空冷器在煤制乙二醇裝置內的應用

陳學聰，李成科，蘇子義，趙勝利

（陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

隨著國家對環境保護的嚴格要求和工業的快速發展，對水資源的需求日益增加，水價格也逐漸開始上漲，煤化工企業作為用水量較大的用戶，開始出現缺水的現象，這樣就限制了企業的發展，為了解決這一難題，20世紀30年代學者開始研究新的冷卻介質來替代水。由于空氣具有廉價、環保、換熱性能好等突出優點，被研究人員開始作為冷卻介質進行全方面的開發，自此空冷技術在煤化工領域得到了廣泛的應用[1]。

使用空氣作為冷卻介質也有一定的缺點[2]。第一，空氣的熱焓太低，空氣的比熱與水相比較，只有水的四分之一，因此分別用水和空氣冷卻相同的負荷時，空氣用量是水用量的四倍，空氣用量較大。第二，空氣的密度和換熱系數與水相比較，其值遠遠小于水，為了使空冷器有較好的換熱效果，在制造空冷器冷卻設備時，需要較大的換熱面積來進行換熱，因此空冷器的體積要遠遠大于水冷器設備，不方便組裝，占地面積大。第三，受環境因素影響較大。在西北地區空氣溫度隨著季節、晝夜變化較大，導致被冷卻介質的出口溫度難以實現穩定的控制。為了解決這些問題，提高冷卻性能，擴大空冷器的使用范圍，技術人員對空冷器進行了全面的改進，如化工物料在生產過程中一般都處于高溫狀態，為了能夠將高溫物料得到充分的冷凝，研究學者開發了濕式空冷器；由于空冷器需要較大的換熱面積，因此空冷器占地面積也就相應的變大，為了解決空冷設備占地面積大的問題，開發了干-濕聯合空冷器；為了解決空氣傳熱效率差的問題，發明了蒸發式空冷器和板式空冷器；為了適應低氣溫與高粘、易凝流體的冷卻，設計出了內、外熱風再循環，自調百葉窗，加熱蒸汽盤管，電加熱，內翅片管等；為了解決由于環境因素導致的出口溫度控制差的問題，發明了變頻風機和自調傾角風機；為了提高管束的耐腐蝕性能，研究人員開發了幾十種不同類型的翅片管；為了降低空冷器在運行過程中產生的噪聲大的問題，發明了眾多風機葉型和傳動形式。通過技術人員對空冷器進行全面的改進，空冷器的結構型式日趨多樣和完善。

1 空冷器組成和工作原理

空冷器系統一般由空冷器凝汽器系統、排氣管道系統、凝結水系統、抽真空系統、清洗系統、電氣系統、儀表和控制系統、減溫減壓裝置、隔離閥等組成[3]。

空冷器本質上是一種間壁式換熱器，裝置結構較為簡單，具有操作壓力低、節能環保等優點。空冷器的工作原理是利用環境中的低溫空氣與化工生產過程中的高溫介質或者蒸汽進行強制換熱，從而使高溫介質或蒸汽得到冷卻達到回收的目的[4]。其傳熱過程可用（1）式來表述：

其中：Q—熱流量，W；

K—傳熱系數，W/m2·K；

A—傳熱面積，m2；

ΔT—兩種介質間的溫差，K；

以空冷器在汽輪機機組中的應用為例來說明空冷器的工作原理。首先由于汽輪機要在真空狀態下進行工作，因此空冷器在汽輪機機組中有很重要的作用，它的起作用主要有兩個，一是建立并且維持汽輪機內部的真空狀態，使進入汽輪機的蒸汽盡可能地做功，防止熱能的浪費；二是使在汽輪機機組做完功的蒸汽乏氣冷凝成水送到冷凝液管網回收利用。具體工作流程如下，蒸汽乏氣通過與汽輪機排汽出口連接的排汽管道進入到空冷器的蒸汽分配管線，經過合理的分配后進入空冷器設備的順流管束，該管束與由風機送來的冷空氣進行換熱，最終將管束內的氣相物料冷凝下來進入冷凝液箱，未冷凝下來的氣相物料再次進入到逆流管束中再行二次冷凝，冷凝下來的液相物料進入冷凝箱中。二次冷凝后余下的不凝汽被射汽抽氣器抽出后排到界外來維持真空。為了應對不同的環境溫度，軸流風機可以調節變頻器來改變風機轉速，從而通過控制冷空氣的流量來控制換熱量。

2 空冷器種類及特性

根據不同的生產工況，空冷器的選用類型也有所不同。空冷器可以根據冷卻方式、管束布置形式和通風形式的不同分為三類。其中按照冷卻形式可以分為干式空冷器、濕式空冷器和干-濕聯合空冷器；按照管束布置形式可以分為圓頂式空冷器、立式空冷器、水平式空冷器和斜頂式空冷器；按照通風形式可以分為強制通風空冷器、自然通風空冷器和誘導通風空冷器[5]。空冷器的主要特性主要有以下幾個方面[6]：

（1）能源消耗方面：與水冷器相比較而言，水冷器冷卻物料需要消耗大量的循環水，因此水資源浪費比較嚴重。而空冷器主要是利用外界的空氣和高溫物料進行換熱，在換熱過程中沒有水的消耗，因此空冷器具有較強的節水性能。

