D01:10.13374.isml00103x.2007.2.B4 第29卷第12期 北京科技大学学报 Vol.29 No.12 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 干熄炉焦炭床层局部和平均换热系数 冯妍卉张欣欣刘志成吴懋林 北京科技大学机械工程学院.北京100083 摘要根据干熄炉内焦炭床层换热的特点.建立了固定床干熄炉传热模拟实验装置.针对焦炭粒度、冷却气体流量等关键 参数进行了实验研究.为有效处理实验数据，重新定义，推导了平均换热系数的计算公式.得到了干熄炉冷却段平均换热系数 及其相关准则数关系.并利用导热反问题原理得到了焦炭床层的局部换热系数.研究结果表明.局部换热系数和平均换热系 数的变化规律相似，冷却气体流量增加有利于提高换热系数：换热系数对焦炭粒度较敏感，焦炭粒度变小时，换热系数增加. 关键词干熄焦：换热系数：导热反问题；干熄炉：焦炭床层：焦炭粒度 分类号TQ52216 干法熄焦是治金和焦化行业的新工艺.干法熄 系数M=1068-352 焦技术具有三大优点：提高焦炭的品质：避免湿法熄 文献7一8给出了多孔固体料层平均表面换热 焦对环境污染和回收红焦显热；能够起到节能与环 系数的经验公式.根据一些作者的研究，平均体积 保双重作用一1.从20世纪20年代开始研究干熄 换热系数与平均表面换热系数可以通过多孔料层的 焦技术以来原苏联、日本和德国在干熄焦装置的发 比表面积和孔隙率进行换算.近年来随着干熄 明、投产、大型化和自动化等进程中，一直起着领先 焦工艺在国内治金行业的应用，国内一些学者也对 的作用9.但由于干熄焦技术的专利权和保密性， 平均换热系数进行了实验研究. 使得目前可公开查阅的资料非常有限.我国自1985 本文根据干熄炉内焦炭与循环气体传热的基本 年由宝钢引进干熄焦装置以来目前己具备了70~ 特点，设计并建立了干熄炉模型实验装置，针对焦炭 120th1干熄焦装置的设计和制造能力小. 粒度、循环气体流量等关键参数进行了实验研究，得 干熄焦工艺的关键设备是干熄炉，在干熄炉 出冷却段平均换热系数及相关准则数关系，并与 内，炽热红焦由炉顶装入预存段自上而下运动，经 式(1)进行了比较：通过对焦炭导热反问题的数值求 冷却段与循环气体交换热量被冷却：循环气体自下 解，得到冷却段中轴线上焦炭颗粒的表面热流和表 而上作逆向流动，吸收焦炭显热后，经斜道排出.焦 面局部换热系数. 炭与循环气体间的换热决定了干熄焦装置的生产能 力和熄焦品质，因此换热系数是决定干熄炉内传热 1 实验装置 规律的关键参数，也是干熄炉设计计算及控制运行 干熄焦传热模拟实验装置由干熄炉组、热风系 的基本参数 统、冷风系统和流量控制系统四部分构成7,9，如 Kitaev等人对焦块填充床平均体积换热系数进 图1所示.为有效利用加热系统和加快实验进程 行了大量的实验研究工附9，提出可以用如下公式 确定焦炭与循环气体间的平均体积换热系数α，可： 实验中采用两座熄焦实验炉，交替进行加热和冷却 过程实验.模拟实验的基本原理是：加热炉内燃烧 a=A: 山 (1) 柴油，通过换热器加热空气：热空气经过流量控制系 统进入干熄炉内，将焦炭加热到实验温度：然后切换 式中，ay为体积换热系数，W·m一3·K1;A,为常 数，对于焦炭A=170:ug为0℃时竖炉自由断面上 控制阀，冷风系统向干熄炉内鼓入一定流量的冷风 气体的速度，m·s,T。为气体的平均温度，K:d。 冷却焦炭到室温.重复进行实验.实验中，通过控 制温度使焦炭与气体无化学反应发生. 为料块的当量直径，m:M为与料层孔隙率e有关的 干熄焦实验炉按熄焦能力为70th的干熄炉 收稿日期：2006-09-10修回日期：2006-12-10 尺寸的/7比例设计，参见图2.冷却段两个基本测 基金项目：国家经贸委技术创新项目和国家自然科学基金资助项目 量层的相对高度为H.对于每一测量层，在轴心处 (N0.50136020) 作者简介：冯妍卉(1974一），女，副教授，博士 放置一个由被测焦炭制成的测试球.测试球中埋入干熄炉焦炭床层局部和平均换热系数 冯妍卉 张欣欣 刘志成 吴懋林 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 摘 要 根据干熄炉内焦炭床层换热的特点, 建立了固定床干熄炉传热模拟实验装置, 针对焦炭粒度、冷却气体流量等关键 参数进行了实验研究.