管壳式换热器为主体的酸气冷凝净化器改造方案

李少松

摘 要：国内多家大型焦化厂使用真空碳酸钾脱硫技术加WSA制酸工艺，脱除和处理焦炉煤气中的硫化氢气体（焦化厂称之为酸气）。由于脱硫富液在加热解析过程中，有大量轻质焦油、萘、水分和煤粉混合在硫化氢气体中。这些物质经常堵塞酸气输送管道、制酸焚烧炉喷嘴甚至是制酸催化剂。管道及设备清理频率高，而且清理出的结垢物质属于危废，存放、运输要求很严格。需要一种自带清洁功能的净化设备，进一步净化硫化氢气体，减少酸气管道及制酸设备的堵塞，提高设备开工率。

关键词：管壳式换热器;硫化氢气体;管内结垢;生产循环水

我们厂焦炉煤气产量每小时10万m3，平均硫化氢含量7g/m3，配备两套真空碳酸钾脱硫系统。生产过程中，平均两周左右就需要使用化学溶剂，清洗一次酸气输送管道道，并拆卸清洗焚烧炉酸气喷烧嘴，严重影响生产节奏。通过分析酸气管道及制酸设备中附着堵塞物的基本性质，参考脱硫再生系统酸气冷凝冷却器原理，设计了一套带清洗功能的酸气冷凝净化器，方案如下：

1 酸气冷凝净化器的结构示意图

2 工作原理

2.1 冷凝净化过程

低温水通入冷凝净化器的壳程，高进低出，管径选用DN50，水流量基本控制为14m3/h，压力0.6MPa，入口温度16℃;酸气进入管程，低进高出，每小时流量1000m3/h，入口温度32～35℃。酸气进入换热器后通流面积增大流速降低，并冷却降温将混合状态下的萘、焦油、液滴等物质凝结在换热管内壁上。

2.2 冷凝净化器管程内壁清洗过程：

清洗净化器管程操作：①关闭酸气进、出口阀门;②关闭排液管阀门;③关闭低温水进口阀门;④打开蒸汽进口阀门和排液管阀门;⑤打开循环氨水进、出口阀门;⑥打开导气阀让残余酸气进入酸气出口管道，使循环氨水注满换热器管程，当管壁升温后管壁阀门，设备进入冲洗状态。

3 生产循环氨水对酸管内结垢物的溶解实验

4 酸气冷凝净化器验算过程

4.1 冷凝净化器器技术参数：

设计压力：管程 0.9MPa，壳程 0.9MPa;

工作压力：管程 0.03～0.6MPa，壳程 0.6MPa;

设计温度：管程 100℃，壳程 180℃a;

物料名称：管程 硫化氢气体或循环氨水，壳程 低温循环水或蒸汽;

换热面积：82㎡;操作重量 9500kg;

容器类别：一类。

4.2 换热效果验算

已知，硫化氢的相对密度1.189kg/m3，酸气比热容接近于空气1.003kJ/（kg*k），流速1000m3/h;低温循环水的比热容为4.2kJ/（kg*k），流速14m3/h。

假设换热管内壁结垢前，硫化氢进口温度为T1'，出口温度为T1"，每小时释放热量为Q1，流速为V1，比热为c1，那么：

Q1=（T1'-T1"）·V1·ρ1·c1·1h

假设T1"=18℃，T1'=35℃

那么Q1=17℃×1.189kg/m3×1000m3/h×1.003kJ/（kg*k）=

20273.6kJ;

假设换热管内壁结垢前，低温水进口温度为T2'，出口温度为T2"，每小时释放热量为Q2，流速为V2，比热为c2，不考虑热量损失的条件下，Q1=Q2，由Q2=（T2"-T2'）·V2·ρ2·c2·1h，得T2"≈16.4℃;

换热面积计算公式：

其中，Q是换热量，单位W（J/s）;k是污垢系数一般取08～0.9;K是传热系数（冷介质水与热介质气体的总传热效率系数K，取值范围17～280w/（m2·℃））;△tm是对数平均温差;

对数平均温差：

将假设温度值代入方程式

得，△tm≈7.5℃

推导公式：

代入已知数值（k取0.8，）

得出，K=11w/（m2·℃），低于管壳式换热器最小传热系数。

综上分析，在硫化氢气体流速1000m3/h，温度35℃;低温水流速14m3/h，温度16℃;条件下，酸气冷凝净化器在起初阶段，可将酸气出口温度降至18℃。

4.3 管程阻力計算

换热器的换热面积为82m2，管程总的通流面积为0.4m2，（酸气管道通径200mm，通流面积为0.031m2），换热器管程总通径面积是酸管的12.9倍，流速为酸管内流速的1/13。

设单根换热管的管程阻力为△Pm（单位：Pa），总阻力为△P;

圆形风管摩擦阻力计算公式，

其中，λ为摩擦阻力系数（空气对钢取0.02），v为气流速度（单位：m/s），ρ为硫化氢气体密度（单位：kg/m3），l为管道长度（单位：m），D为风管（换热管）通径（单位：m）;

l=1.986m，D=80mm=0.08m

△Pm=0.14Pa，△P=△Pm×80=11Pa

当换热管内壁结垢平均厚度为10mm时，设管程阻力为△Pm'（单位：Pa），总阻力为△P'，换热管实际通径D'=0.08m-0.02=0.06m，摩擦阻力系数λ'=0.04（气体与结垢物摩擦），那么

△Pm'=0.374Pa，△P=△Pm'=×80=29.92Pa。

5 总结

以管壳式换热器为基础设计的酸气冷凝净化器，能够高效冷凝酸气中的混合物使之结垢滞留于换热管内壁，使用焦炉生产循环氨水进行周期性清洗，可溶解清洗换热管内壁。可消除硫化氢外送管道及制酸设备频繁堵塞的现象，而且无二次污染的清洗方式，在现今焦化行业的环保提升进程中值得推广。