活性焦颗粒在移动床中的传热特性

丁凯利，胡 晨，邓先和

(华南理工大学 化学与化工学院，广东 广州 510640)

摘 要：为研究活性焦颗粒在移动床中的传热特性，以管壳式换热器为换热装置进行传热实验。空气经加热后与活性焦颗粒在换热器的壳程与管程中呈逆流流动，采用控制变量法，改变热空气流速us、开始卸料时热空气出口设定温度Tair以及活性焦颗粒卸料速度vp等因素，测定不同实验工况下换热器的传热温差ΔTm、传热负荷Q及总传热系数K，并观察其变化规律。结果表明，us对ΔTm有很大影响，随着us增大，Q和K逐渐增大，在Tair=40 ℃，us=16 m/s，vp=150 kg/h时，K高达9.32 W/(m2·K)，且K与us的幂次方n=0.64相关；随着Tair的升高，ΔTm无明显变化，Q与K逐渐降低，Tair达到70～80 ℃后，K几乎无变化；随着vp增大，ΔTm增长非常缓慢，Q和K呈线性增长，K大于7.5 W/(m2·K)，vp每上升50 kg/h，K增加0.9 W/(m2·K)。

关键词：活性焦颗粒；管壳式换热器；移动床；总传热系数；卸料速度

0 引 言

随着环保要求的日益提高，活性焦烟气脱硫技术引起越来越多国家的重视[1-3]。目前常见的活性焦再生工艺很多[4-7]，最常用的是热再生法。吸附饱和的活性焦颗粒采用机械方式加入解吸塔，活性焦颗粒靠重力向下移动的过程中与热空气换热，解吸出活性焦微孔中的SO2。解吸后的活性焦经空气冷却后由再生反应器底部排出。可见，活性焦颗粒的再生过程是在移动床中进行，而且移动速度缓慢，粉化损失不大，应用广泛。因此，研究活性焦颗粒在移动床中的传热特性，对于提高SO2脱附和活性焦再生效率都具有重要意义。传热系数是反应器设计及优化的基础数据，对工业反应器操作条件和生产能力的确定、反应器的稳定性、固定床催化剂的设计都至关重要。有关移动床中颗粒物料传热特性的报道大多集中在理论传热模型以及数值计算上，刘安源等[8]、武锦涛等[9-10]、卜昌盛等[11]、朱立平等[12]在这些方面颇有建树，此外还集中在研究颗粒物料的流动特性[10,13]，传热特性的报道也大多集中在固定床和流化床[14-19]。罗贤艺等[16]按工业生产条件对环柱状催化剂在固定床中的传热特性进行测定。吴建民等[17]采用稳态法测定了气体处于静态时钴基催化剂在固定床的有效导热系数。刘玉兰等[18]在研究固定床中内置圆管被冷却的错流传热过程中，得到了填充床低导热系数颗粒和高导热系数颗粒床层的传热关联式。傅月梅等[20]研究不同扰流气体流速下活性焦颗粒处于静止状态的径向有效导热系数及壁给热系数。工业应用的活性焦再生温度一般在400 ℃左右，由于在高温条件下辐射、对流与导热三者传热作用并存。为重点考察对流与导热的传热作用，分离辐射传热的影响，笔者研究了低温时移动床的传热特性，采用控制变量法，测定不同实验工况下的总传热系数，并观察其变化规律，得到总传热系数K与热空气流速us、开始卸料时热空气出口设定温度Tair以及活性焦颗粒卸料速度vp等因素的关系。

1 实 验

1.1 实验样品

实验用圆柱形活性焦颗粒作为传热研究介质，颗粒物性见表1。

表1 活性焦颗粒性质
Table 1 Properties of activated coke particle

1.2 实验装置

换热器的总传热系数测定实验装置与流程如图1所示。移动床实验装置主要由储物槽和换热器构成,储物槽长1.22 m；管壳式换热器为矩形结构，高×宽×厚为2.4 m×0.7 m×0.2 m，有效传热面积为12.6 m2；活性焦填装量约0.36 m3，约250 kg。

实验采用一次性装填的方法，实验最初将活性焦颗粒物料装填到移动床实验装置中，使之充满，以保证实验过程中有充足的卸料时间。活性焦颗粒在换热器的管程向下移动吸热，热空气在壳程中向上流动放热，最后绕过储物槽从出口排出，壳程空气流道横截面积为5.4×10-3 m2。储物槽的作用是保证卸料过程中换热器管程始终充满活性焦颗粒。在换热器两端设置4个热电偶，分别用来记录活性焦颗粒物料的进出口温度、空气的进出口温度。

