浅谈焦炉煤气集合温度的控制

浅谈焦炉煤气集合温度的控制

陈明明

摘要：焦炉煤气初步冷却是整个化产回收系统的重要组成部分，是煤气净化全过程的基础。焦炉煤气初步冷却的操作状况对其以后各工序的正常而经济的运行将产生决定性的影响。初冷后焦炉煤气的集合温度过高，会对煤气净化产生诸多不良影响。论文从设备选型关，控制管理体系，设备技术操作管理，设备维护，优化工艺控制等方面分析讨论了控制集合温度的有效途径。

关键词：焦炉煤气；初冷器；集合温度；煤气初冷；

1 前言

焦炉煤气是煤在焦炉内经高温干馏而产生的气态产物。由炭化室经上升管引出的煤气，温度一般为650~700℃，叫荒煤气。其主要成分除氢、甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳等外，还有硫化氢、氰化氢、氨、萘、不饱和烃、焦油雾和微量的氧化氮等。这些物质含量不大，但给煤气的贮运、利用和化学产品的回收造成很多困难和危害[1]。焦炉煤气初步冷却是整个化产回收系统的重要组成部分，是煤气净化全过程的基础，它的操作状况对其以后各工序的正常而经济的运行将产生决定性的影响。焦炉煤气初步冷却包括荒煤气在桥管和集气管中的第一步冷却和在初冷器中进行的第二步冷却[2]。其中从每台初冷器出来的煤气汇集在一起后的温度即称为焦炉煤气的集合温度。集合温度过高会导致输送的煤气体积增加，增大鼓风机的负荷从而增大鼓风机的动力消耗，甚至对鼓风机的安全运转构成威胁；初冷后煤气中焦油和萘的含量增高，给电捕焦油装置增加负荷，同时也使净化萘的过程复杂化；由于初冷后煤气含水量与其集合温度相关，且随煤气集合温度升高而增加，因而给饱和器的水平衡以不利影响导致需要过份提高煤气预热温度，进而母液温度上升，恶化了硫按结晶条件，使结晶粒度组成和其它一系列质量指标劣化，且危及轻吡啶碱类

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的正常回收；极大地增加煤气终冷的热负荷，并使其操作条件恶化，进而给粗苯回收过程以不利影响；对于现行一部份采用浓氨水工艺的回收系统，不仅萘和氨的吸收对煤气的变化极为敏感，甚至导致粗苯系统装置的腐蚀，直接给粗苯生产构成威胁。因此，集合温度的控制对煤气净化十分重要。

论文主要从设备和工艺方面对焦炉煤气集合温度的控制进行了探讨。

2 集合温度的设备控制

2.1 选择合适的初冷器

初冷器是初冷工艺中最重要的设备，选择合适的初冷器及其工艺参数，是保证初冷效果的首要条件。初冷器的工艺参数包括冷却水量、冷却面积、串并联等。

一般的初冷器冷却方法通常有间接式、直接式、间--直结合式三种。根据冷却设备的不同又可分为直冷式喷淋塔、立管式初冷器和横管式初冷器[5]。间接式煤气冷却是指水在冷却煤气过程中不与煤气接触而是通过换热器的两相传热完成的。间冷式对大多数缺水地区焦化厂来说是必要的。由于冷却介质--水没有受到煤气中有害介质的污染而提高了其循环使用次数。一般的直冷煤气设备是塔，由煤气与冷介质的逆相直接接触完成，其中既包含热量传递，也含有组份物质的传递。因此煤气直接冷却，不但冷却了煤气，而且具有净化煤气的良好效果[6]。介于间、直冷各自优点，一般使用直冷式工艺的厂家均采用间--直冷结合方式，即煤气先在间接初冷器中冷却至45 ℃后再进入直接冷却器进一步冷却至 25～30 ℃。在此过程中冷却了煤气，一定程度上也净化了煤气，冷却后煤气含萘可降至lg/m3以下。

