第四节　煤气冷却和冷凝的主要设备

一、煤气冷却设备

1.立管式间接初冷器

（1）构造及性能　如图2-11所示，立管式间接初冷器的横断面呈长椭圆形，直立的钢管束装在上下两块管栅板之间，被五块纵挡板分成六个管组，因而煤气通路也分成六个流道。煤气走管间，冷却水走管内，两者逆向流动。冷却水从初冷器煤气出口端底部进入，依次通过各组管束后排出器外。由图可见，六个煤气流道的横断面积是不一样的，这是因为煤气流过初冷器时温度逐步降低，并冷凝出液体，煤气的体积流量逐渐减小。为使煤气在各个流道中的流速大体保持稳定，可沿煤气流向各流道的横断面积依次递减，而冷却水沿其流向各管束的横断面积则相应地递增。所用钢管规格为ф76mm×3mm。

立管式冷却器一般均为多台并联操作，煤气流速为3～4m/s，煤气通过阻力为0.5～1kPa。

当接近饱和的煤气进入初冷器后，即有水汽和煤焦油气在管壁上冷凝下来，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动，并因不断有新的冷凝液加入，液膜逐渐加厚，从而降低了传热系数。此外，随着煤气的冷却，冷凝的萘将以固态薄片晶体析出。

在初冷器前几个流道中，因冷凝煤焦油量多，温度也较高，萘多溶于煤焦油中；在其后通路中，因冷凝煤焦油量少，温度低，萘晶体将沉积在管壁上，使传热系数降低，煤气流通阻力亦增大。在煤气上升通路上，冷凝物还会因接触热煤气而又部分蒸发，因而增加了煤气中萘的含量。上述问题都是立管式初冷器的缺点。为克服这些缺点，可在初冷器后几个煤气流道内，用含萘较低的混合煤焦油进行喷洒，可解决萘的沉积堵塞问题，还能降低出口煤气中的萘含量，使之低于集合温度下萘在煤气中的饱和浓度。

（2）冷却水量的计算　煤气初冷所需的冷却水量可通过热平衡计算求得。由图2-11可知，进出初冷器的物料有煤气、冷却水、冷凝液。煤气在初冷器中放出的总热量应由冷却水、冷凝液和初冷器散热损失带走。由于净煤气冷却及水汽冷凝所放出的热量约占总放出热量的98％以上，所以在实际计算中可近似地用初冷器的入口和出口温度下饱和煤气焓差来计算煤气放出的总热量，再据此求得冷却水量。

设：干焦炉煤气量为48220m3/h，进入初冷器的饱和煤气温度为82℃，离开初冷器的饱和煤气温度为30℃。从附表1查得在82℃和30℃时饱和煤气总热焓分别为2327.94kJ/m3及134.98kJ/m3，则得煤气在初冷器中放出的总热量为：

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

设冷却器表面散热损失为煤气总放出热量的2％，则散热损失的热量为：

1.0574×108×2％=2.115×106（kJ/h）

煤气在初冷器中冷却产生的冷凝液以冷凝水计，其他组分量少，忽略不计，则冷凝水量为：

式中　832.8、35.2——每m3煤气在82℃、30℃时经水蒸气饱和后的水汽含量，g（由附表1查得）。

　　 冷凝水带走的热量为： 　　

式中　cp——水的比热容，取4.1868，kJ/（kg·K）；

——冷凝水（液）的平均温度，采用冷凝水的加权平均（或混合）温度，℃。

竖管初冷器内的冷凝液是在不同温度下从煤气中冷凝出来的，而且是从不同位置引出的，冷凝水（液）的平均温度应按下式计算。

严格计算，冷凝水（液）的平均温度按

近似计算，即加权平均（或混合）温度按

式中，Δ（qmt）i为将温度自82～30℃分成n段，Δ（qmt）i为第i段冷凝水（液）量与第i段冷凝水（液）平均温度的乘积；当n→∞时，即为严格值。取的n越小，计算越容易，但的准确性越差，是指：冷凝液总量qm一定，第i段的（qmt）i值越大，在平均中占的比例越大，分配的权力越大；（qmt）i值越小，在平均中占的比例越小，分配的权力越小，故称为加权平均温度。所谓混合温度，是把不同温度的冷凝液混合在一起，计量混合后的温度。

