煤氣初冷器防止結(jié)萘堵塞問題的技術(shù)研究

侯建勇，李 潔

(1.新疆大學(xué)商學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830008；2.中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019；3.大連理工大學(xué)馬克思主義學(xué)院，遼寧 大連 116024)

引 言

在我國焦化企業(yè)的化產(chǎn)回收車間，煤氣初冷是第一道工序，焦?fàn)t煤氣經(jīng)上升管、集氣管、氣液分離器后引至煤氣初冷器進(jìn)行冷卻，隨著煤氣溫度的下降，也會(huì)伴有焦油和萘析出，在煤氣初冷器的實(shí)際運(yùn)行中，普遍存在著煤氣初冷器阻力增大的現(xiàn)象，初冷器內(nèi)部換熱管外壁結(jié)萘嚴(yán)重，較大程度上影響了煤氣冷卻換熱的效果，溫度不能得到有效控制，也增加了后續(xù)設(shè)備的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。為了解決這個(gè)困擾企業(yè)生產(chǎn)上的煤氣冷卻問題，需要從煤氣初冷器結(jié)萘堵塞的原因上進(jìn)行調(diào)查和分析。

1 焦化企業(yè)煤氣初冷器的工作原理及運(yùn)行

1.1 煤氣初冷器的類型及工作原理

焦?fàn)t煤氣初冷器主要有橫管式、豎管式和直接式三種類型[1]。因直接式和豎管式初冷器換熱能力及結(jié)構(gòu)的限制，加上焦化企業(yè)煤氣產(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，近些年已逐步被橫管式煤氣初冷器所代替。煤氣初冷器主要以圓柱體、長方體等外形為主，以長方體居多，換熱介質(zhì)采用中溫和低溫水，水在管程中流動(dòng)，通過管壁與在殼程中流動(dòng)的煤氣進(jìn)行換熱。橫管煤氣初冷器一般分為上下兩段結(jié)構(gòu)，上段與下段之間有段塔盤進(jìn)行分隔，橫管初冷器上段有單級(jí)噴灑和雙級(jí)噴灑兩種冷卻方式，下段一般為單級(jí)噴灑冷卻。

通常來自焦?fàn)t82 ℃左右的荒煤氣與循環(huán)氨水，沿煤氣管道被吸至氣液分離器，煤氣從頂部引出去煤氣初冷器，液體從分離器底部排出至焦油氨水澄清槽[2]。煤氣從初冷器的頂部進(jìn)入，從底部排出，經(jīng)煤氣鼓風(fēng)機(jī)送往電捕焦油器及下游工段。焦?fàn)t煤氣中的冷凝水、焦油、萘析出，以及夾帶的少量氨水，隨著循環(huán)冷卻噴灑液的循環(huán)，一并進(jìn)入循環(huán)液槽和焦油氨水澄清槽。

1.2 部分焦化企業(yè)煤氣初冷器的運(yùn)行現(xiàn)狀

目前許多企業(yè)煤氣初冷器運(yùn)行時(shí)普遍存在設(shè)備阻力增大，從設(shè)計(jì)阻力700 Pa上升到1 600 Pa，甚至更高，系統(tǒng)阻力的增加也會(huì)給煤氣鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行帶來隱患，對(duì)化學(xué)產(chǎn)品的回收形成制約。冷卻器內(nèi)部的冷卻管一般有三級(jí)，采用上段兩級(jí)中溫水換熱，下段一級(jí)低溫水換熱，煤氣經(jīng)三級(jí)冷卻后，溫度從82℃左右下降至出口時(shí)的21 ℃～23 ℃。目前大多企業(yè)采用焦油氨水混合液作為循環(huán)噴灑液，配備循環(huán)液槽和循環(huán)泵，再將循環(huán)液槽底部的重質(zhì)油用泵送至機(jī)械化焦油氨水澄清槽，進(jìn)行氨水和焦油的分離。

