浅析焦化厂初冷器的应用和改进3.26--XDZ--running man

1、湖北经济学院本科毕业（设计）论文浅析焦化厂初冷器的应用和改进摘 要 本文主要介绍了焦化厂初冷器的基本结构和简单应用。并分别分析了横管式初冷器和立管式初冷器的优缺点，提出相应的改进意见。并认为横管初冷器因其结构更加成熟，操作相对简单，传热效率高，成本较低等优点而具有非常广泛的应用前景。关键词：初冷器；特点；改进措施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 录1初冷器介绍22管式煤气初冷器的传热过程22.1传热过程22.2传热特点23横管式初冷器33.1横管式初冷器基本结构33.2横管初冷器工作特点53.3横管初冷器优缺点53.4横管初冷器改进措施64立管式初冷器和直接初冷器74.1直接初冷器简介74.2立管式初冷器基本结构及特点74.3立管式初冷器结构改进95结束语9参考文献101初冷器介绍炼焦化学工业是煤炭化学工业的一个

4、重要部分，其为我国的经济发展做出了突出贡献，但随着环保观念的逐渐深入，焦化厂对有毒有害气体的吸收越来越受到外界的关注。初冷器是用来冷却热气体的设备，是鼓风冷凝工段的主体设备，能够有效的降低某些易冷却气体的排放，是煤气公司或其它化工公司必备的辅助设备之一。而其冷却效果的好坏，以及冷凝系统的安全稳定性，对整个煤气净化系统影响很大，甚至会对整个炼焦工业起决定性质作用1-5。煤炭在焦化的过程中，煤气管出来的煤气主要有大量的煤焦油，水蒸气和其他一些杂质，总体温度为90摄氏度左右6，初冷器的使用能够有效将焦妒的荒煤气冷却下来，减少气体体积，降低气体的排放量，节省煤气输送动力，从而有效保护环境。同时也为回收

5、产品创造条件，使其他类化学品更容易提纯，总之使用初冷器是化工生产中不可或缺的过程。2管式煤气初冷器的传热过程2.1传热过程为应对环境保护的时代要求，煤气冷却技术早已从直接混合冷却发展到间接管式冷却阶段，其简单可以描述为，煤气和冷凝液体分别走不同的管道，从俄日使其到达冷却煤气的同时，也有利于各组分的回收7-12。但因煤气中除含有氢气，一氧化碳和氮气等不凝气体外，还含有一定的水蒸汽、焦油蒸汽等可凝性气体，以及煤气在冷却过程中是需要一个过程的，并不会瞬间完成，使得煤气的冷却过程是相当复杂的。在这个过程中，存在着不凝气体的冷却、蒸汽的冷凝以及冷凝液的冷却三个过程，一般来讲，在最初的煤气组成中，可凝性气

6、体重量为不可凝气体的两倍，而冷凝之后只有不可凝气体的六分之一左右。整个过程不凝气也具有一定的冷却过程整个过程需要很多理论来支持，才能对整个生产过程做出积极的指导。 2.2传热特点 管式煤气初冷器的传热过程在煤气侧的变化情况是，在煤气刚开始冷却时，煤气与冷凝液的温差最大，其给热系数也最大，煤气下降1产生的冷凝液量和放出热量也最大。但随着传热的不断进行，煤气温度不断降低，并逐渐接近冷凝液的温度，煤气的湿含量也不断降低。各个组成部分的平均温差也逐渐缩小，致使整个设备的传热系数也不断降低，至出口处达到最低值，气入口和出口温度冷却水入口和出口温度都可以根据生产条件和要求确定的，这样就给生产带来一定的理论