例如，将82～30℃，每隔4℃为一段，共分13段，分别计算每段的，，，再计算，∑（qmt）i（计算过程数据略，所需数据由附表1查得）有：

冷却水进出口温度分别为25℃及45℃，则所需冷却水量为：

每冷却1000m3煤气所需冷却水量为：

当用32℃的直流水时，可取为1000m3煤气40m3水。为减轻水垢的生成，出口水温一般不得高于45℃。

（3）传热特点及传热系数　煤气在初冷器内的冷却是包含对流给热和热传导的综合传热过程，在煤气冷却的同时还进行着：水汽的冷凝、煤焦油气的冷凝、冷凝液的冷却。故比一般传热过程复杂。因此，这一过程不仅是在变化的温度下，且是在变化的传热系数下进行的。

据传热计算，可求得立管式初冷器煤气入口处的传热系数K值可达840kJ/（m2·h·℃），而在出口处仅为210kJ/（m2·h·℃）。在初冷器第一段流道中，由于K值大，煤气与水之间的温度差也大，虽然其传热面积仅占总传热面积的21％强，但所移走的热量要占煤气冷却放出总热量的50％以上。第一段通路是冷却器中对煤气冷却过程起决定性作用的部分，在计算一段初冷工艺的冷却面积时，可取平均K值为500～520kJ/（m2·h·℃）。

2.横管式间接初冷器

（1）构造及性能　如图2-12所示，横管初冷器具有直立长方体形的外壳，冷却水管与水平面呈3°角横向配置。管板外侧管箱与冷却水管连通，构成冷却水通道，可分两段或三段供水。两段供水是供低温水和循环水，三段供水则供低温水、循环水和采暖水。煤气自上而下通过初冷器。冷却水由每段下部进入，低温水供入最下段，以提高传热温差，降低煤气出口温度；在冷却器壳程各段上部，设置喷洒装置，连续喷洒含煤焦油的氨水，以清洗管外壁沉积的煤焦油和萘，同时还可以从煤气中吸收一部分萘。

在横管初冷器中，煤气和冷凝液由上往下同向流动，较为合理。由于管壁上沉积的萘可被冷凝液冲洗和溶解下来，同时于冷却器上部喷洒氨水，自中部喷煤焦油，能更好地冲洗掉沉积的萘，从而有效地提高了传热系数。此外，还可以防止冷凝液再度蒸发。

在煤气初冷器内90％以上的冷却能力用于水汽的冷凝，从结构上看，横管式初冷器更有利于蒸汽的冷凝。

横管初冷器用ф54mm×3mm的钢管，管径细且管束小，因而水的流速可达0.5～0.7m/s。又由于冷却水管在冷却器断面上水平密集布设，使与之成错流的煤气产生强烈湍动，从而提高了传热系数，并能实现均匀的冷却，煤气可冷却到出口温度只比进口水温高2℃。横管初冷器虽然具有上述优点，但水管结垢较难清扫，要求使用水质好的或加有阻垢剂的冷却水。

横管初冷器与竖管初冷器两者相比，横管初冷器有更多优点，如对煤气的冷却、净化效果好，节省钢材，造价低，冷却水用量少，生产稳定，操作方便，结构紧凑，占地面积省。因此，近年来，新建焦化厂广泛采用横管初冷器，已很少再用竖管初冷器了。

（2）横管初冷器的计算　按间冷、直冷相结合的煤气初冷系统的间接初冷器计算。煤气处理量及操作条件如图2-13所示。（假设：喷洒液进出口温度相同。）

①冷凝的水汽量。由附表1查得，在82℃及55℃时，1m3干煤气经水汽饱和后所含水汽分别为832.8g及148.1g，因此可求得冷凝的水汽量为：

据此计算，此量占煤气冷却到30℃时全部冷凝水量的86％。

②从横管初冷器内移走的热量。煤气放出的显热（以0℃为基准）为：

48220×1.424×（82-55）≈1854000（kJ/h）

式中　1.424——焦炉煤气在相应温度区间的平均比热容，kJ/（m3·K）。

水汽放出的热量为：

式中　2491——水的蒸发潜热，kJ/kg；

1.834，1.825——水蒸气在相应温度时的比热容，kJ/（kg·K）。

煤焦油气放出热量（设有85％焦油气冷凝下来）计算如下。

进入横管初冷器的煤焦油气量（所生成的煤焦油蒸气在集气管中已冷凝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——煤焦油的气化潜热，kJ/kg；

