第一節　煤氣在集氣管內的冷卻

一、煤氣在集氣管內的冷卻

1.冷卻的機理

煤氣在橋管和集氣管內的冷卻，通常是將75℃左右的循環氨水（在150～200kPa表壓下）經過噴頭強烈噴灑形成細霧狀液滴，與橋管進口650～750℃煤氣在直接接觸條件下進行的。細霧狀液滴為氣-液兩相提供了很大的接觸面積；起初，兩相間溫差很大；既存在對流傳熱，又有輻射傳熱，聯合傳熱系數很大。因此，煤氣向氨水的傳熱速率將會很高，煤氣溫度會迅速下降。但入口高溫煤氣中水蒸氣分壓卻遠低于氨水溫度下的飽和蒸氣壓，氨水則會快速汽化。于是，在氣、液兩相間形成了煤氣向氨水快速傳熱而降溫、氨水向煤氣快速傳質而增濕的過程。由于煤氣的平均比熱容遠低于水的汽化潛熱以及水的比熱容，所以煤氣溫度雖急劇降低，但氨水溫升卻不多。

煤氣急劇降溫，與氨水間溫差減小，煤氣增濕，煤氣中水蒸氣分壓增大。氣-液兩相間傳熱和傳質速率會降低。煤氣降溫的極限是與氨水溫度相等；煤氣增濕的極限是煤氣中水蒸氣分壓與氨水最終溫度下的飽和蒸氣壓相等。此時氨水溫度就是增濕達到飽和的煤氣露點溫度。

由于氣-液兩相在橋管和集氣管的接觸時間很短，兩相間達不到上述平衡關系，煤氣的溫度一般冷卻到比露點溫度高1～3℃。

煤氣急劇降溫，放出的是顯熱，傳遞給了氨水；部分氨水汽化，又以潛熱的形式被蒸汽帶回了氣相。因此，增濕后煤氣的總含熱量比高溫進口煤氣的總含熱量低不了多少。根據實測數據計算，煤氣從650～750℃降溫到80～85℃所放出的熱量中，約10％經管壁散失在大氣中。由此不難得知，煤氣在橋管和集氣管中的冷卻，主要是降溫，而排放熱量的冷卻作用則是在煤氣初冷器中完成的。

不過，煤氣溫度從650～750℃降溫到80～85℃的過程中，有60％左右的煤焦油蒸汽冷凝下來；煤氣中夾帶的粉塵大都被沖洗下來，并形成焦油渣。

綜上所述，煤氣在橋管和集氣管中的冷卻過程，主要是降溫、增濕以及初步凈化作用。

從集氣管排出的物料，除濕煤氣外，還有未汽化的循環氨水以及冷凝的部分煤焦油和焦油渣。在進一步冷卻煤氣之前，應當先把它們分離。

2.煤氣露點與煤氣中水汽含量的關系

煤氣的冷卻及所達到的露點溫度同下列因素有關：進集氣管前煤氣中的水蒸氣含量（主要決定于煤料的水分）和溫度，循環氨水量、進口溫度以及集氣管壓強、氨水噴灑效果等。其中以煤料水分影響最大，在一般生產條件下，煤料水分每降低1％，露點溫度可降低0.6～0.7℃。顯然，降低煤料水分，對煤氣的冷卻很重要。煤氣露點與煤氣中水汽含量之間的關系如圖2-2所示。

由于煤氣的冷卻主要是靠氨水的蒸發，所以，氨水噴灑的霧化程度好，循環氨水的溫度較高（氨水液面上水汽分壓較大），氨水蒸發量大，煤氣則冷卻得較好，反之則差。

二、煤氣在集氣管內冷卻的技術要求

1.集氣管技術操作指標

集氣管技術操作的主要數據（中國沿海地區數據）如下：

集氣管前煤氣溫度/℃　　　　　　650～750　　煤氣露點/℃　　　　　　　　　　　　79～83

離開集氣管的煤氣溫度/℃　　　　80～85　　　循環氨水量/（m3/t干煤）　　　　　　　5～6

循環氨水溫度/℃　　　　　　　　72～78　　　蒸發的氨水量（占循環氨水量）/％　　　2～3

離開集氣管氨水的溫度/℃　　　　74～79　　　冷凝煤焦油量（占煤氣中煤焦油量）/％　約60

由上述數據可見，煤氣雖然已顯著冷卻，但集氣管內不僅不發生水蒸氣的冷凝，相反由于氨水蒸發，使煤氣中水分增加。但煤氣仍未被水汽所飽和，經冷卻后煤氣溫度仍高于煤氣的露點溫度。

2.技術要求

①集氣管在正常操作過程中用氨水而不用冷水噴灑，因冷水溫度低不易蒸發，使煤氣冷卻效果不好，所帶入的礦物雜質會增加瀝青的灰分。此外，由于水溫很低，使集氣管底部劇烈冷卻、冷凝的煤焦油黏度增大，易使集氣管堵塞。氨水呈堿性，能中和煤焦油酸，保護了煤氣管道。氨水又有潤滑性，便于煤焦油流動，可以防止煤氣冷卻過程中煤粉、焦粒、煤焦油混合形成的煤焦油渣因積聚而堵塞煤氣管道。

②進入集氣管前的煤氣露點溫度主要與裝入煤的水分含量有關，煤料中水分（化合水及配煤水分，約占干煤質量的10％）形成的水汽在冷卻時放出的顯熱約占總放出熱量的23％，所以降低煤料水分，會顯著影響煤氣在集氣管冷卻的程度，當裝入煤全部水分為8％～11％時，相應的露點溫度為65～70℃。為保證氨水蒸發的推動力，進口水溫應高于煤氣露點溫度5～10℃，所以采用72～78℃的循環氨水噴灑煤氣。

