康 健1，2 徐 列2 孫文彬2 石巧囡2 姚 梈2
(1北京科技大學(xué)， 2華泰永創(chuàng) (北京) 科技股份有限公司)
摘 要：對干熄焦工藝系統(tǒng)中工業(yè)裝置管網(wǎng)的循環(huán)氣體阻力計(jì)算方法進(jìn)行研究，分別介紹了干熄爐、 一次除塵器、 鍋爐、 二次除塵器、 熱管換熱器和連接管道內(nèi)氣流阻力計(jì)算方法，并討論了干熄焦工藝系統(tǒng)各裝置阻力計(jì)算方式的特點(diǎn)。結(jié)合干熄焦運(yùn)行中的系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定、局部焦炭漂浮、 排焦溫度高和風(fēng)機(jī)效率低等問題，介紹了幾種改善方法，如設(shè)計(jì)上的料鐘布料、 斜道區(qū)域優(yōu)化和生產(chǎn)上調(diào)節(jié)布風(fēng)和放散情況等。 將理論計(jì)算與實(shí)際問題的處理相結(jié)合，以阻力計(jì)算指導(dǎo)風(fēng)機(jī)的選型和現(xiàn)場問題的調(diào)控，確保干熄焦工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能環(huán)保綠色生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：干熄焦；系統(tǒng)阻力；風(fēng)機(jī)選型；節(jié)能環(huán)保
在國內(nèi)能源短缺、 環(huán)境污染狀態(tài)下，為響應(yīng) 國家綠色生產(chǎn)政策的號召，近些年， 國內(nèi)焦化廠引進(jìn)多種節(jié)能環(huán)保新技術(shù)。 其中，干熄焦工藝技術(shù)因具有節(jié)能、 環(huán)保及提高焦炭質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)， 而備受煉焦生產(chǎn)企業(yè)的青睞[1] 。
干法熄焦 (cokedryquenching， CDQ) 是利 用惰性氣體將 1000℃ 左右的紅焦降溫冷卻， 紅焦從干熄爐頂裝入自上而下運(yùn)動(dòng)，低溫惰性氣體由干熄爐底部鼓入自下而上運(yùn)動(dòng)。在干熄爐冷卻段紅焦層內(nèi)，紅焦被惰性氣體逐漸冷卻，溫度降至 250℃ 以下后由爐底排出。 同時(shí)，惰性氣體(或廢煙氣) 被加熱到800℃ 左右，從干熄爐斜道口經(jīng)過一次除塵器后進(jìn)入干熄焦鍋爐，在鍋爐中，水被熱氣流加熱產(chǎn)生蒸汽，同時(shí)氣體被冷卻到180℃左右，再經(jīng)二次除塵器由循環(huán)風(fēng)機(jī)重新送入干熄爐內(nèi)循環(huán)使用[2] 。
干熄焦工藝系統(tǒng)主要由紅焦運(yùn)輸系統(tǒng)、 裝入裝置、 干熄爐、 布風(fēng)裝置、 排出裝置、 一次除塵器、 鍋爐、 二次除塵器、 循環(huán)風(fēng)機(jī)和熱管換熱器等組成，干熄焦工藝氣體循環(huán)系統(tǒng)的主要工業(yè)裝置如圖 1所示。
1 系統(tǒng)阻力計(jì)算方法
系統(tǒng)阻力決定著干熄焦工藝運(yùn)行各處壓力分布情況，從而影響干熄焦的運(yùn)行穩(wěn)定性和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性，通過阻力計(jì)算，更合理地確定循環(huán)風(fēng)機(jī)型號，有利于穩(wěn)定操作和安全生產(chǎn)。干熄焦工藝系統(tǒng)采用循環(huán)氣體的閉路循環(huán)，系統(tǒng)阻力計(jì)算即為確定氣體管道各結(jié)構(gòu)單元的流體動(dòng)力學(xué)阻力。按照惰性氣體進(jìn)入干熄爐后的流經(jīng)順序，由干熄爐內(nèi)部 (爐內(nèi)送風(fēng)裝置 － 冷卻段焦炭層 － 斜道 －環(huán)形風(fēng)道) →一次除塵器→鍋爐→二次除塵器→循環(huán)風(fēng)機(jī)→熱管換熱器進(jìn)行計(jì)算。
1.1 干熄爐內(nèi)部
循環(huán)氣體由干熄爐底部布風(fēng)裝置分別從中央和四周進(jìn)入上方冷卻區(qū)，經(jīng)過焦炭床層至斜道附近，流股分流從周圍斜道流至環(huán)形風(fēng)道重新匯集，而后出環(huán)形風(fēng)道離開干熄爐。此部分的阻力計(jì)算分為布風(fēng)區(qū)、 冷卻區(qū)、 斜道和環(huán)形風(fēng)道區(qū)(以下簡稱氣道區(qū))，公式計(jì)算結(jié)果單位Pa。
