煤氣初冷器防止結萘堵塞問題的技術研究

侯建勇，李 潔

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

引 言

在我國焦化企業的化產回收車間，煤氣初冷是第一道工序，焦爐煤氣經上升管、集氣管、氣液分離器后引至煤氣初冷器進行冷卻，隨著煤氣溫度的下降，也會伴有焦油和萘析出，在煤氣初冷器的實際運行中，普遍存在著煤氣初冷器阻力增大的現象，初冷器內部換熱管外壁結萘嚴重，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，也增加了后續設備的運行負擔。為了解決這個困擾企業生產上的煤氣冷卻問題，需要從煤氣初冷器結萘堵塞的原因上進行調查和分析。

1 焦化企業煤氣初冷器的工作原理及運行

1.1 煤氣初冷器的類型及工作原理

焦爐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構的限制，加上焦化企業煤氣產能的不斷擴大，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，換熱介質采用中溫和低溫水，水在管程中流動，通過管壁與在殼程中流動的煤氣進行換熱。橫管煤氣初冷器一般分為上下兩段結構，上段與下段之間有段塔盤進行分隔，橫管初冷器上段有單級噴灑和雙級噴灑兩種冷卻方式，下段一般為單級噴灑冷卻。

通常來自焦爐82 ℃左右的荒煤氣與循環氨水，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入，從底部排出，經煤氣鼓風機送往電捕焦油器及下游工段。焦爐煤氣中的冷凝水、焦油、萘析出，以及夾帶的少量氨水，隨著循環冷卻噴灑液的循環，一并進入循環液槽和焦油氨水澄清槽。

1.2 部分焦化企業煤氣初冷器的運行現狀

目前許多企業煤氣初冷器運行時普遍存在設備阻力增大，從設計阻力700 Pa上升到1 600 Pa，甚至更高，系統阻力的增加也會給煤氣鼓風機的運行帶來隱患，對化學產品的回收形成制約。冷卻器內部的冷卻管一般有三級，采用上段兩級中溫水換熱，下段一級低溫水換熱，煤氣經三級冷卻后，溫度從82℃左右下降至出口時的21 ℃～23 ℃。目前大多企業采用焦油氨水混合液作為循環噴灑液，配備循環液槽和循環泵，再將循環液槽底部的重質油用泵送至機械化焦油氨水澄清槽，進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 煤氣初冷器橫管內部設備問題

隨著煤氣溫度的降低，便會在橫管初冷器內壁換熱列管外壁上結萘，因萘是無色片狀結晶體，同時與重質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，從而造成設備運行阻力增大，甚至還會迫使焦爐進行煤氣放散，污染大氣。

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

2.2 循環噴灑液的油質選擇

循環噴灑液通常為焦油氨水混合液，隨著運行時間的增加，噴灑液中的酚、萘、蒽等成分富集，加上灰塵等雜質的影響，會造成噴灑液效果降低，在實際生產過程中，需要保持輕質焦油的含量在40%～60%之間，如果噴灑液內輕質焦油的含量過低，換熱管上黏結的萘和重質焦油就會難以溶解在噴灑液內，影響沖洗效果。造成此種現象的主要原因就是無法及時更新更換循環噴灑液，無法長期保證油質。另外，實際運行中也應該根據處理煤氣量的不同，循環泵采用變頻控制，相對應地調整循環噴灑液的流量。

2.3 煤氣出口溫度的控制

針對冷卻煤氣的循環水和低溫水，應當安裝遠傳儀表，隨時進行溫度監控。由于冬季與夏季水溫差別較大，需要對循環水水量進行適當調節，以保證煤氣出口溫度控制在21 ℃～23 ℃以內，若溫度過高或偏低，均會給后期設備運行帶來不便。溫度過高會影響焦油的產出與回收，溫度過低會加大萘的析出量，增加設備與管道的堵塞。溫度的降低也會使循環噴灑液粘度增加，流動性變差，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 工藝技術的優化與改進

3.1 增設旋流式萘分離器

在初冷器上段的段塔盤底部設置兩個出口管，一并匯集到旋流式萘分離器內，上段底部的噴灑液經分離器分離后，將重質噴灑液送至焦油氨水澄清槽，輕質噴灑液返回循環液槽進行循環噴灑。段塔盤上部的輕質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置旋流式萘分離器，從上段溢流過來的輕質噴灑液相對含萘量較低，可循環使用。但煤氣初冷器堵塞嚴重時，也可在下段增設萘分離器。

旋流式萘分離器根據循環噴灑液的靜置和沉淀，沖洗掉的萘以及析出的萘和雜質會在下端沉積，經分離器底部排出，輕質噴灑液會經過上端排出，在分離器上端和下端分別設置沖洗和液位調節閥，保持分離器內噴灑液的恒定。

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

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化

如果生產企業有多臺煤氣初冷器并聯運行時，可配備兩座循環液槽，各初冷器的上段噴灑液回流進上段循環液槽，下段噴灑液進下段循環液槽，采用上段循環液泵專供上段兩層噴灑液，下段循環液泵專供下段一層噴灑液的供給模式。

