横管式煤气初冷器热工特性分析（1）

横管式煤气初冷器热工特性分析赵迪欧俭平张兴华（中南大学能源科学与工程学院，长沙410083）张智谋易定秀（涟源钢铁集团有限公司，娄底417009）摘要：通过对初冷器的综合测试，得到煤气的流量、温度、煤气杂质成分、冷却水的流量和温度等热工参数。利用这些参数计算了冷却水的吸热量、冷却水与煤气的换热系数、喷淋密度等指标，分析了影响初冷器换热的各种因素，并提出了改善初冷器操作，提高冷却效果的建议。关键词：煤气初冷器吸热量传热系数冷却效果初冷是煤气净化的基础，只有保证初冷单元的正常、稳定的运行才能实现煤气的净化和化学产品较高的回收率。煤气初冷器性能的好坏对于焦炉煤气的净化及回收至关重要［1-2］。2002年以来，随着焦炉生产能力扩大，煤气处理量增加，涟钢焦化厂横管式煤气初冷器在运行过程中出现了一些问题，如：煤气出口温度在冬季时偏离设计值6-8℃，夏天时偏离10-13℃；初冷器清扫次数增加等。这不仅影响设备的使用寿命及后续工序的进行，还加重了工人的劳动强度，污染了环境。为此，我们对涟钢焦化厂初冷器进行了生产跟踪调查和综合热工测试，对相关热工参数进行了计算，对焦炉煤气在横管式初冷器内部的流动与换热过程进行了分析，并针对存在的问题提出改进意见。初冷器的结构与工艺特点1.1初冷器的结构涟钢焦化厂使用的横管式煤气初冷器，具有长方形的外壳，冷却水管与水平面成2°角横向密集布置。管箱与冷却水管连通，构成冷却水管道，分低温水和循环水两段供水。在初冷器内，煤气走管外，冷却水走管内，通过逆流换热，使煤气冷却。煤气自上而下通过初冷器，冷却水由每段下部供入，以提高传热温差，降低煤气出口温度，除去萘和焦油等化学物质。涟钢焦化厂煤气初冷系统拥有4台横管式初冷器，内有断塔盘。1.2工艺特点被初步冷却到82℃左右的焦炉煤气，经气液分离器后进入横管式初冷器，焦炉煤气在初冷器内被冷却到21℃。煤气内焦油、萘等杂质会随着煤气温度的降低冷凝下来并附着在冷却水管上。为此，冷凝器设有喷洒管喷洒冷凝液冲刷凝结在管外的萘、焦油等杂质。涟钢焦化厂初冷器分为一段上，一段下和二段(下段)。在煤气入口和一段上之间设有1层喷洒管，视阻力情况间歇喷洒热氨水；在一段上和一段下之间设有1层喷洒管，称为上段冷凝液喷洒管。这2层喷淋液经断塔盘进入上段冷凝液槽，槽内冷凝液又经上段冷凝液泵送到上段冷凝液喷洒管喷洒循环使用。在断塔盘的下面设有1层喷洒管，称为下段冷凝液喷洒管，其喷淋的冷凝液从位于初冷器底部的下段冷凝液出口经水封槽进入下段冷凝液槽，然后又经下段冷凝液泵送入下段冷凝液喷洒管喷洒循环使用。横管三段间冷工艺（带断塔盘）流程1—气液分离器；2—横管式间接冷却器；3—余热水槽；4-水封槽；5-冷凝液槽测试内容和方法热工测试以现场测试和热工参数统计分析相结合的方式进行。现场测试包括对焦炉煤气流量、煤气成分、初冷器外表面温度、初冷器前后的煤气温度、冷却水的流量和进出口温度以及冷凝液的流量和成分等相关参数的检测。受现场安装条件的限制，煤气流量、冷却水流量及进出口温度等参数主要来自运行参数和历史记录。在初冷器前后，靠近初冷器的位置取煤气试样，分析其中杂质成分，冷凝液成分取自于上段冷凝液槽和下段冷凝液槽结果与分析3.1煤气流量和冷却水测试各初冷器一段循环水与二段低温水的流量及进出口温度的平均值，如表1所示。不同初冷器一段循环水的出口温度从41℃到72℃不等，有些严重偏离工艺规定的45℃，可能导致水垢，循环水塔防漏材料的老化，药剂失效，耗量增加，不利于设备长期、正常运行。根据检测结果发现，循环水的温度变化受煤气流量影响较大。