(1) 布風(fēng)區(qū)
布風(fēng)裝置由中央風(fēng)帽和周邊風(fēng)環(huán)組成? 布風(fēng)量依現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)常按中央風(fēng)帽∶ 周邊風(fēng)環(huán) ＝ 6∶4 計(jì)算。 同時(shí)， 在阻力計(jì)算中，兩部分等同于并聯(lián)管路，布風(fēng)裝置的總阻力等于中央風(fēng)帽阻力損失亦等于周邊風(fēng)環(huán)阻力損失。所以，在此僅需計(jì)算循環(huán)氣體經(jīng)過中央風(fēng)帽的阻力損失[3]，計(jì)算公式 如下：
式中: ξ 為風(fēng)帽阻力系數(shù)，可取 10 ~ 25； ρ 為氣流工況平均溫度下的密度，kg / m3 (按熱風(fēng)溫度 查取)；v為氣流工況下實(shí)際流速， m/ s。其中，風(fēng)帽阻力系數(shù)可通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到， 任中等[4]曾利用實(shí)驗(yàn)裝置對集中風(fēng)帽的阻力系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究， 結(jié)果表明不同風(fēng)帽的阻力系數(shù)有一定差異，宋波等[5] 曾對干熄爐內(nèi)中央布風(fēng)的風(fēng)帽布風(fēng)采用計(jì)算流體力學(xué)商業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了橢圓、高和低三種風(fēng)帽阻力系數(shù)。
(2) 冷卻區(qū)[6－7]
循環(huán)氣體在冷卻區(qū)內(nèi)的阻力計(jì)算，主要是求取氣體流經(jīng)每米焦炭層的壓力損失，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式如下：
式中: μ 為氣流動(dòng)力粘度，m2 / s； ω 為標(biāo)況下氣體的空爐流速，m / s； s為料層自由流通截面積， m2 ； V 為單位容積焦炭層內(nèi)空隙容積，m3 / m3 ， 所計(jì)算的阻力與焦塊平均直徑、 填充系數(shù)和焦炭顆粒間氣道當(dāng)量直徑有關(guān)， 受焦炭顆粒尺寸和布料情況影響。
式中: λ 為阻力系數(shù)，與雷諾數(shù)有關(guān)，湍流和層流有所不同，de 為焦炭顆粒之間所形成的氣道當(dāng)量直徑， m； ε 為填充系數(shù)，可取0.4其中； de 取決于焦塊形狀系數(shù)、 填充系數(shù)和焦塊平均直徑， 此公式由 H.M.雅瓦良柯夫提出， 計(jì)算 得到的工業(yè)裝置循環(huán)氣體流經(jīng)每米焦炭層時(shí)阻力為 363Pa 。
式中: L 為床層高度， m； A，B 為 Ergun 常數(shù)， ε 為床層填充系數(shù)； ?s 為形狀系數(shù)， 取 0.2-0.4，dp為顆粒直徑，Ergun 常數(shù) A， B 對于流體 (如 CO2 、 N2 、 CH4 和 H2 等) 通過各種大小的球、 沙子及研磨的炭粒可分別取為150 和1.75(由 640 次實(shí)驗(yàn)總結(jié)得到)。 由于Ergun 公式主要適用于球形顆粒、 細(xì)沙和細(xì)炭粒等，對于非球形顆粒的計(jì)算存在誤差。 宋波等[7] 人運(yùn)用 CFD商業(yè)軟件對實(shí)驗(yàn)干熄爐冷卻段焦炭床層的壓降進(jìn)行了數(shù)值模擬， 得出結(jié)論，當(dāng)實(shí)際焦炭作為介質(zhì)時(shí)， A值的影響可以忽略， B值修正后宜取 2.0-2.2。
④根據(jù)前蘇聯(lián)國立焦化設(shè)計(jì)院資料中干熄焦 裝置的實(shí)際操作數(shù)據(jù)， 循環(huán)氣體在焦炭層中的流動(dòng)阻力系數(shù)為286， 對應(yīng)的干熄爐阻力為 2000 ~ 3000 Pa。 此經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨著干熄爐近幾十年的發(fā)展， 應(yīng)用于目前的干熄爐工程偏低，誤差相對較大。
