焦?fàn)t荒煤氣廢熱鍋爐傳熱計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能量學(xué)專業(yè)

1、摘要荒煤氣是煤在高溫干餾時(shí)產(chǎn)生的混合氣，成分復(fù)雜，其自身經(jīng)處理后可以得到多種化工產(chǎn)品。此外，荒煤氣中還蘊(yùn)含著大量顯熱，在能源情況不容樂(lè)觀的當(dāng)下，對(duì)荒煤氣顯熱回收利用的研究對(duì)于我國(guó)的節(jié)能減排措施具有重要意義。而采用廢熱鍋爐回收熱量是一種較為成熟的方法。管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用經(jīng)驗(yàn)豐富，可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 在目前的應(yīng)用中最為廣泛，同時(shí)可作為廢熱鍋爐使用。由于荒煤氣組分復(fù)雜，本文首先利用 Aspen Plus 軟件對(duì)其中的煤焦油組分采用虛擬組分法進(jìn)行分析。文中采用管殼式換熱器來(lái)對(duì)荒煤氣顯熱進(jìn)行回收。先通過(guò)經(jīng)典計(jì)算來(lái)得出傳熱系數(shù)，再與Aspen Plus 得出的傳熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出二者誤差在合理

2、范圍內(nèi)。在后續(xù)換熱器設(shè)計(jì)中，繼續(xù)使用 Aspen Plus 軟件對(duì)換熱器進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，結(jié)合初步設(shè)計(jì)結(jié)果再對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行校正。以工藝設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)換熱器進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行了材料的選擇以及相關(guān)強(qiáng)度的校核工作。在完成機(jī)械設(shè)計(jì)后利用 AutoCAD 軟件繪制出換熱器裝配圖。本文在設(shè)計(jì)計(jì)算及圖紙繪制過(guò)程中參考了相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵詞：荒煤氣；傳熱計(jì)算；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Heat Transfer Calculation and Mechanical Design for Waste Heat Boiler of Coke Oven GasAbstractCoke oven gas is a

3、gas mixture which is produced in the process of high temperature dry distillationofthecoal.Withitscomplexcomposition,wecangetavarietyofchemicalproducts from it after some appropriate processes. In addition, coke oven gas also contains a large amountofsensibleheat.Asthepresentsituationoftheresourceis

4、notaffirmative,theresearch on the heat recovery of coke oven gas is of great significance in our countrys Energy saving and emission reduction measures. The use of waste heat boiler for heat recovery is a mature method. Shell and tube heat exchanger has a number of advantages such as a simple struct

5、ure, richexperience,strongreliabilityandsoon,whichmakesitscurrentapplicationmostextensive. Besides, it also can be used as a waste heatboiler.Duetothecomplexityofthegasscomponent,firstlythisarticleuseAspenPlustoanalyze the coal tar in it by pseudo-component method. In this article, shell and tube he

6、at exchanger is used to recover sensible heat. The heat transfer coefficient is obtained by the classical calculation, and then compared with the heat transfer coefficient obtained by Aspen Plus, the error is within reasonable range. In the subsequent heat exchanger design, we continue using AspenPl

7、usontheheatexchangerprocessdesign.Combinedwiththepreliminarydesignresult, the design parameters are then adjusted.On the basis of the parameters provided by process design, the mechanical design of the heatexchangerisdone.Mainlyfortheselectionofmaterialsandstrengthcheckwork.Andthe assemblydiagramoft

8、heexchangerisdrawnatthesametimeviaAutoCAD.Duringthedesign calculation and drawing process, some relevant design manuals and national standards are referenced.Key Words：Coke Oven Gas; Heat Transfer Calculation; Mechanical Design目錄 HYPERLINK l _bookmark0 摘要I HYPERLINK l _bookmark1 AbstractII HYPERLINK

9、 l _bookmark2 文獻(xiàn)綜述1 HYPERLINK l _bookmark3 荒煤氣簡(jiǎn)介1 HYPERLINK l _bookmark4 荒煤氣來(lái)源與組成1 HYPERLINK l _bookmark5 荒煤氣基本特點(diǎn)1 HYPERLINK l _bookmark6 荒煤氣應(yīng)用價(jià)值1 HYPERLINK l _bookmark7 荒煤氣熱量回收方法2 HYPERLINK l _bookmark8 上升管汽化冷卻技術(shù)2 HYPERLINK l _bookmark9 導(dǎo)熱油夾套技術(shù)3 HYPERLINK l _bookmark10 熱管式換熱技術(shù)3 HYPERLINK l _bookmar

10、k11 廢熱鍋爐換熱技術(shù)4 HYPERLINK l _bookmark12 換熱器流程模擬簡(jiǎn)介5 HYPERLINK l _bookmark13 本文研究?jī)?nèi)容6 HYPERLINK l _bookmark14 廢熱鍋爐工藝設(shè)計(jì)7 HYPERLINK l _bookmark15 荒煤氣成分分析7 HYPERLINK l _bookmark16 干煤氣組成分析7 HYPERLINK l _bookmark17 其他雜質(zhì)組成分析7 HYPERLINK l _bookmark18 煤焦油組成分析8 HYPERLINK l _bookmark19 廢熱鍋爐初步設(shè)計(jì)與優(yōu)化10 HYPERLINK l _b

11、ookmark20 流股基本數(shù)據(jù)10 HYPERLINK l _bookmark21 傳熱系數(shù)的確定10 HYPERLINK l _bookmark22 模擬物性選擇依據(jù)13 HYPERLINK l _bookmark23 廢熱鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算13 HYPERLINK l _bookmark24 廢熱鍋爐優(yōu)化及校核15 HYPERLINK l _bookmark25 廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)17 HYPERLINK l _bookmark26 換熱管束設(shè)計(jì)17 HYPERLINK l _bookmark27 殼體內(nèi)徑設(shè)計(jì)18 HYPERLINK l _bookmark28 折流板設(shè)計(jì)19 HYPERLIN

12、K l _bookmark29 接管設(shè)計(jì)19 HYPERLINK l _bookmark30 設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果20 HYPERLINK l _bookmark31 廢熱鍋爐機(jī)械設(shè)計(jì)21 HYPERLINK l _bookmark32 管殼式換熱器基本類型21 HYPERLINK l _bookmark33 固定管板式換熱器21 HYPERLINK l _bookmark34 浮頭式換熱器22 HYPERLINK l _bookmark35 U 型管式換熱器22 HYPERLINK l _bookmark36 填料函式換熱器23 HYPERLINK l _bookmark37 換熱器類型選擇24 H