7、指导。生活中我们知道冷却一杯热水的最快速方法应为不断往杯壁上充凉水，使其快速与杯内热水进行热交换。而在实际化工生产中也应考虑到冷却水的量及水的流速等问题。当然，平时的化学实验我们知道水的流速越大，水的冷却效果越好，其给热系数相应的也会增大。在管式煤气初冷器的传热过程，水速的大小取决于冷却器的程数和各程的流通面积，水速还要受阻力与设备结构的制约，有时候也会受到实际的一些经济因素的影响。一般的水流速限制在0.5米每秒就基本可以达到生产要求8-11。3横管式初冷器3.1横管式初冷器基本结构煤气自焦炉集气管沿吸煤气管道至化工生产车间，其稳定为 90度左右，不能满足排放标准，经汽液分离器分离后的煤气冷却

8、至80度左右，再用初冷器进一步冷却至30度室温。一般的初冷器结构为煤气走壳程，冷却水走管程，且较多采用的是两段冷却流程，高温段冷却水循环使用12.13。横管式冷却器是应用最广泛的种冷却器，目前也很少有焦化厂再使用竖管冷却器了，其基本结构如图1和图2，该结构是在之前使用广泛的结构之一。图1 横管初冷器的基本工艺流程图图2横管初冷器结构首先从焦炉来的焦油氨水与煤气的混合物进入企业分离器进行初步分离，之后进入初冷器的上段，用循环水将煤气冷却到45度，这时候是经过互不关联的多台初冷器扫吹的结果，冷却后的煤气并联进入电捕焦油器，补集焦油雾滴后的煤气至鼓风机进行加压，加压后煤气运输至脱硫等回收阶段14,1

9、5。横管初冷器在设计时都会采用煤气和冷凝液由上往下同向流动的结构，这对于沉积萘处理有很大的有点，防止冷凝液再次蒸发的同时，对萘的冲洗起到积极作用。3.2横管初冷器工作特点横管初冷器是一个带有换热管水平布置的热交换设备，壳管的垂直布置使其具有直立长方形的外壳，横管式冷却器的工作特点为其冷却能力和效率很大，更有利于蒸汽的冷凝，蒸汽在化工生产中不仅量大，还具有一定的危险性。由于横管式初冷器管道布置水平密集，且可以与煤气错流分布，其整体布置具有一定的理论指导，从而能产生强烈的流动，传热系数本身就优于竖立管初冷器，其煤气可冷却到出口温度和循环水温度相差2度16。冷却效率和冷却均匀程度都达到了理想效果。横

10、管初冷器结构较为复杂，拆卸也需要一定的空间才能完成，初冷器内挂萘严重，阻力较大，也是不可避免的问题。而对于水管结构等常见现象较难清洗，对水质的要求也相应较高，含萘低是其基本要求之一17。3.3横管初冷器优缺点横管初冷器最显而易见的缺点莫过于其清洗的复杂性，其设备由于结垢原因清洗的次数也在非常频繁，清洗时机器必须停止，再加上法兰阀的拆卸困难，使其在一定程度上限制了横管初冷器的使用效率。另一方面横管初冷器本身占有的空间也许有一定的优势，但其拆卸过程必须要留有足够的空间才能顺利进行，使其空间利用效率并不比立管式初冷器大。另外横管初冷器管子短，钻孔数量和管板面积较为集中，单位传热面积的耗钢量高于立管式

11、煤气初冷器，这样从刚的利用角度来看，恒管初冷器有一定的劣势。最后横管初冷器要求其在初始阶段水流速度较高，对能源的消耗不容忽略18-21。作为最广泛使用的冷却方法，横管式冷却器有点也很明显。其结构特征决定了煤气自上至下流动，起到冲洗、溶解萘和氨的作用，且与冷凝液并流，接触面积和时间的加大，使其传热效率是立管式的三倍多，冷却器中密集的 横排冷却水管迫使荒煤气产生撞击和湍动，并被均匀冷却。而法兰盖密封的结构，操作方便，结构紧凑，可以有效的增加循环水的流速，同时水处于水平流动也不可能产生环流现象，冷却水用量少，循环快，生产相对稳定22。对煤气的冷却净化效果好，直立长方体结构，水箱在两侧，环境污染小，造