1.3 实验步骤

① 装填物料；② 将空气流速调至10 m/s，稳定后开启加热功率为10 kW的电加热器，空气经加热后自下而上进入换热器；③ 当空气出口温度达到特定值(如30 ℃)时，开始从出料口卸料，卸料过程中要控制好活性焦颗粒卸料速度；④ 记录活性焦颗粒物料和空气的进出口温度变化，并计算活性焦颗粒在移动床中的总传热系数；⑤ 改变开始卸料时热空气出口设定温度Tair，重复步骤①～④，并观察其变化规律；⑥ 改变换热器壳程热空气流速us，重复步骤①～④，并观察其变化规律；⑦ 改变管程活性焦颗粒卸料速度vp，重复步骤①～④，并观察其变化规律；⑧ 记录实验数据。

2 结果与分析

2.1 数据处理

实验装置中换热器的总传热系数K可由式(1)计算

式中，Q为换热器的传热负荷，kW；ΔTm为传热温差，℃；A为换热器的传热面积，12.6 m2；T1为物料入口温度，℃；T2为停止卸料时物料出口温度，℃；T3为空气入口温度，℃；T4为停止卸料时空气出口温度，℃；us为热空气流速，m/s；A′为空气管道入口的横截面积，5.4×10-3 m2；ρ、Cp分别为热空气密度、

比热容，kg/m3、kJ/(kg·K)。

空气物性随温度变化如图2所示。由图2可知，空气物性随温度变化不大，因此，取空气进出口温度的平均值为物性温度，约为80 ℃，故式(2)中取ρ=1.0 kg/m3，Cp=1.009 kJ/(kg·K)。

分别在热空气流速us、开始卸料时热空气出口设定温度Tair以及活性焦颗粒卸料速度vp等因素不同的工况下进行总传热系数测定实验，结果见表2。

表2 不同实验工况下的实验数据及计算结果
Table 2 Experimental data and parameters in different conditions

2.2 热空气流速对移动床传热性能的影响

Tair分别为40、50 ℃、卸料速度vp为50 kg/h时，研究热空气流速us对移动床传热性能的影响，结果如图3所示。

由图3可知，us相同时，传热温差ΔTm与开始卸料时热空气出口设定温度Tair无关，Tair为40℃时换热器的总传热系数明显高于50℃。在固-气换热系统中，若忽略管壁热阻，总传热系数与壳程空气传热热阻以及管程活性焦颗粒传热热阻相关，因此总传热系数与热空气流速也相关联。由图3可知，热空气流速us对传热温差ΔTm有很大影响，且随着us增大，传热负荷Q增大，总传热系数K也逐渐增大，在Tair=40 ℃，us=16 m/s，vp=150kg/h时，总传热系数K高达9.32 W/(m2·K)。通过实验数据关联分析，总传热系数与热空气流速的幂次方n=0.64相关。

2.3 开始卸料时热空气出口设定温度对移动床传热性能的影响

换热器热空气流速us分别为10.2、16 m/s，卸料速度vp为150、110 kg/h时，研究开始卸料热空气出口设定温度对移动床传热性能的影响，结果如图4所示。

实验过程中，开始卸料前空气出口温度由室温缓慢升高到设定值，而开始卸料后，由于之前换热时间的不同以及卸料过程中还在持续换热，空气出口温度和活性焦颗粒的出口温度在卸料过程中均缓慢升高，因此Tair对传热温差ΔTm几乎无影响。由图4a可知，随着Tair的升高，传热温差ΔTm无明显变化。当us= 16 m/s、vp= 150 kg/h时，ΔTm稳定在44 ℃；当us= 10.2 m/s、vp= 110 kg/h时，ΔTm在51 ℃上下浮动；当us= 10.2 m/s、vp= 150 kg/h时，ΔTm的值稳定在50 ℃左右。由此可见，相比于活性焦颗粒卸料速度vp，热空气流速us对ΔTm有更大影响。由图4b、4c可知，传热负荷Q与总传热系数K都随Tair的升高而降低。在热空气入口温度基本不变的情况下，随着Tair的升高，卸料前预热时间越长，空气进出口温差会相应降低，导致换热器的传热负荷Q变小，总传热系数K也随之变小。Tair达到70～80 ℃后，总传热系数K变化很小。