13、YPERLINK l _bookmark38 廢熱鍋爐機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24 HYPERLINK l _bookmark39 筒體內(nèi)徑確定24 HYPERLINK l _bookmark40 部件連接25 HYPERLINK l _bookmark41 管箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)26 HYPERLINK l _bookmark42 管板設(shè)計(jì)27 HYPERLINK l _bookmark43 折流板與拉桿布置27 HYPERLINK l _bookmark44 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)28 HYPERLINK l _bookmark45 廢熱鍋爐強(qiáng)度計(jì)算30 HYPERLINK l _bookmark46 筒體壁厚計(jì)算30

14、HYPERLINK l _bookmark47 管箱壁厚計(jì)算30 HYPERLINK l _bookmark48 封頭設(shè)計(jì)計(jì)算31 HYPERLINK l _bookmark49 換熱管壁厚校核32 HYPERLINK l _bookmark50 膨脹節(jié)計(jì)算32 HYPERLINK l _bookmark51 管板計(jì)算32 HYPERLINK l _bookmark52 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算33 HYPERLINK l _bookmark53 支座計(jì)算34 HYPERLINK l _bookmark54 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總35 HYPERLINK l _bookmark55 設(shè)計(jì)總結(jié)36 HYPERLINK

15、 l _bookmark56 參考文獻(xiàn)37 HYPERLINK l _bookmark57 附錄A設(shè)計(jì)中所用算圖39 HYPERLINK l _bookmark58 附錄B膨脹節(jié)詳細(xì)計(jì)算43 HYPERLINK l _bookmark59 附錄C管板詳細(xì)計(jì)算45 HYPERLINK l _bookmark60 致謝48文獻(xiàn)綜述荒煤氣簡(jiǎn)介荒煤氣來(lái)源與組成荒煤氣又稱粗煤氣，是煤在焦?fàn)t中高溫干餾時(shí)（約 9001050）產(chǎn)生的混合氣。煤在干餾過(guò)程中發(fā)生了一系列物理化學(xué)變化1，在 600之前，從煤中析出的氣體稱為初次分解產(chǎn)物，主要有 CH4，CO2，CO 等成分。隨著溫度上升，初次分解的產(chǎn)物會(huì)發(fā)生二次裂

16、解，此時(shí)會(huì)形成氨，苯族烴，萘，蒽等?；拿簹獾某煞直容^復(fù)雜，主要由水汽、干煤氣和其他雜質(zhì)組成2：水汽是由兩部分組成，一是煤本身自帶的水分；二是煤干餾時(shí)的熱解水（也稱化合水）。水汽的含量一般以露點(diǎn)來(lái)衡量。干煤氣是荒煤氣的重要組成部分，主要有 H2、CH4、CO、N2、CO2、CmHn、O2 等氣體，主要成分是 H2 和 CH4。其組成的影響因素有煤的質(zhì)量，煉焦操作條件，煤的揮發(fā)分含量等?；拿簹庵械钠渌s質(zhì)組非常復(fù)雜，有焦油、含氮化合物、含硫化合物、含氧化合物、含氯化合物以及碳?xì)浠衔?。其中主要雜質(zhì)是焦油、粗苯、萘、氨、硫化氫、氰化氫等。含量與煤質(zhì)量和焦?fàn)t操作條件等因素有直接關(guān)系?；拿簹饣咎攸c(diǎn)荒煤

17、氣最主要的特點(diǎn)就是結(jié)焦問(wèn)題，結(jié)焦即為焦油石墨化的過(guò)程3。在荒煤氣降溫時(shí)，其中的焦油蒸汽遇冷析出，其冷卻溫度越低，焦油析出量就越大。當(dāng)液態(tài)焦油再次遇到高溫環(huán)境時(shí)（如輻射傳熱），焦油就會(huì)發(fā)生熱解和熱縮聚生成石墨。溫度越高，石墨層積量越多，最終會(huì)惡化傳熱系數(shù)，降低熱回收效率4。荒煤氣應(yīng)用價(jià)值從荒煤氣自身來(lái)說(shuō)，其經(jīng)冷卻和用各種吸收劑處理后可以得到焦油、氨、萘、粗苯等多種化學(xué)產(chǎn)品，并能得到凈焦?fàn)t煤氣，可用來(lái)發(fā)電，制氫等5。石油的使用年限只有幾十年，而煤的使用年限估計(jì)在幾百年，因此煉焦化學(xué)受到各國(guó)普遍重視6。我國(guó)已經(jīng)從焦?fàn)t煤氣、粗笨、煤焦油中提取了百余種產(chǎn)品，因此荒煤氣的利用會(huì)日趨合理而高效地發(fā)展?；拿簹?/p>

18、中蘊(yùn)含著大量的顯熱7，在焦?fàn)t生產(chǎn)過(guò)程中，焦?fàn)t荒煤氣的帶出熱（中溫余熱）占焦?fàn)t支出熱的 36%。而對(duì)荒煤氣的顯熱回收利用尚處于研發(fā)或者工業(yè)化應(yīng)用的初期階段。在節(jié)能減排和環(huán)境治理的大背景下，對(duì)二次能源的回收利用具有良好的發(fā)展前景。荒煤氣熱量回收方法煤干餾產(chǎn)生的荒煤氣中蘊(yùn)含著大量熱量，對(duì)荒煤氣帶出的顯熱加以回收，對(duì)于我國(guó)在節(jié)約能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益方面的意義有很強(qiáng)的重要性。國(guó)內(nèi)外許多企業(yè)都進(jìn)行過(guò)相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，但其存在眾多工業(yè)化難題8，如安全性差、易結(jié)焦、漏油等?，F(xiàn)有的余熱回收技術(shù)如下文所述。上升管汽化冷卻技術(shù)在 20 世紀(jì) 70 年代，國(guó)內(nèi)首創(chuàng)了上升管汽化技術(shù)冷卻技術(shù)（即 JSQ 技術(shù)）。該項(xiàng)技術(shù)首先

19、在首鋼、太鋼投入使用。其具有投資少，運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。流程圖如下：圖1.1上升管汽化冷卻裝置簡(jiǎn)圖8該項(xiàng)技術(shù)的主要流程如下9：在上升管的外壁面上，焊接一個(gè)環(huán)形的夾套，水與荒煤氣在夾套內(nèi)換熱，使得煤氣的溫度降到約 450500，水在吸收荒煤氣的熱量后，變?yōu)槠旌衔?，?jīng)過(guò)夾套上部排出。再通過(guò)管道輸送至后續(xù)汽包，汽水混合物在汽包內(nèi)分離后，所產(chǎn)生的低壓飽和蒸汽（0.40.7MPa）供外部使用，而水則會(huì)通過(guò)管道進(jìn)行循環(huán)使用，并定期補(bǔ)水排污。該技術(shù)有較大缺點(diǎn)，其回收的熱量較少，回收的低壓飽和蒸汽利用途徑受限。且結(jié)焦現(xiàn)象較為嚴(yán)重。同時(shí)，腐蝕、漏水等問(wèn)題對(duì)鍋爐正常操作產(chǎn)生了很大危害。因此在運(yùn)行時(shí)間不久后，各家

