電石爐煤氣干法冷卻器的設(shè)計(jì)

吳光有，薛芙蓉

（1.中冶華天南京工程技術(shù)有限公司；2.南京雷爾偉新技術(shù)股份有限公司，江蘇南京 210019）

前言

目前，我國電石生產(chǎn)多采用密閉式電石爐生產(chǎn)工藝。采用該工藝產(chǎn)生的電石爐粗煤氣經(jīng)初步冷卻和高溫干法除塵處理后，煤氣溫度約為200 ℃[1]。為了滿足進(jìn)煤氣柜的需要，需對煤氣進(jìn)一步降溫至60 ℃以下。我國北方地區(qū)由于缺水，目前常用干法冷卻裝置進(jìn)行降溫。

北方某電石生產(chǎn)廠家電石爐煤氣進(jìn)一步降溫?cái)M采用列管式強(qiáng)制吹風(fēng)干法冷卻裝置。列管呈水平錯排布置。列管內(nèi)通過高溫煤氣，列管下方安裝兩臺軸流風(fēng)機(jī)，使得空氣由換熱列管下方向上通過列管換熱器帶走煤氣中的熱量。

電石爐煤氣具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

（1）干法冷卻器進(jìn)口溫度：200 ℃；

（2）干法冷卻器出口溫度：60 ℃；

（3）電石爐煤氣量：7 000 m3/h；

（4）電石爐煤氣含塵量：≤50 mg/m3；

（5）電石爐煤氣焦油含量：≤10 mg/m3；

（6）電石爐煤氣成分見表1。

表1 電石爐煤氣成分

1 干法冷卻裝置的結(jié)構(gòu)

電石爐煤氣干法冷卻器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電石爐煤氣干法冷卻器結(jié)構(gòu)

煤氣由左側(cè)水平進(jìn)入冷卻器內(nèi)，從冷卻器右側(cè)排出。煤氣在冷卻器的不銹鋼冷卻管束中被冷卻。不銹鋼冷卻管束中沉淀下來的少量灰塵和焦油，可以通過加藥水沖洗或者高溫蒸汽定期清除。冷卻空氣則由軸流風(fēng)機(jī)從下往上，橫向掠過不銹鋼冷卻管束。2 臺軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式根據(jù)煤氣進(jìn)出口溫度進(jìn)行選擇控制。

不銹鋼冷卻管束排列方式如圖2所示。

圖2 不銹鋼冷卻管束排列方式圖

2 干法冷卻裝置設(shè)計(jì)計(jì)算過程

2.1 傳熱系數(shù)K的計(jì)算

（1）電石爐煤氣對管內(nèi)壁的對流傳熱系數(shù)αi的計(jì)算。

計(jì)算電石爐煤氣對管內(nèi)壁的對流傳熱系數(shù)αi時，由于電石爐煤氣入口溫度為200 ℃，故不考慮輻射，僅計(jì)算對流換熱。

按電石爐煤氣平均溫度為（200+60）/2=130 ℃。查相關(guān)資料[2-3]經(jīng)換算得知。電石爐煤氣130 ℃的性質(zhì)如表2所列。

表2 電石爐煤氣性質(zhì)

★電石爐煤氣通道的有效斷面積：

★電石爐煤氣平均流速：

★電石爐氣對管內(nèi)壁的對流傳熱系數(shù)：

（2）空氣對管外壁的對流傳熱系數(shù)α0的計(jì)算

一套干法冷卻設(shè)備設(shè)置2臺軸流風(fēng)機(jī)，每臺風(fēng)機(jī)風(fēng)量取51 000 m3/h（0 ℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）。環(huán)境溫度取35 ℃。35 ℃時空氣定壓體積熱容取C空氣=1.3 kJ/m3·k。

★電石爐煤氣從0～200 ℃的平均定壓摩爾熱容：

★電石爐煤氣從0～200 ℃的平均定壓摩爾熱容：

★電石爐氣放熱量：

★空氣吸熱后由35 ℃升至ta℃：

按空氣平均溫度為（46.15+35）/2=40.6 ℃。查相關(guān)資料[2-3]經(jīng)換算得知。40.6 ℃時空氣的性質(zhì)如表3所示。

表3 40.6 ℃時空氣性質(zhì)

冷卻器的長×寬×高：6 m×3.5 m×1.5 m，錯流的Sz=49 mm，St=60 mm，

★每組空氣流通的最小截面積為：

★冷卻器中空氣平均流速：

★空氣流動雷諾數(shù)為：

★空氣流動努塞爾數(shù)為：

★空氣對管外壁的對流傳熱系數(shù)α0為：

★傳熱系數(shù)K的計(jì)算為：

2.2 傳熱面積的計(jì)算

★對數(shù)平均溫差的計(jì)算為：

式中：Δt1=200-46.15=153.85 ℃；

Δt2=60-35=25 ℃。

因電石爐煤氣流向與空氣流向?yàn)榇怪苯徊?，所以?yīng)乘以0.98的溫差修正系數(shù)。

★實(shí)際對數(shù)平均溫差的計(jì)算為：

★換熱面積為：

★不銹鋼冷凝管束的根數(shù)為：

假設(shè)的827根滿足換熱要求[4]。

2.3 軸流風(fēng)機(jī)選型計(jì)算

（1）軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量的計(jì)算

每臺風(fēng)機(jī)入口風(fēng)量（35 ℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）的計(jì)算為：

（2）軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的計(jì)算

該型式冷卻設(shè)備空氣冷卻側(cè)的阻損包括：空氣橫掠管束阻損和空氣出口阻損。

★空氣橫掠管束阻損的計(jì)算為：

式中：n1——不銹鋼冷凝管束在氣流方向的列數(shù)，取29列；

ρ46.15——46.15 ℃時空氣密度，取1.106 kg/m3；

u2——出口46.15 ℃時空氣流速，u2=ρ40.6/ρ46.15×u1=2.513 m/s；

★空氣出口阻損的計(jì)算為：

式中：ζ——出口局部阻力系數(shù)，取1.0；

★空氣總阻力的計(jì)算為：

★每臺軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的計(jì)算為：

3 結(jié)語

通過電石爐煤氣干法冷卻器的具體設(shè)計(jì)計(jì)算，煤氣在冷卻器的不銹鋼管束中被冷卻。Φ45的不銹鋼冷卻管束采用錯排的方式，布置在長×寬×高為6 m×3.5 m×1.5 m的冷卻器內(nèi)。總共布置29行，其中15行含29根冷卻管束、14行含28根冷卻管束。

冷卻空氣則由軸流風(fēng)機(jī)從下往上，橫向掠過不銹鋼冷卻管束。軸流風(fēng)機(jī)選擇風(fēng)量為57 539 m3/h（35 ℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）。軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺數(shù)根據(jù)煤氣進(jìn)出口溫度進(jìn)行選擇控制。