第二節　煤氣在初冷器的冷卻

出炭化室的荒煤氣在橋管、集氣管用循環氨水噴灑冷卻后的溫度仍高達80～85℃，且包含有大量煤焦油氣和水蒸氣及其他物質。由于煤焦油氣和水蒸氣很容易用冷卻法使其冷凝下來，而且將它們先從煤氣中除去，對回收其他化學產品，減少煤氣體積，節省輸送煤氣所需動力，都是有利的，所以讓煤氣由集氣管沿吸煤氣主管流向煤氣初冷器進一步冷卻，煤氣在沿吸煤氣主管流向初冷器過程中，吸煤氣主管還起著空氣冷卻器的作用，煤氣可降溫1～3℃。

煤氣冷卻和煤焦油氣、水蒸氣的冷凝，可以采用不同形式的冷卻器。被冷卻的煤氣與冷卻介質直接接觸的冷卻器，稱為直接混合式冷卻器，簡稱為直接冷卻器或直接冷卻（直冷）；被冷卻的煤氣與冷卻介質分別從固體壁面的兩側流過，煤氣將熱量傳給壁面，再由壁面傳給冷卻介質的冷卻器，稱為間壁式冷卻器，簡稱為間接冷卻器或間接冷卻（間冷）。由于冷卻器的形式不同，煤氣冷卻所采取的流程也不同。

煤氣冷卻的流程可分為間接冷卻、直接冷卻和間冷-直冷混合冷卻三種。上述三種流程各有優缺點，可根據生產規模、工藝要求及其他條件因地制宜地選擇采用。中國目前廣泛采用的是間接冷卻。

一、煤氣的間接冷卻

1.立管式冷卻器間接冷卻工藝流程

如圖2-3所示為立管式煤氣初冷工藝流程。焦爐煤氣與循環氨水、冷凝煤焦油等沿吸煤氣主管先進入氣液分離器，煤氣與煤焦油、氨水、煤焦油渣等在此分離。分離下來的氨水和煤焦油一起進入機械化（煤）焦油氨水澄清槽（習慣稱機械化焦油氨水澄清槽，下同），利用密度不同經過靜置澄清分成三層：上層為氨水（密度為1.01～1.02kg/L），中層為煤焦油（密度為1.17～1.20kg/L），下層為煤焦油渣（密度為1.25kg/L）。沉淀下來的煤焦油渣由刮板輸送機連續刮送至漏斗處排出槽外。煤焦油則通過液面調節器流至煤焦油中間槽，由此泵往煤焦油儲槽，經初步脫水后泵往煤焦油車間。氨水由澄清槽上部滿流至氨水中間槽，再用循環氨水泵送回焦爐集氣管以冷卻荒煤氣。這部分氨水稱為循環氨水。

經氣液分離后的煤氣進入數臺并聯立管式間接冷卻器（初冷器），用水間接冷卻，煤氣走管間，冷卻水走管內。從各臺初冷器出來的煤氣溫度是有差別的，匯集在一起后的煤氣溫度稱為集合溫度，這個溫度依生產工藝的不同而有不同的要求：在生產硫酸銨系統中，要求集合溫度低于35℃，在水洗氨生產系統中，則要求集合溫度低于25℃。隨著煤氣的冷卻，煤氣中絕大部分煤焦油氣、大部分水汽和萘在初冷器中被冷凝下來，萘溶解于煤焦油中。煤氣中一定數量的氨、二氧化碳、硫化氫、氰化氫和其他組分溶解于冷凝水中，形成了冷凝氨水。