20、企業(yè)均逐漸停止使用，此技術(shù)被迫停滯。近些年來(lái)，隨著科技的不斷發(fā)展，龍冶公司10通過(guò)研發(fā)無(wú)縫合金、納米襯層和自潔材料，成功讓新型上升管換熱內(nèi)壁具備了防漏水、防結(jié)石墨及防掛焦油的功能。其在三鋼閩光焦化廠的焦?fàn)t上升管換熱裝置已成功并網(wǎng)生產(chǎn)并通過(guò)驗(yàn)收，并實(shí)現(xiàn)了無(wú)人操作。南京滬友冶金機(jī)械有限公司開(kāi)發(fā)出 HYWHR 型焦?fàn)t荒煤氣換熱器11，同樣達(dá)到了相同目的，且換熱效率有了明顯提高。導(dǎo)熱油夾套技術(shù)導(dǎo)熱油-聯(lián)苯醚回收荒煤氣顯熱的技術(shù)由日本新日鐵公司于 1982 年開(kāi)發(fā)9，將回收的熱量用于煉焦煤的干燥。2006 年，濟(jì)鋼也進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)且效果較好。上升管夾套結(jié)構(gòu)與我國(guó)的汽化上升管類似，區(qū)別在于其吸收顯熱的介質(zhì)

21、是導(dǎo)熱油而不是水，導(dǎo)熱油通過(guò)泵送循環(huán)使用。上升管結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示。圖1.2上升管回收荒煤氣顯熱示意圖9該技術(shù)安全性高，結(jié)焦現(xiàn)象較輕，但其投資和運(yùn)行費(fèi)用也較高，此外，導(dǎo)熱油泄露會(huì)造成較嚴(yán)重的污染。熱管式換熱技術(shù)寶鋼梅山鋼鐵公司的陳小蕓等人12開(kāi)展了利用分離式熱管技術(shù)回收荒煤氣顯熱的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。高溫?zé)峁芗夹g(shù)流程如下：800左右的荒煤氣直接進(jìn)入上升管，通過(guò)輻射傳熱將熱量傳給高溫鉀熱管，離開(kāi)上升管時(shí)溫度降至 500左右。上升管內(nèi)的鉀熱管吸收輻射熱，并將熱量傳給上升管外部的冷凝端，使聯(lián)箱中的水汽化并放出熱量。聯(lián)箱中的水汽化后通過(guò)汽水上升管進(jìn)入鍋爐，進(jìn)行汽水分離。示意圖如圖 1.3 所示。該技術(shù)采用高

22、溫?zé)峁?，能夠保證熱管壁溫在荒煤氣焦油露點(diǎn)之上，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)焦問(wèn)題。且鉀蒸汽量較小，即使熱管破壞，也不會(huì)造成安全事故。但高溫?zé)峁芟鄬?duì)造價(jià)較高。圖1.3高溫?zé)峁芑拿簹庥酂峄厥樟鞒虉D12廢熱鍋爐換熱技術(shù)廢熱熱鍋爐回收荒煤氣熱量技術(shù)由濟(jì)鋼和中冶焦耐合作研發(fā)7。具體改造為：在上升管附近增設(shè)一臺(tái)余熱鍋爐，在上升管水封蓋處增設(shè)三通導(dǎo)出管，將 750左右的荒煤氣引出經(jīng)管道送入余熱鍋爐，荒煤氣加熱余熱鍋爐給水，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，使得荒煤氣溫度降至 300，該余熱鍋爐流程圖見(jiàn)圖 1.4。圖1.4余熱鍋爐荒煤氣熱量回收流程圖8換熱器流程模擬簡(jiǎn)介換熱器在化工、能源、動(dòng)力、冶金等工業(yè)部門(mén)中有著廣泛應(yīng)用。為了節(jié)能和提高能量利用

23、效率，對(duì)換熱器內(nèi)部的傳熱過(guò)程與傳熱強(qiáng)化的研究具有重要意義。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法周期較長(zhǎng)，且受到實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)量?jī)x器等諸多方面因素影響。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展， 軟件模擬在換熱器的設(shè)計(jì)研究中越來(lái)越深入。軟件模擬成本低、速度快、重復(fù)性好，已成為換熱器研究重的一個(gè)重要手段13。流程模擬軟件的研發(fā)起源于上世紀(jì) 50 年代中期14，經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，在 80 年代技術(shù)逐漸達(dá)到成熟。目前市場(chǎng)中較流行的流程模擬軟件主要有 Aspen Plus、Process、HYSIM、ChemCAD、Design II 等，我國(guó)均有引進(jìn)。但 Aspen Plus 以其強(qiáng)大的功能愈發(fā)受到科研人員的偏愛(ài)。本文中選用 AspenPlu

24、s來(lái)完成換熱器的模擬工作。AspenPlus是全世界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件，它具有動(dòng)態(tài)模擬、化工設(shè)計(jì)、靈敏度分析、優(yōu)化等多項(xiàng)功能，擁有一套非常完整的單元操作模塊，深受廣大科技工作者喜愛(ài)。在傳熱問(wèn)題和換熱器設(shè)計(jì)中， AspenPlus有多個(gè)傳熱單元模塊可供選用15。各模塊及其功能特點(diǎn)如下表所示。表1.1AspenPlus 換熱模型16換熱模型說(shuō)明目的使用對(duì)象Heater加熱器、冷卻器確定出口物流狀態(tài)冷凝器、冷卻器、加熱器等HeatX兩股物流的換熱器在兩股物流間換熱兩股物流的換熱器，根據(jù)幾何尺寸核算管殼式換熱器MHeatX多股物流的換熱器在多股物流間換熱多股熱流和冷流換熱器，兩股物流的換熱器，

25、LNG換熱器Hetran管殼式換熱器提供 B-JAC Hertran 管殼式換熱器程序界面管殼式換熱器，包括釜式再沸器Aerotran空冷換熱器提供 B-JACAerotran空冷換熱器程序界面錯(cuò)流式換熱器，包括空氣冷卻器上述模型中，HeatX 模塊可對(duì)大多數(shù)雙物流換熱器進(jìn)行簡(jiǎn)捷計(jì)算或詳細(xì)計(jì)算。簡(jiǎn)介計(jì)算可使用較少的數(shù)據(jù)量來(lái)模擬換熱器，并不需要其實(shí)際尺寸結(jié)構(gòu)等具體參數(shù)。而詳細(xì)計(jì)算可根據(jù)給定的幾何結(jié)構(gòu)和流動(dòng)情況計(jì)算傳熱面積傳熱系數(shù)，壓降等參數(shù)。C2HEATXH1H2C1圖1.5HeatX模型圖國(guó)內(nèi)對(duì)管殼式換熱器的流程模擬優(yōu)化有較多成果，東北大學(xué)的王曉東16采用了甲醇溶液-空氣的換熱組合。研究了折流

