管殼式換熱器為主體的酸氣冷凝凈化器改造方案

李少松

摘 要：國內多家大型焦化廠使用真空碳酸鉀脫硫技術加WSA制酸工藝，脫除和處理焦爐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，有大量輕質焦油、萘、水分和煤粉混合在硫化氫氣體中。這些物質經常堵塞酸氣輸送管道、制酸焚燒爐噴嘴甚至是制酸催化劑。管道及設備清理頻率高，而且清理出的結垢物質屬于危廢，存放、運輸要求很嚴格。需要一種自帶清潔功能的凈化設備，進一步凈化硫化氫氣體，減少酸氣管道及制酸設備的堵塞，提高設備開工率。

關鍵詞：管殼式換熱器;硫化氫氣體;管內結垢;生產循環水

我們廠焦爐煤氣產量每小時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。生產過程中，平均兩周左右就需要使用化學溶劑，清洗一次酸氣輸送管道道，并拆卸清洗焚燒爐酸氣噴燒嘴，嚴重影響生產節奏。通過分析酸氣管道及制酸設備中附著堵塞物的基本性質，參考脫硫再生系統酸氣冷凝冷卻器原理，設計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構示意圖

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℃;酸氣進入管程，低進高出，每小時流量1000m3/h，入口溫度32～35℃。酸氣進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下的萘、焦油、液滴等物質凝結在換熱管內壁上。

2.2 冷凝凈化器管程內壁清洗過程：

清洗凈化器管程操作：①關閉酸氣進、出口閥門;②關閉排液管閥門;③關閉低溫水進口閥門;④打開蒸汽進口閥門和排液管閥門;⑤打開循環氨水進、出口閥門;⑥打開導氣閥讓殘余酸氣進入酸氣出口管道，使循環氨水注滿換熱器管程，當管壁升溫后管壁閥門，設備進入沖洗狀態。

3 生產循環氨水對酸管內結垢物的溶解實驗

4 酸氣冷凝凈化器驗算過程

4.1 冷凝凈化器器技術參數：

設計壓力：管程 0.9MPa，殼程 0.9MPa;

工作壓力：管程 0.03～0.6MPa，殼程 0.6MPa;

設計溫度：管程 100℃，殼程 180℃a;

物料名稱：管程 硫化氫氣體或循環氨水，殼程 低溫循環水或蒸汽;

換熱面積：82㎡;操作重量 9500kg;

容器類別：一類。

4.2 換熱效果驗算

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

假設換熱管內壁結垢前，硫化氫進口溫度為T1'，出口溫度為T1"，每小時釋放熱量為Q1，流速為V1，比熱為c1，那么：

Q1=（T1'-T1"）·V1·ρ1·c1·1h

假設T1"=18℃，T1'=35℃

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

20273.6kJ;

假設換熱管內壁結垢前，低溫水進口溫度為T2'，出口溫度為T2"，每小時釋放熱量為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℃;

換熱面積計算公式：

其中，Q是換熱量，單位W（J/s）;k是污垢系數一般取08～0.9;K是傳熱系數（冷介質水與熱介質氣體的總傳熱效率系數K，取值范圍17～280w/（m2·℃））;△tm是對數平均溫差;

對數平均溫差：

將假設溫度值代入方程式

得，△tm≈7.5℃

推導公式：

代入已知數值（k取0.8，）

得出，K=11w/（m2·℃），低于管殼式換熱器最小傳熱系數。

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，流速為酸管內流速的1/13。

設單根換熱管的管程阻力為△Pm（單位：Pa），總阻力為△P;

圓形風管摩擦阻力計算公式，

其中，λ為摩擦阻力系數（空氣對鋼取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為管道長度（單位：m），D為風管（換熱管）通徑（單位：m）;

l=1.986m，D=80mm=0.08m

△Pm=0.14Pa，△P=△Pm×80=11Pa

當換熱管內壁結垢平均厚度為10mm時，設管程阻力為△Pm'（單位：Pa），總阻力為△P'，換熱管實際通徑D'=0.08m-0.02=0.06m，摩擦阻力系數λ'=0.04（氣體與結垢物摩擦），那么

△Pm'=0.374Pa，△P=△Pm'=×80=29.92Pa。

5 總結

以管殼式換熱器為基礎設計的酸氣冷凝凈化器，能夠高效冷凝酸氣中的混合物使之結垢滯留于換熱管內壁，使用焦爐生產循環氨水進行周期性清洗，可溶解清洗換熱管內壁。可消除硫化氫外送管道及制酸設備頻繁堵塞的現象，而且無二次污染的清洗方式，在現今焦化行業的環保提升進程中值得推廣。