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毕业设计 年产120万吨冶金焦焦化厂鼓风冷凝阶段的初步设计


目录
摘要 .............................................................................................................................................. 3 ABSTRACT...................................................................................................................................... 4 引言.............................................................................................................................................. 5 1 文献综述.................................................................................................................................. 6 1.1 世界炼焦工业的发展...................................................................................................... 6 1.2 中国焦化工业现状.......................................................................................................... 6 1.2.1 如何提高焦炭质量 ..................................................................................................... 6 1.2.2 炼焦生产发展的趋势 ................................................................................................ 8 1.2.3 炼焦化学工业 .......................................................................................................... 8 1.2.4 焦炉煤气利用现状及发展思路 .............................................................................. 10 1.3 煤气的冷却原理及改进................................................................................................ 11 1.3.1 煤气的冷却原理 ...................................................................................................... 11 1.3.2 焦炉煤气冷凝工艺的改进 ....................................................................................... 11 1.3.3 煤气的鼓风工艺 ...................................................................................................... 12 1.3.4 鼓风工艺的改进: ................................................................................................... 13 2 设计内容与工艺方案及选型 ......................................................................................... 16 2.1 设计内容与方法............................................................................................................ 16 2.2 设备选择原则................................................................................................................. 17 2.3 三中煤气冷凝方法的优缺点及本设计的选型............................................................ 17 2.3.1 间接冷却 .................................................................................................................. 17 2.3.2 直接冷却 ................................................................................................................ 19 2.3.3 间直冷却 .................................................................................................................. 22 2.4 各种鼓风机的优缺点及本设计的选型........................................................................ 22 2.4.1 离心式鼓风机的构造 .............................................................................................. 23 2.4.2 罗茨鼓风机的构造 ................................................................................................... 24 3. 煤气的鼓风冷凝工段的工艺计算 .............................................................................. 25 3.1 集气管的工艺计算........................................................................................................ 25 3.1.1 原始数据 .................................................................................................................. 25 3.1.2 物料平衡 ................................................................................................................ 26 3.1.3 热平衡 ...................................................................................................................... 28 3.2 两段冷却流程的横管式煤气初冷器的初步冷却工艺计算及选型........................... 35 3.2.1 横管式煤气初冷器的物料衡算 ............................................................................... 35 3.2.2 进入横管初冷器的物料组成 ................................................................................ 36 3.2.3 一段初冷器出口煤气中水蒸汽的计算 ................................................................ 36 3.2.4 二段初冷器出口的物料衡算 ................................................................................ 37 3.2.5 横管式煤气初冷器的衡算 .................................................................................... 38 3.2.6 横管式煤气初冷器的冷却水量的计算 ................................................................ 38 3.2.7 冷却面积的计算及煤气初冷器的选择 ................................................................ 39 3.2.8 初冷器管板的拉脱力校核 .................................................................................. 42 3.3 机械化氨水澄清槽的工艺计算及选型...................................................................... 45 3.4 离心式煤气鼓风机的工艺计算及选型...................................................................... 45 3.4.1 冷鼓风机的扬程 .................................................................................................... 46 3.4.2 鼓风机转子所需功率 .......................................................................................... 46

3.4.3 鼓风机后煤气温度 t.............................................................................................. 47 3.5 电捕焦油器的选型.................................................................................................... 48 3.5.1 两极间的电位差 .................................................................................................... 49 3.5.2 焦油雾滴的运动时间 .......................................................................................... 50 3.5.3 沉淀极管数的确定 ................................................................................................ 51 3.5.4 煤气在电捕焦油器沉淀极管内的平均流速和平均停留时间 .......................... 51 3.5.5 电捕焦油器的电能消耗(两台并联) .............................................................. 51 4 非工艺条件的选择和设计 ........................................................................................ 52 4.1 土建设计条件.................................................................................................................. 52 4.1.1 生产工艺流程图 ...................................................................................................... 52 4.1.2 车间平面图 .............................................................................................................. 53 4.1.3 设备一览表 .............................................................................................................. 53 4.2 供电照明系统.................................................................................................................... 55 4.2.1 供电系统及用电要求 .............................................................................................. 55 4.2.2 用电设备平面布置图 ............................................................................................ 55 4.2.3 避雷要求 .................................................................................................................. 55 4.3 仪表控制设计条件............................................................................................................. 56 4.3.1 控制方式 .................................................................................................................. 56 4.3.2 仪表控制条件 .......................................................................................................... 56 4.4 采暖通风条件.................................................................................................................. 57 4.5 给排水设计条件................................................................................................................ 58 4.6 分析化验设计条件............................................................................................................ 58 4.7 爆炸和火灾危险场所等级................................................................................................ 59 4.8 车间人员一览表................................................................................................................ 59 4.9 供汽设计条件.................................................................................................................... 60 4.9.1 供汽方式 .................................................................................................................. 60 4.9.2 供汽条件 .................................................................................................................. 60 4.10 设备维修.......................................................................................................................... 60 谢辞………………………………………………………………………………………………..60 参考文献…………………………………………………………………………………………..61

摘要

本设计任务为年产 120 万吨冶金焦焦化厂鼓风冷凝阶段的初步设计。设计是由摘要、引 言、文献综述、文献综述、研究内容与工艺设计方案及选型、煤气的鼓风冷凝工段的工艺计 算、非工艺条件的选择和设计、工厂的实际经验和某些技术上的改进、参考文献等部分组成。 本设计对煤气的鼓风冷凝工段进行了初步的设计。对流程中所需的各种设备,如横管初 冷气、鼓风机、电捕焦油器、机械化氨水澄清槽等进行了详细的计算和选型。同时对其做了 工艺计算,达到了所需规格性能的要求。本设计还对鼓风冷凝工段的非工艺条件进行了选择、 设计,使鼓风冷凝工段更加完善。 在鼓风冷凝工段中,本设计应用了国内的一些焦化厂的改进技术,具有一定参考价值。