155——装煤量（湿煤），t/h；

1.407，1.369——煤焦油蒸气在相应温度时的比热容，kJ/（kg·K）；

0.085——每t湿煤含水分量，t。

对其余组分及散热损失均略而不计，因喷洒液进出口温度不变，则喷洒液带入带出热量相同，但冷凝液却带走热量。冷凝液中煤焦油带走的热量忽略不计，冷凝水带走的热量，按55℃计：

33016×4.1868×55=7602726（kJ/h）

则放出的总热量为：

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

③冷却水用量。设冷却水用量为qm（kg/h），则：

4.1868×（50-32）qm=82763592

qm=1098.2（m3/h）

每小时1000m3煤气的冷却水用量为：

3.直接式冷却塔

直接式冷却塔是指煤气与冷氨水直接接触换热的冷却器。用于煤气初冷的直接式冷却塔有木格填料塔、金属隔板塔和空喷塔等多种形式，其中空喷塔已在大型焦化厂的间接-直接初冷流程中得到使用。如图2-14所示，空喷塔为钢板焊制的中空直立塔，在塔的顶段和中段各安设六个喷嘴来喷洒25～28℃的循环氨水，所形成的细小液滴在重力作用下于塔内降落，与上升煤气密切接触中，使煤气得到冷却。煤气出口温度可冷却到接近于循环氨水入口温度（温差2～4℃）；且有洗除部分煤焦油、萘、氨和硫化氢等效果。由于喷洒液中混有煤焦油，所以可将煤气中萘含量脱除到低于煤气出口温度下的饱和萘的浓度。

空喷冷却塔的冷却效果，主要取决于喷洒液滴的黏度及在全塔截面上分布的均匀性，为此沿塔周围安设6～8个喷嘴，为防止喷嘴阻塞，需定时通入蒸汽清扫。

二、澄清分离设备

煤焦油、氨水和煤焦油渣组成的液体混合物是一种悬浮液和乳浊液的混合物，煤焦油和氨水的密度差较大，容易分离。因此所采用的煤焦油氨水澄清分离设备多是根据分离粗悬浮液的沉降原理制作的。主要有卧式机械化焦油氨水澄清槽、立式焦油氨水分离器、双锥形氨水分离器等。广泛应用的是卧式机械化焦油氨水澄清槽，较新的发展是将氨水的分离和煤焦油的脱水合为一体的斜板式澄清槽。

1.卧式机械化焦油氨水澄清槽

卧式机械化焦油氨水澄清槽的作用是将煤焦油氨水混合液分离为氨水、煤焦油和煤焦油渣。其结构如图2-15所示，机械化焦油氨水澄清槽是一端为斜底，断面为长方形的钢板焊制容器，由槽内纵向隔板分成平行的两格，每格底部设有由传动链带动的刮板输送机，两台刮板输送机用一套由电动机和减速机组成的传动装置带动。煤焦油、氨水和煤焦油渣由入口管经承受隔室进入澄清槽，使之均匀分布在煤焦油层的上部。澄清后的氨水经溢流槽流出，沉聚于槽下部的煤焦油经液面调节器引出。沉积于槽底的煤焦油渣由移动速度为0.03m/min的刮板刮送至前伸的头部漏斗内排出。

为阻挡浮在水面的煤焦油渣，在氨水溢流槽附近设有高度为0.5m的木挡板。为了防止悬浮在煤焦油中的煤焦油渣团进入煤焦油引出管内，在氨水澄清槽内设有煤焦油渣挡板及活动筛板。煤焦油、氨水的澄清时间一般为0.5h。

在采用氨水混合流程时，由于混合煤焦油的密度较小，在保持槽内煤焦油温度为70～80℃和煤焦油层高度为1.5～1.8m的情况下，煤焦油渣沉降分离效果较好。但在采用蒸汽喷射无烟装煤时，由于浮煤焦油渣量大，煤焦油的分离需分为两步：第一步为与氨水分离，第二步为煤焦油氨水和细粒固体物质的分离。即采用两台煤焦油氨水澄清槽。一台用作氨水分离，而另一台用于煤焦油脱渣脱水。

