电石炉煤气干法冷却器的设计

吴光有，薛芙蓉

（1.中冶华天南京工程技术有限公司；2.南京雷尔伟新技术股份有限公司，江苏南京 210019）

前言

目前，我国电石生产多采用密闭式电石炉生产工艺。采用该工艺产生的电石炉粗煤气经初步冷却和高温干法除尘处理后，煤气温度约为200 ℃[1]。为了满足进煤气柜的需要，需对煤气进一步降温至60 ℃以下。我国北方地区由于缺水，目前常用干法冷却装置进行降温。

北方某电石生产厂家电石炉煤气进一步降温拟采用列管式强制吹风干法冷却装置。列管呈水平错排布置。列管内通过高温煤气，列管下方安装两台轴流风机，使得空气由换热列管下方向上通过列管换热器带走煤气中的热量。

电石炉煤气具体设计参数如下。

（1）干法冷却器进口温度：200 ℃；

（2）干法冷却器出口温度：60 ℃；

（3）电石炉煤气量：7 000 m3/h；

（4）电石炉煤气含尘量：≤50 mg/m3；

（5）电石炉煤气焦油含量：≤10 mg/m3；

（6）电石炉煤气成分见表1。

表1 电石炉煤气成分

1 干法冷却装置的结构

电石炉煤气干法冷却器结构如图1所示。

图1 电石炉煤气干法冷却器结构

煤气由左侧水平进入冷却器内，从冷却器右侧排出。煤气在冷却器的不锈钢冷却管束中被冷却。不锈钢冷却管束中沉淀下来的少量灰尘和焦油，可以通过加药水冲洗或者高温蒸汽定期清除。冷却空气则由轴流风机从下往上，横向掠过不锈钢冷却管束。2 台轴流风机运行方式根据煤气进出口温度进行选择控制。

不锈钢冷却管束排列方式如图2所示。

图2 不锈钢冷却管束排列方式图

2 干法冷却装置设计计算过程

2.1 传热系数K的计算

（1）电石炉煤气对管内壁的对流传热系数αi的计算。

计算电石炉煤气对管内壁的对流传热系数αi时，由于电石炉煤气入口温度为200 ℃，故不考虑辐射，仅计算对流换热。

按电石炉煤气平均温度为（200+60）/2=130 ℃。查相关资料[2-3]经换算得知。电石炉煤气130 ℃的性质如表2所列。

表2 电石炉煤气性质

★电石炉煤气通道的有效断面积：

★电石炉煤气平均流速：

★电石炉气对管内壁的对流传热系数：

（2）空气对管外壁的对流传热系数α0的计算

一套干法冷却设备设置2台轴流风机，每台风机风量取51 000 m3/h（0 ℃，标准大气压）。环境温度取35 ℃。35 ℃时空气定压体积热容取C空气=1.3 kJ/m3·k。

★电石炉煤气从0～200 ℃的平均定压摩尔热容：

★电石炉煤气从0～200 ℃的平均定压摩尔热容：

★电石炉气放热量：

★空气吸热后由35 ℃升至ta℃：

按空气平均温度为（46.15+35）/2=40.6 ℃。查相关资料[2-3]经换算得知。40.6 ℃时空气的性质如表3所示。

表3 40.6 ℃时空气性质

冷却器的长×宽×高：6 m×3.5 m×1.5 m，错流的Sz=49 mm，St=60 mm，

★每组空气流通的最小截面积为：

★冷却器中空气平均流速：

★空气流动雷诺数为：

★空气流动努塞尔数为：

★空气对管外壁的对流传热系数α0为：

★传热系数K的计算为：

2.2 传热面积的计算

★对数平均温差的计算为：

式中：Δt1=200-46.15=153.85 ℃；

Δt2=60-35=25 ℃。

因电石炉煤气流向与空气流向为垂直交叉，所以应乘以0.98的温差修正系数。

★实际对数平均温差的计算为：

★换热面积为：

★不锈钢冷凝管束的根数为：

假设的827根满足换热要求[4]。

2.3 轴流风机选型计算

（1）轴流风机风量的计算

每台风机入口风量（35 ℃，标准大气压）的计算为：

（2）轴流风机风压的计算

该型式冷却设备空气冷却侧的阻损包括：空气横掠管束阻损和空气出口阻损。

★空气横掠管束阻损的计算为：

式中：n1——不锈钢冷凝管束在气流方向的列数，取29列；

ρ46.15——46.15 ℃时空气密度，取1.106 kg/m3；

u2——出口46.15 ℃时空气流速，u2=ρ40.6/ρ46.15×u1=2.513 m/s；

★空气出口阻损的计算为：

式中：ζ——出口局部阻力系数，取1.0；

★空气总阻力的计算为：

★每台轴流风机风压的计算为：

3 结语

通过电石炉煤气干法冷却器的具体设计计算，煤气在冷却器的不锈钢管束中被冷却。Φ45的不锈钢冷却管束采用错排的方式，布置在长×宽×高为6 m×3.5 m×1.5 m的冷却器内。总共布置29行，其中15行含29根冷却管束、14行含28根冷却管束。

冷却空气则由轴流风机从下往上，横向掠过不锈钢冷却管束。轴流风机选择风量为57 539 m3/h（35 ℃，标准大气压）。轴流风机运行台数根据煤气进出口温度进行选择控制。