为有效处理实验数据, 重新定义、推导了平均换热系数的计算公式, 得到了干熄炉冷却段平均换热系数 及其相关准则数关系, 并利用导热反问题原理得到了焦炭床层的局部换热系数.研究结果表明, 局部换热系数和平均换热系 数的变化规律相似, 冷却气体流量增加有利于提高换热系数;换热系数对焦炭粒度较敏感, 焦炭粒度变小时, 换热系数增加. 关键词 干熄焦;换热系数;导热反问题;干熄炉;焦炭床层;焦炭粒度 分类号 TQ 522.16 收稿日期:2006-09-10 修回日期:2006-12-10 基金项目:国家经贸委技术创新项目和国家自然科学基金资助项目 ( No .50136020) 作者简介:冯妍卉( 1974—) , 女, 副教授, 博士 干法熄焦是冶金和焦化行业的新工艺.干法熄 焦技术具有三大优点 :提高焦炭的品质 ;避免湿法熄 焦对环境污染和回收红焦显热 ;能够起到节能与环 保双重作用[ 1-3] .从 20 世纪 20 年代开始研究干熄 焦技术以来, 原苏联 、日本和德国在干熄焦装置的发 明、投产、大型化和自动化等进程中, 一直起着领先 的作用 [ 4] .但由于干熄焦技术的专利权和保密性, 使得目前可公开查阅的资料非常有限.我国自1985 年由宝钢引进干熄焦装置以来, 目前已具备了 70 ～ 120 t·h -1干熄焦装置的设计和制造能力[ 5] . 干熄焦工艺的关键设备是干熄炉 .在干熄炉 内, 炽热红焦由炉顶装入预存段, 自上而下运动, 经 冷却段与循环气体交换热量被冷却 ;循环气体自下 而上作逆向流动, 吸收焦炭显热后, 经斜道排出 .焦 炭与循环气体间的换热决定了干熄焦装置的生产能 力和熄焦品质, 因此换热系数是决定干熄炉内传热 规律的关键参数, 也是干熄炉设计计算及控制运行 的基本参数. Kitaev 等人对焦块填充床平均体积换热系数进 行了大量的实验研究工作[ 6] , 提出可以用如下公式 确定焦炭与循环气体间的平均体积换热系数 αV [ 6] : αV =A s u 0.9 g T 0.3 g d 0.75 p M ( 1) 式中, αV 为体积换热系数, W·m -3·K -1 ;A s 为常 数, 对于焦炭 As =170 ;ug 为0 ℃时竖炉自由断面上 气体的速度, m·s -1 ;T g 为气体的平均温度, K ;dp 为料块的当量直径, m ;M 为与料层孔隙率ε有关的 系数, M =10 1.68ε-3.56ε 2 . 文献[ 7-8] 给出了多孔固体料层平均表面换热 系数的经验公式 .根据一些作者的研究, 平均体积 换热系数与平均表面换热系数可以通过多孔料层的 比表面积和孔隙率进行换算[ 7] .近年来, 随着干熄 焦工艺在国内冶金行业的应用, 国内一些学者也对 平均换热系数进行了实验研究[ 7-9] . 本文根据干熄炉内焦炭与循环气体传热的基本 特点, 设计并建立了干熄炉模型实验装置, 针对焦炭 粒度、循环气体流量等关键参数进行了实验研究, 得 出冷却段平均换热系数及相关准则数关系, 并与 式( 1)进行了比较 ;通过对焦炭导热反问题的数值求 解, 得到冷却段中轴线上焦炭颗粒的表面热流和表 面局部换热系数. 1 实验装置 干熄焦传热模拟实验装置由干熄炉组、热风系 统 、冷风系统和流量控制系统四部分构成[ 7, 9] , 如 图 1所示.为有效利用加热系统和加快实验进程, 实验中采用两座熄焦实验炉, 交替进行加热和冷却 过程实验 .模拟实验的基本原理是 :加热炉内燃烧 柴油, 通过换热器加热空气 ;热空气经过流量控制系 统进入干熄炉内, 将焦炭加热到实验温度 ;然后切换 控制阀, 冷风系统向干熄炉内鼓入一定流量的冷风, 冷却焦炭到室温 .重复进行实验 .实验中, 通过控 制温度使焦炭与气体无化学反应发生 . 干熄焦实验炉按熄焦能力为 70 t·h -1的干熄炉 尺寸的 1/7 比例设计, 参见图 2 .冷却段两个基本测 量层的相对高度为 H .对于每一测量层, 在轴心处 放置一个由被测焦炭制成的测试球 .测试球中埋入 第 29 卷 第 12 期 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 No.12 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.12.034