关键词:鼓风,冷凝,炼焦,横管初,鼓风工艺流程

ABSTRACT
The task of design is the primary design of the congealed work segment of blasting in the coking plan that products metallurgical coke 1200 thousand ton. The design is divided into the abstract ,the introduction ,the literature summarizes,the research content and the technological design plan and the shaping,the coal gas drum wind condensation construction section process design, the non-technological conditions choice and the design , the factory practical experience and certain technical improved, the reference parts etc. This design has carried on the preliminary design to the congealed work segment of breeze of blasting to purifying coal gas.Each kind of equipment needed in the processing, such as the horizontal at the beginning of cross-tube primary gas cooler,the blast ,the electricity caughtthe tar,the mechanized storage pond and so on carries on in detail, has been done to it and has matched the requipment. This design also has designed and chosen the condition of the non-craft section of the drum wind condensation construction, causes the drum wind condensation consruction section to be more perfect. In the drum wind condensation construction section design,some new improved technologies are cited.So it has much practical value.

Keywords:blast,condensation,coking plant , cross-tube primary gas cooler,crafatwork flow.

引言
煤炼焦时生成的焦炉煤气以 650~800℃的温度从焦炉的炉顶空间逸出。此时焦炉煤气称 为荒煤气,它包括常温下的气态物质,如氢气、甲烷、一氧化碳和二氧化碳等;烃类;含氧 化合物,如酚类;含氮化合物,如氨、氰化氢、吡啶类和喹啉类等;含硫化合物,如硫化氢、 二硫化碳和噻吩等。粗煤气中还含有水蒸气。为适应以后的工艺过程的需要,应将焦炉煤气 冷却至 25~35℃。这个任务在化产车间的初冷器内完成。 鼓冷工段是焦化厂的心脏,鼓冷工段投产成功与否决定了焦化厂是否能够顺利投产,其 主要任务如下: 1. 分离出荒煤气中的绝大部分焦油、萘、氨水,以利于后续单元的运行; 2. 将煤气冷却到一定的温度,使之能满足后续单元的要求; 3. 氨水、焦油、焦油渣的分离; 4. 物料的输送: (1)往焦炉送循环氨水,往后续单元送剩余氨水; (2)输送煤气并使整个煤气系统的吸力、压力能够满足焦炉、煤气净化的正常要求; (3)外送焦油。

1 文献综述
1.1 世界炼焦工业的发展
焦炭是炼钢的重要辅料,因此焦化工业随着钢铁工业的发展而发展。 世界焦炭产量于 20 世纪 70 年代达到顶峰,即 3.8 亿吨左右。从 80 年代初以来,世界 焦炭产量呈下降趋势,90 年代曾下降到 3.3 亿吨[1]。到 20 世纪末,各国焦炭生产增减幅度已 明显变小,21 世纪初期世界焦炭产量基本稳定在本世纪 3.5 亿吨上下,与焦炭需求量是基本 平衡。近几年世界焦炭产量略有回升,但总量变化不大。焦炭产量大幅度增长的主要是中国、 韩国、巴西等几个发展国家[2]。 世界炼焦工业近几十年来取得了长足发展。大容积焦炉、捣固焦炉、干法熄焦等开发较 早的先进工艺技术在工业化实际生产运行中日臻完善;日本的型焦工艺、德国的巨型炼焦反 应器、美国的无回收焦炉、前苏联的立式连续层状炼焦工艺等近 30 年来开发的新工艺新技术 则加快了工业化进程。

1.2 中国焦化工业现状
中国是世界焦炭生产大国,焦炭产量占世界焦炭量的 36%左右。 焦炭出口量占世界焦炭 出口贸易有国际 20 世纪 80 年代先进水平的大型机械化焦炉, 但中国焦炉的大型化和平均装 备水平低于西方发达国家, 焦油和粗苯的加工水平也落后于国外。除钢铁联合企业的焦化厂 和供应城市煤气的焦化厂外, 许多独立焦化厂所产的焦炉煤未得到合理有效的利用。进入 21 世纪, 结构调整和技步仍是中国焦化工业发展的主题[3] 。 近十多年来, 中国的焦炭总产量翻了一番还多,1997 年达到了历史最高峰的 13902 万 。 从 1993 年起, 中国的焦炭产量已连续居世界第一位。中国也是世界焦炭出口大国, 2000 年中 国出口焦炭 1520 万 , 占世界焦炭出口总量 2510 万吨的 60%以上。 由以上可见,焦化工业在在我国国民经济中占有重要地位。 1.2.1 如何提高焦炭质量 通常情况下提高焦炭质量主要集中在对炼焦原料煤的选择和预处理,改善煤在焦炉内的 成焦工艺和对焦炭进行后序处理,同时加强焦炉生产过程管理也是稳定焦炭质量的关键因素

