淺析焦化廠初冷器的應用和改進3.26--XDZ--running man

1、湖北經濟學院本科畢業(yè)（設計）論文淺析焦化廠初冷器的應用和改進摘 要 本文主要介紹了焦化廠初冷器的基本結構和簡單應用。并分別分析了橫管式初冷器和立管式初冷器的優(yōu)缺點，提出相應的改進意見。并認為橫管初冷器因其結構更加成熟，操作相對簡單，傳熱效率高，成本較低等優(yōu)點而具有非常廣泛的應用前景。關鍵詞：初冷器；特點；改進措施AbstractThis article mainly introduced the basic structure and simple application of primary cooler in coking plant. And then we analyzed the a

2、dvantages and disadvantages of the horizontal and vertical primary cooler respectively. And put forward the corresponding improvements. Because of its structure is relatively simple operation, high heat transfer efficiency, low cost advantage and its more mature technology for horizontal primary coo

3、ler, we think it has a very broad application prospects.Keywords: primary cooler； character； improvement action目 錄1初冷器介紹22管式煤氣初冷器的傳熱過程22.1傳熱過程22.2傳熱特點23橫管式初冷器33.1橫管式初冷器基本結構33.2橫管初冷器工作特點53.3橫管初冷器優(yōu)缺點53.4橫管初冷器改進措施64立管式初冷器和直接初冷器74.1直接初冷器簡介74.2立管式初冷器基本結構及特點74.3立管式初冷器結構改進95結束語9參考文獻101初冷器介紹煉焦化學工業(yè)是煤炭化學工業(yè)的一個

4、重要部分，其為我國的經濟發(fā)展做出了突出貢獻，但隨著環(huán)保觀念的逐漸深入，焦化廠對有毒有害氣體的吸收越來越受到外界的關注。初冷器是用來冷卻熱氣體的設備，是鼓風冷凝工段的主體設備，能夠有效的降低某些易冷卻氣體的排放，是煤氣公司或其它化工公司必備的輔助設備之一。而其冷卻效果的好壞，以及冷凝系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，對整個煤氣凈化系統(tǒng)影響很大，甚至會對整個煉焦工業(yè)起決定性質作用1-5。煤炭在焦化的過程中，煤氣管出來的煤氣主要有大量的煤焦油，水蒸氣和其他一些雜質，總體溫度為90攝氏度左右6，初冷器的使用能夠有效將焦妒的荒煤氣冷卻下來，減少氣體體積，降低氣體的排放量，節(jié)省煤氣輸送動力，從而有效保護環(huán)境。同時也為回收

5、產品創(chuàng)造條件，使其他類化學品更容易提純，總之使用初冷器是化工生產中不可或缺的過程。2管式煤氣初冷器的傳熱過程2.1傳熱過程為應對環(huán)境保護的時代要求，煤氣冷卻技術早已從直接混合冷卻發(fā)展到間接管式冷卻階段，其簡單可以描述為，煤氣和冷凝液體分別走不同的管道，從俄日使其到達冷卻煤氣的同時，也有利于各組分的回收7-12。但因煤氣中除含有氫氣，一氧化碳和氮氣等不凝氣體外，還含有一定的水蒸汽、焦油蒸汽等可凝性氣體，以及煤氣在冷卻過程中是需要一個過程的，并不會瞬間完成，使得煤氣的冷卻過程是相當復雜的。在這個過程中，存在著不凝氣體的冷卻、蒸汽的冷凝以及冷凝液的冷卻三個過程，一般來講，在最初的煤氣組成中，可凝性氣

6、體重量為不可凝氣體的兩倍，而冷凝之后只有不可凝氣體的六分之一左右。整個過程不凝氣也具有一定的冷卻過程整個過程需要很多理論來支持，才能對整個生產過程做出積極的指導。 2.2傳熱特點 管式煤氣初冷器的傳熱過程在煤氣側的變化情況是，在煤氣剛開始冷卻時，煤氣與冷凝液的溫差最大，其給熱系數(shù)也最大，煤氣下降1產生的冷凝液量和放出熱量也最大。但隨著傳熱的不斷進行，煤氣溫度不斷降低，并逐漸接近冷凝液的溫度，煤氣的濕含量也不斷降低。各個組成部分的平均溫差也逐漸縮小，致使整個設備的傳熱系數(shù)也不斷降低，至出口處達到最低值，氣入口和出口溫度冷卻水入口和出口溫度都可以根據(jù)生產條件和要求確定的，這樣就給生產帶來一定的理論

