增大為原來的2倍時(shí)，焦料出口平均溫度僅降低1.33K，說明增加冷卻水入口流量并不能提高水套冷卻效率。同時(shí)分析了焦料流量和空隙率對(duì)水套換熱性能的影響，結(jié)果表明:在焦料流量從40kg/h增大到130kg/h時(shí)，焦料出口平均溫度及最高溫度出現(xiàn)單調(diào)增加的趨勢，且增長斜率逐漸變小，焦料出口平均溫度由552K增加到777.89K;隨著焦料空

4、隙率的增加，焦料出口平均溫度及最高溫度有所減小，但變化幅度不大。
　　最后，基于水側(cè)和焦料側(cè)的傳熱分析，提出了水套的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并進(jìn)行了優(yōu)化后傳熱性能的數(shù)值計(jì)算研究。在冷卻水側(cè)分別布置了螺旋導(dǎo)流板和豎直導(dǎo)流板，研究結(jié)果表明:在相同的入口流量下，優(yōu)化后冷卻水流速大幅提高，水套內(nèi)水流流動(dòng)順暢，尤其是螺旋導(dǎo)流板方案不存在漩渦區(qū)和局部高溫區(qū)，流場和溫度場分布更加均勻，不易發(fā)生汽化，即使在入口水速較小的情況下發(fā)生汽化，產(chǎn)生的水蒸氣也能順著

5、流道及時(shí)排出，但水側(cè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后中心區(qū)域焦料溫度基本沒有變化。
　　因此本文提出了在焦料側(cè)采用布置內(nèi)換熱管束的優(yōu)化措施，首先計(jì)算分析了焦料內(nèi)部布置單根換熱管時(shí)的傳熱性能，結(jié)果表明，加入單根換熱管后，水套傳熱性能得到了極大改善，與優(yōu)化前相比焦料出口平均溫度降低了103.59K，水套冷卻效率提高了19.58％;而且隨著換熱管高度的增加，焦料出口平均溫度單調(diào)降低且降低的斜率基本保持不變;基于內(nèi)置單根換熱管水套，研究了內(nèi)換熱管入口水速在0.

6、08～0.4m/s之間變化時(shí)水套傳熱的變化，在計(jì)算流速范圍內(nèi)，出口焦料的平均溫度僅降低0.77K，表明水速的增加并未顯著提高水套的冷卻能力。最后通過焦料的溫度場和溫度分布曲線確定了內(nèi)換熱管束的優(yōu)化布置方案，與優(yōu)化前相比，按照優(yōu)化布置方案布置七根換熱管束，焦料出口平均溫度由721.95K降低至428.06K，出口溫度不均勻系數(shù)由0.24降低至0.135，水套冷卻效率由55.51％提高至86.35％。
　　本文結(jié)論為煅燒爐冷卻水套的結(jié)