12、价较低也是其突出的有点。3.4横管初冷器改进措施 横管初冷器早已获得广泛应用，其在结构上面的改进并没有太大进展，我们应尽量在使用时对其进行更多的维护，或提高初冷器预热利用效率。比如讲第一段冷却水的预热用于取暖，其技术要求不是很高，还能解决寒冷地区采暖要求水温高而煤气集合温度要求低之间的矛盾23-24。初冷器运行多年后阻力增大，只要将新系统初冷水回水在旧系统冷却塔上水管上接点，即可为新、旧两个系统共用，操作简单，也能很好的提高水的利用效率。为杜绝初冷器内挂萘严重而造成的煤气分布不均衡，应对其进行定期除垢，并按照要求严格控制各段的温度，以利于初冷器内喷洒的冷凝液更好的冲洗下初冷器横管上所挂萘油，也

13、能防止初冷器清扫时流出的萘油析出结块，保持初冷器换热的高效性和长效性。降低初冷器煤气入口温度，有利于减轻初冷器湿煤气的冷却负荷，可以在初冷前使用空气冷却设备，可以减少循环工艺水量，从而可降低建设费用和供水与水处理设施的经济开支。另外增加煤气二段直接初冷流程，这样在冷却煤气的同时，还可将煤气中所夹带的部分萘除去，具有净化煤气的良好效果，对后面洗氨、洗苯过程及减少设备腐蚀，都是有好处的25。最后可以在初冷器布置断塔盘装置，其作用为由初冷器及时引出高萘混合液，对下段煤气除萘操作起到一定积极作用。水蒸汽和焦油汽在管壁上冷凝下来后会沿着管壁向下流动，在一定很度上会降低传热效率，断塔盘装置可以有效将冷凝液

14、排出初冷器，从而稳定了传热效率。初冷器腐蚀主要为电化学腐蚀和微生物腐蚀，因此可以针对性的采用先进的防腐涂料，有效地减轻了初冷器管束的腐蚀和穿孔。另外为防止某些螯合物沉积在金属表面，也可加入高效的缓蚀剂抑制碳酸钙等水垢的生成。为防止设备阻力过大带来的能量损耗，可控制焦炉操作指标，尽可能地降低入炉煤的细度，降低炉顶空间温度。要加强轻焦油补放系统的操作，确保设备负荷控制合理的溶液组分，加强清扫制度，定期采用热氨水和热煤气清扫26-30。 4立管式初冷器和直接初冷器4.1直接初冷器简介直接初冷器结构和原理非常简单，即将焦化产生的煤焦油气和水蒸气直接与冷凝水混合，从而达到冷却的目的。这是最直接也是效果最

15、好的一种冷却方法。但其缺点也很明显，比如不利于化学品的有效回收。混合的水具有一定量的化工产品，使其冷凝水不能有效的循环利用31-33。冷凝之后的混合液体也很难处理，难以达到环保要求，使其早已被淘汰出市场，只有在焦化产业刚刚兴起之时才有少量厂家大量采用，但其设备简单，冷凝效率最高也是不可磨灭的有点，为以后其他种类初冷器的改进奠定利润一定基础。4.2立管式初冷器基本结构及特点立管式初冷器是间接冷却的另外一种形式，其是介于横管式初冷器的一些缺点而逐渐发展起来，具有一定的使用范围。横管初冷器清扫水管时必须停产，过多的法兰阀门的拆卸也很繁琐，需要留有一定的空间才能完成相应的操作。横管式煤气初冷器单位传热