2.2 加强对现有设备的技术操作管理

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当间接式初冷器的传热面积和煤气处理量均为一定时，煤气的集合温度与煤气入口温度和冷却水入口温度密切相关[7]，应当尽量降低煤气入口温度和冷却水入口温度。通常可从以下方面予以控制。

a.尽量降低配煤水分，并保持稳定；

b.认真调节好焦油氨水澄清槽的液位调节器，向集气管提供足量优质的氨水，保证喷洒氨水有良好的雾化程度；

c.当采用循环冷却水时，应定期清扫凉水架，保证正常操作，温度偏高时，可排出部分循环水，用新水（地下水或井水）予以补充；

d.注意调节进入各台冷却器的煤气量及冷却水量，以使每台冷却器出口温度接近一致。

2.3 加强设备维护

（1）加强清扫

间接式初冷器管壁上的沉积物，会使其传热效率下降。这种沉积物熔点为48~℃，过去是用水蒸汽清扫，不仅会增加酚水量和污染大气，而且还由于焦油的蒸发，将在管壁上沉积一层不易清除的油垢。目前许多焦化厂采用了用热煤气清扫管间沉积物的方法。此法是将初冷器内的冷却水全放空，每小时往初冷器中通入热煤气700~1000m3，并使其温度保持在55~75℃的范围内。操作时，将入口开闭器完全打开，出口开闭器保留一定的开度。这种清扫方法不仅提高了初冷器的传热效率，而且还大大地降低了出口煤气中所挟带的萘，这样既降低了煤气出口温度，又改善煤气输送及后序回收设备的操作[10]。

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（2）定期清扫管内水垢

我国各焦化厂所用冷却水水质不同，但大多硬度较大。为改善初冷器操作，就必须定期清扫管内水垢。一般用机械法，也可用酸洗法。酸洗法是用3%的稀盐酸进行清洗。

为控制水垢的生成，必须严格控制冷却水出口温度。水出口温度要根据水的硬度加以，一般硬度为100mg/kg的水，其出口温度应小于50℃，150mg/kg的水, 应小于45℃，200mg/kg以上的水应小于40℃。

而从根本上控制水垢，还是使用永磁处理装置。这样，若选用横管式初冷器，冷却效果会更明显。

3 集合温度的工艺控制

通过选择合适的初冷工艺，可以使集合温度得到较好的控制。而控制集合温度的根本措施在于提高初冷器设备的传热总系数，以期在传递总热量相同的条件下降低煤气与冷却水的平均温差，提高冷却水的出口温度，降低初冷器后的集合温度。

3.1 技术工艺控制

技术工艺控制主要从以下几个方面控制传热总系数，从而控制集合温度。

（1）冷却水速度

横管初冷器的传热系数随冷却水流速增加而缓慢提高，而此时冷却水的阻力则成倍增长，使在实际设计中增加水的流速是有其限度的。即使水速变化在如此窄的范围内水的阻力还是翻了两

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番，此时传热系数的变化几乎不具有实际意义。可见，水速虽然是影响初冷器传热系数的一种因素，但是它却无法用来为我们控制集合温度服务。

（2）煤气流速

对于横管初冷器，煤气速度的变化对传热系数的影响十分明显，这是基于煤气湍流程度变化造成的，煤气流速的提高是以通过阻力的激增为代价的，为了降低煤气冷却过程的动力消耗，可供选择的煤气流速范围也是有限的。因此，煤气流速也不能作为控制集合温度的重要参数。

（3）煤气进口温度

这种影响源于煤气湿含量的作用。入口温度升高，煤气侧的给热系数也随之增加，因而传热系数增大。但是还必须看到，随着入口煤气温度升高，需要传递的热量也相应增加。因而试图通过提高初冷器进口煤气温度来提高传热系数是得不偿失的。

对比横管初冷器和立管初冷器，尽管横管初冷器的传热系数比立管式高一倍以上，但实际使用传热面积的设计定额两者却很接近，而且立管式冷却器的传热系数在实际设计时也只采用下限值。这一事实，会使所有专注改善冷却器结构以期提高其传热性能的失所望，因为这些努力所取得的效果往往被使用过程中出现的实际因素所抵消。