(3) 氣道區(qū)
氣道包括斜道和環(huán)形風(fēng)道兩部分，可根據(jù)流體力學(xué)在管網(wǎng)內(nèi)流動(dòng)阻力計(jì)算方法，分別計(jì)算出各環(huán)節(jié)的沿程阻力損失和局部阻力損失。 求沿程阻力損失時(shí)，需根據(jù)沿程阻力損失系數(shù)、 流經(jīng)管程和流通截面面積來計(jì)算。 求局部阻力時(shí)，需根據(jù)氣體流速、 斷面情況和分流匯流等，查局部阻力系數(shù)表獲得局部阻力系數(shù)。 其中， 斜道區(qū)的阻力計(jì)算，需要考慮斜道入口附近的焦炭堆積，氣體通過此段焦炭層的阻力損失是斜道區(qū)氣體阻力損失的主要部分。環(huán)形氣道部分的阻力計(jì)算， 可視作管路，按照氣體流經(jīng)管路的局部阻力損失計(jì)算，局部阻力系數(shù)可通過數(shù)值模擬和工業(yè)試驗(yàn)獲得[8] 。
1.2 一次除塵器
干熄焦工藝系統(tǒng)中一次除塵器主要分離粗顆粒焦粉， 多采用中間擋墻的重力除塵裝置。從干熄爐出來的氣體流經(jīng)一次除塵器，氣體可繞過擋墻由一次除塵器右端流入干熄焦鍋爐內(nèi)，大顆粒焦粉則由一次除塵器底部拋出。此部分的氣體阻力計(jì)算，可將一次除塵器視為異型管路， 公式如下。
式中: ξ′為一次除塵器阻力系數(shù)； L′為一次除塵器總長 (橫向長度)， m； d′為一次除塵器沉降深度，m。 一次除塵器阻力系數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬得到， 根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，氣體在一次除塵器的阻力損失一般不大于 300Pa 。
1.3 鍋爐、 二次除塵器和熱管換熱器
干熄焦鍋爐、 二次除塵器 (主要分離細(xì)顆粒焦粉，多采用旋風(fēng)除塵裝置) 和熱管換熱器，可根據(jù)設(shè)計(jì)資料計(jì)算氣體阻力。 一般情況下， 干熄焦鍋爐氣體阻力損失不大于 900Pa， 二次除塵器的不大于 1250Pa， 熱管換熱器的不大于800Pa。
1.4 連接管路
干熄焦工藝各工業(yè)裝置之間由管路進(jìn)行連接， 主要有鍋爐和二次除塵器之間、 二次除塵器和風(fēng)機(jī)之間、 風(fēng)機(jī)和熱管換熱器之間的管路。 管路內(nèi)氣體阻力損失按照氣體流體動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算， 由氣體流經(jīng)管路的具體情況確定，需要注意連接的非常規(guī)非規(guī)則的管段近似計(jì)算，計(jì)算公式如下。
式中: k 為阻力系數(shù)。
1.5 循環(huán)風(fēng)機(jī)
根據(jù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的阻力計(jì)算結(jié)果， 以預(yù)存室 裝焦孔處壓力值 － 30 ~ － 50Pa 為參考壓力， 推算出系統(tǒng)各點(diǎn)的壓力值， 獲得風(fēng)機(jī)前后的壓力大小。
推算壓力大小， 需要考慮上氣體流動(dòng)過程和干熄爐預(yù)存段的熱浮力， 即當(dāng)循環(huán)氣體上升時(shí)， 計(jì)算阻力減去浮力的差值，當(dāng)循環(huán)氣體下降時(shí)， 求取阻力和浮力的加和， 浮力計(jì)算公式如下：
式中: H 為高度差， m； ρk為氣體在大氣溫度下的密度， kg / m3； tk 為大氣溫度，℃ ； g 為重力加速度，9.8m2 / s。
循環(huán)風(fēng)機(jī)前后的風(fēng)壓取決于系統(tǒng)阻力， 風(fēng)機(jī)總風(fēng)壓由阻力計(jì)算得到的風(fēng)機(jī)吸入口和排出口壓力來確定， 其設(shè)計(jì)值可在計(jì)算基礎(chǔ)上乘以一定的富裕系數(shù)。
2 系統(tǒng)壓力調(diào)控方法
干熄焦工程運(yùn)行中，由于焦炭質(zhì)量的差異和爐內(nèi)布料等實(shí)際情況，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)預(yù)存段壓力波動(dòng)、 局部焦炭漂浮和排焦溫度高等問題。 可以通過以下幾種方法進(jìn)行調(diào)控。