16、面积的耗钢量高于立管式煤气初冷器35，再加上过多的占地面积和复杂的结构使其有时候并不能显示足够的优势，为立管式初冷器的发展提供了契机。图3 立管式初冷器的正视和俯视图 图4 立管式初冷器工艺流程 图4中为立管式初冷器工艺流程，其基本的冷去原理及步骤与前文所述大致相同35,27,13，其中气液分离器是实现煤气与焦油和焦油渣等组分分离的装置，电捕焦油器是用来除去初冷器出来的煤气中绝大部分焦油雾装置，机械化焦油氨水澄清槽是通过静置澄清将氨水，焦油和焦油渣进行分层，这是利用各自密度不同而进行的分离装置。我国最初使用的立管式初冷器是沿袭上世纪40年代苏联设计的，其最大问题就是水侧各程流通面积分配不合理，

17、使其资源利用效率非常低。之后我国工程师对其进行了一定的改进，因为煤气流过初冷器时，煤气侧从入口至出口各程流通面积逐程缩小，温度逐步降低，并冷凝出液体，其含水汽量也不断减少，煤气的体积流量逐渐减小36。为使煤气在各流道中的流速保持大致温度，及维持气速恒定，从而使得沿冷却水流向，各流道的横断面积依次递增。但气速的大小，对整个煤气的给热系数影响不大，所以在出口处又不希望加大气速，以防增大雾沫夹带，其沿煤气流向，各流道的横断面积依次递减。4.3立管式初冷器结构改进 图2是一种改进之后的立管式初冷器工艺流程图，增加了电捕油器，可以有效防止成雾状焦油带至下一工序，而之前由于使煤气冷却由控制水速而呈渐冷方式

18、，只能依靠使用离心式鼓风机不能很好的达到效果，具有一定的缺陷。另外，由于最低速的水程正处于煤气温度最高、冷凝热最大处，使其对之后的传热产生较大的影响，其传热系数和温差的不断缩小导致其无法与横管式相比，故该处水的环流也最严重，这也是它的结构缺陷所至，但我们仍然可以对其进行一定量的改进，以充分发挥自身的优势37-40。 鉴于其整个结构特征，我们应设法使水速的提高能够最充分发挥其提高总的传热效果的作用，以改变煤气侧给热系数，或者是使水速的高低随着传热系数的大小而变化。简单的实现方法为在煤气入口处尽量提高冷凝水流速，在煤气出口处冷凝水对整个冷却系统影响较小，可以适当减小流速。具体的实现措施可以为在各流

19、通面积相等时，尽可能的增加管长，并使煤气上进下出，增加煤气的通道数。相应的水速提高及管子加长会使水的阻力降提高，这也是我们应该注意的问题，其限制水速的和水管的无限增长。另外在保持流速不变的情况下调节水侧各程通道的流通面积比，使煤气侧给热系数高的位置也恰是水速高即水的给热系数大的位置，这样整个初冷器的传热系数就提高了，5结束语 煤气在初冷器的冷却是焦化生产中重要的过程之一，其过程非常复杂，包括水蒸气和焦油气的冷凝，冷凝液的冷却等主要过程，其涉及到化工生产的诸多原理，是对流给热和热传导的综合传热过程。这个过程不仅有温度的梯度变化，还伴随着传热系数的梯度变化。而横管式初冷器由于传热效率高，生产成本低

20、，操作简单等优点，一直是焦化生产中的主要初冷设备，但其在整个实际应用中也伴随着一定的问题，如阻力增大，初冷器的腐蚀与防护，洗萘效率等。随着科学技术的发展及节能减排观念的逐步深入，相信在不久的将来横管粗冷却器会有新的发展。参考文献1 郎树德. 立管式煤气初冷器结构改进的探讨J.煤气与热力. 1984(02)2 肖美初, 李少杰. 焦化厂横管式煤气初冷器运行方式的探讨J. 涟钢科技与管理. 2007(3)3 李传拭.关于组织“铸造焦炭”生产的几点建议J. 铸造. 1980(04)4 魏三伦.王春. 煤气初冷器操作工艺改进J. 甘肃冶金. 2010(32)5 蒋文举烟气脱硫脱硝技术手册M 北京: 化

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