煤焦油渣占全部分离煤焦油的0.2％～0.4％，焦炉装煤如采用无烟装煤操作时可达1.5％以上。煤焦油渣中的煤粉、焦粉有70％以上为2mm以下的微粒，所以很黏稠。为防止煤焦油渣在冬天结块发黏，漏嘴周围应设有蒸汽保温。对于地处北方的焦化厂，澄清槽整体最好采取保温措施，这样有利于氨水、煤焦油、煤焦油渣的分离。

机械化焦油氨水澄清槽有效容积一般分为210m3、187m3、142m3三种。以187m3为例，列出主要技术特性如下：

有效容积/m3　　　　　　　　　　187　　刮板输送机速度/（m/h）　　　　　1.74

长/m　　　　　　　　　　　　　16.2　　电动机功率/kW　　　　　　　　　　2.2

宽/m　　　　　　　　　　　　　4.5　　　氨水停留时间/min　　　　　　　　20

高/m　　　　　　　　　　　　　3.7　　　设备质量/t　　　　　　　　　　46.7

机械化焦油氨水澄清槽一般适用于大中型焦化厂的煤焦油氨水分离。

2.立式焦油氨水分离器

如图2-16所示，立式焦油氨水分离器上部为圆柱形，下部为圆锥形，底部由钢板制成（有的又称为锥形底氨水澄清槽）。冷凝液和煤焦油氨水混合液由中间或上部进入，经过一扩散管，利用静置分离的办法，将分离的氨水通过器边槽接管流出。上部接一挡板，以便将轻煤焦油由上部排出。煤焦油渣为混合物中最重部分，沉于器底。立式焦油氨水分离器下部设有蒸汽夹套，器底设闸阀，煤焦油渣间歇地放出至带蒸汽夹套的管段内，并设有直接蒸汽进口管，通入适量蒸汽通过闸阀将煤焦油渣排出。

立式焦油氨水分离器一般有直径为3.8m和6m两种。其中直径为3.8m的分离器的主要技术特性为：氨水在器内停留时间39min；锥底煤焦油沉积高度1.2m；截面流速0.0007m/s；工作温度80℃；夹套内蒸汽压力40kPa。

立式焦油氨水分离器由于容积较小，一般适用于小型焦化厂的煤焦油氨水分离。

三、冷凝液水封槽和接收槽

冷凝液水封槽是化学产品回收车间最为常见的设备之一。为了排除煤气管道和煤气设备中由于煤气冷却时所形成的冷凝液，同时又不使煤气漏入大气或空气漏入煤气设备和管道，需要在冷凝液聚积处设置冷凝液排出装置——水封槽。

水封槽的结构如图2-17所示。水封槽是由钢板焊成的直立圆筒形设备，主要设有冷凝液排入管和冷凝液排出管。另外，还设置了蒸汽导入管，供加热和吹扫用。特别是冬天，由于煤焦油黏度很大，萘容易结晶析出而堵塞水封槽，故必须经常通入蒸汽进行吹扫。图2-17中H是煤气管道正压时的水封高度，其水封高度H应大于煤气设备内可能产生的最大压力（表压）。对于鼓风机前的水封槽（如初冷器水封槽），由于处于负压状态，其水封高度不以图中的H值表示，而是指水封槽冷凝液排出管液面至煤气设备内冷凝液面之间的距离。由于大气压力高于煤气系统中的压力，管1中的冷凝液液面就会高出水封槽液面，其高度取决于煤气吸力。水封高度必须大于可能产生的最大吸力，否则，冷凝液水封槽中的冷凝液就会排空，使空气吸入煤气系统而发生事故。

冷凝工段所用接收槽大部分用钢板焊制而成，均设有放散管、放空管、人孔、满流口和液面测量计等。煤焦油储槽底部设置了保温加热用蛇管间接加热器，将煤焦油加热并保持在80～90℃，使之易于流动而便于排水。

接收槽和储槽的容积可按下列定额数据确定。

①循环氨水中间槽：相当于循环氨水泵5min的输送量。

②由管式初冷器来的冷凝液中间槽：储存时间0.5h。

③由管式初冷器来的冷凝液分离槽：分离时间3h。

④由直接式初冷器来的冷凝液分离槽：分离时间3h。

⑤剩余氨水储槽：储存时间18h。

⑥煤焦油储槽储存时间：2个昼夜，送出煤焦油含水量小于4％。

各储槽放散管放出的有害气体，应汇集一处，集中用水或油洗涤除去并回收有害物质后再排放，以改善冷凝工段操作环境。