第四節　煤氣冷卻和冷凝的主要設備

一、煤氣冷卻設備

1.立管式間接初冷器

（1）構造及性能　如圖2-11所示，立管式間接初冷器的橫斷面呈長橢圓形，直立的鋼管束裝在上下兩塊管柵板之間，被五塊縱擋板分成六個管組，因而煤氣通路也分成六個流道。煤氣走管間，冷卻水走管內，兩者逆向流動。冷卻水從初冷器煤氣出口端底部進入，依次通過各組管束后排出器外。由圖可見，六個煤氣流道的橫斷面積是不一樣的，這是因為煤氣流過初冷器時溫度逐步降低，并冷凝出液體，煤氣的體積流量逐漸減小。為使煤氣在各個流道中的流速大體保持穩定，可沿煤氣流向各流道的橫斷面積依次遞減，而冷卻水沿其流向各管束的橫斷面積則相應地遞增。所用鋼管規格為ф76mm×3mm。

立管式冷卻器一般均為多臺并聯操作，煤氣流速為3～4m/s，煤氣通過阻力為0.5～1kPa。

當接近飽和的煤氣進入初冷器后，即有水汽和煤焦油氣在管壁上冷凝下來，冷凝液在管壁上形成很薄的液膜，在重力作用下沿管壁向下流動，并因不斷有新的冷凝液加入，液膜逐漸加厚，從而降低了傳熱系數。此外，隨著煤氣的冷卻，冷凝的萘將以固態薄片晶體析出。

在初冷器前幾個流道中，因冷凝煤焦油量多，溫度也較高，萘多溶于煤焦油中；在其后通路中，因冷凝煤焦油量少，溫度低，萘晶體將沉積在管壁上，使傳熱系數降低，煤氣流通阻力亦增大。在煤氣上升通路上，冷凝物還會因接觸熱煤氣而又部分蒸發，因而增加了煤氣中萘的含量。上述問題都是立管式初冷器的缺點。為克服這些缺點，可在初冷器后幾個煤氣流道內，用含萘較低的混合煤焦油進行噴灑，可解決萘的沉積堵塞問題，還能降低出口煤氣中的萘含量，使之低于集合溫度下萘在煤氣中的飽和濃度。

（2）冷卻水量的計算　煤氣初冷所需的冷卻水量可通過熱平衡計算求得。由圖2-11可知，進出初冷器的物料有煤氣、冷卻水、冷凝液。煤氣在初冷器中放出的總熱量應由冷卻水、冷凝液和初冷器散熱損失帶走。由于凈煤氣冷卻及水汽冷凝所放出的熱量約占總放出熱量的98％以上，所以在實際計算中可近似地用初冷器的入口和出口溫度下飽和煤氣焓差來計算煤氣放出的總熱量，再據此求得冷卻水量。

設：干焦爐煤氣量為48220m3/h，進入初冷器的飽和煤氣溫度為82℃，離開初冷器的飽和煤氣溫度為30℃。從附表1查得在82℃和30℃時飽和煤氣總熱焓分別為2327.94kJ/m3及134.98kJ/m3，則得煤氣在初冷器中放出的總熱量為：

48220×（2327.94-134.98）=1.0574×108（kJ/h）

設冷卻器表面散熱損失為煤氣總放出熱量的2％，則散熱損失的熱量為：

1.0574×108×2％=2.115×106（kJ/h）

煤氣在初冷器中冷卻產生的冷凝液以冷凝水計，其他組分量少，忽略不計，則冷凝水量為：

式中　832.8、35.2——每m3煤氣在82℃、30℃時經水蒸氣飽和后的水汽含量，g（由附表1查得）。

　　 冷凝水帶走的熱量為： 　　

式中　cp——水的比熱容，取4.1868，kJ/（kg·K）；

——冷凝水（液）的平均溫度，采用冷凝水的加權平均（或混合）溫度，℃。

豎管初冷器內的冷凝液是在不同溫度下從煤氣中冷凝出來的，而且是從不同位置引出的，冷凝水（液）的平均溫度應按下式計算。

嚴格計算，冷凝水（液）的平均溫度按

近似計算，即加權平均（或混合）溫度按

式中，Δ（qmt）i為將溫度自82～30℃分成n段，Δ（qmt）i為第i段冷凝水（液）量與第i段冷凝水（液）平均溫度的乘積；當n→∞時，即為嚴格值。取的n越小，計算越容易，但的準確性越差，是指：冷凝液總量qm一定，第i段的（qmt）i值越大，在平均中占的比例越大，分配的權力越大；（qmt）i值越小，在平均中占的比例越小，分配的權力越小，故稱為加權平均溫度。所謂混合溫度，是把不同溫度的冷凝液混合在一起，計量混合后的溫度。