煤焦油和冷凝氨水的混合液稱為冷凝液。冷凝氨水中含有較多的揮發銨鹽［NH3與H2S、HCN、H2CO3形成的銨鹽，如NH4HS、NH4CN、NH4HCO3等］，固定銨鹽［如NH4Cl、NH4SCN、（NH4）2SO4和（NH4）2S2O3等］的含量較少。當其溶液加熱至100℃即分解的銨鹽為揮發銨鹽，需加熱到220～250℃或有堿存在的情況下才能分解的銨鹽叫固定銨鹽。循環氨水中主要含有固定銨鹽，在其單獨循環時，固定銨鹽含量可高達30～40g/L。為降低循環氨水中固定銨鹽的含量，以減輕對煤焦油蒸餾設備的腐蝕和改善煤焦油的脫水、脫鹽操作，大多采用兩種氨水混合的分離流程，混合氨水固定銨鹽含量可降至1.3～3.5g/L。如圖2-3所示，冷凝液自流入冷凝液槽，再用泵送入機械化焦油氨水澄清槽，與循環氨水混合澄清分離。分離后所得剩余氨水送去蒸氨，蒸氨廢水還應經生化處理后才能外排。

由管式初冷器出來的煤氣尚含有1.5～2g/m3的霧狀煤焦油，被鼓風機抽送至電捕焦油器除去其中絕大部分煤焦油霧后，送往下一道工序。

當冷卻煤氣用的冷卻水為直流水時（水源充足的地區），初冷器后的熱水直接排放（或用作余熱水供熱）。如為循環水時，則將熱水送到涼水架冷卻后循環使用，冷卻后的溫度隨地區、季節不同而異，在冬季自然冷卻，在夏季靠軸流風機強制冷卻，一般至25～33℃，再送回初冷器。

上述煤氣間接初冷流程適用于生產硫酸銨工藝系統，當水洗氨生產時，為使初冷后煤氣集合溫度達到20℃左右，宜采用兩段初冷。

兩段初冷可采用具有兩段初冷功能的初冷器，將其中前四個煤氣通道作為第一段，后兩個煤氣通道作為第二段。在第一段用32℃循環冷卻水將煤氣冷卻到約45℃，第二段用18℃低溫水將煤氣冷卻到25℃以下。

也可采用初冷器并串聯實現煤氣兩段初冷。例如用“二串一”。即煤氣先通過作為第一段的兩臺并聯的初冷器，再匯合通過作為第二段的一臺初冷器，簡稱為“二串一”，第一段用循環水冷卻，第二段用低溫水冷卻，可將煤氣冷卻到25℃以下。或用“三串一”工藝。

2.橫管式初冷器間接初冷工藝流程

橫管式煤氣初冷器冷卻，煤氣走管間，冷卻水走管內。水通道分上下兩段（或三段：熱水段、循環水段、低溫水段），上段用循環水冷卻，下段用制冷水冷卻，將煤氣溫度冷卻到22℃以下。橫管式初冷器煤氣通道，一般分上、中、下三段，上段用循環氨水噴灑，中段和下段用冷凝液噴灑，根據上、中、下段冷凝液量和熱負荷的計算可知：上段和中段冷凝液量約占總量的95％，而下段冷凝液量僅占總量的5％；從上段和中段流至下段的冷凝液由45℃降至30℃的顯熱及噴灑的冷凝液冷卻顯熱，約占總熱負荷的60％；下段冷凝液的冷凝潛熱及冷卻至30℃的顯熱，約占總熱負荷的20％；下段噴灑冷凝液的冷卻顯熱，約占總熱負荷的20％。由此可見，上段和中段噴灑的氨水和冷凝液全部從下段排出，顯著地增加了下段負荷。為此推薦如圖2-4所示的橫管式煤氣初冷工藝流程。

該流程上段和中段冷凝液從隔斷板經水封自流至氨水分離器，下段冷凝液經水封自流至冷凝液槽。下段冷凝液主要是輕質煤焦油，作為中段和下段噴灑液有利于洗萘。噴灑液不足時，可補充煤焦油或上段和中段的冷凝液。該流程最突出的優點是橫管式初冷器下段的熱負荷顯著降低，低溫冷卻水用量大為減少。

