分离式热管提取焦化熄焦废水的余热

分离式热管提取焦化熄焦废水的余热

0焦化废水余热回收利用的探讨在能源日益紧张的今天，现代工业产生的大量剩余收入尤其重要。MariaLjunggrenS⌀derman与zeljkoBajza在工业余热回收方面做了大量工作,目前,中国的焦化厂在产能不断增大的同时产生的余热也在不断增大。1座60×104t/a的焦化厂产生熄焦废水达600t/d～800t/d。焦化熄焦废水的温度最高可达90℃～100℃,直接排至污水处理工段,是对热能的极大浪费,若用分离式热管将其余热提取出来,可为生活所用。由于焦化废水中含有大量酚等有害物质,其对金属材料的腐蚀性极强,这是焦化废水余热难以回收的关键。如果热管蒸发段采用塑钢形式,虽然塑料换热效果不如金属,但由于冷凝段还是金属材料,整体换热效果要比采用塑料热管好。为此,提出了采用蒸发段为塑钢的分离式热管提取焦化熄焦废水余热的方式。1热管传热系数和充液量的确定由于熄焦废水温度高且腐蚀性强,所以分离式热管采用不锈钢材质。蒸发段与冷凝段的构造相同,采用23根长度L=1000mm,直径d=20mm,厚度δ=0.8mm的钢管,蒸汽上升管用DN80的钢管。蒸发段外镀δ=2mm的塑料。蒸汽上升管用保温材料绝热,浸入焦化废水中的冷凝液下流段部分也外镀2mm的塑料。分离式热管构造见图1,蒸发段热管平面布置见图1。在蒸发段一侧由于热管表面镀有塑料层,增强了传热热阻,降低了传热系数,所以应设法增强传热效果。由于热管的物性一定,可通过热管的交叉排列,使热流体流态由层流变为紊流状态,增强热流与热管之间的传热效果。在流体以1.5m/s的流速流过蒸发段时,按照式(1)的传热系数准则,进行热管表面的塑料层与热流体的热交换。Nuf=0.35Ref0.6Prf0.36(Prf/Prw)0.25(S1/S2)0.2,(1)其中,S1/S2=1。塑料层与流体之间的传热系数为:h1=Nufλ/d。分离式热管的蒸发段与冷凝段是分开的。当高温焦化废水通过底部的蒸发段时,工作介质变为蒸汽。蒸汽聚集到上升管内向上流动,流至冷凝段后放出热量。冷流体在冷凝段与管壳、散热翅片充分接触时被加热。在冷凝段放出热量后蒸汽变为液体,在重力作用下回到下流段。整个系统中,由于蒸汽上升与液体下降形成了一定的密度差,为整个系统的运行提供了所需要的压力。其循环运动压头的计算式为式(2)。Syd=x0(ρl-ρv)gΗ+Ν∑i=1xi(ρl-ρv)gδz+Ν∑j=1(1-xj)(ρl-ρv)gδzSyd=x0(ρl−ρv)gH+∑i=1Nxi(ρl−ρv)gδz+∑j=1N(1−xj)(ρl−ρv)gδz。(2)从式(2)中看出,蒸发段与冷凝段的高差H越大,压头越大,系统内部循环压力就越大。在传热效率方面,有人作过高差与传热能力关系的实验,得出高差越大,分离式热管的传热能力越强。在该实验中,为了便于观察,高差定为0.5m。为使蒸发段与热流体能充分进行热交换,蒸发段热管呈交错布置,让热流体充分冲刷蒸发段。为使冷凝段与冷流体充分进行热交换,冷凝段装有散热翅片,增大冷凝段的换热效率。充液量是影响分离式热管传热效率的重要因素之一。若充液量过大,蒸汽可能携带液体进入冷凝段;反之,若充液量过少,会造成蒸发段干涸现象。2种情况都会导致传热效率降低。为此,把环膜烧干点置于蒸发段出口时的充液量,作为分离式热管的最小充液量。关于充液量可按式(3)计算。充液量:G=G1+G2+G3+G4+G5,(3)其中:G1=Ν∑i=1[εiρvA+(1-εi)ρ1A]δΖG1=∑i=1N[εiρvA+(1−εi)ρ1A]δZ,G2=VvNASLSρv,G3=4qC/7hfgL2c2c,G4=ρ1AxLx,G5=取5%。通过实验测量不同充液量状态下,分离式热管的冷凝段壁温和传热量(见图3)。从图3看出,在蒸发段热媒温度一定时,随着充液量的增加,冷凝段管壁温度会不断升高。