是提高焦炭质量的工艺技术。焦炭质量的提高受多种因素影响并与焦炭生产的每一个环节息 息相关,为了全面探究提高焦炭质量的技术措施我们从焦炭生产的各个环节进行了分析研 究 。 a 原料煤的预处理技术 捣固炼焦技术装炉煤料捣固成煤饼后 ,从焦炉的机侧装入炭化室 ,其密度可以提高到 1 150kg/m。 增加炼出的焦炭比顶装煤焦炉生产的焦炭抗碎强度提高耐磨强度改善反应后强度, 提高在 相同焦炭质量下可多用的高挥发分弱黏结性煤使入炉煤料中高挥发分弱黏结性煤的配入量高 达 70%~80%。 b 配型煤炼焦技术 在配煤比相同的条件下,配型煤炼焦生产的焦炭与常规粉煤炼焦生产的焦炭比较,提高 2%~3%,变化不大或稍有改善,转鼓试验指标提高降低,提高焦炭筛分组成有所改善,产率 有所下降 80mm ~80m,级显著增加一般可增加 25mm 。因而提高了焦炭粒度的均匀系数煤 调湿技术。采用煤调湿技术将入炉煤的水分降低至 6%~7%,使炼焦耗热量降低,如果按正常 入炉煤水分为 11,则采用煤调湿技术后水分降低了以干煤为 5% /1kg,基准炼焦耗热量降低 约 300kJ~350kJ。由于装炉煤水分的降低,堆密度增加约 7.7%。焦炭的产量也将有所增加。 同时,由于入炉煤的堆密度增加和炭化室装初期升温速度的提高都能促使焦炭品质的提高, 焦炭的粒级分布更趋均匀粉焦率约提高 2%~ 0.8%。 c 配添加剂 所谓配添加物就是在装炉煤中配入适量的黏结剂和抗裂剂等非煤添加物,以改善其结焦 性的一种焦煤准备特殊技术措施。 配黏结剂工艺适用于低流动度的弱黏结性煤料,有改善焦炭机械强度和焦炭反应性的功 效,配抗裂剂工艺适用于高流动度的高挥发性煤料,可增大焦炭块度, 提高焦炭机械强度, 改善焦炭气孔结构,改进结焦工艺。 d 焦炉容积大型化 焦炉的大型化是实现我国炼焦行业协调健康可持续发展的一条重要途径,炭化室加宽、 加高,提高单孔炭化室产焦量,是炼焦技术的长远发展方向。 由于增大焦炉炭化室的容积在同等生产规模及外部环境下使得结焦时间延长可以大大减 少出炉次数减少装煤和推焦的阵发性污染,改善炼焦生产操作环境大容积焦炉的自动化水平 较高,炼焦工序能耗大大降低,劳动生产率也显著提高,大型焦炉的装炉煤密度得到提高降

低了,结焦速率使焦炭成熟均匀冶金焦炭的质量便得到改善,以包钢焦炉为例在同种配煤比 及焦炉生产均正常的情况下 JN60 型焦炉,提高了焦炭质量,降低了炼焦能耗,炼焦成本也 减少了。另外,焦炭质量提高后,在高炉炼铁生产中产生的延伸效益更是巨大的。 e 采用焦炉加热自动控制系统 在传统炼焦生产管理中, 一旦加热制度制定后一般不会轻易改变, 但因装煤不足、 煤 的水分波动煤气的压力波动、天气变化、个别炉号因某种原因延长或缩短结焦时间等, 均对 煤的炭化过程有一定的影响。如不及时调整,可使焦炉炉温产生波动,供热过量或供热不足。 采用加热控制模型后 , 可实时测量炉组的各种参数, 从而达到使炉组的加热处于平衡状态 炉 组的需热量和能源供给平衡, 燃烧室的供热有可能不一致或炉组在某一段时间供热产生波动。 动态调度模型和加热控制模型可以逐渐使全炉组的加热情况保持一致。 1.2.2 炼焦生产发展的趋势 目前,焦化行业面临挑战和机遇同在,困难与希望并存的形势;都要以推进技术进步, 提高经济效益为中心,抓好标准化操作和现代化管理,深化焦炉、化产和环保的综合治理, 搭理开发新产品,努力提高产品质量,节能降耗,降低成本,力争能出口创汇。同时要努发 挥我省焦化行业的整体优势,加强联合,搞好技术交流和协作,实现焦炉及化产系列的优质、 稳产、高效、低耗、长寿,使炼焦工业走上持续稳步发展的道路。 我们应该做到: 大力推进焦化企业的整合 大力推广新型工艺装备 积极发展焦化产品深加工 加大环保投入[4]。 1.2.3 炼焦化学工业

炼焦化学工业是煤炭的综合利用工业。煤在炼焦时,约 75%转化为焦炭,其余是粗煤气, 粗煤气经过冷却和用各种吸收剂处理,可以从中提取焦油、氨、萘、硫化氢、氰化氢和粗苯 等,并获得净煤气 [3] 。 净焦炉煤气是钢铁等工业的重要燃料,经过深度脱硫后,还可以用作民用燃料或送至化 工厂合成原料。

焦化厂主要生产流程如下:

炼焦化学产品数量和组成是随着炼焦过程(主要是炼焦温度)和原料煤的质量不同而波 动的。 炭化室的煤在 200° 以前,蒸出表面水份,同时析出吸附在煤中的二氧化碳、甲烷等气 C 体。随着温度的升高,煤开始分解,大分子芳香族稠环化合物侧链的断裂和分解,产生小分 子的气体和液体,煤炭开始软化和熔融,形成胶质体。 约在 600° 以前。 C 从胶质体析出的和部分从半焦中析出的蒸气和煤气叫做初次分解产物, 主要含有甲烷、二氧化碳、一氧化碳、化合水及初次焦油汽,以后温度继续升高,析出的气 体主要是氢及少量苯和焦油汽[5]。