目前焦化廠廣泛采用半負壓回收系統橫管式初冷器間接冷卻煤氣工藝流程，如圖2-5所示。從焦爐來的煤焦油氨水與煤氣的混合物約80℃入氣液分離器，煤氣與煤焦油氨水等在此分離。分離出的粗煤氣并聯進入三臺橫管式初冷器，當其中任一臺檢修或吹掃時，其余兩臺基本滿足正常生產時的工藝要求。初冷器分上、下兩段，在上段用循環水將煤氣冷卻到45℃，然后煤氣入初冷器下段與制冷水換熱，煤氣被冷卻到22℃，冷卻后的煤氣并聯進入兩臺電捕焦油器，當一臺電捕焦油器檢修或沖洗時，另一臺電捕焦油器基本滿足正常生產時的工藝要求。捕集煤焦油霧滴后的煤氣送煤氣鼓風機進行加壓，煤氣鼓風機一開一備，加壓后煤氣送往脫硫及硫回收工段。

為了保證初冷器的冷卻效果，在上、下段連續噴灑煤焦油氨水混合液。此外，在其頂部用熱氨水不定期沖洗，以清除管壁上的煤焦油、萘等雜質。

初冷器的煤氣冷凝液由初冷器上段和下段分別流出，并分別進入各自的初冷器水封槽，初冷器水封槽的煤氣冷凝液分別溢流至上、下段冷凝液循環槽，再分別由上、下段冷凝液循環泵送至初冷器上、下段噴淋洗滌除萘及煤焦油，如此循環使用。下段冷凝液循環槽多余的冷凝液溢流至上段冷凝液循環槽，上段冷凝液循環槽多余部分由泵抽送至機械化焦油氨水澄清槽。

從氣液分離器分離的煤焦油氨水與煤焦油渣并聯進入三臺機械化焦油氨水澄清槽。澄清后分離成三層，上層為氨水，中層為煤焦油，下層為煤焦油渣。分離的氨水并聯進入兩臺循環氨水槽，然后用循環氨水泵送至焦爐冷卻荒煤氣及初冷器上段和電捕焦油器間斷吹掃噴淋使用。多余的氨水去剩余氨水槽，用剩余氨水泵送至脫硫工段進行蒸氨。分離的煤焦油靠靜壓流入機械化焦油澄清槽，進一步進行煤焦油與煤焦油渣的沉降分離，煤焦油用煤焦油泵送至酸堿油品庫區煤焦油槽。分離的煤焦油渣定期送往煤場摻入煤中煉焦。

半負壓橫管式間接初冷工藝與上述間接初冷工藝流程的主要區別之一，是將電捕焦油器置于鼓風機之前。這樣配置的優點是：煤氣初冷器冷卻過程中生成的煤焦油霧，可在電捕焦油器中徹底清除，為鼓風機對煤氣加壓以及其后的化學產品回收創造良好的條件。若將鼓風機放在初冷器與電捕焦油器之間，本來已經液化成霧滴的煤焦油，則因煤氣被壓縮而又升溫過程中，又汽化為蒸氣，在管道和以后工序中遇到冷卻則又會冷凝，造成堵塞。一般新建焦化廠均采用如圖2-5所示的配置工藝。

3.剩余氨水量的計算

在氨水循環系統中，由于加入配煤水分和煉焦時產生的化合水，使氨水量增多而形成所謂的剩余氨水。這部分氨水從循環氨水泵出口管路上引出，送去蒸氨。其數量可由下列估算確定。

（1）原始數據

裝入煤量/（t濕煤/h）　　　　　　　150　　配煤水分/％　　　　　　　　　　　8.5

干煤氣產量/（m3/t干煤）　　　　　　340　　化合水（干煤）/％　　　　　　　　　2

初冷器后煤氣溫度/℃　　　　　　　　30

（2）計算　如圖2-6所示，為循環氨水量，設于集氣管噴灑冷卻煤氣時蒸發了2.6％，剩余部分即為由氣液分離器分離出來的氨水量。離開氣液分離器的煤氣中所含的水汽量，即煤氣帶入集氣管的水量和循環氨水蒸發部分之和。初冷器后煤氣帶走的水量為，即為冷凝水量。從冷凝水量中減去需補充的循環氨水量（相當于蒸發部分），即得剩余氨水量。