2 煤氣初冷器阻力增大的問題分析

2.1 煤氣初冷器橫管內(nèi)部設(shè)備問題

隨著煤氣溫度的降低，便會(huì)在橫管初冷器內(nèi)壁換熱列管外壁上結(jié)萘，因萘是無色片狀結(jié)晶體，同時(shí)與重質(zhì)焦油粘接在換熱管外壁上，造成殼程間隙變小，煤氣流通不暢，從而造成設(shè)備運(yùn)行阻力增大，甚至還會(huì)迫使焦?fàn)t進(jìn)行煤氣放散，污染大氣。

另外，循環(huán)噴灑的噴淋管及噴孔堵塞也是一個(gè)重要問題。噴淋支管直徑一般較細(xì)，另外噴淋孔一般為Φ6 mm～Φ7 mm的小孔，如噴灑液內(nèi)含有焦油和煤灰、焦粉的粘結(jié)物，也很有可能造成堵塞現(xiàn)象，噴灑效果變差，或者導(dǎo)致噴灑盲區(qū)，無法做到覆蓋全部截面，尤其是在北方地區(qū)的冬季，室外溫度較低，循環(huán)噴灑液粘度增大，更易造成堵塞。

2.2 循環(huán)噴灑液的油質(zhì)選擇

循環(huán)噴灑液通常為焦油氨水混合液，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，噴灑液中的酚、萘、蒽等成分富集，加上灰塵等雜質(zhì)的影響，會(huì)造成噴灑液效果降低，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要保持輕質(zhì)焦油的含量在40%～60%之間，如果噴灑液內(nèi)輕質(zhì)焦油的含量過低，換熱管上黏結(jié)的萘和重質(zhì)焦油就會(huì)難以溶解在噴灑液內(nèi)，影響沖洗效果。造成此種現(xiàn)象的主要原因就是無法及時(shí)更新更換循環(huán)噴灑液，無法長期保證油質(zhì)。另外，實(shí)際運(yùn)行中也應(yīng)該根據(jù)處理煤氣量的不同，循環(huán)泵采用變頻控制，相對(duì)應(yīng)地調(diào)整循環(huán)噴灑液的流量。

2.3 煤氣出口溫度的控制

針對(duì)冷卻煤氣的循環(huán)水和低溫水，應(yīng)當(dāng)安裝遠(yuǎn)傳儀表，隨時(shí)進(jìn)行溫度監(jiān)控。由于冬季與夏季水溫差別較大，需要對(duì)循環(huán)水水量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以保證煤氣出口溫度控制在21 ℃～23 ℃以內(nèi)，若溫度過高或偏低，均會(huì)給后期設(shè)備運(yùn)行帶來不便。溫度過高會(huì)影響焦油的產(chǎn)出與回收，溫度過低會(huì)加大萘的析出量，增加設(shè)備與管道的堵塞。溫度的降低也會(huì)使循環(huán)噴灑液粘度增加，流動(dòng)性變差，溶解萘的能力下降[3]，更容易增加橫管初冷器阻力增大的可能性。

3 工藝技術(shù)的優(yōu)化與改進(jìn)

3.1 增設(shè)旋流式萘分離器

在初冷器上段的段塔盤底部設(shè)置兩個(gè)出口管，一并匯集到旋流式萘分離器內(nèi)，上段底部的噴灑液經(jīng)分離器分離后，將重質(zhì)噴灑液送至焦油氨水澄清槽，輕質(zhì)噴灑液返回循環(huán)液槽進(jìn)行循環(huán)噴灑。段塔盤上部的輕質(zhì)噴灑液可通過段塔盤溢流堰溢流至下段使用。

在初冷器下段一般不再設(shè)置旋流式萘分離器，從上段溢流過來的輕質(zhì)噴灑液相對(duì)含萘量較低，可循環(huán)使用。但煤氣初冷器堵塞嚴(yán)重時(shí)，也可在下段增設(shè)萘分離器。

旋流式萘分離器根據(jù)循環(huán)噴灑液的靜置和沉淀，沖洗掉的萘以及析出的萘和雜質(zhì)會(huì)在下端沉積，經(jīng)分離器底部排出，輕質(zhì)噴灑液會(huì)經(jīng)過上端排出，在分離器上端和下端分別設(shè)置沖洗和液位調(diào)節(jié)閥，保持分離器內(nèi)噴灑液的恒定。