例如，將82～30℃，每隔4℃為一段，共分13段，分別計算每段的，，，再計算，∑（qmt）i（計算過程數據略，所需數據由附表1查得）有：

冷卻水進出口溫度分別為25℃及45℃，則所需冷卻水量為：

每冷卻1000m3煤氣所需冷卻水量為：

當用32℃的直流水時，可取為1000m3煤氣40m3水。為減輕水垢的生成，出口水溫一般不得高于45℃。

（3）傳熱特點及傳熱系數　煤氣在初冷器內的冷卻是包含對流給熱和熱傳導的綜合傳熱過程，在煤氣冷卻的同時還進行著：水汽的冷凝、煤焦油氣的冷凝、冷凝液的冷卻。故比一般傳熱過程復雜。因此，這一過程不僅是在變化的溫度下，且是在變化的傳熱系數下進行的。

據傳熱計算，可求得立管式初冷器煤氣入口處的傳熱系數K值可達840kJ/（m2·h·℃），而在出口處僅為210kJ/（m2·h·℃）。在初冷器第一段流道中，由于K值大，煤氣與水之間的溫度差也大，雖然其傳熱面積僅占總傳熱面積的21％強，但所移走的熱量要占煤氣冷卻放出總熱量的50％以上。第一段通路是冷卻器中對煤氣冷卻過程起決定性作用的部分，在計算一段初冷工藝的冷卻面積時，可取平均K值為500～520kJ/（m2·h·℃）。

2.橫管式間接初冷器

（1）構造及性能　如圖2-12所示，橫管初冷器具有直立長方體形的外殼，冷卻水管與水平面呈3°角橫向配置。管板外側管箱與冷卻水管連通，構成冷卻水通道，可分兩段或三段供水。兩段供水是供低溫水和循環水，三段供水則供低溫水、循環水和采暖水。煤氣自上而下通過初冷器。冷卻水由每段下部進入，低溫水供入最下段，以提高傳熱溫差，降低煤氣出口溫度；在冷卻器殼程各段上部，設置噴灑裝置，連續噴灑含煤焦油的氨水，以清洗管外壁沉積的煤焦油和萘，同時還可以從煤氣中吸收一部分萘。

在橫管初冷器中，煤氣和冷凝液由上往下同向流動，較為合理。由于管壁上沉積的萘可被冷凝液沖洗和溶解下來，同時于冷卻器上部噴灑氨水，自中部噴煤焦油，能更好地沖洗掉沉積的萘，從而有效地提高了傳熱系數。此外，還可以防止冷凝液再度蒸發。

在煤氣初冷器內90％以上的冷卻能力用于水汽的冷凝，從結構上看，橫管式初冷器更有利于蒸汽的冷凝。

橫管初冷器用ф54mm×3mm的鋼管，管徑細且管束小，因而水的流速可達0.5～0.7m/s。又由于冷卻水管在冷卻器斷面上水平密集布設，使與之成錯流的煤氣產生強烈湍動，從而提高了傳熱系數，并能實現均勻的冷卻，煤氣可冷卻到出口溫度只比進口水溫高2℃。橫管初冷器雖然具有上述優點，但水管結垢較難清掃，要求使用水質好的或加有阻垢劑的冷卻水。

橫管初冷器與豎管初冷器兩者相比，橫管初冷器有更多優點，如對煤氣的冷卻、凈化效果好，節省鋼材，造價低，冷卻水用量少，生產穩定，操作方便，結構緊湊，占地面積省。因此，近年來，新建焦化廠廣泛采用橫管初冷器，已很少再用豎管初冷器了。