1.2.4 焦炉煤气利用现状及发展思路 a 焦炉煤气利用现状 按 2001 年产焦 12406 万吨计算,全年焦炉煤气产量约 530 亿吨 。其中与 3 000 万吨 土焦相伴产生的约 128 亿吨煤气在炼焦过程中全部被烧掉, 机焦炉产生的煤气则经过净化后, 除部分用于焦炉自身加热外, 剩余煤气均不同程度地得到了利用。 钢铁联合企业中的焦化厂,绝大部分焦炉均为复热式焦炉,一般采用高炉煤气加热,所 产生的焦炉煤气经净化后供给炼铁、炼钢、轧钢等用户。作为城市煤气气源厂的焦化厂,绝 大部分焦炉也为复热式焦炉,可采用焦炉煤气加热,也可采用发生炉煤气加热,所产生的焦 炉煤气经净化达到城市煤气标准后供应城市居民用户或工业用户。目前,以生产焦炭为主的 独立焦化厂,如山西在土焦改机焦过程中新建的许多焦化厂,除少数焦化厂所产的煤气供应 城市煤气或工业用途如煅烧高铝钒土、金属镁等外,绝大部分焦化厂所产的煤气均用于发电 甚至直接燃烧放散,未能得到有效利用,浪费了大量的优质煤气资源。 我国将会产生大量剩余焦炉煤气的主要有两类焦化厂:一是以生产焦炭为主的独立焦化 厂, 其生产的焦炉煤气既不能供应城市煤气,又没有合适的工业用户;二是目前供应城市煤 气的焦化厂, 如北京焦化厂、天津煤气厂、上海焦化厂、青岛煤气厂等,在采用天然气取代 焦炉煤气供应城市煤气后,焦炉煤气没有合适的用户。这些过剩的煤气迫切希望找到经济合 理高效的综合利用途径[3]。 b. 焦炉煤气净化现状 目前我国正在运行的焦炉煤气净化工艺很多,要包括冷凝鼓风、脱硫、脱氨、脱苯等, 在净化煤气的时回收焦油、硫磺、硫铵或氨水、粗苯等化工产品。我国煤气净化一般均采用 高效的横管初冷器冷却荒煤气,几种不同的煤气净化技术主要表现脱硫、脱氨工艺方案的选 择上。脱氨工艺主要有水氨蒸氨浓氨水工艺、水洗氨蒸氨氨分解工艺、冷法水氨工艺、热法 无水氨工艺、半直接法浸没式饱和硫铵工艺、半直接法喷淋式饱和器硫铵工艺、间接饱和器 硫铵工艺、酸洗法硫铵工艺等。脱硫工艺主有湿式氧化工艺如以氨为碱源的法、TH FRC 法 及以钠为碱源的法和湿 HPF ADA PDS 吸收工艺如氨硫联合洗涤的法、索尔菲班法真空碳酸 盐法等。我国煤气净化工艺已达到或接近国际先进平。根据煤气用户的不同,可选用不同的 工艺流程满足用户对不同煤气质量的要求[6]。

1.3 煤气的冷却原理及改进
1.3.1 煤气的冷却原理 煤气的初步冷却分两步进行:第一步,是在集气管及桥管中大量使用循环氨水喷洒,使煤 气冷却到 80~90°C;第二步再在煤气初冷器重冷却。 煤气在桥管和集气管中的冷却, 通常是将 75°C 左右的循环氨水 (在 150~200kPa 表压下) 经过喷头强烈喷洒形成细雾状液滴,与桥管进口 650~750°C 煤气在直接接触条件下进行的。 细雾状液滴为气-液两相提供了很大的接触面积;起初,两相间温差很大;既存在对流传热, 又有辐射传热,联合传热系数很大。 因此,煤气向氨水的传热速率将会很高,煤气温度会迅速下降。但入口高温煤气中水蒸 气的分压却远低于氨水温度下的饱和蒸汽压,氨水会快速汽化。于是,在气、液两相间形成 了煤气向氨水快速传热而降温、氨水向煤气快速传质而增湿过程。由于煤气的平均比热容远 低于水的汽化潜热以及水的比热容,所以煤气温度虽急剧降低,而氨水温升却不多[5]。 1.3.2 焦炉煤气冷凝工艺的改进 回收车间担负着焦炉煤气的冷却、输送、净化及回收焦化产品的任务。来自焦炉的高温荒 煤气的体积大、水汽含量多,必须将煤气冷却以便于输送和后续工序回收焦化产品。因此, 初冷器的稳定运行是整个车间生产的基础,而对两段高效横管式初冷器而言在二段实现连续 除萘是生产工艺得以顺行的关键。

a 马鞍山钢铁公司煤焦化公司的鼓冷工段分两期建设一期建 1、 2 号初冷器,每台冷却
面积为 4300 m2 ,实行两段冷却,中部无隔液盘。二期建 3~7 号初冷器,每台冷却面积
4000m2 ,也实行两段冷却,中部设隔液盘,并对 3~7 号初冷器上下两段分别用冷凝液混合

粗焦油进行连续喷洒洗萘。 焦油氨水及煤气冷凝液通过机械化焦油氨水澄清槽分离。 由于萘从初冷器二段中大量凝 析出来,为了利用含水 30%的焦油正常连续洗萘,原设计中,要求运行时必须向混合液槽补 充 13.3m3 h 的粗焦油,但在实际运行中会带来以下问题:由于受管道、泵等因素限制,混合 液的水分始终很大,而且补充的粗焦油也容易堵塞喷洒孔和管道,运行费用不经济,除萘操 作也难以实现连续运行。 为此, 我们在 3~7 号初冷器投产前, 进行了如下改造: 新建 l 台 50m3