综上所述，从技术工艺上对集合温度进行控制很难有效果。

3.2 设备工艺的控制

以直接式初冷器、立管式初冷器以及横管式初冷器三种煤气冷却设备为基础，充分发挥在特定条件下各种型式初冷器的优点，当今已实现了如下几种类型的组合初冷工艺：

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（1）直接式煤气初冷工艺（填料塔或空喷塔）。

（2）间接式煤气初冷工艺（全一段立管式或横管式）。

（3）两段间接式煤气初冷工艺[11]（包括立管式--横管式 两段横管式以及立管--斜管式等）。

（4）间--直式煤气初冷工艺（横管式或立管式与直接式）。

（5）空冷--间接式煤气初冷工艺。

间--直式初冷工艺的出现，标志着提高煤气初冷效率重点的转移。即从改善初冷器结构转移到以改变工艺为重点的新阶段。由于各种因素综合作用的结果，使得现行初冷器的传热效率降低，设备庞大；耗冷却水量增多；阻力增加快，必须经常停产（更换操作）清扫。采用两段初冷工艺虽可提高两段初冷器的传热系数，但在第二段初冷器中焦油和萘的沉积以及煤气夹带萘结晶和水雾滴的问题亦未能很好解决。特别是煤气中夹带的萘在鼓风机中因煤气受压缩温度上升而迅速上升，进一步提高了煤气含萘量，使净化萘装置的负荷增大。当采用两段煤气初冷工艺时，第一段由于焦油和氨水冷凝量大，而萘析出相对较少，一般不发生堵塞问题，而第二段则恰恰相反，因堵塞引起的阻力增加和传热效率降低十分明显，在某种程度上了间接式两段初冷工艺优越性的发挥。对于焦炉操作状况不佳，配备全一段初冷工艺的煤气精制系统，每月每台初冷器的清扫次数可达3~4次之多，比较正常的亦不少于1~2次。因此，各初冷工艺系统，仍存在一系列未获解决的问题。当前在日本广为流行的间--直式煤气初冷工艺，因其需要的冷却水温度较低（比欲达到的煤气冷却温度低8℃），和循环氨水对低温冷却水的换热器的耐腐蚀材料取给困难，以及其制造技术复杂，对于我国大多数焦化厂来说，难于推广应用，尤其是旧厂技术改造。

4 结论

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焦炉煤气集合温度的控制，对整个煤气净化非常重要，对前后的影响极大。把好设备选型关，建立健全各项管理体系，加强现有设备的技术操作管理，维护好设备，优化工艺控制，并不断研究工作中出现的新问题，都是控制好集合温度的有效途径。

5 参考文献

[1]-许祥静，刘军-煤炭气化工艺-化学工业出版社-2005-3-1

[2]-肖瑞华，白金锋-煤化学产品工艺学(第2版)(高)-冶金工业出版社-2008-9-1

[3]-薛金辉-煤化工专业实训指导-化学工业出版社-2005-1-1

[4]-徐振刚，曲思建-煤化工技术理论与实践-中国石化出版社-2009-11-1

[5]-何建平，李辉-炼焦化学产品回收技术-冶金工业出版社-2006-4-1

[6]-何建平-炼焦化学产品回收与加工-化学工业出版社-2005-6-1

[7]-上海五冶检修公司-煤气净化设备状态维护与检修技术-上海交通大学出版社-2006-9-1

[8]-韦春望-焦化厂煤气初冷后温度偏高的原因及对策-冶金能源-2008-03

[9]-杨太宝，牛爱宁-影响初冷器换热效果的因素探讨-燃料与化工-2008-05

[10]-段有龙, 樊晓光, 孟凡盛，等-横管式煤气初冷器的腐蚀与防护-全国能源与热工学术年会全国能源与热工学术年会论文集-2004

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[11]-季广祥-焦炉煤气两段间接初步冷却工艺-中华人民共和国国家知识产权局-1988

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