重質(zhì)噴灑液送至焦油氨水澄清槽進(jìn)行處理，把沉積的雜質(zhì)和萘跟隨焦油渣一并進(jìn)行處理。圖1為改造后的初冷器運(yùn)行原理圖。

圖1 改造后初冷器原理圖

3.2 分段供給噴灑液及管道的優(yōu)化

如果生產(chǎn)企業(yè)有多臺(tái)煤氣初冷器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可配備兩座循環(huán)液槽，各初冷器的上段噴灑液回流進(jìn)上段循環(huán)液槽，下段噴灑液進(jìn)下段循環(huán)液槽，采用上段循環(huán)液泵專供上段兩層噴灑液，下段循環(huán)液泵專供下段一層噴灑液的供給模式。

兩座循環(huán)液槽之間采用連通管進(jìn)行連接，以便中上部輕質(zhì)循環(huán)液相互補(bǔ)給。兩個(gè)循環(huán)液泵入口前設(shè)置互接管道，當(dāng)一臺(tái)泵出現(xiàn)問題時(shí)可相互備用，也可交換抽取另一座循環(huán)液槽中的循環(huán)噴灑液。

在上下段噴灑液從橫管初冷器流出后，在進(jìn)入循環(huán)液槽之前設(shè)置U型彎管，代替原有工藝中的煤氣水封，用管道代替設(shè)備，減少設(shè)備的維護(hù)和腐蝕。U型彎管內(nèi)存液的高度應(yīng)當(dāng)能夠滿足封堵最大設(shè)計(jì)時(shí)的煤氣壓力，另外彎管底部設(shè)置有排污口，將存積的雜物和污泥在進(jìn)入循環(huán)液槽之前進(jìn)行清除，同時(shí)還可以起到緩解管道應(yīng)力的作用。

3.3 輕質(zhì)焦油的供給與補(bǔ)充

從焦化廠焦油儲(chǔ)存區(qū)的焦油成品儲(chǔ)槽中上部安裝三個(gè)外排口，每個(gè)豎向間距0.8 m～1.0 m，每個(gè)外排口均配備有閥門，需要補(bǔ)液時(shí)可根據(jù)焦油槽的也為高低開啟相應(yīng)的的外排口閥門，循環(huán)液槽補(bǔ)充輕質(zhì)焦油的操作周期和補(bǔ)液量根據(jù)運(yùn)行調(diào)試時(shí)確定，以保證輕質(zhì)焦油在循環(huán)液中的含量不低于40%，以50%左右為宜。

需要補(bǔ)油的地方主要有上、下段循環(huán)液槽和地下槽，也可以通過地下槽泵打到上下段循環(huán)液槽，以及焦油氨水澄清槽等需要輕質(zhì)油清洗的地方。

3.4 下段循環(huán)液槽液位的控制

在系統(tǒng)運(yùn)行中，為了維持設(shè)備內(nèi)的液位溫度，需要在循環(huán)液槽底部安裝壓力液位變送器，與下段循環(huán)噴灑泵出口支管的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行連鎖，根據(jù)液位高低調(diào)節(jié)閥門開度，泵出口支管管路通向焦油氨水澄清槽。為了方便人工調(diào)節(jié)，還可以在循環(huán)液槽側(cè)面安裝磁翻板液位計(jì)，以便人工現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和校核液位準(zhǔn)確度。

原有循環(huán)噴灑泵大多采用不銹鋼化工泵，可以改為配備變頻電機(jī)的化工泵，可對(duì)噴灑泵的頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，根據(jù)運(yùn)行情況調(diào)整噴灑液流量。

3.5 循環(huán)液槽內(nèi)擴(kuò)散管的設(shè)計(jì)

循環(huán)液在進(jìn)入槽內(nèi)時(shí)，應(yīng)充分考慮循環(huán)液的沖擊力和擴(kuò)散管的熱脹冷縮，為了避免因沖擊力到來的管體抖動(dòng)，應(yīng)在管端與槽底設(shè)置間隙，并且在槽底設(shè)置卡條，卡在擴(kuò)散管壁內(nèi)外側(cè)，并留有間隙。擴(kuò)散管壁上應(yīng)設(shè)計(jì)長條形放散孔，以便循環(huán)液外溢，孔長100 mm～200 mm，孔寬10 mm～15 mm，為了保證美觀，可采用數(shù)控火焰切割或者等離子切割，每個(gè)長條孔間距可設(shè)計(jì)為50 mm～100 mm，沿管壁圓周均布。

