横管式煤气初冷器热工特性分析(1)

❖ 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。
6300
6300
6300
进/出温 流量
度
/M3*
/℃
h-1
35.6 54.2 2
1200
35.6 41.0 3
1200
35.6 61.0 5
1200
进/出温 度 /℃
26.08 31.2 0
26.08 30.4 8
26.08 27.4 0
表2 换热系数与冷却水吸热量的计算
一段
二段
初冷 器编 号
1
2
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。
❖ 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
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。
❖ 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］：
❖ 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
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❖ 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.
横管式煤气初冷器热工特 性分析(1)
❖ 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。
❖ 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。
9.86
❖ 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：
❖1 1
1 do

❖ — = — +RW+Rf + — —
❖ K ho
hi di
❖ 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
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。
❖
Q
❖
K=--------------
❖
F ·△tm
❖
❖
Q=cm (t 2-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
循环水
低温水
初冷器 编号
1
2
3
流量 /M3* h-1
❖ 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。
❖ 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［78］。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 1
2
3
4
密度 3.04 3.04 1.56 1.80
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。
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。
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
K Q /4.18kJ*m -2* h-1℃-1
151.49
31.41
/106K J*h-1
35.2 7
9.15
K
/4.18kJ* m-2* h1℃-1
176.31
115.01
Q /106KJ*h
-1
7.95 6.83
3
201.48
39.7 2
37.62
2.05
4
225.61
30.7 5
202.26
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。