黑體材料在煉焦爐上升管余熱回收增效中的應用研究

吳祖杰，周云輝，陳茜茹，王政偉

（1.煉焦煤資源開發及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467000；2.河南嘉和節能科技有限公司，河南 鄭州 450000）

煉焦煤在焦爐中隔絕空氣的環境下，以干餾的方式進行加熱形成焦炭，并產生數量龐大的高溫荒煤氣。溫度為650 ℃～800 ℃的焦爐荒煤氣帶出的熱量占焦爐總支出熱量的36%[1]，直接逸散會造成能源的浪費，出于環保節能的考慮，需要充分回收其中的熱量。在眾多上升管荒煤氣熱量回收方式中，利用上升管換熱器進行熱量回收是解決上述問題的方式之一，而如何提高換熱器的換熱效率，盡可能多地回收荒煤氣中的熱量，也是需要考慮的問題。

本文將一種能強化吸熱、防腐防結焦的納米黑體材料涂覆在上升管換熱器內壁，利用Fluent 模擬軟件，研究涂覆黑體材料后的上升管換熱器的換熱效果，并進行中試試驗，結果可為焦爐上升管余熱的回收利用提供借鑒。

1 黑體材料特性

熱量傳遞主要通過熱傳導、熱對流、熱輻射這幾種方式進行。而隨著溫度的升高，熱輻射在這三種傳遞方式中逐漸占據主導地位，其效率約為對流傳熱效率的15 倍[2]，可占總熱量傳遞的90%以上。絕對黑體是一種理想狀態下的假設物體，它具有完全吸收投射輻射能量的特性，同時在相同溫度條件下，能把吸收到的輻射能量完全發射出去，其發射、吸收性質與方向無關[3]。然而自然界中并不存在理想狀態下的絕對黑體，因此就定義發射率（吸收率）ε 來描述自然界的物體與理想絕對黑體在相同條件下吸收輻射能的接近程度，發射率的計算公式見式（1）。

式中：ε 為吸收率；E 為自然物體吸收的輻射能，J；Eb為絕對黑體吸收的輻射能，J。

通常所說的黑體材料是利用黑體的性質，使其輻射吸收率趨近于1，讓它具有更好的熱輻射吸收能力[4]。

本試驗采用的黑體涂料采用了納米材料，其在700 ℃的發射率可達到0.95 左右。將這種黑體涂料以0.3 mm 的厚度均勻涂覆在上升管換熱器的內壁，可以極大地降低傳統上升管換熱器內壁的表面能，因此在黑體涂層的受熱面上可極大地減少焦油及熔融焦粒的附著程度，再控制荒煤氣降低后的溫度不低于焦油析出溫度，這樣就可避免或減少結焦概率，減小換熱器內壁污染。

2 黑體材料吸熱原理及提升熱效率的分析

黑體材料涂層工作原理示意圖見圖1。

圖1 黑體材料涂層工作原理示意圖

焦爐上升管荒煤氣的高溫能量以紅外線形式由眾多光子組成，打在上升管換熱器內壁的黑體材料涂層上，涂層中的原子、分子在吸收光子后會引起振動并產生熱量，隨著涂層的原子、分子不斷地振動，涂層熱量不斷升高，而光子的能量在被黑體材料涂層表面物質奪走后而消失（光子能量傳遞）[5]。只要涂層處于相對較低的溫度，就會自動捕捉光子提升自身能量，這就是黑體材料涂層的吸熱原理。當黑體材料涂層溫度上升后，與涂層下的上升管換熱器內壁存在較大溫度差，熱量通過熱傳導方式源源不斷地被換熱器內壁、除鹽水等低溫部分吸收，熱量被充分利用產生蒸汽。黑體涂層表面通過換熱器內壁與除鹽水的熱交換始終保持在較低溫度，因此其對高溫熱源光子的捕捉是連續不斷的，從而提高了上升管換熱器的熱效率。

由于煉焦爐荒煤氣的溫度高，成分復雜，因此上升管換熱器內壁涂覆的黑體材料需要具有耐高溫（1 400 ℃）、高吸收率（0.95）、高附著率、較好的抗結焦結渣能力和優異的抗酸堿腐蝕能力。

3 數值模擬對比計算

3.1 流體域計算模型的建立

上升管換熱器擬采用夾套式換熱結構，利用Fluent 軟件進行模擬數值計算。流體域模型內徑為700 mm，外徑為920 mm，高為2 700 mm。采用相同的邊界條件（荒煤氣進口溫度為750 ℃，進口速度為6 m/s；除鹽水進口溫度為60 ℃，進口速度為0.005 6 m/s），僅改變涂層的輻射值進行對比計算。輻射模型采用適用性寬泛的DO 模型，湍流模型采用增強壁面函數的k-ε 模型?；拿簹夂统}水均由下端進入上端流出，流體域模型示意圖如圖2 所示。

圖2 流體域模型示意圖

3.2 模型的網格化處理

由于計算流體動力學的核心原則是把連續的流體域離散化，形成有限元進行計算，因此要把流體域進行網格化分割成微單元，原則上單元劃分越細、計算精度越高，但要求的計算機算力越高?？紤]到現有計算機計算能力和所需計算精度的平衡，設定最小單元尺寸為30 mm，內外流體域接觸壁面進行加密處理（因為壁面附近流體狀態變化較大），最后劃分的網格單元數量為508 905，網格化流體域模型示意圖如圖3 所示。