当循环水的进水温度不可调节时，应根据煤气流量的大小和煤气压力的高低调节循环水流量，并将冷却水的出水温度稳定在一个合适的水平。3.2换热系数的计算煤气与冷却水间的换热系数和冷却水吸热量的计算值见表2，表中K和Q分别表示换热系数和冷却水的吸热量，其中一段的冷却介质为循环水，二段为低温水。计算参数为冷却水吸热量和各段换热系数，并假设焦炉煤气与冷却水的换热是稳态的，即在任何时刻焦炉煤气的放热量等于冷却水的吸热量，相关的计算公式为［3］：QK=--------------F·△tmQ=cm(t2-t1)式中：F为换热面积，△tm为对数平均温差，t2和t1分别为各段冷却水出口和入口温度，c为冷却水的定压比热容，m为单位时间内通过初冷器的冷却水质量H-1表1冷却介质测试数据初冷器编号循环水低温水流量/M3*h-1进/出温度/℃流量/M3*h-1进/出温度/℃1630035.654.22120026.0831.202630035.641.03120026.0830.483630035.661.05120026.0827.404630035.672.60120026.0832.43表2换热系数与冷却水吸热量的计算初冷器编号一段二段KQKQ/4.18kJ*m-2*h-1℃-1/106KJ*h-1/4.18kJ*m-2*h-1℃-1/106KJ*h-11151.4935.27176.317.95231.419.15115.016.833201.4839.7237.622.054225.6130.75202.269.86从换热系数的计算值可以发现，1#初冷器和4#初冷器各段的换热系数相差不大，后者比前者要大些；2#初冷器的上段和3#初冷器的下段换热系数比其他2个换热器相应部分的换热系数小的多，而其他段的换热系数则相差不大。下面简要分析换热系数有差别的原因。根据文献［3］可知换热器的传热系数公式为：111do—=—+RW+Rf+——Khohidi式中，hi、ho分别为管子的内、外侧的表面传热系数，do、di分别为管子的内外径，RW、Rf分别为管壁导热热阻及污垢的热阻由于4台初冷器所使用的冷却水管相同，管内冷却水的流动状况基本相同，式（3）右面第2项和第4项基本相等［3］，所以传热系数的差别取决于Rf和ho的大小。污垢热阻分为水侧污垢热阻和管外热阻。水侧的污垢热阻主要是由冷却水对碳钢结构腐蚀所引起的，冷却水中的溶解固体和悬浮物的逐渐累积会使水的结垢和腐蚀性增强，而敞开式循环水系统中溶解氧则会加速腐蚀。如果对冷却水质进行控制，加入阻垢剂、缓冲剂等化学制剂对结垢和腐蚀有一定的控制作用［4-5］，管外热阻主要是由于焦炉煤气中的萘等杂质随着煤气温度的降低而冷凝附着在管壁上所引起的，这种现象主要发生在初冷器的二段，因为一段煤气温度较高，萘不会析出［6］，而在二段随着煤气温度降低，萘饱和后会析出冷凝在冷却水管和器体内壁面，这时如果冷凝液喷淋的不够均匀或喷淋密度不够极易使管外热阻增大，甚至阻塞初冷器。管外侧表面换热系数的影响因素较多，如煤气的温度、粘度、流速、冷却水管的形状及布置方式等参数。由于各初冷器管外介质均为焦炉煤气，并且在测试中发现各冷却器进出口温度最多相差不超过5℃，煤气组成及杂质含量基本相同，可以推测管外介质的热物理参数相差不大，因而对表面换热系数构成较大影响的是煤气的流速及冷却水管的形状和布置方式。对于煤气流速、流速越快，越利于煤气与冷却水管的表面换热，而当初冷器进出口煤气压力发生变化时，器体内部煤气的流速也会随之发生变化。各初冷器冷却水管的形状和布置方式虽是一样的，但当萘等杂质在管外冷凝，并未及时清除时，冷却水管外形态则会随着杂质的凝结而发生改变，并且这些凝结物的热阻较大会影响换热。