洗萘液槽, 并将原 50m3 的混合液槽改为混合液中间槽。 初冷器一段冷凝液进入混合液中间槽, 上层氨水自流到冷凝液槽,下层的油流进洗萘液槽。机械化焦油澄清槽上层的含水焦油也改 为自流入洗萘液槽,用洗萘液泵送往初冷器二段喷洒,洗萘液槽中多余的混合焦油满流到冷 凝液槽,电捕焦油器及风机的冷凝液也送入冷凝液槽,用冷凝液泵送往机械化焦油氨水澄清 槽。由于初冷器一段没有必要采用冷凝液混合粗焦油进行连续喷洒,故改为用热氨水间歇清 扫。 改造完成后,整个鼓风冷凝工序运行稳定,效果很好,保证了焦炉生产和后续煤气净化 工艺的顺行[7]。 b 南昌钢铁公司焦化厂 提高喷洒液的质量 将冷凝液中间槽中的部分冷凝液抽送至机械化澄清槽处理,同时往冷凝液中间槽加入适 量的轻质焦油和氨水,降低喷洒液的含萘量,增加其流动性,以提高初冷器的喷洒效果和减 少初冷器的清扫次数。采取上述措施后,初冷器阻力的上升速度明显变慢,初冷器和排液管 的清扫次数也明显减少,较好地稳定了鼓风机的操作和降低了初冷器后煤气的集合温度。 改造冷凝喷洒泵的管道。 两台冷凝液泵就可同时运行,一台用于冷凝液喷洒,另一台将冷凝液送至机械化澄清槽。 改造后冷凝液泵的喷洒压力提高到 ,既增加了冷凝液喷洒量,又提高了喷洒效果,初冷器的 清扫次数明显下降。 提高冷凝液喷洒量。 为解决冷凝液喷洒量不足的问题。我们将两台冷凝液泵的吸入管分别接至冷凝液中间槽 的同时,加大了吸入管的直径。从而彻底解决了两台冷凝液。 改进后生产实践表明,不仅减轻了初冷器操作工的劳动强度,而且很好地控制了鼓冷系 统的工艺参数,同时提高了焦油与粗苯的产率。 1.3.3 煤气的鼓风工艺 焦炉煤气作为高热值气源与其他气源混掺后外供,焦炉煤气经初冷器冷却后至电捕焦油 器除去焦油,通过罗茨风机向外输送。 鼓风机是焦化厂极其重要的设备,俗称之为焦化厂的“心脏” 。对其操作管理必须予以 高度重视。由于鼓风机的转速和负载很大,为保证运转正常,减少轴承磨损,要使轴承得到 很好的润滑,并在较低的温度下进行工作,为此,轴承入口油温为 25~45° C,出口油温小于

60° C。此外,对鼓风机的冷凝液排出管应按时用水蒸气吹扫,否则,焦油黏附到叶轮上,使 鼓风机超负荷运转,影响煤气的正常输送。可能会引起焦炉煤气管道频繁发生堵塞,因此我 们应该做好防范措施: (1)保证电捕焦油器开工率及捕集效率 降低煤气中焦油含量。 (2)控制好初冷温度 初冷后煤气温度不要超过 20℃,防止萘在后续工段析出结晶。 (3)定期清扫煤气管路 保证管路坡度要大于 5‰[2]。 1.3.4 鼓风工艺的改进: a 长治钢铁集团有限公司,在炼铁高炉生产中,为降低焦炭耗量和生铁成本、提高生产效 率,我国开创了高风温、低富氧、大喷煤技术路线。目前国内大部分高炉均已广泛采用富氧 鼓风技术,该技术的优点是:高炉富氧 1%,可使实际产量增加 3%~4%,风口理论燃烧温度 升高 35~45 ℃,高炉煤气发热值提高 3.4%,允许高炉喷吹煤粉 12~20 kg/t。 转炉吹炼进入回收期,达到煤气回收的各项技术条件后,即自动进行煤气回收 。回收 时,转炉的活动烟罩下降,转炉炼钢产生的高温含尘烟气经过活烟罩,固定烟道进行冷却。 即由转炉汽化冷却系统将煤气冷却 1000 以下 然后通过一文定径溢流文氏℃ 管重力脱水器 进行第 1 次洗涤除尘 再经过 RD 阀可调喉口调节阀控制烟气量, 90° 弯头脱水器, 湿旋 经 脱水器脱水后由鼓风机抽出, 再通过三通阀, 水封逆止阀进入煤气柜 。 在回收条件不满足时, 则通过放散烟筒高空点火燃烧后排放掉。 变压吸附装置技术特点及适用性 与传统技术相比,变压吸附制氧技术特点主要是:工艺流程简单,不需要复杂的预处理 装置,自动化程度高;装置运行独立性强,稳定性好,可靠性高,可连续供氧;开停车时间短 一般 30 min 内可达使用要求;在常温常压下运行,安全性能好。 b 济宁市某焦化厂鼓风机的改进 原设计与 66 型焦炉配套的鼓风工段设有三台 F = 1200 m2 立管初冷器, 一台 F =760 m2 横管初冷器 ,采用 D320 离心风机两台,同时还备用三台 LGA80 - 500 - l 罗茨鼓 风机,机后设有两台同心圆式电捕焦油器。为典型的国内中小型焦炉鼓风配套系统。 改进后: 罗茨风机具有操作简单、维修方便、性能可靠、投资小等优点 , 无需设置独立冷却油

