電石爐煤氣干法冷卻器的設計

吳光有，薛芙蓉

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

前言

目前，我國電石生產多采用密閉式電石爐生產工藝。采用該工藝產生的電石爐粗煤氣經初步冷卻和高溫干法除塵處理后，煤氣溫度約為200 ℃[1]。為了滿足進煤氣柜的需要，需對煤氣進一步降溫至60 ℃以下。我國北方地區由于缺水，目前常用干法冷卻裝置進行降溫。

北方某電石生產廠家電石爐煤氣進一步降溫擬采用列管式強制吹風干法冷卻裝置。列管呈水平錯排布置。列管內通過高溫煤氣，列管下方安裝兩臺軸流風機，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。

電石爐煤氣具體設計參數如下。

（1）干法冷卻器進口溫度：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 干法冷卻裝置的結構

電石爐煤氣干法冷卻器結構如圖1所示。

圖1 電石爐煤氣干法冷卻器結構

煤氣由左側水平進入冷卻器內，從冷卻器右側排出。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機從下往上，橫向掠過不銹鋼冷卻管束。2 臺軸流風機運行方式根據煤氣進出口溫度進行選擇控制。

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 干法冷卻裝置設計計算過程

2.1 傳熱系數K的計算

（1）電石爐煤氣對管內壁的對流傳熱系數αi的計算。

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

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

表2 電石爐煤氣性質

★電石爐煤氣通道的有效斷面積：

★電石爐煤氣平均流速：

★電石爐氣對管內壁的對流傳熱系數：

（2）空氣對管外壁的對流傳熱系數α0的計算

一套干法冷卻設備設置2臺軸流風機，每臺風機風量取51 000 m3/h（0 ℃，標準大氣壓）。環境溫度取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 ℃。查相關資料[2-3]經換算得知。40.6 ℃時空氣的性質如表3所示。

表3 40.6 ℃時空氣性質

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：

★空氣流動雷諾數為：

★空氣流動努塞爾數為：

★空氣對管外壁的對流傳熱系數α0為：

★傳熱系數K的計算為：

2.2 傳熱面積的計算

★對數平均溫差的計算為：

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為垂直交叉，所以應乘以0.98的溫差修正系數。

★實際對數平均溫差的計算為：

★換熱面積為：

★不銹鋼冷凝管束的根數為：

假設的827根滿足換熱要求[4]。

2.3 軸流風機選型計算

（1）軸流風機風量的計算

每臺風機入口風量（35 ℃，標準大氣壓）的計算為：

（2）軸流風機風壓的計算

該型式冷卻設備空氣冷卻側的阻損包括：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算為：

式中：n1——不銹鋼冷凝管束在氣流方向的列數，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；

★空氣出口阻損的計算為：

式中：ζ——出口局部阻力系數，取1.0；

★空氣總阻力的計算為：

★每臺軸流風機風壓的計算為：

3 結語

通過電石爐煤氣干法冷卻器的具體設計計算，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。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機從下往上，橫向掠過不銹鋼冷卻管束。軸流風機選擇風量為57 539 m3/h（35 ℃，標準大氣壓）。軸流風機運行臺數根據煤氣進出口溫度進行選擇控制。