26、板與折流桿兩種折流結(jié)構(gòu)下?lián)Q熱性能的優(yōu)劣。并進(jìn)一步探索了不同換熱管類型、管間距和管排列方式等對(duì)傳熱系數(shù)的影響。李保紅等人詳細(xì)介紹了采用二氟二氯甲烷和乙二醇換熱的換熱器設(shè)計(jì)流程17。他們先采用 Heater 模型簡(jiǎn)單計(jì)算出換熱器熱負(fù)荷，再采用 HeatX 模型中的 Detailed 計(jì)算類型進(jìn)行了嚴(yán)格核算，并利用 Aspen Plus 對(duì)核算結(jié)果作了進(jìn)一步優(yōu)化。張慶印等18做了脫碳工藝中的管殼式換熱器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，最終使得換熱面積裕量減小了 17.294%，有效地達(dá)到了節(jié)能優(yōu)化的目的。大連理工大學(xué)的奚俊男19在 PIKAIA 遺傳算法的基礎(chǔ)上，利用 Aspen Plus 中的ActiveX 接口，

27、實(shí)現(xiàn)了結(jié)合了 Aspen Plus 的遺傳算法程序，從而對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后換熱面積相對(duì)于文獻(xiàn)結(jié)果減少了 17.34%。本文研究?jī)?nèi)容本文主要研究了以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:結(jié)合 AspenPlus軟件，對(duì)荒煤氣組成及性質(zhì)進(jìn)行了分析。并利用 AspenPlus中的 Detailed 換熱器模型設(shè)計(jì)出廢熱鍋爐具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及進(jìn)行相關(guān)校核。根據(jù)所得得廢熱鍋爐具體參數(shù)，對(duì)廢熱鍋爐進(jìn)行了初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)廢熱鍋爐做了相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)，并由此繪制出其裝配圖。利用 AspenPlus軟件，分析了冷流股進(jìn)口溫度與流量對(duì)鍋爐熱負(fù)荷，傳熱面及汽化率的影響。廢熱鍋爐工藝設(shè)計(jì)文中采用 Aspen Plus 軟件對(duì)

28、荒煤氣余熱回收換熱器進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中采用HeatX 換熱器模塊中的 Detailed 模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。本章將從荒煤氣成分分析，換熱器初步設(shè)計(jì)以及換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化三個(gè)方面展開(kāi)。荒煤氣成分分析荒煤氣主要由干煤氣、水汽和其他雜質(zhì)組成20。此處根據(jù)文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)來(lái)源21，荒煤氣中的其他雜質(zhì)含有煤焦油，其組成十分復(fù)雜。為方便后續(xù)工作，將荒煤氣分為干煤氣、其他雜質(zhì)（包括水汽）、煤焦油三個(gè)部分分析。干煤氣組成分析干煤氣是荒煤氣中的輕組分，是荒煤氣凈化的最終產(chǎn)物。其產(chǎn)率和組成一般與裝爐煤的質(zhì)量和操作條件有關(guān)。干煤氣約占荒煤氣總質(zhì)量的 48%。詳細(xì)組成見(jiàn)表 2.1。表2.1干煤氣的實(shí)際組成具體組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%摩爾

29、分?jǐn)?shù)/%CH438.812.6CO15.676.0N213.065.0CO212.313.0H210.5856.7C2H45.222.0O22.398.0C3H61.965.0其他雜質(zhì)組成分析其他雜質(zhì)約占荒煤氣總量的 40%，且大部分為水。雜組成見(jiàn)下表。表2.2荒煤氣中雜質(zhì)組成具體組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%H2O88.82C6H67.40NH32.26H2S1.51煤焦油組成分析煤焦油約占荒煤氣總量的 12%，它的組成比較復(fù)雜22，但是其大部分組成的含量都較低。其組成一般被分為兩個(gè)部分23：一部分是確定的輕組分，另一部分為無(wú)法確定的組分，稱為瀝青。模擬中使用的輕組分的具體組成見(jiàn)下表。表2.3煤焦油中確定

30、的輕組分組成編號(hào)確定組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%編號(hào)確定組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%1甲苯0.25171,2-苯并菲1.002二甲苯1.0018吡啶0.033茚0.30192-甲基吡啶0.024四氫化萘0.3020喹啉0.305萘12.0021異喹啉0.1061-甲基萘1.20222-甲基喹啉0.1072-甲基萘1.8023吲哚0.208聯(lián)苯0.4024咔唑2.009二甲基萘1.2025吖啶0.6010苊2.5026苯酚0.5011芴2.0027鄰甲苯酚0.2012蒽1.8028間甲苯酚0.4013菲6.0029對(duì)甲苯酚0.2014甲基菲1.1030二甲苯酚1.4015熒蒽2.5031二苯并呋喃1.3016芘2.00

31、32硫茚0.40在煤焦油中，較為復(fù)雜的瀝青組分采用石油化工中的虛擬組分法進(jìn)行表征。虛擬組分法是把石油或石油組分按照沸程分為一系列窄餾分，餾程一般為 10 到 50。再把每一個(gè)窄餾分當(dāng)作一種虛擬組分，常沸點(diǎn)和組成在 TBP 曲線的切割過(guò)程中定義，基本物性在 TBP 蒸餾實(shí)驗(yàn)中測(cè)定。而對(duì)于其他的重要物性，如分子量和臨界性質(zhì)等，則通常由物性經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式得到。在接下來(lái)的工藝模擬中，把已經(jīng)分割的虛擬組分當(dāng)作真實(shí)組分來(lái)看待，用相應(yīng)的物性方法計(jì)算所需要的各種數(shù)據(jù)，具體物性方法分析及選擇見(jiàn) 2.2.3 節(jié)內(nèi)容。對(duì)于要分析的虛擬組分，Aspen Plus 需要一組至少四個(gè)點(diǎn)組成的蒸餾曲線和比重或者 API 重度作

32、為基礎(chǔ)15。煤焦油瀝青的密度為 1.251.35 g/cm3,在本文的模擬中瀝青比重取 1.3g/cm3。由文獻(xiàn)所得武鋼煤焦油熱重分析數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。表2.4本文模擬所用瀝青TBP 數(shù)據(jù)24質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%溫度/0.81001.922008.7930018.0935032.8640048.4145059.2950064.9355068.80700經(jīng) Aspen Plus 模擬所得的虛擬組分及其部分物性如表 2.5 所示。表2.5虛擬組分表虛擬組分平均標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)API 重度比重分子量臨界溫度/臨界壓力/MPaPC269C268.51-0.151.08174.80522.173.13PC281C280.86