7、指導。生活中我們知道冷卻一杯熱水的最快速方法應為不斷往杯壁上充涼水，使其快速與杯內熱水進行熱交換。而在實際化工生產中也應考慮到冷卻水的量及水的流速等問題。當然，平時的化學實驗我們知道水的流速越大，水的冷卻效果越好，其給熱系數(shù)相應的也會增大。在管式煤氣初冷器的傳熱過程，水速的大小取決于冷卻器的程數(shù)和各程的流通面積，水速還要受阻力與設備結構的制約，有時候也會受到實際的一些經濟因素的影響。一般的水流速限制在0.5米每秒就基本可以達到生產要求8-11。3橫管式初冷器3.1橫管式初冷器基本結構煤氣自焦爐集氣管沿吸煤氣管道至化工生產車間，其穩(wěn)定為 90度左右，不能滿足排放標準，經汽液分離器分離后的煤氣冷卻

8、至80度左右，再用初冷器進一步冷卻至30度室溫。一般的初冷器結構為煤氣走殼程，冷卻水走管程，且較多采用的是兩段冷卻流程，高溫段冷卻水循環(huán)使用12.13。橫管式冷卻器是應用最廣泛的種冷卻器，目前也很少有焦化廠再使用豎管冷卻器了，其基本結構如圖1和圖2，該結構是在之前使用廣泛的結構之一。圖1 橫管初冷器的基本工藝流程圖圖2橫管初冷器結構首先從焦爐來的焦油氨水與煤氣的混合物進入企業(yè)分離器進行初步分離，之后進入初冷器的上段，用循環(huán)水將煤氣冷卻到45度，這時候是經過互不關聯(lián)的多臺初冷器掃吹的結果，冷卻后的煤氣并聯(lián)進入電捕焦油器，補集焦油霧滴后的煤氣至鼓風機進行加壓，加壓后煤氣運輸至脫硫等回收階段14,1

9、5。橫管初冷器在設計時都會采用煤氣和冷凝液由上往下同向流動的結構，這對于沉積萘處理有很大的有點，防止冷凝液再次蒸發(fā)的同時，對萘的沖洗起到積極作用。3.2橫管初冷器工作特點橫管初冷器是一個帶有換熱管水平布置的熱交換設備，殼管的垂直布置使其具有直立長方形的外殼，橫管式冷卻器的工作特點為其冷卻能力和效率很大，更有利于蒸汽的冷凝，蒸汽在化工生產中不僅量大，還具有一定的危險性。由于橫管式初冷器管道布置水平密集，且可以與煤氣錯流分布，其整體布置具有一定的理論指導，從而能產生強烈的流動，傳熱系數(shù)本身就優(yōu)于豎立管初冷器，其煤氣可冷卻到出口溫度和循環(huán)水溫度相差2度16。冷卻效率和冷卻均勻程度都達到了理想效果。橫

10、管初冷器結構較為復雜，拆卸也需要一定的空間才能完成，初冷器內掛萘嚴重，阻力較大，也是不可避免的問題。而對于水管結構等常見現(xiàn)象較難清洗，對水質的要求也相應較高，含萘低是其基本要求之一17。3.3橫管初冷器優(yōu)缺點橫管初冷器最顯而易見的缺點莫過于其清洗的復雜性，其設備由于結垢原因清洗的次數(shù)也在非常頻繁，清洗時機器必須停止，再加上法蘭閥的拆卸困難，使其在一定程度上限制了橫管初冷器的使用效率。另一方面橫管初冷器本身占有的空間也許有一定的優(yōu)勢，但其拆卸過程必須要留有足夠的空間才能順利進行，使其空間利用效率并不比立管式初冷器大。另外橫管初冷器管子短，鉆孔數(shù)量和管板面積較為集中，單位傳熱面積的耗鋼量高于立管式

11、煤氣初冷器，這樣從剛的利用角度來看，恒管初冷器有一定的劣勢。最后橫管初冷器要求其在初始階段水流速度較高，對能源的消耗不容忽略18-21。作為最廣泛使用的冷卻方法，橫管式冷卻器有點也很明顯。其結構特征決定了煤氣自上至下流動，起到沖洗、溶解萘和氨的作用，且與冷凝液并流，接觸面積和時間的加大，使其傳熱效率是立管式的三倍多，冷卻器中密集的 橫排冷卻水管迫使荒煤氣產生撞擊和湍動，并被均勻冷卻。而法蘭蓋密封的結構，操作方便，結構緊湊，可以有效的增加循環(huán)水的流速，同時水處于水平流動也不可能產生環(huán)流現(xiàn)象，冷卻水用量少，循環(huán)快，生產相對穩(wěn)定22。對煤氣的冷卻凈化效果好，直立長方體結構，水箱在兩側，環(huán)境污染小，造