充液量在80%～110%之间变化时,管壁温度上升最快,传热功率最大,在此范围内分离式热管的传热效果较好。2蒸发段传热及传热功率的计算试验中用电加热水箱为整个系统提供热源。分离式热管的蒸发段整体浸入热流体中提取热量,冷凝段浸入冷流体中把蒸发段提取出来的热量传导至冷流体。在冷流体与热流体前后安装温度表与电磁流量计,测得流体温度差与流量。通过智能多点温度巡检仪测得冷凝段壁面温度分布情况。实验系统设置见图4。用电加热器把水箱中的水加热至90℃,系统运行后,控制流速为1.5m/s让热流体流经蒸发段,流经冷凝段冷流体的初始温度在10℃左右。测量热流体流经蒸发段前后的温度t1、t2以及蒸发段一侧热流体流量q1,得出蒸发段一侧的传热量及传热功率。同样测得冷凝段的传热量及传热功率。通过智能多点温度巡检仪测得冷凝段管壁各点的温度。蒸发段的换热系数用式(4)计算,he=3.942×105.06×104Rel,(4)蒸发段的传热系数为:K=1/(1/h1+δ/λ+1/he),(5)则蒸发段的热流密度为:q=k(tf-tb)(6)冷凝段的换热系数按式(13)计算,hc=0.375(ζρlρvuv-2hfgλ2l/μllcqc)1/2(7)则冷凝段的换热量一部分为冷凝段管壁与周围流体的传热量:Q1=S1hc(tb-tf),(8)另一部分为散热翅片与周围流体的传热量。将散热翅片简化为一维非稳态导热问题。首先,只考虑散热翅片与流体的对流换热,忽略其对流体的辐射换热;其次,假定散热翅片表面与流体的换热系数为一定值,不随温度变化而发生变化;最后,假定翅片周围流体温度相同。散热翅片厚度非常小,设为1。翅片的一维非稳态导热方程为式(9):1/a∂T/∂t=1/h(x)∂/∂x[h(x)∂T/∂x]-L(x)/h(x)h/k(Tx-Tf),(9)当x=0,T=Tb,x=H时,∂T/∂x=hc/k(T-Tf)。(10)经过关于时间t的拉普拉斯变换,得到:[s/a+L(x)/h(x)hc/k]ˉΤ=1/h(x)∂/∂x[h(x)∂ˉΤ/∂x]+L(x)/h(x)hc/kˉΤ+Τb/a‚(11)解方程得其通解:ˉΤ=C1sinh(mx)+C2cosh(mx)+ˉΤb+ˉΤn。(12)通过边界条件求得散热翅片的导热传递函数f(x):Q2=ks∫b0(f(x)-Tf)dx。(13)3蒸发段余热回收技术a)通过调节热媒温度,测得冷凝段一侧单根管子传热功率与管壁温度变化(见图5、图6)。从图5、图6中看出:(a)热媒温度和壁面温度越高,传热功率越大;(b)由于焦化废水温度较高,用分离式热管的传热效率较高;(c)随着温度升高,冷凝段传热效率增大,冷凝段冷媒水得到热量越多,分离式热管从焦化废水中提取的热量越多。所以,在蒸发段充液量一定的情况下,随着温度的升高,冷凝段传热功率不断升高。焦化废水的温度随熄焦废水量的变化,一般在50℃～80℃之间变化,甚至更高。所以,焦化废水温度越高,分离式热管从中提取的热量越多;b)控制流速为1.5m/s,水温为10℃,冷流体流经冷凝段时,可测得冷流体温升随热流体温升的变化情况见图7。从图7中看出:(a)蒸发段热媒水温度越高,冷凝段冷流体被加热后的温度越高;(b)由于熄焦废水温度较高,回收热量后的热水温度完全满足厂区生活用水的要求;(c)通过测量冷凝段冷流体水流量,冷凝段两侧水温,计算出分离式热管提取的热量。根据每千克标准煤释放出的热量,可计算出节省标准煤的质量。提取热量:ˉΤ=C1sinh(mx)+C2cosh(mx)+ˉΤb+ˉΤn,(14)折合标准煤:Q2=ks∫b0(f(x)-Tf)dx,(15)其中,q为每千克标准煤放出的热量。经计算,熄焦废水经余热回收可节省标准煤6.7t/a。冬季回收的余热还可用于采暖,这样至少可以节省标准煤2400t/a,减少CO2与SO2的排放,实现环保节能的目标。4分离式热管充液量的控制策略通过理论分析与实验测量相结合的