分離式熱管提取焦化熄焦廢水的余熱

分離式熱管提取焦化熄焦廢水的余熱

0焦化廢水余熱回收利用的探討在能源日益緊張的今天，現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)生的大量剩余收入尤其重要。MariaLjunggrenS?derman與zeljkoBajza在工業(yè)余熱回收方面做了大量工作,目前,中國(guó)的焦化廠在產(chǎn)能不斷增大的同時(shí)產(chǎn)生的余熱也在不斷增大。1座60×104t/a的焦化廠產(chǎn)生熄焦廢水達(dá)600t/d～800t/d。焦化熄焦廢水的溫度最高可達(dá)90℃～100℃,直接排至污水處理工段,是對(duì)熱能的極大浪費(fèi),若用分離式熱管將其余熱提取出來,可為生活所用。由于焦化廢水中含有大量酚等有害物質(zhì),其對(duì)金屬材料的腐蝕性極強(qiáng),這是焦化廢水余熱難以回收的關(guān)鍵。如果熱管蒸發(fā)段采用塑鋼形式,雖然塑料換熱效果不如金屬,但由于冷凝段還是金屬材料,整體換熱效果要比采用塑料熱管好。為此,提出了采用蒸發(fā)段為塑鋼的分離式熱管提取焦化熄焦廢水余熱的方式。1熱管傳熱系數(shù)和充液量的確定由于熄焦廢水溫度高且腐蝕性強(qiáng),所以分離式熱管采用不銹鋼材質(zhì)。蒸發(fā)段與冷凝段的構(gòu)造相同,采用23根長(zhǎng)度L=1000mm,直徑d=20mm,厚度δ=0.8mm的鋼管,蒸汽上升管用DN80的鋼管。蒸發(fā)段外鍍?chǔ)?2mm的塑料。蒸汽上升管用保溫材料絕熱,浸入焦化廢水中的冷凝液下流段部分也外鍍2mm的塑料。分離式熱管構(gòu)造見圖1,蒸發(fā)段熱管平面布置見圖1。在蒸發(fā)段一側(cè)由于熱管表面鍍有塑料層,增強(qiáng)了傳熱熱阻,降低了傳熱系數(shù),所以應(yīng)設(shè)法增強(qiáng)傳熱效果。由于熱管的物性一定,可通過熱管的交叉排列,使熱流體流態(tài)由層流變?yōu)槲闪鳡顟B(tài),增強(qiáng)熱流與熱管之間的傳熱效果。在流體以1.5m/s的流速流過蒸發(fā)段時(shí),按照式(1)的傳熱系數(shù)準(zhǔn)則,進(jìn)行熱管表面的塑料層與熱流體的熱交換。Nuf=0.35Ref0.6Prf0.36(Prf/Prw)0.25(S1/S2)0.2,(1)其中,S1/S2=1。塑料層與流體之間的傳熱系數(shù)為:h1=Nufλ/d。分離式熱管的蒸發(fā)段與冷凝段是分開的。當(dāng)高溫焦化廢水通過底部的蒸發(fā)段時(shí),工作介質(zhì)變?yōu)檎羝?。蒸汽聚集到上升管?nèi)向上流動(dòng),流至冷凝段后放出熱量。冷流體在冷凝段與管殼、散熱翅片充分接觸時(shí)被加熱。在冷凝段放出熱量后蒸汽變?yōu)橐后w,在重力作用下回到下流段。整個(gè)系統(tǒng)中,由于蒸汽上升與液體下降形成了一定的密度差,為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行提供了所需要的壓力。其循環(huán)運(yùn)動(dòng)壓頭的計(jì)算式為式(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)從式(2)中看出,蒸發(fā)段與冷凝段的高差H越大,壓頭越大,系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)壓力就越大。在傳熱效率方面,有人作過高差與傳熱能力關(guān)系的實(shí)驗(yàn),得出高差越大,分離式熱管的傳熱能力越強(qiáng)。在該實(shí)驗(yàn)中,為了便于觀察,高差定為0.5m。為使蒸發(fā)段與熱流體能充分進(jìn)行熱交換,蒸發(fā)段熱管呈交錯(cuò)布置,讓熱流體充分沖刷蒸發(fā)段。為使冷凝段與冷流體充分進(jìn)行熱交換,冷凝段裝有散熱翅片,增大冷凝段的換熱效率。充液量是影響分離式熱管傳熱效率的重要因素之一。若充液量過大,蒸汽可能攜帶液體進(jìn)入冷凝段;反之,若充液量過少,會(huì)造成蒸發(fā)段干涸現(xiàn)象。2種情況都會(huì)導(dǎo)致傳熱效率降低。為此,把環(huán)膜燒干點(diǎn)置于蒸發(fā)段出口時(shí)的充液量,作為分離式熱管的最小充液量。關(guān)于充液量可按式(3)計(jì)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%。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同充液量狀態(tài)下,分離式熱管的冷凝段壁溫和傳熱量(見圖3)。從圖3看出,在蒸發(fā)段熱媒溫度一定時(shí),隨著充液量的增加,冷凝段管壁溫度會(huì)不斷升高。充液量在80%～110%之間變化時(shí),管壁溫度上升最快,傳熱功率最大,在此范圍內(nèi)分離式熱管的傳熱效果較好。2蒸發(fā)段傳熱及傳熱功率的計(jì)算試驗(yàn)中用電加熱水箱為整個(gè)系統(tǒng)提供熱源。