33、-1.131.09183.25534.973.03PC295C294.91-2.211.09193.11549.432.91PC309C309.08-3.271.10203.32563.912.80PC323C323.05-4.281.11213.63578.092.70PC337C336.68-5.241.12223.90591.832.61PC350C350.14-6.151.13234.24605.312.52PC364C364.41-7.091.14245.39619.512.44PC378C378.19-7.981.15256.31633.132.36PC392C391.84-8.8

34、31.15267.28646.542.28PC406C405.96-9.681.16278.74660.342.21PC420C419.69-10.491.17289.98673.672.15PC440C439.88-11.651.18306.62693.132.05PC467C467.49-13.151.20329.43719.491.94PC498C497.65-14.721.21354.18747.951.82PC520C520.17-15.831.22372.35768.991.74PC551C550.62-17.281.24396.23797.171.64PC579C579.11-1

35、8.561.25417.55823.261.56PC607C607.08-19.771.27437.23848.631.48PC635C634.85-20.921.28455.27873.581.41PC677C676.78-22.581.30479.13910.851.32PC732C732.26-24.621.32503.26959.431.21PC788C788.03-26.521.35517.641007.471.11PC1582C1581.53-44.351.6277.301679.150.47廢熱鍋爐初步設(shè)計(jì)與優(yōu)化流股基本數(shù)據(jù)由文獻(xiàn)中21可得，換熱器流股基本數(shù)據(jù)如下表2.6流股數(shù)據(jù)

36、表流股類別流股成分流量/(kg/h-1)進(jìn)口壓強(qiáng)/MPa進(jìn)口溫度/出口溫度/熱流股荒煤氣2487.60.1650350冷流股水76004.0200-傳熱系數(shù)的確定荒煤氣廢熱鍋爐的實(shí)質(zhì)是一臺(tái)管殼式換熱器，其中荒煤氣走管程，水走殼程。換熱器的設(shè)計(jì)中，傳熱系數(shù)的確定對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)有很大影響。由化工原理教材25可得如下公式（總傳熱系數(shù)以外表面積為基準(zhǔn)）：1 1 Rb do Rdo 1 do（2.1）Kodi ddomiii式中， K總傳熱系數(shù)，Wm2o /i 管外/內(nèi)流體對(duì)流傳熱系數(shù)，Wm2R / R 管外/內(nèi)表面污垢熱阻， m2 Woidi / do / dm 管內(nèi)徑/外徑/對(duì)數(shù)平均直徑， m管壁熱導(dǎo)率

37、，Wb 管壁厚， mm 為求總傳熱系數(shù) K，需分別確定o ，i 等相關(guān)數(shù)值，因此，本文接下來(lái)將對(duì)相關(guān)數(shù)值求取作進(jìn)一步說(shuō)明。換熱管幾何尺寸及熱導(dǎo)率由于荒煤氣流量較大且可能出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象，故令荒煤氣走管程，水走殼程。結(jié)合換熱器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) ， 換熱管選擇 573.5mm的碳鋼管，查資料得其熱 導(dǎo) 率38.31WmK。而對(duì)于dm，有l(wèi)ndodidm do di（2.2）綜上可得換熱管幾何尺寸如表 2.7。表2.7換熱管幾何尺寸表外徑 do/mm內(nèi)徑 di/mm對(duì)數(shù)平均直徑 dm/mm575053.4管內(nèi)傳熱系數(shù)i管內(nèi)荒煤氣的傳熱系數(shù)計(jì)算較為復(fù)雜，主要包括荒煤氣的強(qiáng)制對(duì)流傳熱與荒煤氣部分成分的輻射傳熱。則管

38、內(nèi)傳熱系數(shù)可表示為26i Ci Ri（2.3）式中，Ci 管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)，Wm2KRi 管內(nèi)輻射傳熱系數(shù)，Wm2K下文將對(duì)Ci、Ri分別進(jìn)行分析計(jì)算。管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)Ci管程走熱流體荒煤氣，假定其在管中流速為 27.5m/s，進(jìn)口溫度為 650，出口溫度為 350，求取傳熱系數(shù)時(shí)取定性溫度為二者平均值 500。根據(jù) AspenPlus物性估算， 得出荒煤氣在 500下的物性數(shù)據(jù)如下表。表2.8500荒煤氣物性數(shù)據(jù)表密度/(kg/m3)粘度(Pas)導(dǎo)熱系數(shù)/(W/mK)比熱容/(J/kgK)0.20912.88 10-50.16743124.34由以上數(shù)據(jù)，根據(jù)下列公式，可計(jì)算出管內(nèi)

39、傳熱系數(shù)Ci 為 101.2WRe diuPr cpNu hdNu 0.023Re0.8 Pr0.3m2K。（2.4）（2.5）（2.6）（2.7）式 2.6 中的特征尺寸取換熱管內(nèi)徑 di，式 2.7 的應(yīng)用條件為：Re104，0.6Pr160，管長(zhǎng)與管徑之比 ldi 50 ，流體粘度 2 103 Pa s 。管內(nèi)輻射傳熱系數(shù)Ri荒煤氣中，分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙原子氣體如 H2、O2、N2 幾乎沒(méi)有吸收和發(fā)射能力， 可視為透熱體。但不對(duì)稱的雙原子或多原子氣體，如水蒸氣、CO2、CO、H2S、NH3、甲烷，烴類等氣體，則具有相當(dāng)大的發(fā)射和吸收率。在荒煤氣廢熱回收過(guò)程中其溫度高達(dá)650，因此荒煤氣的輻

40、射傳熱不可忽視?；拿簹獾慕M成中，會(huì)發(fā)生輻射傳熱的氣體主要為水蒸氣、甲烷、CO2、CO、和乙烯。其含量分別為 35.53%、18.63%、7.52%、5.91%和 2.51%。其余烴類組分和具有輻射特性的氣體分子由于含量太低，忽略不計(jì)。由文獻(xiàn)中26可得管內(nèi)傳熱系數(shù)Ri 的計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為T(mén) 4 T 4 1gi11（2.8）Ri2T T i1式中，Ri 管內(nèi)輻射傳熱系數(shù)，Wm2K黑體輻射常數(shù)，為5.67 108 Wg氣體輻射率，無(wú)量綱1壁面輻射率，無(wú)量綱Ti氣體溫度，KT1壁面溫度，Km2K4上式中壁面溫度按照水溫考慮，g、1的值可由文獻(xiàn)中確定27，根據(jù)上述公式分別求出進(jìn)出口位置管內(nèi)輻射傳熱系數(shù)，