從以上分析可見，如圖2-6所示虛線圍成的范圍，作水的物料衡算有：

則送去加工的剩余氨水量，即為與之差。

式中　35.2——每m3煤氣在30℃時經水蒸氣飽和后的水汽含量，g（為簡化計算，由附表1查得）。

則剩余氨水量為 　　

顯然，剩余氨水量取決于配煤水分和化合水的數量以及煤氣初冷后集合溫度和壓力的高低。

煤氣初冷的集合溫度和負壓不宜偏高，否則會帶來下列問題。

①煤氣中水汽含量增多，體積變大，致使鼓風機能力不足，影響煤氣正常輸送。

②煤焦油氣冷凝率降低，初冷后煤氣中煤焦油含量增多，影響后續工序生產操作。

③在初冷器內，煤氣冷卻到一定程度（一般認為55℃）以下，萘蒸氣凝結呈細小薄片晶體析出，可溶入煤焦油中，溫度越低，煤氣中萘蒸氣含量也越少，當集合溫度高時，煤氣中含萘量將顯著增大。根據現場資料，甚至煤氣中萘含量比同溫下萘蒸氣飽和含量高1～2倍。這些未分離除去的萘會造成煤氣管道和后續設備的堵塞，增加洗萘系統負荷，給洗氨、洗苯帶來困難。

由上述可見，在煤氣初冷操作中，必須保證初冷器后集合溫度不高于規定值，并盡可能地脫除煤氣中的萘。

焦爐煤氣是多組分混合物。其中的H2、CH4、CO、CO2、N2、CnHm（按乙烯計）、O2等，在常溫條件下始終保持氣態，而且在其后的冷卻、加壓及回收化學產品過程中，其總物質的量的流量不變，故這部分氣體稱為干煤氣。又因在標準狀態下1kmol理想氣體的體積為22.4m3，故以m3/h作為干煤氣的流量的計量單位時，干煤氣的體積流量也是不變的。與干煤氣不同的是水蒸氣、粗苯氣、煤焦油氣以及NH3、H2S、HCN等，在煤氣冷卻過程中，有的會冷凝成液體溶于水，或在化學產品回收中采用吸收的方法將其從煤氣中分離出去，這些成分是可變的，都不屬于干煤氣的成分，在煤氣中的含量，常以g/m3為單位計量。

二、煤氣的直接冷卻

煤氣的直接冷卻，是在直接式煤氣初冷塔內由煤氣和冷卻水直接接觸傳熱完成的。中國在20世紀80年代前有些小型焦化廠大都用直接初冷卻流程，如圖2-7所示。

由圖2-7可見，由焦爐來的80～85℃的煤氣，經過氣液分離器進入并聯的直接式煤氣初冷塔，用氨水噴灑冷卻到25～28℃，然后由鼓風機送至電捕焦油器，電捕除焦油霧后，將煤氣送往回收氨工段。

由氣液分離器分離出的氨水、煤焦油和煤焦油渣，經煤焦油盒分出煤焦油渣后流入焦油氨水澄清池，從澄清池出來的氨水用泵送回集氣管噴灑冷卻煤氣。澄清池底部的煤焦油流入煤焦油池，然后用泵抽送到煤焦油槽，再送往煤焦油車間加工處理。煤焦油盒底部的煤焦油渣由人工撈出。

初冷塔底部流出的氨水和冷凝液經水封槽進入初冷循環氨水澄清池，與洗氨塔來的氨水混合并在澄清池與煤焦油進行分離。分離出來的煤焦油與上述煤焦油混合。澄清后的氨水則用泵送入冷卻器冷卻后，送至初冷塔循環使用。剩余氨水則送去蒸氨或脫酚。

從初冷塔流出的氨水，由氨水管路上引出支管至煤焦油氨水澄清池，以補充焦爐用循環氨水的蒸發損失。

煤氣直接冷卻，不但冷卻了煤氣，而且具有凈化煤氣的良好效果。據某廠實測生產數據表明，在直接式煤氣初冷塔內，可以洗去90％以上的煤焦油，80％左右的氨，60％以上的萘，以及約50％的硫化氫和氰化氫。這對后面洗氨洗苯過程及減少設備腐蝕都有好處。