凝结物堆积严重时甚至会堵塞管道间煤气流道，增加初冷器的阻力损失。喷淋密度在初冷器的操作中，当煤气流量发生变化时，应该对冷凝液喷洒量进行调节，但在测试时间段内，1#初冷器下端冷凝液的流量却一直稳定在31.85m3/h.这样在煤气流量较小时，冷凝液得不到充分利用，而在煤气流量较大时，使得附着在冷却水管上的晶体萘等杂质得不到及时清除。涟钢焦化厂初冷器所使用的冷凝液是直接从混合冷凝液槽中直接抽取的，其中的焦油含量很难保证在40℅-60℅之间，而且冷凝液循环使用，被冷凝液冲洗下来的焦油渣和萘等物质会在冷凝液槽中沉积。这样一是容易引起喷口的堵塞，二是萘在冷凝液中富集会降低冷凝液吸收萘的能力［7-8］。这也会最终导致附着在冷却水管上的晶体萘等杂质无法及时清除，影响煤气的冷却和后续工序的进行。另外，由于在初冷器的二段有大量的萘析出，应保证冷凝液喷洒均匀，喷淋密度保持在4m3/(m2·h)［6］.表3给出相应时间段内各初冷器下段冷凝液喷淋密度的平均值，从中不难发现，各初冷器下段的喷淋密度均小于推荐值。因而应适当增加各初冷器下段冷凝液的流量，以增大下段的喷淋密度。表3下段喷淋密度/m3·m-2·h-1编号1234密度3.043.041.561.80初冷器结构差别的影响如表2所示，与1#～3#初冷器相比，4#初冷器的二段换热系数较高，表现出较佳的冷却效果。4#初冷器与1#～3#初冷器的差别在于其内部无断塔盘，无断塔盘的初冷器内的煤气流速大大高于有断塔盘的初冷器内的煤气流速。由于煤气流速较大，煤气与冷却介质之间的对流换热系数增大。此外，无断塔盘的初冷器压降要小，这会降低鼓风机的负荷，但必须注意到4#初冷器上段喷洒的氨水和冷凝液却无法引出一直流到底部，这样不仅增加了初冷器下段的热负荷，而且将在一段吸收的大量的萘、焦油渣引入下段循环混合冷凝液槽而影响下段冷凝液的洗萘效果，此外，由于结构的特殊性，会影响冷凝液在上段的洗萘效果。结论（1）当循环水的入口温度和流量不变时，循环水出口温度随煤气流量的增大而升高，随煤气流量的减少而降低，因此当循环水入口温度不易调节时，应根据煤气的流量调节循环水的流量。（2）测试期间不同初冷器的一段循环水的出口温度从41℃到72℃不等，偏离工艺规定的45℃，可能导致水垢，循环水塔的防漏材料的老化，药剂失效，耗量增加。一段水流量比实际值少，低温水入口温度偏高，这是导致煤气出口温度偏高的主要原因，因此应提高一段循环水量，降低低温水的入口温度。（3）当喷洒效果不佳时，管外热阻会增加而影响初冷器的换热效率，因此应根据煤气流量的变化，调节冷凝液的流量，必要时可适当增加下段冷凝液的喷淋密度。参考文献刘作玲。初冷器阻塞原因分析及解决办法［J］.承钢科技，2003（4）:13-16毕振清，汪强，王兴祥。焦炉煤气冷凝工艺的改进［J］.燃料与化工，2001,32（5）:267-269.杨世铭，陶文铨.传热学［W］.第三批。北京：高等教育出版社，1998.8-9,346-347.潘玉琴.通钢焦化厂循环冷却水水质处理剂的研究［D］.东北大学，2005.1-18.吴玉兰.循环冷却水质的研究［D］.东北大学，2006.5-13.杨建华，王永林，沈立嵩。焦炉煤气净化［M］.北京：化学工业出版社，2006.169，150.李海娇，邵有辉，何勤德等.横管初冷器喷洒系统的改造经验［J］.燃料与化工，2003,34（4）:198-199.冯天伟，李胜改，何清改.横管初冷器液体喷洒系统的改进［J］.煤气与热力，2002,22（5）:467-468