兩座循環液槽之間采用連通管進行連接，以便中上部輕質循環液相互補給。兩個循環液泵入口前設置互接管道，當一臺泵出現問題時可相互備用，也可交換抽取另一座循環液槽中的循環噴灑液。

在上下段噴灑液從橫管初冷器流出后，在進入循環液槽之前設置U型彎管，代替原有工藝中的煤氣水封，用管道代替設備，減少設備的維護和腐蝕。U型彎管內存液的高度應當能夠滿足封堵最大設計時的煤氣壓力，另外彎管底部設置有排污口，將存積的雜物和污泥在進入循環液槽之前進行清除，同時還可以起到緩解管道應力的作用。

3.3 輕質焦油的供給與補充

從焦化廠焦油儲存區的焦油成品儲槽中上部安裝三個外排口，每個豎向間距0.8 m～1.0 m，每個外排口均配備有閥門，需要補液時可根據焦油槽的也為高低開啟相應的的外排口閥門，循環液槽補充輕質焦油的操作周期和補液量根據運行調試時確定，以保證輕質焦油在循環液中的含量不低于40%，以50%左右為宜。

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

3.4 下段循環液槽液位的控制

在系統運行中，為了維持設備內的液位溫度，需要在循環液槽底部安裝壓力液位變送器，與下段循環噴灑泵出口支管的調節閥進行連鎖，根據液位高低調節閥門開度，泵出口支管管路通向焦油氨水澄清槽。為了方便人工調節，還可以在循環液槽側面安裝磁翻板液位計，以便人工現場觀測和校核液位準確度。

原有循環噴灑泵大多采用不銹鋼化工泵，可以改為配備變頻電機的化工泵，可對噴灑泵的頻率實現調節控制，根據運行情況調整噴灑液流量。

3.5 循環液槽內擴散管的設計

循環液在進入槽內時，應充分考慮循環液的沖擊力和擴散管的熱脹冷縮，為了避免因沖擊力到來的管體抖動，應在管端與槽底設置間隙，并且在槽底設置卡條，卡在擴散管壁內外側，并留有間隙。擴散管壁上應設計長條形放散孔，以便循環液外溢，孔長100 mm～200 mm，孔寬10 mm～15 mm，為了保證美觀，可采用數控火焰切割或者等離子切割，每個長條孔間距可設計為50 mm～100 mm，沿管壁圓周均布。

4 實際案例改造情況

陜西黃陵煤化工有限責任公司在2019年9月對現有的五臺煤氣初冷器進行改造，目前已基本解決運行中阻力大和結萘問題。五臺煤氣初冷器均為6 331 m2的橫管初冷器，平時運行模式為四開一備，每臺設計處理煤氣量4萬m3/h，總運行煤氣量為15萬m3/h～16萬m3/h。

在項目改造前，初冷器運行阻力達到1 600 Pa，設備內部管壁結萘嚴重，經研究后準備對煤氣初冷器進行改造。改造初期對設備進行開方形人孔，并采取了加固措施，使用蒸汽加熱以及人工方式對結萘問題進行清洗，并對焊接和切割區域進行打磨。清洗干凈后在段塔盤底部開設兩個排液口，呈180 ℃對稱布置，引出后合并引至新增設的旋流式萘分離器進行分離。新增加了一座56 m3的下段循環液槽，原有的儲槽作為上段循環液槽使用。拆除原有的循環噴灑泵，更換為變頻泵，下段循環噴灑泵流量為300 m3/h，上段循環噴灑泵流量為240 m3/h。下段噴灑泵供應下段的一層噴淋層進行噴灑，連續運行，上段噴灑泵供應初冷器上段的兩層噴淋層，因焦爐煤氣是從初冷器頂部進入，溫度相對較高，結萘情況相對不嚴重，因此上段頂層的噴淋層為間斷運行。增設了從焦油庫的輕質焦油槽補液管道，定期向循環液槽補充輕質焦油，以保證輕質焦油在循環噴灑液中的含量。

在初冷器改造完成后，對系統運行阻力進行測定，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，每次運行2 h～3 h即可，設備結萘現象有很大緩解，初冷器運行阻力比改造前的1 500 Pa～1600 Pa有大幅度降低，實現了循環噴灑泵可根據實際運行情況可調性操作。對后續風機、電捕焦油器等設備的運行也起到了減負作用。

5 結語

焦化企業的穩定運行關系到整個鋼鐵企業的燃料供應，不僅包括高爐所需的焦炭，還有加熱爐、轉爐、熱風爐、燒結機等所需要的焦爐煤氣，因此把握好焦化廠化產回收車間的穩定運行十分重要，煤氣初冷作為化產車間的第一個工段，煤氣的處理質量牽涉到諸多生產單元的燃氣供應，初冷器的及時改造可以較大程度上解決煤氣初冷器運行不暢的問題，也可以給其他工序帶來燃氣供應保障，同時也可以減少煤氣風機的運行壓力，節省運行成本和人工檢修的負擔。