2.1 設(shè)計(jì)上
(1) 調(diào)換料鐘
干熄焦的裝入裝置多采用料鐘式布料器，料鐘位于裝入裝置料斗的下部。合適的料鐘規(guī)格和安設(shè)位置， 有助于焦炭顆粒更均勻地進(jìn)入干熄爐內(nèi)，防止裝入焦炭粒徑偏析和料位高差大，從而保證循環(huán)氣體在干熄爐內(nèi)的換熱效果和排焦溫度的均勻。同時(shí)，適合的料鐘大小及調(diào)整安設(shè)位置高度， 可以改善焦炭在爐內(nèi)的分布， 減少循環(huán)氣體量，尤其是在焦炭質(zhì)量較差的情況下。
(2) 斜道區(qū)優(yōu)化
干熄爐內(nèi)斜道區(qū)域，循環(huán)氣體流速較大， 是最容易發(fā)生焦炭浮起的地方。 斜道主要是將與紅焦對流換熱后的循環(huán)氣體引入上方環(huán)型風(fēng)道， 斜道上設(shè)置調(diào)節(jié)磚保證氣流分流的分配均勻性。 一旦斜道區(qū)出現(xiàn)浮焦， 焦炭就會(huì)堵塞斜道， 造成循環(huán)氣體系統(tǒng)各處壓力的異常， 嚴(yán)重會(huì)影響干熄焦的正常生產(chǎn)。 尤其是焦炭堵塞嚴(yán)重時(shí)， 可適當(dāng)調(diào)整局部調(diào)節(jié)磚數(shù)量來改善氣流的分布情況，減緩流速。同時(shí)，可采用雙斜道替代傳統(tǒng)單斜道設(shè)計(jì)，降低焦炭在斜道上的堆積高度，改善焦炭浮起的問題。
2.2 生產(chǎn)上
(1) 調(diào)節(jié)布風(fēng)
當(dāng)爐內(nèi)焦炭存在偏析現(xiàn)象時(shí)，需合理調(diào)整干熄爐內(nèi)循環(huán)冷卻氣體的分配比例，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整中央風(fēng)帽和周邊風(fēng)道的閥門開度，從而改善氣流的分布， 當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問題時(shí)，需調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)以嚴(yán)格控制循環(huán)風(fēng)量的增加速度， 使循環(huán)風(fēng)量與排 焦量相匹配，改善爐內(nèi)換熱效果和系統(tǒng)壓力。
(2) 調(diào)節(jié)空氣導(dǎo)入和放散氣體量
當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)壓力不穩(wěn)定時(shí)， 可通過調(diào)節(jié)空氣導(dǎo)入量和風(fēng)機(jī)后放散量， 在一定時(shí)間內(nèi)調(diào)控系統(tǒng)壓力， 穩(wěn)定系統(tǒng)的運(yùn)行。
3 結(jié)語
干熄焦工藝系統(tǒng)中工業(yè)裝置管網(wǎng)的循環(huán)氣體阻力計(jì)算方法有兩種。 一是基于流體力學(xué)基礎(chǔ)的阻力計(jì)算， 包括沿程阻力損失和局部阻力損失，其中阻力系數(shù)的確定可根據(jù)工業(yè)試驗(yàn)得到， 二是結(jié)合數(shù)值模擬的仿真計(jì)算， 常采用 CFD 等模擬軟件，依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行工藝參數(shù)進(jìn)行模擬， 得到氣體的壓降和阻力結(jié)果，可利用模擬的結(jié)果。 來修正通過理論計(jì)算和工業(yè)試驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn) (計(jì)算) 公式， 將二種方法結(jié)合起來運(yùn)用，得到更貼近實(shí)際的結(jié)果，對于干熄焦工程運(yùn)行時(shí)的諸多問題， 可通過調(diào)節(jié)焦炭進(jìn)入爐內(nèi)的料層分布、 循環(huán)氣體分配均勻性和風(fēng)料比等方式 (如改善料鐘和斜道設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)布風(fēng)、 空氣導(dǎo)入量、 放散量等)，來調(diào)控系統(tǒng)壓力分布。
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