（2）橫管初冷器的計算　按間冷、直冷相結合的煤氣初冷系統的間接初冷器計算。煤氣處理量及操作條件如圖2-13所示。（假設：噴灑液進出口溫度相同。）

①冷凝的水汽量。由附表1查得，在82℃及55℃時，1m3干煤氣經水汽飽和后所含水汽分別為832.8g及148.1g，因此可求得冷凝的水汽量為：

據此計算，此量占煤氣冷卻到30℃時全部冷凝水量的86％。

②從橫管初冷器內移走的熱量。煤氣放出的顯熱（以0℃為基準）為：

48220×1.424×（82-55）≈1854000（kJ/h）

式中　1.424——焦爐煤氣在相應溫度區間的平均比熱容，kJ/（m3·K）。

水汽放出的熱量為：

式中　2491——水的蒸發潛熱，kJ/kg；

1.834，1.825——水蒸氣在相應溫度時的比熱容，kJ/（kg·K）。

煤焦油氣放出熱量（設有85％焦油氣冷凝下來）計算如下。

進入橫管初冷器的煤焦油氣量（所生成的煤焦油蒸氣在集氣管中已冷凝60％）：

155×（1-0.085）×1000×0.04×（1-0.6）=2269（kg/h）

2269×［（368.4+1.407×82）-（1-0.85）×（368.4+1.369×55）］=946672（kJ/h）

式中　368.4——煤焦油的氣化潛熱，kJ/kg；

155——裝煤量（濕煤），t/h；

1.407，1.369——煤焦油蒸氣在相應溫度時的比熱容，kJ/（kg·K）；

0.085——每t濕煤含水分量，t。

對其余組分及散熱損失均略而不計，因噴灑液進出口溫度不變，則噴灑液帶入帶出熱量相同，但冷凝液卻帶走熱量。冷凝液中煤焦油帶走的熱量忽略不計，冷凝水帶走的熱量，按55℃計：

33016×4.1868×55=7602726（kJ/h）

則放出的總熱量為：

87565846+1854000+946672-7602726=82763592（kJ/h）

③冷卻水用量。設冷卻水用量為qm（kg/h），則：

4.1868×（50-32）qm=82763592

qm=1098.2（m3/h）

每小時1000m3煤氣的冷卻水用量為：

3.直接式冷卻塔

直接式冷卻塔是指煤氣與冷氨水直接接觸換熱的冷卻器。用于煤氣初冷的直接式冷卻塔有木格填料塔、金屬隔板塔和空噴塔等多種形式，其中空噴塔已在大型焦化廠的間接-直接初冷流程中得到使用。如圖2-14所示，空噴塔為鋼板焊制的中空直立塔，在塔的頂段和中段各安設六個噴嘴來噴灑25～28℃的循環氨水，所形成的細小液滴在重力作用下于塔內降落，與上升煤氣密切接觸中，使煤氣得到冷卻。煤氣出口溫度可冷卻到接近于循環氨水入口溫度（溫差2～4℃）；且有洗除部分煤焦油、萘、氨和硫化氫等效果。由于噴灑液中混有煤焦油，所以可將煤氣中萘含量脫除到低于煤氣出口溫度下的飽和萘的濃度。

空噴冷卻塔的冷卻效果，主要取決于噴灑液滴的黏度及在全塔截面上分布的均勻性，為此沿塔周圍安設6～8個噴嘴，為防止噴嘴阻塞，需定時通入蒸汽清掃。

二、澄清分離設備

煤焦油、氨水和煤焦油渣組成的液體混合物是一種懸浮液和乳濁液的混合物，煤焦油和氨水的密度差較大，容易分離。因此所采用的煤焦油氨水澄清分離設備多是根據分離粗懸浮液的沉降原理制作的。主要有臥式機械化焦油氨水澄清槽、立式焦油氨水分離器、雙錐形氨水分離器等。廣泛應用的是臥式機械化焦油氨水澄清槽，較新的發展是將氨水的分離和煤焦油的脫水合為一體的斜板式澄清槽。

1.臥式機械化焦油氨水澄清槽

臥式機械化焦油氨水澄清槽的作用是將煤焦油氨水混合液分離為氨水、煤焦油和煤焦油渣。其結構如圖2-15所示，機械化焦油氨水澄清槽是一端為斜底，斷面為長方形的鋼板焊制容器，由槽內縱向隔板分成平行的兩格，每格底部設有由傳動鏈帶動的刮板輸送機，兩臺刮板輸送機用一套由電動機和減速機組成的傳動裝置帶動。煤焦油、氨水和煤焦油渣由入口管經承受隔室進入澄清槽，使之均勻分布在煤焦油層的上部。澄清后的氨水經溢流槽流出，沉聚于槽下部的煤焦油經液面調節器引出。沉積于槽底的煤焦油渣由移動速度為0.03m/min的刮板刮送至前伸的頭部漏斗內排出。

為阻擋浮在水面的煤焦油渣，在氨水溢流槽附近設有高度為0.5m的木擋板。為了防止懸浮在煤焦油中的煤焦油渣團進入煤焦油引出管內，在氨水澄清槽內設有煤焦油渣擋板及活動篩板。煤焦油、氨水的澄清時間一般為0.5h。

在采用氨水混合流程時，由于混合煤焦油的密度較小，在保持槽內煤焦油溫度為70～80℃和煤焦油層高度為1.5～1.8m的情況下，煤焦油渣沉降分離效果較好。但在采用蒸汽噴射無煙裝煤時，由于浮煤焦油渣量大，煤焦油的分離需分為兩步：第一步為與氨水分離，第二步為煤焦油氨水和細粒固體物質的分離。即采用兩臺煤焦油氨水澄清槽。一臺用作氨水分離，而另一臺用于煤焦油脫渣脫水。

