曹凌云

（江蘇中圣園科技股份有限公司，江蘇 南京211102）

合格的石灰、焦炭按比例配料后進(jìn)入電石爐，在高溫條件下進(jìn)行反應(yīng)生產(chǎn)液態(tài)電石，定期排出。收集的電石爐尾氣經(jīng)引氣管送入爐氣凈化系統(tǒng)，經(jīng)除塵降溫后使用（溫度降至180℃以下，含塵量降至50 mg/m3以內(nèi)）。

采用密閉式電石爐生產(chǎn)電石，每生產(chǎn)1 t電石副產(chǎn)爐氣～400 m3，爐氣的主要成分為CO和H2（具體成分見表1），熱值（2 400～2 600）×4.18 kJ/m3，具有很高的使用價值，大多作為鍋爐、氣燒石灰窯、碳材烘干的燃料氣使用。

表1 電石爐氣的成分

電石爐運行時，原料雜質(zhì)含量高等因素會導(dǎo)致電石爐氣流出不暢，間隔一段時間便會出現(xiàn)塌料的情況，此時電石爐氣的壓力便會出現(xiàn)較大的波動，給下游的爐氣使用工段造成較大的影響。因此，需要配套一個煤氣柜對收集的電石爐氣進(jìn)行儲存、穩(wěn)壓。干式橡膠膜煤氣柜要求儲存的電石爐氣溫度<70℃，而爐氣凈化系統(tǒng)出口的電石爐氣溫度～180℃，需要通過煤氣預(yù)處理系統(tǒng)降溫后才能送至煤氣柜。

從電石生產(chǎn)企業(yè)運行的情況了解，煤氣預(yù)處理系統(tǒng)的方式有直接水冷、間接水冷和間接空冷。

1 直接水冷

直接水冷的方式，煤氣從洗滌塔底部進(jìn)入，洗滌水從上部噴淋而下。噴出霧化后的細(xì)小液滴，與煤氣充分接觸迅速汽化，利用汽化潛熱原理，使進(jìn)入塔體內(nèi)部的煤氣快速降溫。噴嘴噴出的液滴充滿塔體內(nèi)部，與煤氣充分接觸，降溫并進(jìn)一步除塵。洗滌塔排出的污水通過污水處理系統(tǒng)凈化后，再供給洗滌塔循環(huán)使用。

1.1 該技術(shù)具有的優(yōu)點

（1）洗滌煤氣使之快速降溫，同時煤氣中的焦油、粉塵等充分析出，進(jìn)一步降低了煤氣中的雜質(zhì)，有利于延長氣柜橡膠膜的使用壽命。

（2）煤氣洗滌塔設(shè)備小、清理周期長（6～12個月）、清理方便（煤氣洗滌塔為空塔結(jié)構(gòu)，清洗部件為噴槍及旋流葉片）。

（3）由于水與煤氣直接接觸冷卻，煤氣冷卻效果不受設(shè)備運行時間的影響，因此對爐氣凈化系統(tǒng)要求低。

1.2 該技術(shù)存在的缺點

（1）洗滌煤氣產(chǎn)生的污水中含有氰化物、焦油及固體物等，必須經(jīng)過處理，以防污染環(huán)境。污水處理工藝復(fù)雜，占地面積大，投資費用大，運行費用高。

（2）同時，煤氣中的飽和水含量大，沿途輸送的管道內(nèi)及氣柜內(nèi)冷凝析出的水量大，污水管網(wǎng)復(fù)雜，對設(shè)備、管道、閥門等的耐腐蝕性要求高。

2 間接水冷

間接水冷的方式，煤氣與冷卻水不直接接觸，由換熱管束隔開，煤氣在換熱管束內(nèi)/外流通，冷卻水在換熱管束外/內(nèi)流通，通過壁面的導(dǎo)熱和流體在壁表面對流，煤氣與冷卻水之間進(jìn)行換熱。換熱后的熱水通過冷卻塔降溫后，再供給煤氣冷卻器使用。

2.1 該技術(shù)具有的優(yōu)點

（1）間接水冷的冷卻循環(huán)水系統(tǒng)與直接水冷的污水處理系統(tǒng)相比，冷卻循環(huán)水系統(tǒng)具有工藝簡單，占地面積小，投資費用小，運行費用低的優(yōu)點。

（2）與間接空冷相比，間接水冷采用循環(huán)水作為冷卻介質(zhì)，由于水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，因此設(shè)備體積小。另外，采用水作為冷卻介質(zhì)，受環(huán)境影響小。

2.2 該技術(shù)存在的缺點

（1）僅能夠降低電石爐尾氣的溫度，不能凈化煤氣。氣柜橡膠膜采用織布層和橡膠層的結(jié)構(gòu)，電石爐尾氣中的苯、萘、蒽、二氧化硫、硫化氫、氨及不飽和烴類等腐蝕性成分在氣柜中冷凝后以液態(tài)煤焦油的形式存在[1]，使橡膠溶脹或溶解，使橡膠膜失去承載能力而破壞。

