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高温煅后焦余热回收换热器传热特性研究

孙树森  
【摘要】:炭素行业中煅后焦是生产铝电解阳极、炼钢用石墨电极和增碳剂的重要基础材料。煅后焦是石油焦经高温煅烧后的产物,其颗粒初始温度一般在800°C以上,含有丰富的余热量,若将其通过余热回收换热器冷却降温,充分回收这部分热量,将对实现我国节能减排、提高能源利用效率具有十分重要的现实意义。本文首先建立一级换热器内颗粒传热的物理模型,采用Fluent模拟研究换热器内高温煅后焦颗粒的传热机理,分析了颗粒导热系数、颗粒粒径、颗粒间短圆柱接触面积、颗粒初始温度和换热器宽度对一级换热器传热特性的影响规律。然后搭建二级换热器传热实验系统,研究了颗粒平均粒径和电加热功率对低温煅后焦颗粒稳态传热特性的影响规律。得出以下结论:(1)模拟研究了一级换热器内高温煅后焦颗粒传热机理,结果表明:换热初期,颗粒与间隙气体之间的传热方向会发生改变,并且传热方向发生改变的位置逐渐向对称面推进。对于换热器壁面附近而言,随着换热时间的增长,颗粒的导热热流密度和辐射热流密度及间隙气体的导热热流密度均减小,但通过三者对比发现,换热器壁面附近是以颗粒的导热方式为主。(2)模拟研究了颗粒导热系数、颗粒粒径、颗粒间短圆柱接触面积对一级换热器传热特性的影响,结果表明:颗粒当量导热系数由0.9增大到1.1,换热器壁面处颗粒导热量占比从92%增大到94%,间隙气体导热量占比从8%降至6%;余热回收效率从78.99%升高到80.11%;颗粒当量导热系数每升高0.05,整体换热时间平均减小1.13h。颗粒粒径从1.77mm增大到14.7mm,换热器壁面处颗粒导热量占比从89%升高到94%,间隙气体导热量占比从11%降低至6%;余热回收效率从44.01%升高到80.24%;颗粒整体的换热时间逐渐降低。颗粒间短圆柱接触面积比值从0.03增大到0.07,换热器壁面处颗粒导热量占比从89%升高到96%,间隙气体导热量占比从11%降至4%;余热回收效率从77.55%升高到80.26%;接触面积比值每增大0.01,整体换热时间平均减小2.2h。(3)模拟研究了颗粒初始温度和换热器宽度对一级换热器传热特性的影响,结果表明:颗粒初始温度从600°C升高到1000°C,换热器壁面处颗粒导热量占比减小,但间隙气体的导热量占比增大;余热回收效率从73.32%升高到79.04%而后又降至73.69%;颗粒初始温度每升高100°C,整体换热时间平均线性增加4.03h。换热器宽度从0.1m增长到0.2m,换热器壁面处颗粒导热量占比稳定在93%,间隙气体占比稳定在7%;余热回收效率从80%降至60%;换热器宽度每增长0.025m,整体换热时间平均线性增加5.88h。(4)实验研究了颗粒平均粒径和电加热功率对二级换热器传热特性的影响,结果表明:在本实验范围内,随着颗粒平均粒径的增大,二级换热器壁面有效传热系数和近壁层颗粒温度均减小,但并没线性减小而是呈现变缓趋势;随着电加热功率的增大,近壁层颗粒温度升高,换热器壁面有效传热系数增大;颗粒温度每升高10°C,有效传热系数平均增大2.14%;对实验数据进行回归分析,建立了适用于二级换热器壁面的无量纲传热实验关联式。


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