4 實(shí)際案例改造情況

陜西黃陵煤化工有限責(zé)任公司在2019年9月對(duì)現(xiàn)有的五臺(tái)煤氣初冷器進(jìn)行改造，目前已基本解決運(yùn)行中阻力大和結(jié)萘問題。五臺(tái)煤氣初冷器均為6 331 m2的橫管初冷器，平時(shí)運(yùn)行模式為四開一備，每臺(tái)設(shè)計(jì)處理煤氣量4萬m3/h，總運(yùn)行煤氣量為15萬m3/h～16萬m3/h。

在項(xiàng)目改造前，初冷器運(yùn)行阻力達(dá)到1 600 Pa，設(shè)備內(nèi)部管壁結(jié)萘嚴(yán)重，經(jīng)研究后準(zhǔn)備對(duì)煤氣初冷器進(jìn)行改造。改造初期對(duì)設(shè)備進(jìn)行開方形人孔，并采取了加固措施，使用蒸汽加熱以及人工方式對(duì)結(jié)萘問題進(jìn)行清洗，并對(duì)焊接和切割區(qū)域進(jìn)行打磨。清洗干凈后在段塔盤底部開設(shè)兩個(gè)排液口，呈180 ℃對(duì)稱布置，引出后合并引至新增設(shè)的旋流式萘分離器進(jìn)行分離。新增加了一座56 m3的下段循環(huán)液槽，原有的儲(chǔ)槽作為上段循環(huán)液槽使用。拆除原有的循環(huán)噴灑泵，更換為變頻泵，下段循環(huán)噴灑泵流量為300 m3/h，上段循環(huán)噴灑泵流量為240 m3/h。下段噴灑泵供應(yīng)下段的一層噴淋層進(jìn)行噴灑，連續(xù)運(yùn)行，上段噴灑泵供應(yīng)初冷器上段的兩層噴淋層，因焦?fàn)t煤氣是從初冷器頂部進(jìn)入，溫度相對(duì)較高，結(jié)萘情況相對(duì)不嚴(yán)重，因此上段頂層的噴淋層為間斷運(yùn)行。增設(shè)了從焦油庫的輕質(zhì)焦油槽補(bǔ)液管道，定期向循環(huán)液槽補(bǔ)充輕質(zhì)焦油，以保證輕質(zhì)焦油在循環(huán)噴灑液中的含量。

在初冷器改造完成后，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行阻力進(jìn)行測(cè)定，初冷器阻力在700 Pa～800 Pa之間，初冷器上段頂層噴淋層每月開啟一次，每次運(yùn)行2 h～3 h即可，設(shè)備結(jié)萘現(xiàn)象有很大緩解，初冷器運(yùn)行阻力比改造前的1 500 Pa～1600 Pa有大幅度降低，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)噴灑泵可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況可調(diào)性操作。對(duì)后續(xù)風(fēng)機(jī)、電捕焦油器等設(shè)備的運(yùn)行也起到了減負(fù)作用。

5 結(jié)語

焦化企業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)鋼鐵企業(yè)的燃料供應(yīng)，不僅包括高爐所需的焦炭，還有加熱爐、轉(zhuǎn)爐、熱風(fēng)爐、燒結(jié)機(jī)等所需要的焦?fàn)t煤氣，因此把握好焦化廠化產(chǎn)回收車間的穩(wěn)定運(yùn)行十分重要，煤氣初冷作為化產(chǎn)車間的第一個(gè)工段，煤氣的處理質(zhì)量牽涉到諸多生產(chǎn)單元的燃?xì)夤?yīng)，初冷器的及時(shí)改造可以較大程度上解決煤氣初冷器運(yùn)行不暢的問題，也可以給其他工序帶來燃?xì)夤?yīng)保障，同時(shí)也可以減少煤氣風(fēng)機(jī)的運(yùn)行壓力，節(jié)省運(yùn)行成本和人工檢修的負(fù)擔(dān)。