空冷器在煤制乙二醇装置内的应用

陈学聪，李成科，苏子义，赵胜利

（陕煤集团榆林化学有限责任公司，陕西 榆林 719000）

0 引言

随着国家对环境保护的严格要求和工业的快速发展，对水资源的需求日益增加，水价格也逐渐开始上涨，煤化工企业作为用水量较大的用户，开始出现缺水的现象，这样就限制了企业的发展，为了解决这一难题，20世纪30年代学者开始研究新的冷却介质来替代水。由于空气具有廉价、环保、换热性能好等突出优点，被研究人员开始作为冷却介质进行全方面的开发，自此空冷技术在煤化工领域得到了广泛的应用[1]。

使用空气作为冷却介质也有一定的缺点[2]。第一，空气的热焓太低，空气的比热与水相比较，只有水的四分之一，因此分别用水和空气冷却相同的负荷时，空气用量是水用量的四倍，空气用量较大。第二，空气的密度和换热系数与水相比较，其值远远小于水，为了使空冷器有较好的换热效果，在制造空冷器冷却设备时，需要较大的换热面积来进行换热，因此空冷器的体积要远远大于水冷器设备，不方便组装，占地面积大。第三，受环境因素影响较大。在西北地区空气温度随着季节、昼夜变化较大，导致被冷却介质的出口温度难以实现稳定的控制。为了解决这些问题，提高冷却性能，扩大空冷器的使用范围，技术人员对空冷器进行了全面的改进，如化工物料在生产过程中一般都处于高温状态，为了能够将高温物料得到充分的冷凝，研究学者开发了湿式空冷器；由于空冷器需要较大的换热面积，因此空冷器占地面积也就相应的变大，为了解决空冷设备占地面积大的问题，开发了干-湿联合空冷器；为了解决空气传热效率差的问题，发明了蒸发式空冷器和板式空冷器；为了适应低气温与高粘、易凝流体的冷却，设计出了内、外热风再循环，自调百叶窗，加热蒸汽盘管，电加热，内翅片管等；为了解决由于环境因素导致的出口温度控制差的问题，发明了变频风机和自调倾角风机；为了提高管束的耐腐蚀性能，研究人员开发了几十种不同类型的翅片管；为了降低空冷器在运行过程中产生的噪声大的问题，发明了众多风机叶型和传动形式。通过技术人员对空冷器进行全面的改进，空冷器的结构型式日趋多样和完善。

1 空冷器组成和工作原理

空冷器系统一般由空冷器凝汽器系统、排气管道系统、凝结水系统、抽真空系统、清洗系统、电气系统、仪表和控制系统、减温减压装置、隔离阀等组成[3]。

空冷器本质上是一种间壁式换热器，装置结构较为简单，具有操作压力低、节能环保等优点。空冷器的工作原理是利用环境中的低温空气与化工生产过程中的高温介质或者蒸汽进行强制换热，从而使高温介质或蒸汽得到冷却达到回收的目的[4]。其传热过程可用（1）式来表述：

其中：Q—热流量，W；

K—传热系数，W/m2·K；

A—传热面积，m2；

ΔT—两种介质间的温差，K；

以空冷器在汽轮机机组中的应用为例来说明空冷器的工作原理。首先由于汽轮机要在真空状态下进行工作，因此空冷器在汽轮机机组中有很重要的作用，它的起作用主要有两个，一是建立并且维持汽轮机内部的真空状态，使进入汽轮机的蒸汽尽可能地做功，防止热能的浪费；二是使在汽轮机机组做完功的蒸汽乏气冷凝成水送到冷凝液管网回收利用。具体工作流程如下，蒸汽乏气通过与汽轮机排汽出口连接的排汽管道进入到空冷器的蒸汽分配管线，经过合理的分配后进入空冷器设备的顺流管束，该管束与由风机送来的冷空气进行换热，最终将管束内的气相物料冷凝下来进入冷凝液箱，未冷凝下来的气相物料再次进入到逆流管束中再行二次冷凝，冷凝下来的液相物料进入冷凝箱中。二次冷凝后余下的不凝汽被射汽抽气器抽出后排到界外来维持真空。为了应对不同的环境温度，轴流风机可以调节变频器来改变风机转速，从而通过控制冷空气的流量来控制换热量。

2 空冷器种类及特性

根据不同的生产工况，空冷器的选用类型也有所不同。空冷器可以根据冷却方式、管束布置形式和通风形式的不同分为三类。其中按照冷却形式可以分为干式空冷器、湿式空冷器和干-湿联合空冷器；按照管束布置形式可以分为圆顶式空冷器、立式空冷器、水平式空冷器和斜顶式空冷器；按照通风形式可以分为强制通风空冷器、自然通风空冷器和诱导通风空冷器[5]。空冷器的主要特性主要有以下几个方面[6]：

（1）能源消耗方面：与水冷器相比较而言，水冷器冷却物料需要消耗大量的循环水，因此水资源浪费比较严重。而空冷器主要是利用外界的空气和高温物料进行换热，在换热过程中没有水的消耗，因此空冷器具有较强的节水性能。