12、價較低也是其突出的有點。3.4橫管初冷器改進措施 橫管初冷器早已獲得廣泛應用，其在結構上面的改進并沒有太大進展，我們應盡量在使用時對其進行更多的維護，或提高初冷器預熱利用效率。比如講第一段冷卻水的預熱用于取暖，其技術要求不是很高，還能解決寒冷地區(qū)采暖要求水溫高而煤氣集合溫度要求低之間的矛盾23-24。初冷器運行多年后阻力增大，只要將新系統(tǒng)初冷水回水在舊系統(tǒng)冷卻塔上水管上接點，即可為新、舊兩個系統(tǒng)共用，操作簡單，也能很好的提高水的利用效率。為杜絕初冷器內掛萘嚴重而造成的煤氣分布不均衡，應對其進行定期除垢，并按照要求嚴格控制各段的溫度，以利于初冷器內噴灑的冷凝液更好的沖洗下初冷器橫管上所掛萘油，也

13、能防止初冷器清掃時流出的萘油析出結塊，保持初冷器換熱的高效性和長效性。降低初冷器煤氣入口溫度，有利于減輕初冷器濕煤氣的冷卻負荷，可以在初冷前使用空氣冷卻設備，可以減少循環(huán)工藝水量，從而可降低建設費用和供水與水處理設施的經濟開支。另外增加煤氣二段直接初冷流程，這樣在冷卻煤氣的同時，還可將煤氣中所夾帶的部分萘除去，具有凈化煤氣的良好效果，對后面洗氨、洗苯過程及減少設備腐蝕，都是有好處的25。最后可以在初冷器布置斷塔盤裝置，其作用為由初冷器及時引出高萘混合液，對下段煤氣除萘操作起到一定積極作用。水蒸汽和焦油汽在管壁上冷凝下來后會沿著管壁向下流動，在一定很度上會降低傳熱效率，斷塔盤裝置可以有效將冷凝液

14、排出初冷器，從而穩(wěn)定了傳熱效率。初冷器腐蝕主要為電化學腐蝕和微生物腐蝕，因此可以針對性的采用先進的防腐涂料，有效地減輕了初冷器管束的腐蝕和穿孔。另外為防止某些螯合物沉積在金屬表面，也可加入高效的緩蝕劑抑制碳酸鈣等水垢的生成。為防止設備阻力過大帶來的能量損耗，可控制焦爐操作指標，盡可能地降低入爐煤的細度，降低爐頂空間溫度。要加強輕焦油補放系統(tǒng)的操作，確保設備負荷控制合理的溶液組分，加強清掃制度，定期采用熱氨水和熱煤氣清掃26-30。 4立管式初冷器和直接初冷器4.1直接初冷器簡介直接初冷器結構和原理非常簡單，即將焦化產生的煤焦油氣和水蒸氣直接與冷凝水混合，從而達到冷卻的目的。這是最直接也是效果最

15、好的一種冷卻方法。但其缺點也很明顯，比如不利于化學品的有效回收。混合的水具有一定量的化工產品，使其冷凝水不能有效的循環(huán)利用31-33。冷凝之后的混合液體也很難處理，難以達到環(huán)保要求，使其早已被淘汰出市場，只有在焦化產業(yè)剛剛興起之時才有少量廠家大量采用，但其設備簡單，冷凝效率最高也是不可磨滅的有點，為以后其他種類初冷器的改進奠定利潤一定基礎。4.2立管式初冷器基本結構及特點立管式初冷器是間接冷卻的另外一種形式，其是介于橫管式初冷器的一些缺點而逐漸發(fā)展起來，具有一定的使用范圍。橫管初冷器清掃水管時必須停產，過多的法蘭閥門的拆卸也很繁瑣，需要留有一定的空間才能完成相應的操作。橫管式煤氣初冷器單位傳熱

