李少松

摘 要：國(guó)內(nèi)多家大型焦化廠使用真空碳酸鉀脫硫技術(shù)加WSA制酸工藝，脫除和處理焦?fàn)t煤氣中的硫化氫氣體（焦化廠稱之為酸氣）。由于脫硫富液在加熱解析過程中，有大量輕質(zhì)焦油、萘、水分和煤粉混合在硫化氫氣體中。這些物質(zhì)經(jīng)常堵塞酸氣輸送管道、制酸焚燒爐噴嘴甚至是制酸催化劑。管道及設(shè)備清理頻率高，而且清理出的結(jié)垢物質(zhì)屬于危廢，存放、運(yùn)輸要求很嚴(yán)格。需要一種自帶清潔功能的凈化設(shè)備，進(jìn)一步凈化硫化氫氣體，減少酸氣管道及制酸設(shè)備的堵塞，提高設(shè)備開工率。

關(guān)鍵詞：管殼式換熱器;硫化氫氣體;管內(nèi)結(jié)垢;生產(chǎn)循環(huán)水

我們廠焦?fàn)t煤氣產(chǎn)量每小時(shí)10萬m3，平均硫化氫含量7g/m3，配備兩套真空碳酸鉀脫硫系統(tǒng)。生產(chǎn)過程中，平均兩周左右就需要使用化學(xué)溶劑，清洗一次酸氣輸送管道道，并拆卸清洗焚燒爐酸氣噴燒嘴，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏。通過分析酸氣管道及制酸設(shè)備中附著堵塞物的基本性質(zhì)，參考脫硫再生系統(tǒng)酸氣冷凝冷卻器原理，設(shè)計(jì)了一套帶清洗功能的酸氣冷凝凈化器，方案如下：

1 酸氣冷凝凈化器的結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作原理

2.1 冷凝凈化過程

低溫水通入冷凝凈化器的殼程，高進(jìn)低出，管徑選用DN50，水流量基本控制為14m3/h，壓力0.6MPa，入口溫度16℃;酸氣進(jìn)入管程，低進(jìn)高出，每小時(shí)流量1000m3/h，入口溫度32～35℃。酸氣進(jìn)入換熱器后通流面積增大流速降低，并冷卻降溫將混合狀態(tài)下的萘、焦油、液滴等物質(zhì)凝結(jié)在換熱管內(nèi)壁上。

2.2 冷凝凈化器管程內(nèi)壁清洗過程：

清洗凈化器管程操作：①關(guān)閉酸氣進(jìn)、出口閥門;②關(guān)閉排液管閥門;③關(guān)閉低溫水進(jìn)口閥門;④打開蒸汽進(jìn)口閥門和排液管閥門;⑤打開循環(huán)氨水進(jìn)、出口閥門;⑥打開導(dǎo)氣閥讓殘余酸氣進(jìn)入酸氣出口管道，使循環(huán)氨水注滿換熱器管程，當(dāng)管壁升溫后管壁閥門，設(shè)備進(jìn)入沖洗狀態(tài)。

3 生產(chǎn)循環(huán)氨水對(duì)酸管內(nèi)結(jié)垢物的溶解實(shí)驗(yàn)

4 酸氣冷凝凈化器驗(yàn)算過程

4.1 冷凝凈化器器技術(shù)參數(shù)：

設(shè)計(jì)壓力：管程 0.9MPa，殼程 0.9MPa;

工作壓力：管程 0.03～0.6MPa，殼程 0.6MPa;

設(shè)計(jì)溫度：管程 100℃，殼程 180℃a;

物料名稱：管程 硫化氫氣體或循環(huán)氨水，殼程 低溫循環(huán)水或蒸汽;

換熱面積：82㎡;操作重量 9500kg;

容器類別：一類。

4.2 換熱效果驗(yàn)算

已知，硫化氫的相對(duì)密度1.189kg/m3，酸氣比熱容接近于空氣1.003kJ/（kg*k），流速1000m3/h;低溫循環(huán)水的比熱容為4.2kJ/（kg*k），流速14m3/h。

假設(shè)換熱管內(nèi)壁結(jié)垢前，硫化氫進(jìn)口溫度為T1'，出口溫度為T1"，每小時(shí)釋放熱量為Q1，流速為V1，比熱為c1，那么：

Q1=（T1'-T1"）·V1·ρ1·c1·1h

假設(shè)T1"=18℃，T1'=35℃

那么Q1=17℃×1.189kg/m3×1000m3/h×1.003kJ/（kg*k）=

20273.6kJ;

假設(shè)換熱管內(nèi)壁結(jié)垢前，低溫水進(jìn)口溫度為T2'，出口溫度為T2"，每小時(shí)釋放熱量為Q2，流速為V2，比熱為c2，不考慮熱量損失的條件下，Q1=Q2，由Q2=（T2"-T2'）·V2·ρ2·c2·1h，得T2"≈16.4℃;

換熱面積計(jì)算公式：

其中，Q是換熱量，單位W（J/s）;k是污垢系數(shù)一般取08～0.9;K是傳熱系數(shù)（冷介質(zhì)水與熱介質(zhì)氣體的總傳熱效率系數(shù)K，取值范圍17～280w/（m2·℃））;△tm是對(duì)數(shù)平均溫差;

對(duì)數(shù)平均溫差：

將假設(shè)溫度值代入方程式

得，△tm≈7.5℃

推導(dǎo)公式：

代入已知數(shù)值（k取0.8，）

得出，K=11w/（m2·℃），低于管殼式換熱器最小傳熱系數(shù)。

綜上分析，在硫化氫氣體流速1000m3/h，溫度35℃;低溫水流速14m3/h，溫度16℃;條件下，酸氣冷凝凈化器在起初階段，可將酸氣出口溫度降至18℃。

4.3 管程阻力計(jì)算

換熱器的換熱面積為82m2，管程總的通流面積為0.4m2，（酸氣管道通徑200mm，通流面積為0.031m2），換熱器管程總通徑面積是酸管的12.9倍，流速為酸管內(nèi)流速的1/13。

設(shè)單根換熱管的管程阻力為△Pm（單位：Pa），總阻力為△P;

圓形風(fēng)管摩擦阻力計(jì)算公式，

其中，λ為摩擦阻力系數(shù)（空氣對(duì)鋼取0.02），v為氣流速度（單位：m/s），ρ為硫化氫氣體密度（單位：kg/m3），l為管道長(zhǎng)度（單位：m），D為風(fēng)管（換熱管）通徑（單位：m）;

l=1.986m，D=80mm=0.08m

△Pm=0.14Pa，△P=△Pm×80=11Pa

當(dāng)換熱管內(nèi)壁結(jié)垢平均厚度為10mm時(shí)，設(shè)管程阻力為△Pm'（單位：Pa），總阻力為△P'，換熱管實(shí)際通徑D'=0.08m-0.02=0.06m，摩擦阻力系數(shù)λ'=0.04（氣體與結(jié)垢物摩擦），那么

△Pm'=0.374Pa，△P=△Pm'=×80=29.92Pa。

5 總結(jié)

以管殼式換熱器為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的酸氣冷凝凈化器，能夠高效冷凝酸氣中的混合物使之結(jié)垢滯留于換熱管內(nèi)壁，使用焦?fàn)t生產(chǎn)循環(huán)氨水進(jìn)行周期性清洗，可溶解清洗換熱管內(nèi)壁。可消除硫化氫外送管道及制酸設(shè)備頻繁堵塞的現(xiàn)象，而且無二次污染的清洗方式，在現(xiàn)今焦化行業(yè)的環(huán)保提升進(jìn)程中值得推廣。