1、静思笃行 持中秉正 秋记与你分享流化床内流化介质与水平埋管管壁传热特性研究 答辩人：导 师：静思笃行 持中秉正 秋记与你分享 目 录信义勤爱 思学志远选题背景研究内容及意义总结建议工程应用静思笃行 持中秉正 秋记与你分享 选题背景及意义:背景焦炭是钢铁工业、冶炼业的原燃料我国是焦炭生产大国2009年我国焦炭产能为4.5亿吨，产量为3.4亿吨。占世界焦炭产量的66%。炼焦装炉煤平均含水率为11%每年有4150万吨水被耗热蒸发耗热蒸发并进入难以处理的炼焦废水当中去，带来环境污染问题。环境污染 能源浪费 焦炭品质降低 焦炭产量低 影响焦炉使用寿命信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享 相
2、关资料报道炼焦过程中煤中水分每增加1%，多耗热能62.0MJ/t(干煤)节省炼焦耗热能10.6kgce/t(干煤)全年可节省炼焦用热360万吨标准煤。煤调湿技术：减少炼焦废水排放1890万t/a减少CO2排放1250万t/a（若按每吨焦炭减排CO2 48kg）增加焦炭产量7%左右若用焦炉烟道气作煤调湿热源：信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享煤调湿工艺（Coal Moisture Control简称CMC）指“炼焦装炉煤水分控制”工艺，它是在干燥煤炼焦技术的基础上发展起来的，基本原理是将炼焦用煤在装炉前利用外热进行加热干燥、脱水，达到煤的水分调节和控制，按照目前炼焦工艺要求把煤中
3、水分控制在6%左右。信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享国内外主要CMC工艺技术介绍1.滚筒式CMC工艺技术 （热载体为蒸汽、导热油）不足：不足：传热不均匀，传热强度低，能耗消耗大；热源局限性大（消耗优质热源）；系统调节局限性较大。信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享国内外主要CMC工艺技术介绍流化床式CMC工艺技术2.流化床式CMC工艺技术不足：不足：长距离输送，电耗量大；热损失大；烟道气的供热能力有限，雨季调湿难度大；煤尘总量大，环保效果差；系统可调节性能差信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享国内外主要CMC工艺技术介绍流化床式CMC工艺技术3.梯
4、级筛分内置热式流化床式煤调湿系统 避免过度粉碎和能量不合避免过度粉碎和能量不合理投入理投入 低品位的热能有效利用低品位的热能有效利用 除尘造粒装置，细粉回收除尘造粒装置，细粉回收 可调节性能好可调节性能好信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享1-给料装置；2-内置换热管；3-流化风机；4-电动调节阀；5-排料装置；6-粗煤排料装置；7-返混煤料出口；8-再热器内置热式流化床式煤调湿机1-给料装置；2-内置换热管；3-流化风机；4-电动调节阀5-排料装置；6-粗煤排料装置；7-返混煤料出口；8-再热器流化床内流化介质与水平埋管管壁传热特性研究信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记
5、与你分享 研究内容及意义:主要内容主要内容：1）通过实验，观察其含水率、热流密度、流化风速等对传热系数的影响。2）分析以上影响因素对传热系数的影响规律。采用量纲分析法建立数学 模型，以实验实测数据为依据，利用matlab拟合得到影响因素关系的函数式。3）结合工程实际应用情况，分析实验数据，该实验在一定程度上，对工程应用具有理论和操作上的参考价值。以上研究成果为工程装备工业化设计以及运行调节提供理论依据和参考研究方法研究方法：采用理论分析、计算和实验研究相结合重点研究重点研究：含水率对传热特性的影响信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享 研究内容 实验装置实验装置实验测量实验测量结果
6、、分析结果、分析 操作步骤操作步骤信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享风室内置热流化床沉降室流化床反应器 实验装置实验装置信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享实验台系统简图1-沉降室；2-流化床床体；3-风室；4-涡街流量计；5-进风管路；6-离心鼓风机；7-出风管路；实验装置实验装置信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享实验步骤 操作步骤操作步骤物料准备1）筛分物料：粒度范围：0-4mm 平均粒径：1 mm2）不同含水率煤 的配制：按一定的含水百分率向煤料中加入一定体积的水，搅拌使两者完全混合。开启风机，同时给加热棒施加电势使其升温。待床料被正式流化，
7、且加热管温度恒定，维持加热管加热功率不变，同时提取2 g煤样测其含水率。实验升温流化放料采集数据1）采用降速法，待床内工况稳定时，记录壁温和床温、内部压降；2）风速降至0，提取煤样测取水分；3）数据处理与分析。信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享被测量 实验测量实验测量被测量床层温度管壁温度进风量m3/h测点压降Pa 输入电势V煤含水率%符号表示TwTbQP0UMR对被测量进行处理：1)加热棒电功率/W：P=（U2/R）2)传热系数/W/(K)：h=P/Ah=P/A1 1*(T(Tb b-T-Tw w)3)床层压降/Pa：P=P0-Pc ，Pc=0.002u2+0.04u+2.1