（2）換熱管束內(nèi)/外，煤氣析出的焦油裹扎著粉塵在管束內(nèi)沉積、積聚，黏度大、清洗難度大、清理周期短（約3個月）。換熱管束外/內(nèi)，自來水中的Ca、Mg等二價金屬鹽隨著溫度的升高很容易形成難溶性結(jié)晶，從水中析出，附著在管束傳熱面上成為水垢。另外由于管束排布密集，且管束外從高到低設(shè)有管板，因此管束外部附著的污物較難清理。

（3）同時，由于管束內(nèi)/外污物的積聚，冷卻效果隨設(shè)備運行時間長而逐漸降低，因此對爐氣凈化系統(tǒng)及水質(zhì)要求高。

2.3 冷卻器形式

間接水冷的冷卻器有兩種結(jié)構(gòu)形式：第一種為煤氣在管程內(nèi)流通，冷卻循環(huán)水在殼程內(nèi)流通；第二種為煤氣在殼程內(nèi)流通，冷卻循環(huán)水在管程內(nèi)流通。

在選擇管、殼程介質(zhì)時，應(yīng)按介質(zhì)性質(zhì)、溫度、壓力、允許壓力降、結(jié)垢以及提高傳熱系數(shù)等條件綜合考慮：①有腐蝕、有毒性、溫度或壓力很高的介質(zhì)以及易結(jié)垢的介質(zhì)應(yīng)走管程，積垢在管內(nèi)容易清理；②從提高總傳熱系數(shù)和降低阻力考慮，把黏度高或流量小的介質(zhì)選在殼程；③從介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)考慮，兩種介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)相差很大時，將導(dǎo)熱系數(shù)小的走殼程，以便采用管外強(qiáng)化傳熱設(shè)施，如翅片等。

經(jīng)計算，冷卻循環(huán)水需求量約70 t/h，遠(yuǎn)低于被冷卻的11 667 m3/h煤氣量。同時，20℃溫度下，煤氣的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.026 7 W/（m·K），水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.599 W/（m·K），水的導(dǎo)熱能力約是煤氣的22倍。另外，當(dāng)換熱管束破損時，由于管內(nèi)冷卻循環(huán)水的壓力（0.2 MPa）遠(yuǎn)高于煤氣壓力（5 kPa），煤氣不會泄漏至冷卻循環(huán)水中。因此，采用第二種冷卻器形式更合理。

2.4 冷卻器清理

隨著管程內(nèi)水溫的升高，碳酸鈣、硫酸鈣等難溶或微溶鹽的溶解度下降。當(dāng)水溫高于50℃時，難溶或微溶鹽從水中析出形成水垢。同時，水中溶解的硫化氫氣體、二氧化碳?xì)怏w以及鐵細(xì)菌等借助表面水垢的掩護(hù)，腐蝕管道的基體，形成新的深層水垢[2]。從而降低了冷卻器的換熱效率。針對此情況，可通過前期預(yù)防以及后期除垢維護(hù)來解決。

前期預(yù)防結(jié)垢的措施有：控制水溫、加快流速、軟化水質(zhì)及添加化學(xué)藥劑等。在制取軟水的過程中一般會產(chǎn)生20%的廢水，不可直接排放。添加化學(xué)藥劑增加了運行費用。因此，采用控制水溫低于50℃、加快流速是防止結(jié)垢最可行的措施。

換熱管束有光管型及翅片型?？偀嶝?fù)荷一定時，由于光管型管束傳熱系數(shù)小，其設(shè)備體積較翅片型大，設(shè)備制造成本較翅片型高。煤氣中含有粉塵及焦油，光管型更易清理。

煤氣側(cè)的清理除與換熱管束的形式有關(guān)外，還與煤氣中的粉塵及焦油含量有關(guān)，粉塵及焦油的含量越大，換熱效率下降越快，清理周期越短。因此，電石爐氣凈化系統(tǒng)影響該冷卻器的運行情況，需要定期對爐氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，如更換布袋等。

煤氣中的雜質(zhì)析附在殼程內(nèi)（即管外），由于焦油的黏度大，激波吹灰器及聲波吹灰器等在線吹灰設(shè)備不能夠滿足使用。采用煤氣冷卻器一用一備的配置，停機(jī)后人工水沖洗或化學(xué)藥劑清理。

