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闭式循环系统在煤气初冷器工艺的应用.pdf

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1、中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 129 闭式循环系统在煤气初冷器工艺的应用 吴 云 于晓朦 孙 宇 华泰永创(北京)科技股份有限公司,辽宁 鞍山 114000 摘要:摘要:为使初冷器的能耗降低,本文将三段式初冷器余热水段调整为闭式循环系统,引入定压补水系统。以余热水循环泵克服整个系统的沿程阻力损失,以可变频调节的定压补水泵克服初冷器的高差,稳定系统压力。相比于开式循环系统而言,闭式循环系统的余热水循环泵功率大幅度减小,从而降低了系统的能耗和运行成本。通过工艺的改变与优化,闭式循环系统相比开式循环系统,实现了水质提高、能耗的降低和运行成本的下降。本文通过将初冷器传统的开式循环工艺调整为闭式

2、循环工艺,来达到更好的运行效果和经济效益。关键词:关键词:初冷器;闭式循环;定压补水 中图分类号:中图分类号:TM611 0 引言 随着国家大力发展循环经济、实施节能减排工程,加强高能耗行业能耗的管控,高效节能现已成为企业发展的首要目标和重要战略决策。初冷器余热水段闭式循环工艺具有系统稳定、高效节能的优点,对焦化企业有着深远的经济和现实意义。1 初冷器工艺介绍 焦炉煤气离开焦炉时,通过上升管以 650 750进入集气主管,在桥管中被循环氨水冷却到 80 90后进入煤气初冷器。(1)冷却煤气:按不同的净化工艺要求,将煤气冷却到 2123或 2530后进入后续工序。(2)净化煤气:为防止荒煤气中的

3、杂质堵塞和腐蚀后续工序,应把荒煤气中的杂质尽可能地在前面工序中冷凝下来,以达到最大限度地净化煤气的目的;因此,煤气的初步冷却是煤气净化工艺的基础。实践证明,在初冷器中将煤气冷却至2122,就可去除煤气中75%以上的焦油和焦油雾,还可去除煤气中 80%的萘,使出口煤气的含萘量降低到 0.4g/m3 以下,即可保证后续工序的顺利生产。初冷器一般采用横管间接初冷器,用循环水和低温水对荒煤气进行分段冷却。当有采暖用户时,初冷器可采用上、中、下的三段结构,其中上段热水出初冷器的温度约 75,可满足供暖要求。利用初冷器上段的高温余热水不仅可以回收利用荒煤气的余热,同时可减少荒煤气冷却所需的工业循环水量,是

4、焦化行业煤气净化回收领域的一项重要节能环保措施1。目前焦化行业常规的煤气净化系统,初冷器余热水段普遍采用开式循环,热损失较大,余热水泵既要克服系统阻力又要克服系统的高差,功率大、能耗高。而闭式循环余热水泵只克服系统阻力,定压补水泵克服系统的高差,能耗较低。此外,开式回路设计,热水循环过程与大气有直接接触,还存在热水挥发损失的问题。闭式循环系统能够避免初冷器上段余热水敞开式循环所带来的余热水损失和势能损失。2 初冷器形式 煤气初冷器按冷却介质分为空气冷却器和水冷却器。(1)空气冷却器:冷却器由于效率低,传热系数小,目前以不被采用。(2)水冷却器:间接冷却器(立管式冷却器、横管式初冷器)、直接冷却

5、器和间-直接冷却器。横管式初冷器由多箱组成,在高约 1m 的长方形箱体内水平配置多根传热管,冷却管应尽可能密地安装在每一侧的器壁上,以减少无效空间,冷却管也起到了分离焦油雾和水雾的挡板作用。煤气从上向下流动,冷却水由下向上流动,整个设备可按需要分为三段(热水段、循环水段、低温水段)或二段(循环水段、低温水段)。低温水段可以采用断塔板与上部隔开,达到节能效果。在中、下段可连续喷洒焦油氨水混合液,一方面可使传热管外壁形成液膜,提高液膜的传质效率;另一方面自上而下冲洗可防止萘和焦油等杂质的中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 130 堵塞。由于横管初冷器把总冷却水流分成许多管束,因此初冷器内可以保持