站;缺点是:轴孔密封较差、易泄漏煤气 ,机后焦油含量高、机前需降低焦油含量。为此将 原离心风机更换两台罗茨风机 ,同时增设一台机前电捕焦油器及部分工艺管道。 1.4 焦油、氨水的分离 a 焦油初步处理系统:机械化焦油氨水澄清槽 ? 焦油澄清槽 ? 焦油中间泵 ? 焦油槽 ? 汽车外送 循环氨水系统: 氨水循环槽 ? 循环氨水泵 ? 焦炉煤气管及桥管 ? 荒煤气管道 ? 气液分 离器 ? 机械化焦油氨水澄清槽 ? 氨水循环槽 从上升管出来的荒煤气在桥管和接气管中被循环氨水喷洒冷却到 80~85° C,煤气中的焦油 雾有 50~60%被冷却成液体, 与热氨水一起流入焦油氨水澄清槽内。 煤气进入初冷器被直接或 间接冷却到 30° 左右,煤气中约 30%左右的焦油气以及绝大部分的水蒸气、萘被冷凝下来, C 萘溶解于焦油中,另外还有一定数量的氨、二氧化碳、硫化氢、氰化氢和其他组分则溶解于 冷凝水中,与焦油混合为冷凝液,其余的相继经过鼓风机、电捕焦油器等回收,由各装置回 收的冷凝液全部进入焦油氨水澄清槽内进行分离,分离氨水循环使用,焦油送往焦油精制车 间进一步加工,蒸馏出酚油、萘油、汽油、蒽油和沥青等产品可以直接送往油库外售。 b 电捕焦油器的改进 电捕焦油器主要有同心圆式、管式及蜂窝式三种,同心圆式及管式在国内焦化厂应用较 早,运行较为稳定。同心圆式存在着制作安装精度要求高、煤气短路流失、场 强电压不稳定等缺点,管式也存在着空间效率利用较差等缺点。蜂窝式具有结构紧凑合理、 没有电场空穴、脱除效率高等优点。 蜂窝式电捕焦油器操作稳定,脱除效率高,是值得在焦化行业推广的新型电捕焦油器。 针对中小型焦炉来说,煤气流量小,采用罗茨风机,并在机前增设电捕不仅消耗低,而且投 资少,运行指标也能满足工艺系统要求,是一种切实可行的工艺流程。 c 高温粗煤气热量回收技术 高炉粗煤气在 700°C 左右 离开炭化室带走的热量约占总加热煤气热量的 35%。目前工 艺为高温煤气经过氨水喷洒冷却,进一步分离煤焦油、净煤气、粗苯等化产品。对于这类能 量的回收、美国和加拿大提出带热回收的无副焦产焦炉炼焦技术,高炉煤气经过煤层上部聚 集后立即燃烧提供炭化所需要热量,我国山西也有类似的焦炉生产。该技术无需回收副产品, 也减少了基建投资,化产品回收所带来的污染也得到了解决。 有文献提出采用热管回收上升管高温煤气热焓,将热管的蒸发段安装在上升管夹套内, 热管的冷凝段以分离热管的形式安装在焦炉上方的某一位置,生产蒸汽或热水,一定程度上

解决了上升管根部易冷凝初焦油而影响上升管使用寿命的问题。日本报道了上升管中用内充 萨姆 S-700 的盘管回收荒煤气中的热量,用来预热焦炉加热用的混合煤气、荒煤气显热的回 收率可达到 30%左右。山东济钢采用上升管煤气加热导热油技术、高温导热油再用来蒸氨、 粗苯精制等取代蒸汽加热介质,同时达到节水、节能和减少废水外排的目的[8]。

2 设计内容与工艺方案及选型
2.1 设计内容与方法
通过设计任务年产 60 万吨焦炭的焦化厂,估算出粗煤气的流量。因为焦化生产是连续的 过程,所以一年按 365 天计算出每小时的粗煤气流量。 煤气在桥管和集气管内冷却时,是用压力表为 150~200kPa 的循环氨水通过喷头强烈喷 洒,被喷成细雾状的氨水与煤气充分接触,由于煤气温度很高且远没有被水汽所饱和,所以 煤气放出大量显热,氨水大量蒸发,快速进行着传热和传质过程。氨水在此处是过量的,其 具体的量由煤气的总量来决定。 传热过程取决于煤气与氨水的温度差。因煤气温度高于循环氨水的温度,所以热量就会 从煤气传给氨水,使煤气冷却。 传质过程的推动力是循环氨水液面上的水汽分压与煤气中水汽的分压之差。因为循环氨 水液面上水汽分压大于进入集气管的煤气中水汽分压,所以氨水就产生蒸发。 煤气在集气管冷却时所放出的热量中,大部分热量用于蒸发氨水,剩余的热量用于加热 氨水和集气管的散热损失上。 在冷却过程中,煤气温度由 650~700℃降至 80~86℃,同时约 60%的焦油汽冷凝下来, 在实际生产上,煤气温度可冷却至高于其最后达到的露点温度 1~3℃.露点温度就是煤气被水 汽饱和的温度,即煤气的冷却极限温度。 煤气经上升管、集气管循环氨水喷洒冷却后的温度仍高达 80~86℃,且含大量焦油汽和 水蒸气及其他物质。他们一起吸煤气管道流入气液分离器。分离出的焦油、焦油渣、循环氨 水进入机械化焦油氨水澄清槽。在机械化氨水澄清槽中靠比重差静置分离。为了进一步冷却 煤气和冷凝水汽、焦油蒸汽等,以减少煤气体积,便于输送,且节省输送煤气所需动力,由 集气管出来的煤气应继续冷却到 25~35℃或低于 25℃,这个任务要在化产车间的初冷器内完 成。 因焦化厂内该冷却器位于煤气输送系统的开始部位,故称为煤气初步冷却器,简称初冷 器。初冷器的选择有煤气的流量及氨水的流量来决定,初冷器的选择也要通过计算来决定, 鼓风机的选择是看煤气量来决定的,后边的电捕焦油器和氨水焦油澄清槽也要通过煤气的量 来决定。

2.2 设备选择原则
1. 间接式煤气初冷器有立管式和横管式两种。目前一般用横管式冷却器,因为冷却效果好。 2.根据煤气的输送量、输送系统的阻力,有选用电动离心鼓风机或汽动鼓风机。对输送煤气 量很小的小型焦化厂一般用罗茨鼓风机。 3.为再生润滑油,应配备移动式滤油机一台。 4.大中型焦化厂一般采用电捕焦油器。小型厂一般用旋风式机械捕焦油器。 5.氨水焦油分离设备及焦油贮槽尽量避免用钢筋混凝土制作,而要选择钢制容器。 6.为安装和检修循环氨水泵、初冷循环水泵等,在冷凝泵房内应设单轨手动吊车,最大起重 量应大于与泵配套的电动机的重量。 7.循环氨水泵应分系设置。因循环氨水的温度约为 78~80℃,并考虑水泵长期运转后,机械性 能减弱,泵的输送能力降低,所以应在保证焦炉集气管喷洒氨水压力的要求下,选取的最 大流量应比设计计算的流量大 20~30%。 8.煤气冷却器的面积,在设备清扫检修时,应能满足生产的要求。 9.煤气鼓风机只需一台运行时,设备用率为 100%;两台运行时,备用率为 50%。 10.电捕焦油器的台数应考虑当其中一台清扫或维修氨水时,其他台数仍能满足煤气流速在上 限操作范围。 11.焦油、氨水分离设备的总容积,在设备清扫或维修时,应能满足生产的要求。 12. 循环氨水泵的备用率为 50%~100%。