2.4 活性焦颗粒卸料速度对移动床传热性能影响

若活性焦颗粒卸料太快，则颗粒磨损严重，物料损失较多，而卸料太慢则影响传热和解吸效果。为探究卸料速度对总传热系数的影响，在卸料速度vp分别为110、150、180、230 kg/h的工况下分别进行实验，取热空气流速us=16 m/s、Tair=50 ℃，结果如图5所示。

由图5a可知，随着vp的增大，传热温差ΔTm增长非常缓慢，当vpgt; 150 kg/h时，ΔTm的变化可以忽略。由图5b、5c可知，随着活性焦颗粒卸料速度vp的增大，传热负荷Q和总传热系数K呈线性缓慢增长，总传热系数值都大于7.5 W/(m2·K)，说明该固-气换热系统具有相当高的传热效果。卸料速度越大，从储物槽流向传热器的活性焦颗粒越多，则空气出口温度缓慢升高，使传热负荷变大，总传热系数也随之增大。由图5c可知，卸料速度每上升50kg/h，总传热系数增加0.9 W/(m2·K)，这说明在移动床传热中，卸料速度对总传热系数的影响不可忽略。

3 结 论

本文以活性焦颗粒为研究对象，以管壳式换热器为换热装置进行传热实验。结果表明：换热器壳程热空气流速us越大，总传热系数K越大，根据数据关联分析，K与us的幂次方n=0.64相关；随着开始下料时热空气出口设定温度Tair的上升，ΔTm几乎无变化，传热负荷和总传热系数则变小，Tair达到70～80 ℃后，总传热系数K变化很小。随着活性焦颗粒卸料速度vp增大，总传热系数K呈线性增长，vp每上升50 kg/h，总传热系数K增加0.9 W/(m2·K)，因此卸料速度的影响不可忽略。通过分离辐射传热的影响，本文研究了低温时移动床的传热特性，重点考察移动床中活性焦颗粒与空气对流与导热的传热作用，为移动床中颗粒接触传热研究奠定了基础。

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Heat transport characteristics of activated coke particles in moving bed

DING Kaili，HU Chen，DENG Xianhe

(School of Chemistry and Chemical Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Abstract:In order to investigate the heat transport characteristics of activated coke particles in moving bed,heat transfer experiment has been conducted,using tube and shell heat exchanger as the main process.Heated air and activated coke particles showed in a countercurrent flow mode in the heat exchanger.According to variable-controlling approach,the temperature difference ΔTm and heat load Q caused by heat transfer,total heat transfer coefficient K of different experimental conditions,such as different wind speed us,the outlet temperature of hot air when the activated coke particles began to unload Tair and speed of unloaded activated coke particles vp were determined.The results indicated that us made a big difference on ΔTm,and the greater us,the bigger Q and K,closely related to the power of us with n=0.64.With the us reaching to 16 m/s, vp becoming 150 kg/h and Tair turning into 40 ℃,the total heat transfer coefficient highly reached to 9.32 W/(m2·K).With the rising Tair,There was no obvious change in ΔTm,a smaller value in Q and K,when negligible variation in K ranged from 70 ℃ to 80 ℃.Moreover,as vp increased,ΔTm slowly increased,at the same time Q and K increased linearly.Higher than 7.5 W/(m2·K), K increased linearly by 0.9 W/(m2·K) with each 50 kg/h rises,which displayed an observable effect on totality.

Key words:activated coke particles;tube and shell heat exchanger;moving bed;total heat transfer coefficient;unloading speed

中图分类号：X701.3

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2016)01-0048-06

收稿日期：2015-06-25；责任编辑白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.01.010

基金项目：广东省重大科技专项资助项目(2011A080804012)

作者简介：丁凯利(1992—)，女，河南濮阳人，硕士研究生，研究方向为传热与节能。E-mail：d126023@163.com

引用格式：丁凯利，胡 晨，邓先和.活性焦颗粒在移动床中的传热特性[J].洁净煤技术，2016，22(1)：48-53.

DING Kaili，HU Chen，DENG Xianhe.Heat transport characteristics of activated coke particles in moving bed[J].Clean Coal Technology，2016，22(1)：48-53.