③對不同形式的焦爐所需的循環氨水量也有所不同，生產實踐經驗確定的定額數據為：對單集氣管的焦爐，每1t干煤需5m3循環氨水，對雙集氣管焦爐需6m3的循環氨水。近年來，國內外焦化廠已普遍在焦爐集氣管上采用了高壓氨水代替蒸汽噴射進行無煙裝煤，個別廠還采用了預熱煤煉焦，設置了獨立的氨水循環系統，用于專設的焦爐集氣管的噴灑，則它們的循環氨水量又各不同。

④集氣管冷卻操作中，應經常對設備進行清掃，保持循環氨水噴灑系統暢通，氨水壓力、溫度、循環量力求穩定。

三、集氣管的物料平衡與熱平衡

通過集氣管的物料平衡和熱平衡的計算，可以了解集氣管內物料轉移的情況以及求得冷卻后的煤氣溫度。若冷卻后的煤氣溫度已確定，就可以求得必需的循環氨水用量及其蒸發量，也可用以評定集氣管操作的好壞。

下面以中國某焦化廠實際生產數據為例，計算煤氣被冷卻至一定溫度時循環氨水的蒸發水量和集氣管出口煤氣的露點溫度。

1.某廠實際生產數據

（1）產品產率（占干煤質量）

焦爐煤氣/％　　　　　　　15.80　　氨/％　　　　　　　　　　　　　0.3

化合水/％　　　　　　　　　　2　　硫化氫/％　　　　　　　　　　　0.3

煤焦油/％　　　　　　　　　4.0　　焦炭/％　　　　　　　　　　　　76.5

粗苯/％　　　　　　　　　　1.1　　總計/％　　　　　　　　　　　　100.0

配合煤水分按每100kg濕煤含水8kg計算。

（2）操作指標

冷凝煤焦油量占總煤焦油量/％　　　　60　　進入集氣管的煤氣溫度/℃　　　　　　650

離開集氣管的煤氣溫度/℃　　　　　　82　　標準狀態下的煤氣密度/（kg/m3）　　0.465

進入集氣管的循環氨水溫度/℃　　　　75　　集氣管內壓力（絕壓）/Pa　　　1.013×105

離開集氣管的循環氨水溫度/℃　　　　78

（3）熱量分配情況（占總放出熱量）

氨水蒸發所吸收的熱量Q1/％　　　　75　　集氣管的散熱損失Q3/％　　　　　10

氨水升溫所吸收的熱量Q2/％　　　　15

（4）各種組分在82～650℃之間的平均比熱容（由有關圖表查到）

焦爐煤氣/［kJ/（m3·℃）］　　　　1.591　　硫化氫/［kJ/（kg·℃）］　　　　　　1.147

水汽/［kJ/（kg·℃）］　　　　　　2.010　　煤焦油氣/［kJ/（kg·℃）］　　　　　2.094

苯族烴/［kJ/（kg·℃）］　　　　　1.842　　82℃時煤焦油平均汽化潛熱/（kJ/kg）　330.8

氨/［kJ/（kg·℃）］　　　　　　　2.613　　水在82℃時的汽化潛熱/（kJ/kg）　　　2303.3

2.循環氨水量的計算

以1t干煤做計算基準，煤氣在集氣管內進行冷卻時放出的總熱量（以0℃為基準），可按如下計算。

煤氣放出的顯熱：

煤焦油氣放出的顯熱：

1000×0.04×2.094×（650-82）=47576（kJ）

煤焦油氣放出的冷凝熱：

1000×0.04×0.6×330.8=7939（kJ）

水汽放出的顯熱：

1000×0.107×2.010×（650-82）=122160（kJ）

式中，0.107為1t干煤產生的總水分。

苯族烴放出的顯熱：

1000×0.011×1.842×（650-82）=11509（kJ）

氨放出的顯熱：

1000×0.003×2.613×（650-82）=4453（kJ）

硫化氫放出的顯熱：

1000×0.003×1.147×（650-82）=1954（kJ）

放出的總熱量為：

Q=307060+47576+7939+122160+11509+4453+1954=502651（kJ）

根據熱平衡，則得：　　Q=Q1+Q2+Q3=502651（kJ）

因循環氨水蒸發所吸收的熱量Q1=0.75Q，所以蒸發水量為：

因氨水升溫所吸收的熱量Q2=0.15Q，則循環氨水量為：

式中，4.187為水的比熱容，kJ/（kg·℃）。

所以，以1t干煤計的循環氨水總量為　164+6003=6167（kg）

氨水蒸發量占循環氨水總量　

3.煤氣露點溫度的確定

根據已知數據及計算結果，可求得離開集氣管的煤氣露點溫度。

進入集氣管的氣態煉焦化學產品按體積計數量為：

式中，18、200、83、17、34分別為水、煤焦油、苯族烴、氨及硫化氫的相對分子質量。

在集氣管內冷凝的煤焦油體積為：

在集氣管內蒸發的氨水體積為：

在無煙裝煤時噴射的蒸汽量對干煤的質量分數為：單集氣管1.5％；雙集氣管3％，現按雙集氣管的噴射蒸汽量求得體積為：

離開集氣管的水汽總體積為：

離開集氣管的煤氣總體積為：

486+204+37.3-2.7=724.6（m3/t干煤）

集氣管出口煤氣中水汽分壓為：

由附表1查得相應的煤氣飽和溫度（露點）為82.5℃。