煤气冷却降温方式的选择

曹凌云

（江苏中圣园科技股份有限公司，江苏 南京211102）

合格的石灰、焦炭按比例配料后进入电石炉，在高温条件下进行反应生产液态电石，定期排出。收集的电石炉尾气经引气管送入炉气净化系统，经除尘降温后使用（温度降至180℃以下，含尘量降至50 mg/m3以内）。

采用密闭式电石炉生产电石，每生产1 t电石副产炉气～400 m3，炉气的主要成分为CO和H2（具体成分见表1），热值（2 400～2 600）×4.18 kJ/m3，具有很高的使用价值，大多作为锅炉、气烧石灰窑、碳材烘干的燃料气使用。

表1 电石炉气的成分

电石炉运行时，原料杂质含量高等因素会导致电石炉气流出不畅，间隔一段时间便会出现塌料的情况，此时电石炉气的压力便会出现较大的波动，给下游的炉气使用工段造成较大的影响。因此，需要配套一个煤气柜对收集的电石炉气进行储存、稳压。干式橡胶膜煤气柜要求储存的电石炉气温度<70℃，而炉气净化系统出口的电石炉气温度～180℃，需要通过煤气预处理系统降温后才能送至煤气柜。

从电石生产企业运行的情况了解，煤气预处理系统的方式有直接水冷、间接水冷和间接空冷。

1 直接水冷

直接水冷的方式，煤气从洗涤塔底部进入，洗涤水从上部喷淋而下。喷出雾化后的细小液滴，与煤气充分接触迅速汽化，利用汽化潜热原理，使进入塔体内部的煤气快速降温。喷嘴喷出的液滴充满塔体内部，与煤气充分接触，降温并进一步除尘。洗涤塔排出的污水通过污水处理系统净化后，再供给洗涤塔循环使用。

1.1 该技术具有的优点

（1）洗涤煤气使之快速降温，同时煤气中的焦油、粉尘等充分析出，进一步降低了煤气中的杂质，有利于延长气柜橡胶膜的使用寿命。

（2）煤气洗涤塔设备小、清理周期长（6～12个月）、清理方便（煤气洗涤塔为空塔结构，清洗部件为喷枪及旋流叶片）。

（3）由于水与煤气直接接触冷却，煤气冷却效果不受设备运行时间的影响，因此对炉气净化系统要求低。

1.2 该技术存在的缺点

（1）洗涤煤气产生的污水中含有氰化物、焦油及固体物等，必须经过处理，以防污染环境。污水处理工艺复杂，占地面积大，投资费用大，运行费用高。

（2）同时，煤气中的饱和水含量大，沿途输送的管道内及气柜内冷凝析出的水量大，污水管网复杂，对设备、管道、阀门等的耐腐蚀性要求高。

2 间接水冷

间接水冷的方式，煤气与冷却水不直接接触，由换热管束隔开，煤气在换热管束内/外流通，冷却水在换热管束外/内流通，通过壁面的导热和流体在壁表面对流，煤气与冷却水之间进行换热。换热后的热水通过冷却塔降温后，再供给煤气冷却器使用。

2.1 该技术具有的优点

（1）间接水冷的冷却循环水系统与直接水冷的污水处理系统相比，冷却循环水系统具有工艺简单，占地面积小，投资费用小，运行费用低的优点。

（2）与间接空冷相比，间接水冷采用循环水作为冷却介质，由于水的导热系数远大于气体的导热系数，因此设备体积小。另外，采用水作为冷却介质，受环境影响小。

2.2 该技术存在的缺点

（1）仅能够降低电石炉尾气的温度，不能净化煤气。气柜橡胶膜采用织布层和橡胶层的结构，电石炉尾气中的苯、萘、蒽、二氧化硫、硫化氢、氨及不饱和烃类等腐蚀性成分在气柜中冷凝后以液态煤焦油的形式存在[1]，使橡胶溶胀或溶解，使橡胶膜失去承载能力而破坏。

（2）换热管束内/外，煤气析出的焦油裹扎着粉尘在管束内沉积、积聚，黏度大、清洗难度大、清理周期短（约3个月）。换热管束外/内，自来水中的Ca、Mg等二价金属盐随着温度的升高很容易形成难溶性结晶，从水中析出，附着在管束传热面上成为水垢。另外由于管束排布密集，且管束外从高到低设有管板，因此管束外部附着的污物较难清理。

（3）同时，由于管束内/外污物的积聚，冷却效果随设备运行时间长而逐渐降低，因此对炉气净化系统及水质要求高。

2.3 冷却器形式

间接水冷的冷却器有两种结构形式：第一种为煤气在管程内流通，冷却循环水在壳程内流通；第二种为煤气在壳程内流通，冷却循环水在管程内流通。

在选择管、壳程介质时，应按介质性质、温度、压力、允许压力降、结垢以及提高传热系数等条件综合考虑：①有腐蚀、有毒性、温度或压力很高的介质以及易结垢的介质应走管程，积垢在管内容易清理；②从提高总传热系数和降低阻力考虑，把黏度高或流量小的介质选在壳程；③从介质的导热系数考虑，两种介质的导热系数相差很大时，将导热系数小的走壳程，以便采用管外强化传热设施，如翅片等。

经计算，冷却循环水需求量约70 t/h，远低于被冷却的11 667 m3/h煤气量。同时，20℃温度下，煤气的导热系数约为0.026 7 W/（m·K），水的导热系数为0.599 W/（m·K），水的导热能力约是煤气的22倍。另外，当换热管束破损时，由于管内冷却循环水的压力（0.2 MPa）远高于煤气压力（5 kPa），煤气不会泄漏至冷却循环水中。因此，采用第二种冷却器形式更合理。