（2）占地面积方面：由于空冷器的冷却效果与其高度成正比关系，因此在空冷器安装过程中都会使用钢结构将其抬高到一定的高度，这样的布局就会节约大量的占地面积。

（3）环境保护方面：与水冷器相比较，空冷器的结构密封性比较好，泄漏机率较小，因此污染源可以在源头上得到有效的控制，具有相当高的环保性。

（4）水冷器一般采用碳钢材质，而且是使用循环水进行冷却，因此水冷器的腐蚀速度较快，而空冷器是采用空气进行冷却，相比于水而言，腐蚀速度较慢，使用年限较长。

3 空冷器在煤制乙二醇装置中的应用

陕煤集团榆林化学煤制乙二醇项目位于榆林市榆神工业区清水工业园区内，该园区建立在毛乌素沙漠上，获取水资源比较困难。除此外，清水工业园区内还有许多大型的化工企业，这些大型化工企业的正常运行也需要大量的水资源，因此水资源比较紧缺。为了解决这些用水问题，合理利用水资源，陕煤集团榆林化学煤制乙二醇项目在工艺设计上增加了空冷器设备。

陕煤集团榆林化学煤制乙二醇项目包含的工段分别有DMO公用系统（41工段）、草酸二甲酯的合成（42工段）、CO气体循环压缩（43工段）、草酸二甲酯精馏（44工段）、碳酸二甲酯回收（47工段）、乙二醇合成（51工段）、H2气体循环压缩（52工段）、乙二醇精馏（53工段）、树脂脱醛（54工段）、液相加氢工段（56工段）和乙醇分离（57工段），其中涉及到空冷器的工段主要有草酸二甲酯合成（42工段）、CO气体循环压缩（43工段）、草酸二甲酯精馏（44工段）、H2气体循环压缩（52工段）、乙二醇精馏（53工段）和乙二醇冰机（57工段）。

在42工段中共有18台反应器，但由于反应器反应温度（106℃）较低，因此汽包副产的蒸汽压力等级比较低（30～50Kpa）且副产蒸汽量较大，无法并入到蒸汽管网中重复利用，若直接进行放空，则会导致水资源的大量浪费，为了回收利用这部分蒸汽，在汽包出口处设计了汽包空冷器（平顶式）对其进行冷凝，将其冷凝液进行回收利用。从表1可以看出进入汽包空冷器的水蒸气温度为106℃，空冷器的出口温度为80℃，这可以证明汽包空冷器可以将水蒸气冷凝为液态水。具体汽包空冷器工艺数据见表1。

表1 汽包空冷器工艺数据

由于生产负荷较大，在乙二醇生产过程中所有的压缩机需要用汽轮机来驱动。在43、52和57工段中共有13汽轮机需要蒸汽来驱动，蒸汽消耗量较大，但是蒸汽不能全部被用来做功，经过汽轮机能量转化后的乏气进入空冷器（斜顶式）被冷凝下来汇聚到凝液管网回收利用。

在53工段中，主要有甲醇回收塔、脱水塔、脱醇塔、乙二醇产品塔和乙二醇回收塔。由于生产负荷比较大，需要配备多个冷凝器来对气相物料进行冷凝，为了能够达到较好的冷却效果，分别在脱醇塔和乙二醇产品塔气相出口处安装了废锅设备，其原理是在废锅壳程中加入一定量的水，然后通过与高温气相物料进行换热，将水汽化产生蒸汽进行再利用，但是由于副产蒸汽量较大，不能够全部利用，因此为了回收部分蒸汽，在53工段中配备了空冷器（平顶式），其作用就是将不能利用的蒸汽全部冷凝为液态水进行回收，从而达到节水的目的。

在44工段中，常压甲醇脱水塔塔顶气相甲醇直接进入常压塔空冷器（平顶式）中，与空冷器外界的空气直接进行换热，从而使气相甲醇冷凝下来。从表2可以看出进入空冷器的物料流量较大，使用空冷器来冷却是最佳的选择。此外，甲醇的沸点为64.7℃，从表中可以看出进入空冷器的甲醇温度是65℃，出空冷器的甲醇温度是62℃，说明在空冷器中可以将大部分气相甲醇冷凝下来。经过空冷器后还有少量的气相甲醇，此时再通过小型的水冷器进行完全冷却。若此过程直接使用水冷设备则需要大量的循环水进行冷却，这样会造成水资源的浪费。

表2 常压塔空冷器工艺数据

4 结语

在水资源匮乏的西北地区，由于全年平均温度低，气候干燥，选用具有巨大节水潜力的空冷系统来代替传统的水冷系统是最佳的选择。本文阐述了陕煤集团榆林化学煤制乙二醇项目中一些工段增设空冷器的情况，通过空冷器可以回收利用大量的水资源。此外，通过空冷器来直接冷凝物料，可以节省布置水冷设备的投资并且节约大量的循环水，对企业的经济效益有着一定的积极作用。