41、最終管內(nèi)輻射傳熱系數(shù)Ri取二者算數(shù)平均值，其值為7.7Wm2K。綜上所述，管內(nèi)傳熱系數(shù)i的值為 108.9W管外傳熱系數(shù)om2K。管外冷流體為水，流量為 7600 kg h ，進(jìn)口溫度為 200，出口溫度假設(shè)為 250， 則其定性溫度為 225，物性數(shù)據(jù)同樣由 Aspen Plus 估算得出，水的相關(guān)物性數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.9。表2.9225水物性數(shù)據(jù)表密度/(kg/m3)粘度(Pas)導(dǎo)熱系數(shù)/(W/mK)比熱容/(J/kgK)835.691.20 10-40.64566419.29由公式 2.32.6，計(jì)算得出管外傳熱系數(shù)o 為 911.37W換熱管污垢熱阻 Ro/Rim2K。管外側(cè)為水，管內(nèi)測(cè)為

42、煙道氣，換熱管的污垢層厚度不易得出，同時(shí)其熱導(dǎo)率也難以估測(cè)，因此在實(shí)際應(yīng)用中通常由經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定換熱管的污垢熱阻28。按照所查經(jīng)驗(yàn)值29取管外熱阻為 R =2.6 10-4m2 K W 1 ，取管內(nèi)熱阻為 R 1.72 10-4m2 K W 1 。oi結(jié)合以上分析計(jì)算，由公式 2.1 可求得傳熱系數(shù) K 為 82.49Wm2K。模擬物性選擇依據(jù)在采用 Aspen 的模擬過(guò)程中，熱力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)計(jì)算在所有的單元操作中幾乎都不可避免，主要有相平衡常數(shù)、逸度系數(shù)、臨界參數(shù)、Gibbs 自由能等。只有采用了合適的物性方法，所得的模擬結(jié)果才有準(zhǔn)確可靠的可能。但是至今為止尚沒(méi)有一種物性方法具有普遍的適用性，因

43、此在實(shí)際模擬操作過(guò)程中，選擇適當(dāng)?shù)奈镄苑椒ㄊ欠浅Ｖ匾?。因此在?shí)際選擇時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際情況，選擇最適合的方法。AspenPlus軟件中所采用的熱力學(xué)計(jì)算模型大體上主要有兩大類15：一類是狀態(tài)方程模型，如 SRK方程、PR方程等；第二類適用于高度非理想體系的活度系數(shù)模型，如WILSON、NRTL、UNIQUAC、Van Laar 方程等。除此之外，還有 BK10 等模型，其用于低壓下理想碳?xì)浠旌衔矬w系的蒸汽壓計(jì)算。在本文所進(jìn)行的荒煤氣廢熱回收工作中，荒煤氣的溫度在 300650之間，其中的輕組分約占 90%，在體系中居于主導(dǎo)地位，此外，荒煤氣中還含有部分 H2、H2S、NH3 等組分。并且荒煤氣

44、的煤焦油中含有大量虛擬組分與芳香結(jié)構(gòu)。以上特點(diǎn)在物性方法的選擇中需考慮。結(jié)合以上工況的要去，本工作采用 NRTL 方程，為模擬的物性方法。NRTL 方程適用于強(qiáng)非理想混合物系統(tǒng)和極性與非極性物系，可以用于計(jì)算液液、氣液之間的相平衡過(guò)程。廢熱鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算本節(jié)中設(shè)計(jì)換熱器的思路如下：先使用 AspenPlus中換熱器 HeatX模塊的 Shortcut模型得出換熱器熱負(fù)荷和冷流股出口溫度，再根據(jù)熱負(fù)荷、對(duì)數(shù)平均傳熱溫差，結(jié)合上文中求出的傳熱系數(shù)，從而得出換熱面積，進(jìn)一步求出換熱管的具體數(shù)量。接著繼續(xù)使用 AspenPlus中換熱器 HeatX模塊的 Detail模型，進(jìn)行換熱器的參數(shù)設(shè)計(jì)與幾何設(shè)計(jì)

45、， 最終得出換熱器的相關(guān)參數(shù)。Shortcut模型簡(jiǎn)捷計(jì)算換熱器流程比較簡(jiǎn)單，示意圖如圖 2.1 所示。H1、H2 流股分別是熱物流入口流股與出口流股，同理，C1、C2 流股是冷物流入口流股與出口流股。輸入相應(yīng)已知參數(shù)后運(yùn)行模擬程序，得出熱負(fù)荷 688.37kW ，冷流股出口溫度tc2 250.4。H2C1C2B1H1圖2.1廢熱鍋爐模擬流程圖由以上結(jié)果，結(jié)合公式 2.92.11，可以求得傳熱面積 A= 32.72 m2 。=KAtm（2.9）tmth1tc2th2tc1（2.10）lnth1tc2th2tc1nAdo L（2.11）由上文可得所選換熱管尺寸為573.5mm，管長(zhǎng)為4.5m，根

46、據(jù)公式 2.9可求得管數(shù) n=40.6，圓整后取n41根。Detailed模型詳細(xì)計(jì)算根據(jù)以上設(shè)計(jì)條件，采用 Aspen Plus 中換熱器 HeatX 模塊的 Detailed 模型進(jìn)行換熱器的精確設(shè)計(jì)。計(jì)算中根據(jù)恒定傳熱系數(shù)的方法來(lái)完成設(shè)計(jì)。廢熱鍋爐優(yōu)化及校核傳熱面積優(yōu)化根據(jù)模擬中可得，所需傳熱面積為 26.77m2，而實(shí)際傳熱面積為 30.04 m2，傳熱面積裕量為 23.39%。而理想中的傳熱面積裕量在 30%左右，因此需對(duì)傳熱面積做相關(guān)優(yōu)化。將管數(shù)改為 51 根，最終算得實(shí)際傳熱面積為 41.10m2，裕量為 33.20%，符合相關(guān)要求。換熱器校核傳熱系數(shù)校核校核時(shí)根據(jù)膜系數(shù)的方法進(jìn)

47、行。輸入相應(yīng)幾何參數(shù)后，可得換熱器冷流股的出口溫度為 250.4，模擬中傳熱系數(shù)為 77.1W溫差tm254.9，故符合上文結(jié)果。流體阻力校核m2K，與上文中計(jì)算所得值差別不大，傳熱換熱器內(nèi)流體阻力大小影響因素眾多，如流體是否有相變化，換熱器結(jié)構(gòu)形式，流速大小等等。對(duì)于流體無(wú)相變的換熱器，按照下列方法進(jìn)行校核計(jì)算。管程流體阻力主要包括傳熱管直管阻力和換熱器管程局部阻力：ptpiprNsNpFs式中， pt 管程總阻力，Papi 單程直管阻力，Papr 局部阻力，Pa Ns 殼程數(shù)，無(wú)量綱Np 管程數(shù)，無(wú)量綱Fs 管程結(jié)垢校正系數(shù)，無(wú)量綱，近似取 1.5直管部分阻力和局部阻力分別計(jì)算如下：（2.