6、高的水速和湍流,初冷器的冷凝液与煤气顺流而下,起到了冲洗和冷却管壁的双重作用。因此,煤气侧不会发生堵塞。在采用适当水处理方法减少水沉积物的条件下,由于大大增加了水流速度,所以很少发现产生水侧沉积物。(1)由于横管初冷器提高了水流速度,煤气流向又与冷凝液流向一致,因此,其除萘效果要比立管式初冷器好得多,可最大限度地提高煤气的净化效率,总传热系数比立管式初冷器的传热系数提高了一倍多。对于相同的煤气量,横管初冷器的传热面积可大为减少。(2)在初冷器的结构方面,当上、中段与下段用断液盘断开时,由于下段冷凝液量的减少,不利于煤气除萘,必须连续补充含水焦油。高效的横管初冷器,可以最大限度的净化煤气,被广泛

7、采用。这样,就可实现整个工艺过程不必再另建单独的煤气脱萘装置。本文就是以横管初冷器为基础进行的开式循环与闭式循环的工艺的比较。3 初冷器的选材 由于目前设计中一般都采用横管初冷器,所以主要介绍横管初冷器材质:壳体主要材质:Q235-B;水管主要材质:20#钢管或 10#钢。4 初冷器设计及布置注意事项(1)一般正对电捕焦油器布置;(2)在负压 500mm 水柱的情况下,冷凝液能顺畅的流入冷凝液液封槽;(3)初冷器操作走台的布置原则:便于初冷器煤气进出口管、冷却水进出口管、冷凝液管、蒸汽清扫管、放散管及取样管的阀门操作;方便各点的仪表观测,检修及更换。(4)保证低温水入口温度小于 18。为了实现

8、初冷工序的上述任务,首先要提供低于18的冷却水,采用横管初冷器可以强化初冷操作,使煤气的出口温度与冷却水的入口温度差缩小到 23C,达到 22以下。(5)严格控制初冷器的喷洒液量和喷洒液中的焦油含量是保证初冷器除萘效果的另一重要手段。如何提高横管初冷器的脱萘效果。在横管初冷器内,煤气在冷却的同时,会不断析出萘。部分萘可溶解于焦油中,另一部分则附着在冷却水管的外壁上。当达到一定厚度后就会影响初冷器的冷却效率。如果横管初冷器后的煤气温度能够降低到 21-22,煤气中的含萘量可降低至 400 500mg/m3,相当于煤气的露点含萘量。这样,就可保证后续工序不会再有萘的析出。对脱硫、洗氨、终冷等工序是

9、一个有力的保证。横管初冷器脱萘效果好的原因是在于煤气和冷凝液在初冷器中平行移动。煤气与冷凝液经长时间接触,煤气中析出的萘可被焦油吸收。而立管武初冷器就达不到上述的脱萘效果。德国的试验表明,单纯的喷洒轻质焦油的除萘效果不如喷洒冷凝液与焦油混合液的好。(6)初冷器台数的选择问题 初冷器台数越多,冷却管内低温水的流速就减小,不利于换热(7)初冷器冷却水质的问题 一般要求初冷器循环水中的悬浮物小于 50mg/L,暂时硬度不大于 40DH。GB6222-2005 工业企业煤气安全规程 中要求新建煤气冷却、净化区内煤气系统的各种设施的布置应符合下列要求:煤气初冷器(塔)应正对抽气机室,按单行横向排列,初冷