圖3 網格化流體域模型示意圖

3.3 荒煤氣和除鹽水的物性設置

為了盡量貼合實際工況，因此對于荒煤氣的物性采用了隨溫度變化的變參數物性[4]，荒煤氣的吸收系數取值為0.9，散射系數取值為0.8 m-1[6]；為便于計算結果的對比，設定除鹽循環水為高壓水（系統壓力為1.6 MPa)，只有溫度變化，不發生相變，除鹽水為定常物性參數。

3.4 壁面處理

與荒煤氣接觸的壁面設定為涂層（厚度0.3 mm），與除鹽水接觸的壁面為金屬壁(厚度15 mm）。由于涂層厚度僅為0.3 mm，通過查閱文獻[7]所述的涂層熱傳遞實驗，認為涂層對熱傳遞的影響可以忽略不計，因此黑體材料涂層與金屬材質除輻射率不同，其他物性相同，這樣對比計算僅需改變涂層壁的輻射率即可。

經查《常用材料輻射率系數表》可知，不銹鋼輻射率在700 ℃時約為0.7。黑體材料采用河南嘉和節能科技有限公司生產的強化吸熱防腐防結焦涂料JH-J13，該材料特點：高耐溫性，最高耐溫達1 400 ℃；高輻射率，輻射率可達0.95；高附著力，與金屬基材結合力強；很好的抗熱震性和耐磨性；由于采用了納米陶瓷技術，因此還有較好的抗結焦結渣能力。

3.5 計算結果

在荒煤氣進口溫度750 ℃、進口速度6 m/s，高壓除鹽水進口溫度60 ℃、進口速度0.005 6 m/s 的條件下，對比了上升管換熱器無黑體涂層和有黑體涂層的計算結果，見表1。

表1 無黑體涂層和有黑體涂層的計算結果對比

從表1 可以看出，有黑體涂層的荒煤氣上升管換熱器高壓除鹽水的出口溫度提高了8 ℃，增效幅度約為12.3%。

4 中試試驗

中試試驗在首山化工科技有限公司一座7.63 m焦爐上實施，替換兩根上升管換熱器，其中一根上升管換熱器內壁涂覆發射率達到0.95 的納米材料的黑體涂層，厚度約為0.3 mm；另一根上升管換熱器內壁涂覆一般的防腐涂層。試驗從2019 年11 月20 日開始，到2019 年11 月29 日結束，包括了試驗設備的安裝調試、試運行及試驗數據采集。中試試驗工藝流程示意圖見圖4。

圖4 中試試驗工藝流程示意圖

試驗系統用的除鹽水由廠區除鹽水管網接入到儲水箱中，由液位控制器控制自動閥自動補水，蒸汽包的液位控制器控制補水泵把儲水箱中的除鹽水補充進入蒸汽包。蒸汽包中的除鹽水由循環水泵經蒸汽包下輸管送入上升管換熱器的進水口，進入換熱器吸收荒煤氣熱量，產生的飽和蒸汽或汽水混合物經換熱器出口進入到蒸汽包中進行汽水分離，蒸汽通過蒸汽包的壓力控制閥和流量計送入到蒸汽管網中，分離后的水重新進入系統循環換熱，周而復始產生符合需求壓力的飽和蒸汽[7]。

在工況相同的情況下，分別記錄兩個上升管換熱器每小時產生的蒸汽量，根據兩個煉焦周期的統計數據求得每個上升管換熱器的平均小時蒸汽產量及總產汽量，然后進行對比考察黑體涂料對上升管換熱器換熱效率的提升程度。

5 試驗結果與分析

在確保產出0.6 MPa 飽和蒸汽的前提下，對內壁涂覆黑體材料的上升管換熱器和涂覆常規防腐涂層的上升管換熱器分別進行兩個煉焦周期的小時蒸汽產量統計，結果分別見圖5、圖6。

圖5 涂覆黑體材料上升管換熱器的蒸汽產量

圖6 涂覆常規防腐涂層的上升管換熱器的蒸汽產量

經過對圖5、圖6 中的統計數據進行處理計算，得到內壁涂覆黑體材料的上升管換熱器在兩個煉焦周期內的平均小時產汽量為0.155 t，總產蒸汽量為8.667 t；而常規上升管換熱器的平均小時產汽量為0.141 t，總產蒸汽量為7.903 t；有黑體涂層的上升管換熱器相對常規換熱器平均小時產汽量提高了9.9%左右。

以焦炭年產量180 萬t 的焦爐來推算，采用涂覆黑體材料的上升管換熱器年可產0.6 MPa 飽和蒸汽約18 萬t，比常規換熱器多產生1.6 萬t 蒸汽，按每噸蒸汽120 元計算，可比常規上升管換熱器每年多產生192 萬元的節能效益。

本試驗采用的黑體材料涂覆層在700 ℃時的熱輻射吸收率為0.95，遠大于不銹鋼（可視為“灰體”，其熱輻射吸收率僅略大于0.7），更高的溫度下，隨著溫度的升高黑體材料的吸收率會得到進一步改善，而灰體材料的吸收率會進一步下降，這樣二者之間的熱輻射吸收率差距會更大[8]。因此，黑體材料在煉焦爐上升管余熱回收中的應用具有一定節能價值，值得進一步研究。