48、12）d2l u2pi ii（2.13）式中， i 摩擦系數(shù)，無(wú)量綱l 傳熱管長(zhǎng)度，mdi 傳熱管內(nèi)徑，mpr u22（2.14）流體密度， kg m3u 管內(nèi)流速， m s局部阻力系數(shù)，無(wú)量綱由上述公式，求得管程總阻力為 711.09Pa，在允許壓降范圍內(nèi)，符合要求。殼程阻力計(jì)算采用埃索法計(jì)算，詳細(xì)的計(jì)算方法如下：psp0piFsNs式中， ps 殼程總阻力，Pap0 流體流過(guò)管束的阻力，Papi 流體流過(guò)折流板缺口的阻力，Pa（2.15）ss1.0F殼程結(jié)垢校正系數(shù)，無(wú)量綱， F1.15對(duì)液體對(duì)氣體其中，Ns 殼程數(shù)，無(wú)量綱u 2p0 Ff0 NTC NB102（2.16）iBp N 3.

49、5 2B u 20（2.17）D2=N1.1NTTC0.5正三角形排列（2.18）1.19NT0.5正方形排列0.4正方形斜轉(zhuǎn)45 式中， F 管子排列形式對(duì)阻力的影響，無(wú)量綱， F 0.5正三角形f0 殼體流程摩擦因子，無(wú)量綱NB 折流板數(shù)目，無(wú)量綱B 折流板間距，mD 換熱器殼體內(nèi)徑，mu0 殼程流體流過(guò)管束的流速（按流通面積S0 =B D NTCd0 計(jì)算），m/sf0 按照下式計(jì)算：000f 5.0Re 0.228 Re500（2.19）由以上諸式，代入具體數(shù)值解得ps 72.64Pa ，殼程壓降計(jì)算值在換熱器殼程壓降允許范圍以內(nèi)。綜上所述，換熱器壓降校核符合要求。廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)換熱

50、器主要由換熱管、管板、管箱、折流板等部件組成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即對(duì)以上部件作出具體的材質(zhì)選擇以及尺寸設(shè)計(jì)。換熱管束設(shè)計(jì)換熱管材質(zhì)管殼式換熱器中，換熱管的材料應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況（如操作壓強(qiáng)、流體的溫度及腐蝕性等）來(lái)選用。在本設(shè)計(jì)條件下溫度較高，可達(dá)到 650，一般材料在此時(shí)的機(jī)械性能及耐腐蝕性能等主要評(píng)價(jià)指標(biāo)均會(huì)有不同程度的下降。當(dāng)前，同時(shí)具備具有較好的耐熱性、耐腐蝕性，同時(shí)強(qiáng)度較高的材料并不常見(jiàn)。目前在工業(yè)生產(chǎn)中使用較多的金屬材料有碳鋼、低合金鋼、不銹鋼等；非金屬材料主要有有玻璃、石墨、聚四氟乙烯等。根據(jù)設(shè)計(jì)中實(shí)際工況，文中選擇使用不銹鋼材質(zhì)的換熱管。換熱管類型換熱管多為光管，光管的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。但

51、為了強(qiáng)化傳熱，目前也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了如翅片管、螺紋管、波節(jié)管等新型傳熱管，如圖 2.2 所示。但其制造較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)中采用光管。圖2.2強(qiáng)化傳熱管示意圖換熱管尺寸規(guī)格為便于清洗，多選擇尺寸較大的換熱管，文中選用573.5mm 57 mm。而在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T151-2014熱交換器中所推薦的管長(zhǎng)有 1.0m，1.5m，2.0m，2.5m，3.0m，4.5m，6.0m，7.5m 等，文中選用 4.5m。換熱管排列方式換熱管的標(biāo)準(zhǔn)排列方式主要有 3 種，如圖 2.3 所示。其中應(yīng)用最廣泛的是正三角形排列，這種排列方式有利于殼程流股的湍流。在管間距相等時(shí)，其具有最大的排管密度。本設(shè)計(jì)中采用三角形排列。

52、圖2.3換熱管排列方式示意圖換熱管中心距換熱管中心距受結(jié)構(gòu)緊湊性、傳熱效果、管板強(qiáng)度等影響。管間距小，換熱器殼體小，結(jié)構(gòu)緊湊，殼程流速高，傳熱效果好。但是如果管間距太小，會(huì)使得管板強(qiáng)度下降， 而且管外清洗不便。不同尺寸換熱管的管間距見(jiàn)表 2.10。由表中可選擇管間距為 72mm。表2.10換熱管中心距換熱管外徑/mm192532384557換熱管中心距/mm253240485772管束分程如果傳熱面積較大，管子很長(zhǎng)，使用許多根換熱管會(huì)使流速降低，此時(shí)可以考慮多殼程換熱器，本設(shè)計(jì)中流速較大，故直接選用單殼程換熱器。殼體內(nèi)徑設(shè)計(jì)換熱器殼體直徑可采用作圖法確定，但此法較為繁瑣，當(dāng)換熱管數(shù)目較多時(shí)會(huì)降

53、低工作效率。因此在初步設(shè)計(jì)時(shí)，換熱器殼體直徑可由下列公式估算：式中，D殼體內(nèi)徑，mt管中心距，mDtNTC12b（2.20）NTC位于管束中心線上的管數(shù)b 管束中心線最外層管的中心至殼體內(nèi)壁的距離，一般取b =11.5do當(dāng)換熱管按照正三角形排列時(shí)，NTC 的值可用下面公式估算：NTNTC 1.1式中， NT 換熱器每一殼程的總管數(shù)由以上公式求得換熱器的內(nèi)徑為 630mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓整到 600mm。（2.21）折流板設(shè)計(jì)在管殼式換熱器中，折流板的使用可以增加殼體的流速，加強(qiáng)湍動(dòng)程度，從而提高傳熱系數(shù)。同時(shí)，增加折流板也能增強(qiáng)換熱器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。常用的折流板有弓形折流板和圓盤(pán)型折流板兩種，示意圖

54、如圖 2.4所示。弓形折流板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，在實(shí)際應(yīng)用中最廣泛。其圓缺率一般占?xì)んw內(nèi)徑的 10%40%， 一般取 20%25%。圖2.4折流板類型在條件允許的情況下，折流板間距應(yīng)盡可能小，一般為殼體內(nèi)徑的 20%或 50mm（取二者中的較大值），無(wú)相變傳熱中，折流板間距一般不大于殼體內(nèi)徑。本設(shè)計(jì)中取間距為 450mm。接管設(shè)計(jì)殼程進(jìn)出口流量變化情況不大，可設(shè)計(jì)為相同尺寸，接管內(nèi)徑可由下列公式求得。4VuD（2.22）式中， D 所設(shè)計(jì)的接管內(nèi)徑， mV 設(shè)計(jì)位置體積流量， m3 su 設(shè)計(jì)位置流股流速， m s由上式求得，殼程進(jìn)出口接管內(nèi)徑為 0.1 m ，而對(duì)于管程的荒煤氣，同樣由上述公