3 間接空冷

間接空冷的原理與間接水冷的原理相同，為不直接接觸式換熱，不同的是參與換熱的介質(zhì)由冷卻循環(huán)水換為空氣，換熱后的空氣直接排入大氣。

3.1 該技術(shù)具有的優(yōu)點

（1）與直接水冷、間接水冷相比，間接空冷的工藝簡單、維護(hù)工作量低。

（2）與間接水冷相比，間接空冷管束內(nèi)/外雖有煤氣污物的沉積和積聚，但管束外/內(nèi)為空氣，沒有結(jié)垢的問題。

（3）間接空冷的冷媒介質(zhì)為空氣，冷卻后的熱空氣可直接排入大氣中，不會對環(huán)境造成污染。因此，與直接水冷、間接水冷相比，冷媒介質(zhì)不需要處理。

3.2 該技術(shù)存在的缺點

（1）僅能夠降低電石爐尾氣的溫度，不能凈化煤氣。氣柜橡膠膜采用織布層和橡膠層的結(jié)構(gòu)，電石爐尾氣中的苯、萘、蒽、二氧化硫、硫化氫、氨及不飽和烴類等腐蝕性成分在氣柜中冷凝后以液態(tài)煤焦油的形式存在[1]，使橡膠溶脹或溶解，使橡膠膜失去承載能力而破壞。

（2）煤氣進(jìn)口溫度的波動范圍大，環(huán)境（-12.4～41.5℃）的波動范圍也大，設(shè)備體積最大，煤氣冷卻的效果受環(huán)境影響大，冷卻效果較直接水冷、間接水冷差。

（3）同時，由于管束內(nèi)/外污物的積聚、管束外/內(nèi)空氣中粉塵的堆積，冷卻效果隨設(shè)備運行時間長而逐漸降低。因此清理周期短（約3個月），對爐氣凈化系統(tǒng)要求高。

（4）換熱管束破損時，煤氣會泄漏至空氣中，存在安全隱患。

3.3 冷卻器形式

間接空冷的冷卻器有兩種結(jié)構(gòu)形式：第一種為煤氣在管程內(nèi)流通，空氣在殼程內(nèi)流通；第二種為煤氣在殼程內(nèi)流通，空氣在管程內(nèi)流通。根據(jù)上文2.3關(guān)于“選擇管、殼程介質(zhì)”的介紹，結(jié)合煤氣和空氣的性質(zhì)（煤氣比空氣臟）、流量（煤氣流量小于空氣流量）等情況，采用第一種冷卻器形式更合理。

3.4 冷卻器清理

煤氣側(cè)的清理與煤氣中的粉塵及焦油含量有關(guān)，粉塵及焦油的含量越大，換熱效率下降越快，清理周期越短。因此，電石爐氣凈化系統(tǒng)影響該冷卻器的運行情況，需要定期對爐氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，如更換布袋等。

煤氣中的雜質(zhì)析附在管程內(nèi)，由于焦油的黏度大，激波吹灰器及聲波吹灰器等在線吹灰設(shè)備不能夠滿足使用。采用煤氣冷卻器一用一備的配置，停機(jī)后人工水沖洗或化學(xué)藥劑清理。

空氣中的粉塵析附在殼程內(nèi)（即管外），停機(jī)后打開殼體上的檢修人孔，通入壓縮氣體或水進(jìn)行清理。

4 各種冷卻方式的經(jīng)濟(jì)性比較

煤氣預(yù)處理系統(tǒng)從一次投資及運行維護(hù)費用考慮，各種冷卻方式對比見表2。

表2 各種冷卻方式經(jīng)濟(jì)性比較

5 冷卻方式選用的建議

綜上所述，各種冷卻方式均存在著優(yōu)點與缺點，匯總見表3。

表3 各種冷卻方式優(yōu)缺點比較

直接水冷的冷卻方式產(chǎn)生的污染物多，污水的處理是制約該種冷卻方式的關(guān)鍵。但此種冷卻方式對爐氣凈化系統(tǒng)要求低，從此方面考慮為最優(yōu)的冷卻方式。如若工廠內(nèi)或附近無配套的工業(yè)污水處理廠，此種冷卻方式不經(jīng)濟(jì)。

間接水冷的冷卻方式受爐氣凈化系統(tǒng)影響大，因此對爐氣凈化系統(tǒng)要求高。該種冷卻方式降溫效果受環(huán)境影響小，從此方面考慮為最優(yōu)的冷卻方式。若從產(chǎn)生污染物的方面考慮，為較優(yōu)的冷卻方式。

間接空冷的冷卻方式受爐氣凈化系統(tǒng)影響大，因此對爐氣凈化系統(tǒng)要求高。該種冷卻方式降溫效果受環(huán)境影響大，從此方面考慮為較優(yōu)的冷卻方式。但此種冷卻方式無污染物排放，從此方面考慮為最優(yōu)的冷卻方式。

因此，在選用冷卻方式時，需要充分了解工廠所在地的污水處理情況、氣候情況及水電能源情況等，經(jīng)綜合分析，平衡利弊，選擇最佳的冷卻方式。