8、284)表观气速/(m/s)：ug=Q/（3600*Acz）（注：R-加热棒电阻；A1-管侧壁面面积；Acz-布风板面积0.0642m2）信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享测量仪器 实验测量实验测量空气流量含水率内部压降床料、壁面 温度干燥箱压差变送器热电偶信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享结果、分析结果、分析u 热流密度对传热特性的影响u 含水率对传热特性的影响 表观气速对传热特性的影响信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享热流密度对传热特性的影响结果结果、分析分析 热流密度对传热系数的影响很小，不视为影响物料与管壁热流密度对传热系数的影响很小，不
9、视为影响物料与管壁间传热系数的主要因素。间传热系数的主要因素。结论信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享表观气速对传热特性的影响结果、分析结果、分析 适度增大表观气速可以强化颗粒与壁面的传热，表观气适度增大表观气速可以强化颗粒与壁面的传热，表观气速过大，颗粒浓度减小，热阻增大，传热削弱速过大，颗粒浓度减小，热阻增大，传热削弱。结论信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享含水率对传热特性的影响结果、分析结果、分析 煤中水分在一定范围内，煤料与管壁间的传热系数是煤中水分在一定范围内，煤料与管壁间的传热系数是随着煤中含水率的增加而增大的。随着煤中含水率的增加而增大的。结论信义勤
10、爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享含水率对传热特性的影响结果、分析结果、分析 煤中水分在一定范围内，煤料与管壁间的传热系数是煤中水分在一定范围内，煤料与管壁间的传热系数是随着煤中含水率的增加而增大的。随着煤中含水率的增加而增大的。结论信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享含水率对传热特性的影响结果、分析结果、分析 当煤中水分的增加，还未能阻碍颗粒的自由运动，对当煤中水分的增加，还未能阻碍颗粒的自由运动，对颗粒的流化不起恶化作用的情况下，煤料与管壁间的传热颗粒的流化不起恶化作用的情况下，煤料与管壁间的传热系数是随着煤中含水率的增加而增大的。系数是随着煤中含水率的增加而增大的
11、。结论信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享小节1）热流密度对传热系数的影响很小，不视为影响物料与管壁间传热系数的主要因素，甚至可以忽略；2）流化过程中，随着流化风速的升高，流化介质与加热管壁间的传热系数值呈现出先增高后下降的趋势；3）在利用该内置热流化床装置进行干燥煤料时，物料的含水率应 16%。过高的含水率会恶化流化，导致传热系数偏低。结果、分析结果、分析信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享建立传热系数关系准则数结果、分析结果、分析通过量纲分析法和量纲齐次原则，设这些影响因素之间的关系函数为：各变量用基本量纲表示13MTh3 MLg11TMLg11TMLg11TM
12、Lg13MLTkg13MLTkgLdpLH 0),(WHdukChFpggggpg写出一般项987654321bbpbgbgbgbgbbpgbgHdukWCh写出量纲矩阵信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享建立传热系数关系准则数结果、分析结果、分析94321bpbgpggbbggpgbgpgdHduWkuCkdh整理后即为：9941421424321-bbbbpbgbbgbbgbgbbpgbgHdukWCh0),Pr,Re,(pdHWNuF可写成信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享建立传热系数关系准则数结果、分析结果、分析一个物理量又可以表示为基本量乘幂的之积，因此
13、WANuRe数学模型91.07788.0-maxRe5.745WNu应用范围：物料的粒度范围是0-4mm 平均粒径是2mm 25Re65，6%W16%。利用软件Matlab2019a非线性最小二乘法经验证，传热系数的计算值与实验值间的误差控制在10%以内，能够满足工程设计精度要求，因此，该公式能够较准确地对数据进行预测。信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享 工程应用柳钢煤调湿柳钢煤调湿工艺介绍工艺介绍 运行数据运行数据及计算结果及计算结果信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享图11 调湿机示意图1-调湿机入口给料装置；2-流化空气预热模块；3-调湿风机；4-流化风机；