2.4 冷却器清理

随着管程内水温的升高，碳酸钙、硫酸钙等难溶或微溶盐的溶解度下降。当水温高于50℃时，难溶或微溶盐从水中析出形成水垢。同时，水中溶解的硫化氢气体、二氧化碳气体以及铁细菌等借助表面水垢的掩护，腐蚀管道的基体，形成新的深层水垢[2]。从而降低了冷却器的换热效率。针对此情况，可通过前期预防以及后期除垢维护来解决。

前期预防结垢的措施有：控制水温、加快流速、软化水质及添加化学药剂等。在制取软水的过程中一般会产生20%的废水，不可直接排放。添加化学药剂增加了运行费用。因此，采用控制水温低于50℃、加快流速是防止结垢最可行的措施。

换热管束有光管型及翅片型。总热负荷一定时，由于光管型管束传热系数小，其设备体积较翅片型大，设备制造成本较翅片型高。煤气中含有粉尘及焦油，光管型更易清理。

煤气侧的清理除与换热管束的形式有关外，还与煤气中的粉尘及焦油含量有关，粉尘及焦油的含量越大，换热效率下降越快，清理周期越短。因此，电石炉气净化系统影响该冷却器的运行情况，需要定期对炉气净化系统进行维护，如更换布袋等。

煤气中的杂质析附在壳程内（即管外），由于焦油的黏度大，激波吹灰器及声波吹灰器等在线吹灰设备不能够满足使用。采用煤气冷却器一用一备的配置，停机后人工水冲洗或化学药剂清理。

3 间接空冷

间接空冷的原理与间接水冷的原理相同，为不直接接触式换热，不同的是参与换热的介质由冷却循环水换为空气，换热后的空气直接排入大气。

3.1 该技术具有的优点

（1）与直接水冷、间接水冷相比，间接空冷的工艺简单、维护工作量低。

（2）与间接水冷相比，间接空冷管束内/外虽有煤气污物的沉积和积聚，但管束外/内为空气，没有结垢的问题。

（3）间接空冷的冷媒介质为空气，冷却后的热空气可直接排入大气中，不会对环境造成污染。因此，与直接水冷、间接水冷相比，冷媒介质不需要处理。

3.2 该技术存在的缺点

（1）仅能够降低电石炉尾气的温度，不能净化煤气。气柜橡胶膜采用织布层和橡胶层的结构，电石炉尾气中的苯、萘、蒽、二氧化硫、硫化氢、氨及不饱和烃类等腐蚀性成分在气柜中冷凝后以液态煤焦油的形式存在[1]，使橡胶溶胀或溶解，使橡胶膜失去承载能力而破坏。

（2）煤气进口温度的波动范围大，环境（-12.4～41.5℃）的波动范围也大，设备体积最大，煤气冷却的效果受环境影响大，冷却效果较直接水冷、间接水冷差。

（3）同时，由于管束内/外污物的积聚、管束外/内空气中粉尘的堆积，冷却效果随设备运行时间长而逐渐降低。因此清理周期短（约3个月），对炉气净化系统要求高。

（4）换热管束破损时，煤气会泄漏至空气中，存在安全隐患。

3.3 冷却器形式

间接空冷的冷却器有两种结构形式：第一种为煤气在管程内流通，空气在壳程内流通；第二种为煤气在壳程内流通，空气在管程内流通。根据上文2.3关于“选择管、壳程介质”的介绍，结合煤气和空气的性质（煤气比空气脏）、流量（煤气流量小于空气流量）等情况，采用第一种冷却器形式更合理。

3.4 冷却器清理

煤气侧的清理与煤气中的粉尘及焦油含量有关，粉尘及焦油的含量越大，换热效率下降越快，清理周期越短。因此，电石炉气净化系统影响该冷却器的运行情况，需要定期对炉气净化系统进行维护，如更换布袋等。

煤气中的杂质析附在管程内，由于焦油的黏度大，激波吹灰器及声波吹灰器等在线吹灰设备不能够满足使用。采用煤气冷却器一用一备的配置，停机后人工水冲洗或化学药剂清理。

空气中的粉尘析附在壳程内（即管外），停机后打开壳体上的检修人孔，通入压缩气体或水进行清理。

4 各种冷却方式的经济性比较

煤气预处理系统从一次投资及运行维护费用考虑，各种冷却方式对比见表2。

表2 各种冷却方式经济性比较

5 冷却方式选用的建议

综上所述，各种冷却方式均存在着优点与缺点，汇总见表3。

表3 各种冷却方式优缺点比较

直接水冷的冷却方式产生的污染物多，污水的处理是制约该种冷却方式的关键。但此种冷却方式对炉气净化系统要求低，从此方面考虑为最优的冷却方式。如若工厂内或附近无配套的工业污水处理厂，此种冷却方式不经济。

间接水冷的冷却方式受炉气净化系统影响大，因此对炉气净化系统要求高。该种冷却方式降温效果受环境影响小，从此方面考虑为最优的冷却方式。若从产生污染物的方面考虑，为较优的冷却方式。

间接空冷的冷却方式受炉气净化系统影响大，因此对炉气净化系统要求高。该种冷却方式降温效果受环境影响大，从此方面考虑为较优的冷却方式。但此种冷却方式无污染物排放，从此方面考虑为最优的冷却方式。

因此，在选用冷却方式时，需要充分了解工厂所在地的污水处理情况、气候情况及水电能源情况等，经综合分析，平衡利弊，选择最佳的冷却方式。