2.3 三中煤气冷凝方法的优缺点及本设计的选型 冷却没启用的主要设备是煤气初冷器,一般有水冷却器和空气冷却器两类。 因空气冷却器的冷却效率低和传热系数小,目前已不在采用。现在大多数焦化厂都采用水
冷却的煤气冷却器[9]。 用水冷却煤气的工艺流程又可分为间接、直接和间直混合冷却等三种,现分述如下: 2.3.1 间接冷却 煤气间接工艺流程图如下:

图1

煤气间接初冷工艺流程

1—气液分离器;2—煤气初冷器;3—煤气鼓风机;4—电捕焦油器;5—冷凝液槽; 6—冷凝液液下泵;7—鼓风机水封槽;8—电捕焦油器水封槽;9—机械化氨水澄清槽; 10—氨水中间槽;11—事故氨水槽;12—循环氨水泵;13—焦油泵;14—焦油贮槽; 15—焦油中间槽;16—初冷冷凝液中间槽;17—冷凝液泵;

焦炉煤气与喷洒氨水、冷凝焦油等沿吸煤气主管首先进入气液分离器,煤气与焦油、氨水、 焦油渣等在次分离。分离下来的焦油、氨水和焦油渣一起进入焦油氨水澄清槽,经过澄清分 成三层:上层为氨;中层为焦油;下层为焦油渣。沉淀下来的焦油渣由刮板输送机连续刮送 到漏斗处排出槽外。焦油则通过液面调节器流至焦油中间槽,由此泵往焦油贮槽,经初步脱 水后泵往焦油车间。 经气液分离后的煤气进入数台并联立管式间接冷却器内用水间接冷却,煤气走管间,冷 却水走管内。从各台初冷器出来的煤气温度是有差别的,汇集在一起后的煤气温度 称为集合 温度,这个温度因生产工艺的不同而有不同的要求,在生产硫铵系统中,要求集合温度低于 35℃;在生产氨水系统中,则要求集合温度低于 25℃. 随着煤气的冷却,煤气中绝大部分焦油气、大部分水汽和奈在初冷器中被冷凝下来,奈 溶解于焦油中。煤气中一定数量的氨、二氧化碳、硫化氢、氰化氢和其他组分溶解于冷凝水 中,形成了冷凝氨水。焦油和冷凝氨水的混合液称为冷凝液。如上图所示,冷凝液自流入冷 凝液槽,再用泵送入机械化氨水澄清槽,与循环氨水混合澄清分离。分离后所得剩余氨水送 去脱酚和蒸氨。 当冷却煤气用的冷却水为直流水时,冷却器后的热水直接排放。如为循环水时,则将热 水送到凉水架冷却至 25℃.左右,再送回初冷器循环使用。 上述煤气间接初冷流程适用于生产硫铵工艺系统。当生产浓氨水时,为使初冷后煤气集

合温度达到 20℃.左右,宜采用两端初步冷却。 两段初冷可采用如图 2 所示具有两段初冷功能的初冷器, 其中前四个煤气通道为第一段, 后两个煤气通道为第二段。在第一段用循环冷却水将煤气冷却到约 45℃,第二段用低温水将 煤气冷却到 25℃以下。

图2 2.3.2 直接冷却

煤气在直接冷却器中的初步冷却,是由煤气和冷却水直接接触混合,将热量传给冷却水 而完成的。我国的一些小型焦化厂多采用直接式初冷流程[9]。如图 3 从吸气管来的 80~85℃的焦炉煤气经气液分离器后,进入直接式木格填料初冷塔、用氨 水喷洒冷却到 28℃,然后用鼓风机送到后续工段。从气液分离器分离出来的循环氨水和焦油 进入焦油氨水澄清槽,从澄清槽出来的循环氨水,用泵送回集气管喷洒冷却煤气。澄清槽底 部的焦油用泵送入焦油槽进一步处理。 初冷塔底部流出的氨水和冷凝液进入氨水池,在此与洗氨塔来的部分氨水混合并进入分 离,分离出的焦油与氨水澄清槽分离的焦油混合,送往焦油车间加工处理。而氨水则用泵送 入喷淋式冷却器,经冷却后送至初冷塔循环使用,多余的氨水则送去蒸氨。

图 3 煤气直接初冷工艺流程
1— 气液分离器;2—焦油盒;3、4—直接式煤气初冷塔;5—罗茨鼓风机;6—捕焦油器;7—水封槽; 8—焦油泵;9—焦油循环氨水泵;10—焦油循环氨水澄清槽;11—焦油槽;12—焦油池;13—焦油泵; 14—初冷循环氨水澄清池;15—初冷循环氨水冷却器;16——初冷循环氨水泵;17—剩余氨水泵;

