炭素行业中高温煅后焦在冷却水套内的冷却过程是石油焦煅烧工艺中很关键的一个环节,然而现今行业内普遍使用的夹套式冷却水套对高温煅后焦的冷却效果较差。一方面高温物料内部热量不易及时导出,冷却后焦料温度依然较高,易发生氧化,对石油焦颗粒的质量及后续工艺产生较大不利影响;另一方面中空夹套内的冷却水流速过小且分布不均,存在漩涡区,易发生汽化,影响水套的传热,因此研究水套内的传热特性以改善其换热性能迫在眉睫。本文首先使用GAMBIT软件建立了罐式煅烧炉冷却水套的几何模型,并对建立的模型划分网格,采用FLUENT软件,分别选用Mixture模型和多孔介质模型对高温焦料侧进行模拟计算,通过数值计算与实验结果的对比验证了模型的准确性,验证结果表明这两种模型可准确地对物料侧的温度场进行数值计算。其次,对单罐产量为80kg/h的煅烧炉冷却水套进行了传热特性分析,得到了冷却水侧的速度场、温度场、物料侧的温度场以及冷却水、焦料的出套温度等重要参数的演变规律,以焦料出口温度和冷却效率为评价指标,分析了夹套式水套的换热弊端。在此基础上,改变冷却水流量并进行计算,由结果可知,冷却水流量增大为原来的2倍时,焦料出口平均温度仅降低1.33K,说明增加冷却水入口流量并不能提高水套冷却效率。同时分析了焦料流量和空隙率对水套换热性能的影响,结果表明:在焦料流量从40kg/h增大到130kg/h时,焦料出口平均温度及最高温度出现单调增加的趋势,且增长斜率逐渐变小,焦料出口平均温度由552K增加到777.89K;随着焦料空隙率的增加,焦料出口平均温度及最高温度有所减小,但变化幅度不大。最后,基于水侧和焦料侧的传热分析,提出了水套的结构优化方案,并进行了优化后传热性能的数值计算研究。在冷却水侧分别布置了螺旋导流板和竖直导流板,研究结果表明:在相同的入口流量下,优化后冷却水流速大幅提高,水套内水流流动顺畅,尤其是螺旋导流板方案不存在漩涡区和局部高温区,流场和温度场分布更加均匀,不易发生汽化,即使在入口水速较小的情况下发生汽化,产生的水蒸气也能顺着流道及时排出,但水侧结构优化后中心区域焦料温度基本没有变化。因此本文提出了在焦料侧采用布置内换热管束的优化措施,首先计算分析了焦料内部布置单根换热管时的传热性能,结果表明,加入单根换热管后,水套传热性能得到了极大改善,与优化前相比焦料出口平均温度降低了 103.59K,水套冷却效率提高了 19.58%;而且随着换热管高度的增加,焦料出口平均温度单调降低且降低的斜率基本保持不变;基于内置单根换热管水套,研究了内换热管入口水速在0.08～0.4m/s之间变化时水套传热的变化,在计算流速范围内,出口焦料的平均温度仅降低0.77K,表明水速的增加并未显著提高水套的冷却能力。最后通过焦料的温度场和温度分布曲线确定了内换热管束的优化布置方案,与优化前相比,按照优化布置方案布置七根换热管束,焦料出口平均温度由721.95K降低至428.06K,出口温度不均匀系数由0.24降低至0.135,水套冷却效率由55.51%提高至 86.35%。本文结论为煅烧炉冷却水套的结构优化指明了方向,为下一步的工程应用奠定了理论基础。