10、器出口煤气集合管中心线与抽气机室的行 列 线 距 离 应 不 小于 10m,因此初冷器的设计及布置应严格按照相关规范的要求。5 初冷器余热水段闭式循环与开式循环的比较 本文以250万吨/年焦化项目为例对开式循环系统及闭式循环系统的流程、设备及运行成本进行了比较。开式循环冷却水系统与闭式循环冷却水系统是根据循环水管路的开闭来定义的。闭式循环冷却水系统与开式循环冷却水系统的区别:以软水代替传统的工业循环冷却水做为导热载体;软水在系统中闭路循环,起热载体作用而不消耗,热量由空气带走。6 初冷器余热水段闭式循环水段流程 在初冷器上段的余热水管道上,引入闭式循环系统,余热水泵用于克服系统阻力;在余热水泵

11、入口管 中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 131 道上引入补水管道,通过定压补水泵调节入初冷器余热水的压力;补水泵入口管道与软水箱连通,软水箱设置液位计,当软水箱液位低于设定水位时,联锁打开软水管道上的切断阀,自动向软水箱内补水。初冷器余热水段闭式循环系统的主要设备有初冷器、软水箱、定压补水泵、余热水泵等,初冷器工艺闭式循环的应用流程如图 1 所示。LRSAHL 图 1 初冷器余热水段闭式循环系统流程 7 初冷器余热水段开式循环水段流程 初冷器余热水段开式循环系统的主要设备有初冷器、热水槽、余热水泵等,初冷器工艺循环的流程如图 2 所示。8 设备成本 闭式循环系统设备有软水箱,较小,成本较

12、低。开式循环系统设备有余热水槽,余热水槽的储水量约为 3min,一般直径、体积较大,成本较高。开式系统与闭式系统初冷器的选型一致,闭式系统需要增加定压补水泵,定压补水泵体积小,一般布置在初冷器框架下面即可。开式系统采用开式热水槽,开式采暖水槽需要储存采暖水,设备一般直径 5、6 米左右,占地较大;而闭式系统的软水槽只是用于补充整个采暖水循环系统的跑、冒、滴、漏,设备直径一般 2 米左右,占地较小。图 2 初冷器余热水段开式循环系统流程 开式系统余热水槽需要布置盘梯及操作台,而闭式系统软水槽较小,一般不需要布置操作台,闭式循环系统比开式循环系统减少了操作台及盘梯的费用。设备成本比较见表 1。开式

13、采暖水槽需要布置盘梯及操作台,而闭式软水槽较小,一般不需要布置操作台。从表1可以看出,虽然软水箱采用不锈钢的材质,但由于重量小,费用与余热水槽差不多;闭式循环的余热水泵设备选型小,价格较低,而闭式循环需要额外考虑定压补水泵的价格。综上所述,闭式循环系统比开式循环系统设备节省了 25.05 万元。9 运行成本 表 2 闭式循环与开式循环余热水泵、定压补水泵的设备选型 系统形式 余热水泵参数 余热水泵数量 定压补水泵(变频电机)定压补水泵数量 闭式循环 Q=1450m3/h H=25m N=160kW 3(2 开 1 备)60m3/h H=65m N=30 kW 2(1 开 1 备)开式循环 Q=

14、1450m3/h H=65m N=355 kW 3(2 开 1 备)无 0 表 1 闭式循环与开式循环设备成本的比较 系统形式 软水箱(材质:不锈钢)余热水槽(材质:碳钢)盘梯及操作台 余热水泵 定压补水泵 闭式循环 DN2600 H=2200 VN=12m3 2.2t 无 无 15.9 万元(5.3万元/台)8 万元(单台 4万元,含变频电机)开式循环 无 DN 5300 H=6900 VN=170m3 9.9t 约重 2t 48.6 万元(16.2万元/台)0 闭式与开式相比成本 增加 11.55 万元 减少 9.9 万元 减少2万元 减少 32.7 万元 增加 8 万元 合计 减少 25