16、面積的耗鋼量高于立管式煤氣初冷器35，再加上過多的占地面積和復雜的結構使其有時候并不能顯示足夠的優(yōu)勢，為立管式初冷器的發(fā)展提供了契機。圖3 立管式初冷器的正視和俯視圖 圖4 立管式初冷器工藝流程 圖4中為立管式初冷器工藝流程，其基本的冷去原理及步驟與前文所述大致相同35,27,13，其中氣液分離器是實現(xiàn)煤氣與焦油和焦油渣等組分分離的裝置，電捕焦油器是用來除去初冷器出來的煤氣中絕大部分焦油霧裝置，機械化焦油氨水澄清槽是通過靜置澄清將氨水，焦油和焦油渣進行分層，這是利用各自密度不同而進行的分離裝置。我國最初使用的立管式初冷器是沿襲上世紀40年代蘇聯(lián)設計的，其最大問題就是水側各程流通面積分配不合理，

17、使其資源利用效率非常低。之后我國工程師對其進行了一定的改進，因為煤氣流過初冷器時，煤氣側從入口至出口各程流通面積逐程縮小，溫度逐步降低，并冷凝出液體，其含水汽量也不斷減少，煤氣的體積流量逐漸減小36。為使煤氣在各流道中的流速保持大致溫度，及維持氣速恒定，從而使得沿冷卻水流向，各流道的橫斷面積依次遞增。但氣速的大小，對整個煤氣的給熱系數(shù)影響不大，所以在出口處又不希望加大氣速，以防增大霧沫夾帶，其沿煤氣流向，各流道的橫斷面積依次遞減。4.3立管式初冷器結構改進 圖2是一種改進之后的立管式初冷器工藝流程圖，增加了電捕油器，可以有效防止成霧狀焦油帶至下一工序，而之前由于使煤氣冷卻由控制水速而呈漸冷方式

18、，只能依靠使用離心式鼓風機不能很好的達到效果，具有一定的缺陷。另外，由于最低速的水程正處于煤氣溫度最高、冷凝熱最大處，使其對之后的傳熱產生較大的影響，其傳熱系數(shù)和溫差的不斷縮小導致其無法與橫管式相比，故該處水的環(huán)流也最嚴重，這也是它的結構缺陷所至，但我們仍然可以對其進行一定量的改進，以充分發(fā)揮自身的優(yōu)勢37-40。 鑒于其整個結構特征，我們應設法使水速的提高能夠最充分發(fā)揮其提高總的傳熱效果的作用，以改變煤氣側給熱系數(shù)，或者是使水速的高低隨著傳熱系數(shù)的大小而變化。簡單的實現(xiàn)方法為在煤氣入口處盡量提高冷凝水流速，在煤氣出口處冷凝水對整個冷卻系統(tǒng)影響較小，可以適當減小流速。具體的實現(xiàn)措施可以為在各流

19、通面積相等時，盡可能的增加管長，并使煤氣上進下出，增加煤氣的通道數(shù)。相應的水速提高及管子加長會使水的阻力降提高，這也是我們應該注意的問題，其限制水速的和水管的無限增長。另外在保持流速不變的情況下調節(jié)水側各程通道的流通面積比，使煤氣側給熱系數(shù)高的位置也恰是水速高即水的給熱系數(shù)大的位置，這樣整個初冷器的傳熱系數(shù)就提高了，5結束語 煤氣在初冷器的冷卻是焦化生產中重要的過程之一，其過程非常復雜，包括水蒸氣和焦油氣的冷凝，冷凝液的冷卻等主要過程，其涉及到化工生產的諸多原理，是對流給熱和熱傳導的綜合傳熱過程。這個過程不僅有溫度的梯度變化，還伴隨著傳熱系數(shù)的梯度變化。而橫管式初冷器由于傳熱效率高，生產成本低

20、，操作簡單等優(yōu)點，一直是焦化生產中的主要初冷設備，但其在整個實際應用中也伴隨著一定的問題，如阻力增大，初冷器的腐蝕與防護，洗萘效率等。隨著科學技術的發(fā)展及節(jié)能減排觀念的逐步深入，相信在不久的將來橫管粗冷卻器會有新的發(fā)展。參考文獻1 郎樹德. 立管式煤氣初冷器結構改進的探討J.煤氣與熱力. 1984(02)2 肖美初, 李少杰. 焦化廠橫管式煤氣初冷器運行方式的探討J. 漣鋼科技與管理. 2007(3)3 李傳拭.關于組織“鑄造焦炭”生產的幾點建議J. 鑄造. 1980(04)4 魏三倫.王春. 煤氣初冷器操作工藝改進J. 甘肅冶金. 2010(32)5 蔣文舉煙氣脫硫脫硝技術手冊M 北京: 化

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