（2）占地面積方面：由于空冷器的冷卻效果與其高度成正比關系，因此在空冷器安裝過程中都會使用鋼結構將其抬高到一定的高度，這樣的布局就會節約大量的占地面積。

（3）環境保護方面：與水冷器相比較，空冷器的結構密封性比較好，泄漏機率較小，因此污染源可以在源頭上得到有效的控制，具有相當高的環保性。

（4）水冷器一般采用碳鋼材質，而且是使用循環水進行冷卻，因此水冷器的腐蝕速度較快，而空冷器是采用空氣進行冷卻，相比于水而言，腐蝕速度較慢，使用年限較長。

3 空冷器在煤制乙二醇裝置中的應用

陜煤集團榆林化學煤制乙二醇項目位于榆林市榆神工業區清水工業園區內，該園區建立在毛烏素沙漠上，獲取水資源比較困難。除此外，清水工業園區內還有許多大型的化工企業，這些大型化工企業的正常運行也需要大量的水資源，因此水資源比較緊缺。為了解決這些用水問題，合理利用水資源，陜煤集團榆林化學煤制乙二醇項目在工藝設計上增加了空冷器設備。

陜煤集團榆林化學煤制乙二醇項目包含的工段分別有DMO公用系統（41工段）、草酸二甲酯的合成（42工段）、CO氣體循環壓縮（43工段）、草酸二甲酯精餾（44工段）、碳酸二甲酯回收（47工段）、乙二醇合成（51工段）、H2氣體循環壓縮（52工段）、乙二醇精餾（53工段）、樹脂脫醛（54工段）、液相加氫工段（56工段）和乙醇分離（57工段），其中涉及到空冷器的工段主要有草酸二甲酯合成（42工段）、CO氣體循環壓縮（43工段）、草酸二甲酯精餾（44工段）、H2氣體循環壓縮（52工段）、乙二醇精餾（53工段）和乙二醇冰機（57工段）。

在42工段中共有18臺反應器，但由于反應器反應溫度（106℃）較低，因此汽包副產的蒸汽壓力等級比較低（30～50Kpa）且副產蒸汽量較大，無法并入到蒸汽管網中重復利用，若直接進行放空，則會導致水資源的大量浪費，為了回收利用這部分蒸汽，在汽包出口處設計了汽包空冷器（平頂式）對其進行冷凝，將其冷凝液進行回收利用。從表1可以看出進入汽包空冷器的水蒸氣溫度為106℃，空冷器的出口溫度為80℃，這可以證明汽包空冷器可以將水蒸氣冷凝為液態水。具體汽包空冷器工藝數據見表1。

表1 汽包空冷器工藝數據

由于生產負荷較大，在乙二醇生產過程中所有的壓縮機需要用汽輪機來驅動。在43、52和57工段中共有13汽輪機需要蒸汽來驅動，蒸汽消耗量較大，但是蒸汽不能全部被用來做功，經過汽輪機能量轉化后的乏氣進入空冷器（斜頂式）被冷凝下來匯聚到凝液管網回收利用。

在53工段中，主要有甲醇回收塔、脫水塔、脫醇塔、乙二醇產品塔和乙二醇回收塔。由于生產負荷比較大，需要配備多個冷凝器來對氣相物料進行冷凝，為了能夠達到較好的冷卻效果，分別在脫醇塔和乙二醇產品塔氣相出口處安裝了廢鍋設備，其原理是在廢鍋殼程中加入一定量的水，然后通過與高溫氣相物料進行換熱，將水汽化產生蒸汽進行再利用，但是由于副產蒸汽量較大，不能夠全部利用，因此為了回收部分蒸汽，在53工段中配備了空冷器（平頂式），其作用就是將不能利用的蒸汽全部冷凝為液態水進行回收，從而達到節水的目的。

在44工段中，常壓甲醇脫水塔塔頂氣相甲醇直接進入常壓塔空冷器（平頂式）中，與空冷器外界的空氣直接進行換熱，從而使氣相甲醇冷凝下來。從表2可以看出進入空冷器的物料流量較大，使用空冷器來冷卻是最佳的選擇。此外，甲醇的沸點為64.7℃，從表中可以看出進入空冷器的甲醇溫度是65℃，出空冷器的甲醇溫度是62℃，說明在空冷器中可以將大部分氣相甲醇冷凝下來。經過空冷器后還有少量的氣相甲醇，此時再通過小型的水冷器進行完全冷卻。若此過程直接使用水冷設備則需要大量的循環水進行冷卻，這樣會造成水資源的浪費。

表2 常壓塔空冷器工藝數據

4 結語

在水資源匱乏的西北地區，由于全年平均溫度低，氣候干燥，選用具有巨大節水潛力的空冷系統來代替傳統的水冷系統是最佳的選擇。本文闡述了陜煤集團榆林化學煤制乙二醇項目中一些工段增設空冷器的情況，通過空冷器可以回收利用大量的水資源。此外，通過空冷器來直接冷凝物料，可以節省布置水冷設備的投資并且節約大量的循環水，對企業的經濟效益有著一定的積極作用。