55、式，求得管程接管內(nèi)徑為 0.4 m 。設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果綜上所述,設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果如下表：表2.11廢熱鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)表幾何參數(shù)熱力學(xué)參數(shù)殼程數(shù)單殼程熱負(fù)荷/kW688.36放置形式臥式所需傳熱面積/m226.77殼體內(nèi)徑/m0.6實(shí)際傳熱面積/m241.10殼/管束間隙/m0.03傳熱面積裕量/%33.20管規(guī)格/mm573.5總傳熱系數(shù)/W/(m2K)87.58管數(shù)51對(duì)數(shù)傳熱溫差/254.9管長(zhǎng)/m4.5管排列方式三角形排列管材料碳鋼折流板數(shù)9折流板間距/m0.45折流板圓缺率0.2殼程進(jìn)口管嘴直徑/m0.1殼程出口管嘴直徑/m0.1管程進(jìn)口管嘴直徑/m0.4管程出口管嘴直徑/m0.4廢熱鍋爐機(jī)械設(shè)

56、計(jì)本章首先進(jìn)行換熱器類型的介紹，根據(jù)工況選擇相應(yīng)的換熱器。再完成換熱器的機(jī)械設(shè)計(jì)。管殼式換熱器基本類型管殼式換熱器是目前應(yīng)用最廣的換熱設(shè)備，它有眾多優(yōu)點(diǎn)30，如可靠性高、結(jié)構(gòu)牢固、類型較多等，按照殼體與管束的類型或安裝方式不同，管殼式換熱器主要固有定管板式換熱器以及浮頭式換熱器等幾種類型，下文將對(duì)其作簡(jiǎn)單介紹31。固定管板式換熱器固定管板式換熱器是管殼式換熱器類型中較為基本的一種，其示意圖如圖 3.1 所示。它的管束兩端直接固定在兩塊管板上，固定方式主要有焊接或脹接兩種。管板與筒體的連接方式一般采用焊接。圖3.1固定管板式換熱器示意圖固定管板式換熱器特點(diǎn)如下：布管密度大，換熱器自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且較

57、為緊湊，成本和制造費(fèi)用低。由于兩端管板固定，當(dāng)管束與殼體的壁溫較大或材料線膨脹系數(shù)差別明顯時(shí)，需設(shè)置膨脹節(jié)、撓性管板等撓性元件，從而減小溫差應(yīng)力。殼程設(shè)置法蘭盤(pán)，適用于耐泄露的場(chǎng)合。管殼程清洗均不便，管間不能采用機(jī)械清洗。綜合以上特點(diǎn)，固定管板式換熱器主要適用場(chǎng)合如下：管程需要清洗，但殼程介質(zhì)清潔、不易結(jié)垢的場(chǎng)合。殼程會(huì)產(chǎn)生污垢，但可以采用溶液來(lái)清洗的場(chǎng)合。管殼兩側(cè)溫差較小或溫差較大但殼程壓力不高的場(chǎng)合。浮頭式換熱器浮頭式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖如下，它有一塊固定管板，另一塊管板與殼體可相互移動(dòng)，這便是浮頭。浮頭由浮頭端蓋、浮頭管板和鉤圈組成，連接可以拆卸。圖3.2浮頭式換熱器示意圖浮頭換熱器具有以

58、下特點(diǎn)：管板僅有一端固定，另一端可沿導(dǎo)向片自由移動(dòng)，這使得管束和殼體的變形不受約束。不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。卸下安全螺栓，可將管束從筒體內(nèi)取出，有利于管束內(nèi)外的清洗。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，金屬消耗量大，制造成本較高。浮頭端小蓋處于封閉狀態(tài)，一般無(wú)法檢查，難以發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏等問(wèn)題。管束與殼體的環(huán)隙一般較大，這可能會(huì)引起殼程流體的短路，甚至進(jìn)一步影響換熱器的傳熱性能。浮頭式換熱器適用于管殼程溫差較大的場(chǎng)合，對(duì)于介質(zhì)易結(jié)垢，且需要清洗的場(chǎng)合， 該類型換熱器同樣適用。U 型管式換熱器U 型管式換熱器的大致結(jié)構(gòu)如下圖所示，它僅在一端有一塊管板，管束為多根 U 型管，U 型管的兩端均固定在同一塊管板上。圖3.3U型管式換熱器示意

59、圖U 型管式換熱器特點(diǎn)如下：（1）U 型管以管板為基點(diǎn)，可以自由升縮，因此即使殼體與 U 型換熱管間存在較大溫差時(shí)，該類型換熱器也不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。僅需要一個(gè)管板，成本及加工費(fèi)用低。由于受到彎管曲率半徑等條件因素的限制，換熱器管板的布管密度較低，從而導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)不緊湊，換熱器管板利用率低。管束內(nèi)層間距較大，殼程流體易短路，惡化傳熱效果。換熱器內(nèi)層的 U型管損壞后無(wú)法更換，只能采用堵管的方式解決問(wèn)題。而且損壞一根 U型管，其結(jié)果相當(dāng)于損壞兩根管，堵管后，換熱管報(bào)廢率高。管束可取出，有利于管外部的清洗和檢查，內(nèi)管由于是 U型，因此清洗困難。U 型管式換熱器適用的工況條件如下：管殼程溫差較大或者殼程

60、介質(zhì)易結(jié)垢，需要清洗，又不適用采用浮頭式換熱器或者固定管板式換熱器的場(chǎng)合.特別適用于管內(nèi)走清潔而不易結(jié)垢的高溫、高壓、介質(zhì)腐蝕性大的場(chǎng)合。填料函式換熱器填料函式換熱器結(jié)構(gòu)如下圖所示，其結(jié)構(gòu)與浮頭式換熱器相似，浮頭部分露在殼體以外，在浮頭與殼體滑動(dòng)接觸面處，采用填料函式密封結(jié)構(gòu)。圖3.4填料函式換熱器示意圖填料函式換熱器具有以下特點(diǎn)：換熱器的管束可以自由伸縮移動(dòng)，因此不會(huì)產(chǎn)生管殼間溫差應(yīng)力。其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造方便，成本造價(jià)低。其管束可取出，換熱器管內(nèi)、管間均能清洗，便于維修。換熱器中填料處容易發(fā)生泄露，同時(shí)殼程的適用溫度會(huì)受填料函性能的限制。填料函式換熱器工作條件壓力較低，且該類型的換熱器