15、.05 万元 注:不锈钢设备价格按 3.5 万元/吨,碳钢设备价格按 1 万元/吨。中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 132 余热水泵既要克服系统阻力又要克服初冷器的高差,因而余热水泵扬程大,功率大,能耗高;闭式循环中余热水泵只克服系统阻力,不克服初冷器的高差,因此余热水泵的扬程会比开式循环的扬程小约 40 米,功率小,能耗较低;开式循环和闭式循环系统余热水泵、定压补水泵的运行成本对比见表 2、3。从表 2 和表 3 可以看出,闭式循环与开式循环相比运行成本每年可减少 220.8 万元,具有很高的经济效益。10 系统水质 开式系统的采暖循环水不断蒸发使水中固形物、钙镁离子等浓度逐渐增加,并

16、容易滋生细菌和藻类,造成水质恶化,增加设备和管道结垢、腐蚀的概率,降低了换热效果,缩短设备使用周期并影响生产过程的平稳性。闭式循环中除盐水(或软水)最为补水介质,水质优异,有效减缓了设备及管道的结垢和腐蚀,提高了设备的使用周期,降低了维修费用,维护了生产的稳定性。开式循环系统的采暖循环水可能存在杂物进入余热水槽,再进入管道,进而增加设备和管道堵塞概率,降低了换热效果,缩短设备使用周期并影响生产过程的平稳性。开式循环冷却水系统由于漂水和蒸发的原因会造成一定的水损失,需要定期补充新鲜水,而闭式循环冷却水系统由于封闭循环不会有漂水和蒸发的现象,所以没有水损失。闭式循环系统中除盐水(或软水)作为补水介

17、质,水质优异,介质不受环境污染亦不会污染环境,有效减缓了设备及管道的结垢和腐蚀,提高了设备的使用周期,降低了维修费用,维护了生产的稳定性2。开式系统的水管末端与大气相通,一般水管与带水池的冷却塔、喷淋室或地下蓄冷(蓄热)水池等设备相连接。开式系统的水质易脏,水中含氧量高.容易对管路产生污垢和腐蚀,所以对循环水最好进行水处理。开式系统水泵扬程中除了克服水流动摩擦阻力外还必须加上提升高度,水泵动力消耗较大,系统还常常会引起.水锤”现象.带来噪声。开式循环冷却水系统由于与空气接触会引入杂质和氧气,导致水质变化和污染,需要添加阻垢剂、缓蚀剂、杀菌剂等化学药剂进行处理,而闭式循环冷却水系统由于封闭不与空

18、气接触,所以水质相对稳定和清洁,不需要添加化学药剂。开式系统需考虑一定容积的回水池.以防水泵断流,若系统管 路较长,应根据管内流过时间进行校核回水池是否会吸空.并注意水泵的安装高度,防止汽蚀。开式系统在空调系统特别是高层宾馆空调系统中较少使用,但近年来由于空调技术的发展和节约能源的需要,国外不少工程采用蓄冷池蓄冷的空调方式.相应的水管系统则需采用开式系统。闭式系统这种系统的末端水管不与大气相通。闭式系统由于整个系统均充满了水.水泵扬程只需克服循环阻力,不需克服水柱的静压力,所以节省动力。考虑水的膨胀性质.闭式系统一般需设膨胀水箱。在进行冷冻水管系统设计时。11 结论 本文详细介绍了初冷器余热水

19、段闭式循环系统的应用,对比说明了闭式循环系统与开式循环系统比较的优势,将闭式循环系统应用于煤气净化初冷器余热水段,减少了设备投资,降低运行及维修成本,提高生产的稳定性。因此,初冷器余热水段闭式循环系统具有广阔的前景。参考文献 1范守谦,谢兴衍.焦炉煤气净化生产设计手册M.北京:冶金工业出版社,2012:10-14.2邢兵,厉勇,张英.循环水闭式运行系统在石化行业的应用研究J.当代化工,2017,46(6):1169-1175.表 3 闭式循环与开式循环运行成本的比较 系统形式 余热水泵 定压补水泵 闭式循环 196.2 万元/年(2 台泵运行)18.4 万元 开式循环 435.4 万元/年(2 台泵运行)0 运行成本 减少 220.8 万元/年 注:工业用电按 0.7 元/千瓦时考虑。

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