煤焦油渣占全部分離煤焦油的0.2％～0.4％，焦爐裝煤如采用無煙裝煤操作時可達1.5％以上。煤焦油渣中的煤粉、焦粉有70％以上為2mm以下的微粒，所以很黏稠。為防止煤焦油渣在冬天結塊發黏，漏嘴周圍應設有蒸汽保溫。對于地處北方的焦化廠，澄清槽整體最好采取保溫措施，這樣有利于氨水、煤焦油、煤焦油渣的分離。

機械化焦油氨水澄清槽有效容積一般分為210m3、187m3、142m3三種。以187m3為例，列出主要技術特性如下：

有效容積/m3　　　　　　　　　　187　　刮板輸送機速度/（m/h）　　　　　1.74

長/m　　　　　　　　　　　　　16.2　　電動機功率/kW　　　　　　　　　　2.2

寬/m　　　　　　　　　　　　　4.5　　　氨水停留時間/min　　　　　　　　20

高/m　　　　　　　　　　　　　3.7　　　設備質量/t　　　　　　　　　　46.7

機械化焦油氨水澄清槽一般適用于大中型焦化廠的煤焦油氨水分離。

2.立式焦油氨水分離器

如圖2-16所示，立式焦油氨水分離器上部為圓柱形，下部為圓錐形，底部由鋼板制成（有的又稱為錐形底氨水澄清槽）。冷凝液和煤焦油氨水混合液由中間或上部進入，經過一擴散管，利用靜置分離的辦法，將分離的氨水通過器邊槽接管流出。上部接一擋板，以便將輕煤焦油由上部排出。煤焦油渣為混合物中最重部分，沉于器底。立式焦油氨水分離器下部設有蒸汽夾套，器底設閘閥，煤焦油渣間歇地放出至帶蒸汽夾套的管段內，并設有直接蒸汽進口管，通入適量蒸汽通過閘閥將煤焦油渣排出。

立式焦油氨水分離器一般有直徑為3.8m和6m兩種。其中直徑為3.8m的分離器的主要技術特性為：氨水在器內停留時間39min；錐底煤焦油沉積高度1.2m；截面流速0.0007m/s；工作溫度80℃；夾套內蒸汽壓力40kPa。

立式焦油氨水分離器由于容積較小，一般適用于小型焦化廠的煤焦油氨水分離。

三、冷凝液水封槽和接收槽

冷凝液水封槽是化學產品回收車間最為常見的設備之一。為了排除煤氣管道和煤氣設備中由于煤氣冷卻時所形成的冷凝液，同時又不使煤氣漏入大氣或空氣漏入煤氣設備和管道，需要在冷凝液聚積處設置冷凝液排出裝置——水封槽。

水封槽的結構如圖2-17所示。水封槽是由鋼板焊成的直立圓筒形設備，主要設有冷凝液排入管和冷凝液排出管。另外，還設置了蒸汽導入管，供加熱和吹掃用。特別是冬天，由于煤焦油黏度很大，萘容易結晶析出而堵塞水封槽，故必須經常通入蒸汽進行吹掃。圖2-17中H是煤氣管道正壓時的水封高度，其水封高度H應大于煤氣設備內可能產生的最大壓力（表壓）。對于鼓風機前的水封槽（如初冷器水封槽），由于處于負壓狀態，其水封高度不以圖中的H值表示，而是指水封槽冷凝液排出管液面至煤氣設備內冷凝液面之間的距離。由于大氣壓力高于煤氣系統中的壓力，管1中的冷凝液液面就會高出水封槽液面，其高度取決于煤氣吸力。水封高度必須大于可能產生的最大吸力，否則，冷凝液水封槽中的冷凝液就會排空，使空氣吸入煤氣系統而發生事故。

冷凝工段所用接收槽大部分用鋼板焊制而成，均設有放散管、放空管、人孔、滿流口和液面測量計等。煤焦油儲槽底部設置了保溫加熱用蛇管間接加熱器，將煤焦油加熱并保持在80～90℃，使之易于流動而便于排水。

接收槽和儲槽的容積可按下列定額數據確定。

①循環氨水中間槽：相當于循環氨水泵5min的輸送量。

②由管式初冷器來的冷凝液中間槽：儲存時間0.5h。

③由管式初冷器來的冷凝液分離槽：分離時間3h。

④由直接式初冷器來的冷凝液分離槽：分離時間3h。

⑤剩余氨水儲槽：儲存時間18h。

⑥煤焦油儲槽儲存時間：2個晝夜，送出煤焦油含水量小于4％。

各儲槽放散管放出的有害氣體，應匯集一處，集中用水或油洗滌除去并回收有害物質后再排放，以改善冷凝工段操作環境。