同煤氣間接冷卻相比，直接冷卻還具有冷卻效率較高，煤氣壓力損失小，基建投資較少等優點。但也具有工藝流程較復雜，動力消耗較大，循環氨水冷卻器易腐蝕、易堵塞，各澄清池污染嚴重，大氣環境惡劣等缺點，因此目前大型焦化廠還很少單獨采用這種煤氣直接冷卻流程。在以人為本，建設和諧社會的今天，這類嚴重污染環境的工藝已不允許使用。

國外一些大型焦化廠也有采用煤氣直接冷卻流程的，空噴塔和冷卻器等采取防腐措施，各澄清池皆配有頂蓋，排放氣體集中洗滌。空噴塔用經過冷卻的氨水煤焦油混合液噴灑。在冷卻煤氣的同時，還將煤氣中夾帶的部分萘除去。由初冷塔流出來的冷凝液進入專用的焦油氨水澄清槽進行分離，澄清后的氨水供循環使用，并將多余部分送去蒸氨加工。

三、間接冷卻和直接冷卻結合的煤氣初冷

煤氣的直接冷卻是在直接冷卻塔內，由煤氣和冷卻水（經冷卻后的氨水焦油混合液）直接接觸傳熱而完成的。此法不僅冷卻了煤氣，且具有凈化煤氣效果良好、設備結構簡單、造價低及煤氣阻力小等優點。間冷、直冷結合的煤氣初冷工藝即是將兩者優點結合的方法，在國內外大型焦化廠已得到采用。

自集氣管來的荒煤氣幾乎為水蒸氣所飽和，水蒸氣熱焓約占煤氣總熱焓的94％，所以煤氣在高溫階段冷卻所放出的熱量絕大部分為水蒸氣冷凝熱，因而傳熱系數較高；而且在溫度較高時（高于52℃），萘不會凝結造成設備堵塞。所以，煤氣高溫冷卻階段宜采用間接冷卻。而在低溫冷卻階段，由于煤氣中水汽含量已大為減少，氣體對壁面間的對流傳熱系數低，同時萘的凝結也易于造成堵塞。所以，此階段宜采用直接冷卻。

間冷和直冷結合的煤氣初冷流程如圖2-8所示，由集氣管來的82℃左右的荒煤氣經氣液分離器分離出煤焦油氨水后，進入橫管式間接冷卻器被冷卻到50～55℃，再進入直冷空噴塔冷卻到25～35℃。在直冷空噴塔內，煤氣由下向上流動，與分兩段噴淋下來的氨水煤焦油混合液逆流密切接觸而得到冷卻。

聚集在塔底的噴灑液及冷凝液沉淀出其中的固體雜質后，其中用于循環噴灑的部分經液封槽用泵送入螺旋板換熱器，在此冷卻到25℃左右，再壓送至直冷空噴塔上、中兩段噴灑。相當于塔內生成的冷凝液量的部分混合液，由塔底導入機械化焦油氨水澄清槽，與氣液分離器下來的氨水、煤焦油以及橫管初冷器下來的冷凝液等一起混合后進行分離。澄清的氨水進入氨水槽后，泵往焦爐噴灑，剩余氨水經氨水儲槽泵送脫酚及蒸氨裝置。初步澄清的煤焦油送至煤焦油分離槽除去煤焦油渣及進一步脫除水分，然后經煤焦油中間槽泵入煤焦油儲槽。

直冷空噴塔內噴灑用的洗滌液在冷卻煤氣的同時，還吸收硫化氫、氨及萘等，并逐漸為萘飽和。采用螺旋板換熱器來冷卻閉路循環的洗滌液，可以減輕由于萘的沉積而造成的堵塞。

在采用氨水混合分離系統時，循環氨水中揮發氨的濃度相對增加，而循環氨水的溫度又高，因而氨的揮發損失將增大。為防止氨的揮發損失及減少污染，澄清槽和液體槽均應采用封閉系統，并設置排氣洗凈塔，以凈化由槽內排出的氣體。