分離式熱管的蒸發(fā)段整體浸入熱流體中提取熱量,冷凝段浸入冷流體中把蒸發(fā)段提取出來的熱量傳導(dǎo)至冷流體。在冷流體與熱流體前后安裝溫度表與電磁流量計(jì),測(cè)得流體溫度差與流量。通過智能多點(diǎn)溫度巡檢儀測(cè)得冷凝段壁面溫度分布情況。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置見圖4。用電加熱器把水箱中的水加熱至90℃,系統(tǒng)運(yùn)行后,控制流速為1.5m/s讓熱流體流經(jīng)蒸發(fā)段,流經(jīng)冷凝段冷流體的初始溫度在10℃左右。測(cè)量熱流體流經(jīng)蒸發(fā)段前后的溫度t1、t2以及蒸發(fā)段一側(cè)熱流體流量q1,得出蒸發(fā)段一側(cè)的傳熱量及傳熱功率。同樣測(cè)得冷凝段的傳熱量及傳熱功率。通過智能多點(diǎn)溫度巡檢儀測(cè)得冷凝段管壁各點(diǎn)的溫度。蒸發(fā)段的換熱系數(shù)用式(4)計(jì)算,he=3.942×105.06×104Rel,(4)蒸發(fā)段的傳熱系數(shù)為:K=1/(1/h1+δ/λ+1/he),(5)則蒸發(fā)段的熱流密度為:q=k(tf-tb)(6)冷凝段的換熱系數(shù)按式(13)計(jì)算,hc=0.375(ζρlρvuv-2hfgλ2l/μllcqc)1/2(7)則冷凝段的換熱量一部分為冷凝段管壁與周圍流體的傳熱量:Q1=S1hc(tb-tf),(8)另一部分為散熱翅片與周圍流體的傳熱量。將散熱翅片簡(jiǎn)化為一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。首先,只考慮散熱翅片與流體的對(duì)流換熱,忽略其對(duì)流體的輻射換熱;其次,假定散熱翅片表面與流體的換熱系數(shù)為一定值,不隨溫度變化而發(fā)生變化;最后,假定翅片周圍流體溫度相同。散熱翅片厚度非常小,設(shè)為1。翅片的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程為式(9):1/a?T/?t=1/h(x)?/?x[h(x)?T/?x]-L(x)/h(x)h/k(Tx-Tf),(9)當(dāng)x=0,T=Tb,x=H時(shí),?T/?x=hc/k(T-Tf)。(10)經(jīng)過關(guān)于時(shí)間t的拉普拉斯變換,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)通過邊界條件求得散熱翅片的導(dǎo)熱傳遞函數(shù)f(x):Q2=ks∫b0(f(x)-Tf)dx。(13)3蒸發(fā)段余熱回收技術(shù)a)通過調(diào)節(jié)熱媒溫度,測(cè)得冷凝段一側(cè)單根管子傳熱功率與管壁溫度變化(見圖5、圖6)。從圖5、圖6中看出:(a)熱媒溫度和壁面溫度越高,傳熱功率越大;(b)由于焦化廢水溫度較高,用分離式熱管的傳熱效率較高;(c)隨著溫度升高,冷凝段傳熱效率增大,冷凝段冷媒水得到熱量越多,分離式熱管從焦化廢水中提取的熱量越多。所以,在蒸發(fā)段充液量一定的情況下,隨著溫度的升高,冷凝段傳熱功率不斷升高。焦化廢水的溫度隨熄焦廢水量的變化,一般在50℃～80℃之間變化,甚至更高。所以,焦化廢水溫度越高,分離式熱管從中提取的熱量越多;b)控制流速為1.5m/s,水溫為10℃,冷流體流經(jīng)冷凝段時(shí),可測(cè)得冷流體溫升隨熱流體溫升的變化情況見圖7。從圖7中看出:(a)蒸發(fā)段熱媒水溫度越高,冷凝段冷流體被加熱后的溫度越高;(b)由于熄焦廢水溫度較高,回收熱量后的熱水溫度完全滿足廠區(qū)生活用水的要求;(c)通過測(cè)量冷凝段冷流體水流量,冷凝段兩側(cè)水溫,計(jì)算出分離式熱管提取的熱量。根據(jù)每千克標(biāo)準(zhǔn)煤釋放出的熱量,可計(jì)算出節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤的質(zhì)量。提取熱量:ˉΤ=C1sinh(mx)+C2cosh(mx)+ˉΤb+ˉΤn,(14)折合標(biāo)準(zhǔn)煤:Q2=ks∫b0(f(x)-Tf)dx,(15)其中,q為每千克標(biāo)準(zhǔn)煤放出的熱量。經(jīng)計(jì)算,熄焦廢水經(jīng)余熱回收可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤6.7t/a。冬季回收的余熱還可用于采暖,這樣至少可以節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤2400t/a,減少CO2與SO2的排放,實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的目標(biāo)。4分離式熱管充液量的控制策略通過理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的