14、5-煤调湿模块；6-细料溢流口排料装置；7-粗煤排料口；8-热水进口；9-热水出口；10-流化空气排放再热器柳钢煤调湿柳钢煤调湿工艺介绍工艺介绍信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享运行数据及运行数据及计算结果计算结果序号工况 1工况 2工况 3煤侧传热系数调湿机入口煤质流量（t/h）132.00 145.60 163.80 入口煤含水率（%）11.80 11.7012.00 溢流口细煤质流量（t/h）107.00 120.60 138.80 溢流口细煤含水率（%）4.70 5.74 6.80 溢流口细煤温度（）37.30 31.00 27.10 粗煤排口质流量（t/h）25.00
15、 25.00 25.00 粗煤排扣含水率（%）5.90 6.26 8.50 热水进口温度（）133.40 130.20 133.80 热水出口温度（）110.00 108.00 118.10 煤进口温度（）20.00 20.00 18.70 煤出口温度（）37.30 37.30 29.00 出口煤平均含水率（%）0.05 0.06 0.08 干煤质流量（t/h）116.42 128.56 144.14 调湿机出口煤质量流量(t/h)122.94 136.77 156.08 蒸发水量（t/h）9.06 8.83 7.72 剩余水量（t/h）6.52 8.21 11.94 干煤比热（KJ/kg*k
16、）1.25 1.25 1.25 水的比热(KJ/kg*k)4.18 4.18 4.18 水的潜热(KJ/kg)2257.60 2257.60 2257.60 干煤吸热量（W）Q1701590.43 774752.91 517164.65 水蒸发吸热量（W）Q25863739.92 5714072.77 4930773.61 剩余水吸热量（W）Q3130884.52 164841.05 142801.28 煤侧吸热总量（W）Q6696214.87 6653666.73 5590739.54 煤侧换热面积（m2）1220.40 1220.40 1220.40 一端温差t196.10 92.90 1
17、04.80 另一端温差t290.00 88.00 99.40 煤侧温压（）t93.02 90.43 102.08 煤侧平均传热系数（W/m2*k）58.99 60.29 44.88 流化空气侧传热系数调湿风机总风量（Nm3/h）114613.00 115612.00 126268.00 调湿机流化气体进口温度（）73.50 74.50 77.00 调湿机流化气体出口温度（）95.20 93.00 102.00 空气平均比热（KJ/Nm3*k）1.32 1.32 1.32 流化空气吸热量（W）911937.44 784234.73 1157456.67 流化气侧换热面积（m2）1220.40 1
18、220.40 1220.40 一端温差t138.20 37.20 31.80 另一端温差t236.50 33.50 41.10 流化气侧温压 t37.34 35.32 36.25 流化气侧平均传热系数(W/m2*k)20.01 18.19 26.16 总体传热系数K（W/m2*k）79.00 78.49 71.04 参照论文41-43信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享运行值运行值实验值对比实验值对比柳钢煤调湿：含水率为12%的炼焦煤进行调湿时壁面与床料间的传热系数维持在71 80 w/(m2k)试验台调湿：含水率12%的煤调湿对应的最大传热系数范围为152 198w/(m2k)
19、信义勤爱 思学志远实际运行时传热系数偏低静思笃行 持中秉正 秋记与你分享运行值运行值实验值对比实验值对比实际运行：现场运行环境较复杂，煤料很难达到充分流化实 验：中的传热系数是在煤料达到了充分流化状态下计算得到的1）实验物料粒径分布差距大 实际运行：炼焦煤粒径范围为0 25 mm（平均粒径=2mm）实 验：煤料粒度范围在0 4 mm（平均粒度约为1mm）2）物料与换热面接触面积不同 实际运行：床料仅埋没加热面的2/3 实 验：中料层是完全浸没换热面 3）流化程度不同信义勤爱 思学志远主要原因静思笃行 持中秉正 秋记与你分享 总结建议主要结论研究不足信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你
20、分享1)水平埋管提供的热流密度对传热系数的影响很小，不视为影响物料与管壁间传热系数的主要因素，甚至可以忽略。2)适度增大流化气速，可以强化煤颗粒与壁面的传热。但表观气速不易过大，过大的气流速度导致颗粒浓度减小、热阻增大、削弱传热。3)粗煤粒的含水率在介于6%15%时，传热系数随含水率的增加而增加；当煤的含水率为18%20%时，传热系数急剧下降。4)通过量纲分析，结合非线性最小二乘法推导出含水率、流化气速与传热系数的关联式。经验证，传热系数的计算值与实验值间的误差控制在10%以内，能够满足工程设计精度要求。所以，此关联式可以对不同风速和含水率情况下传热效果的预测。5)通过对柳钢煤调湿机实际运行工况下床层与管壁间的传热系数与相关实验值进行对比，在某种程度上说明了该实验的正确性，同时也验证了该煤调湿工艺的可行性和实用性。主要结论信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享1）找到使物料流动恶化时的含水率，需对湿煤的临界含水率做进一步研究；2）本文尽管推导出煤料与埋管壁面间传热系数的关联式，但是具有很大的局限性，若想得到应用范围更广的关联式，还需要做大量的实验。以上两方面内容是后续研究工作的一个方向研究不足信义勤爱 思学志远静思笃行 持中秉正 秋记与你分享 敬请各位专家领导批评指正！信义勤爱 思学志远