煤气直接冷却,不但冷却了煤气,而且具有净化煤气的良好效果。在实际生产中,直接 初冷塔可洗去进塔煤气中 90%以上的焦油,80%左右的氨,60%以上的奈,以及约 50%的硫 化氢、氰化氢。这对后面洗氨、洗苯过程及减少设备腐蚀,都是有益的。 它与煤气间接初冷工艺相比,直接初冷工艺有冷却效率高、煤气压力损失小、不易堵塞 以及基建投资和钢材用量少等优点。但其工艺流程较复杂、动力消耗较大、循环氨水冷却器 易堵塞等缺点。所以,大型焦化厂已很少单独采用煤气直接初冷流程。 用于煤气初冷的直接式冷却塔有木格填料塔、金属隔板塔和空喷塔、在大型焦化厂得到 广泛应用。 直接冷却器以有无填充物而分为两种,大多采用多段空喷塔,喷淋氨水自上而下与煤气 逆流接触,从塔底排出的喷淋氨水经换热器和冷却后循环使用,在直接式冷却器中,煤气在 冷却的同时还有部分腐蚀性介质和焦油雾被喷淋氨水带走,为不使这些腐蚀性介质在循环液 中积累,一般采用补充循环氨水的方法进行排污,排污水送往焦油氨水澄清槽补充水量控制 在喷淋氨水循环量的 5%~10%。但由于直接式冷却器的喷淋氨水在循环过程中需用冷却水冷 却,当用相同温度的冷却水时,直接式冷却器后的煤气温度就高于间接初冷器。 如图 3 所示,空喷塔为钢板焊制的中空直立塔,在塔的顶段和中段各安设六个喷嘴来喷 洒 25~28℃的循环氨水, 所形成的细小液滴在重力作用下 于塔内降落, 与上升煤气密切 氨水入口温度,且有洗除部分焦油、奈氨和硫化氢的效果。. 由于喷洒液中混有焦油所以可以将煤气中奈含量脱除到低于 环

煤气出口温度下的饱和奈的浓度。 空喷塔的冷却效果,主要取决于喷洒溶剂的粘度及在 全塔截面上的均匀性,为此沿塔周围安设 6-8 个喷嘴。为防止喷嘴堵塞,需定时通入蒸 汽清扫。

图 4 空喷初冷塔 1—塔体;2—煤气入口;3—煤气出口;4—循环液出口;5—焦油氨水出口;6—蒸汽入口;
7—蒸汽清扫口;8—气流分布栅板;9—集液环;10—喷嘴;11—放散口;12—放空口;13—入孔;

2.3.3 间直冷却

图5

间冷直冷相结合的煤气初冷工艺流程

1— 气液分离器;2—横管式间接冷却器;3—直冷空喷塔;4—液封槽;5—螺旋换热器;6—机械化 氨水澄清槽;7——氨水槽;8—氨水贮槽;9—焦油分离器;10 焦油中间槽;11—焦油贮槽

间直冷却工艺是间接冷却与直接冷却相结合的方式即用间接冷却器将煤气温度从 80 ~90℃冷却到 50~55℃后,再用直接冷却器进一步冷却。在间冷阶段,由于温差大、冷凝 液量多和奈量相对较少,传热系数高,可大幅度减少所需的传热面积。而在直冷阶段, 可充分发挥净化煤气的效果,降低煤气中的含奈量和腐蚀性介质。但也存在工艺复杂、 设备多、能耗高和占地面积大等缺点,国内仅宝钢采用。 本设计综合考虑上述三种流程的优缺点后,决定采用间接冷却流程

2.4 各种鼓风机的优缺点及本设计的选型
煤气由炭化室出来经集气管、吸气管、冷却及回收设备和管道阻力及保持足够的煤 气剩余压力,需设置煤气鼓风机。同时,在确定化产回收工艺流程及所用设备时,除考 虑工艺要求外, 还应该使整个系统煤气输送阻力尽可能小, 以减少鼓风机的动力消耗[10]。 目前我国焦化厂所采用的煤气鼓风机主要有离心式和罗茨式两种。当焦化厂蒸汽量 充足时,也可选用蒸汽透平带动鼓风机。 1. 煤气的输送系统及其阻力

吸入方为负压, 压出方为正压, 鼓风机的机后压力与机前压力差为鼓风机的总压头。 鼓风机一般设置在初冷器后面。这样,鼓风机吸入的煤气体积小,负压下操作的设备及 煤气管道少。有的焦化厂将油洗奈塔及电捕焦油器设在鼓风机前,可防止。 鼓风机堵塞。 2. 煤气输送管道 煤气管道应有一定的倾斜度,以保证冷凝液按预定方向自流。吸气主管顺煤气流 向倾斜度为 1%;鼓风机前后煤气管道顺煤气流向倾斜度为 0.5%;逆煤气流向为 0.7%, 饱和器后至粗笨工序前煤气管道逆煤气流向倾斜度为 0.7%~1.5%。 由于奈能够沉积于管道中,所以在可能存积奈的部位,均设有清扫蒸汽口。此外, 还设有冷凝液导出口,以便将管内冷凝液放入水封槽。 在全部回收设备之后的回炉煤气管道上,设有煤气自动放散装置,当煤气压力超过 允许值时将煤气自动放散,否则鼓风机的操作调节将发生困难,不能保持焦炉集气管煤 气压力的规定值。 2.4.1 离心式鼓风机的构造 如图 7 所示离心式鼓风机由导叶轮,外壳和安装在轴上的两个工作叶轮组成。煤气 由吸入口进入高速旋转的第一工作叶轮,在离心力的作用下,增加了静压能并被甩向叶 轮外面的环形空隙,于是在叶轮中心处形成负压,煤气及不断吸入。由叶轮甩出的煤气 速度很高,当进入环形空隙速度减小,其部分动能变成静压能,冰眼倒也论坛哦并沿导 叶轮通道进入第二叶轮,产生与第一叶轮相同的作用,煤气的静压能再次得到提高,经 环形空隙及出口连接管被送入压出管路中。煤气的压力是在各个叶轮作用下,并经过能 量转换而得到提高。 显然,叶轮的转速越高,煤气的密度越大,作用于煤气的离心力即越大,则出口煤 气的压力也就越高。 离心式鼓风机广泛应用于大中型焦化厂,按进口煤气的流量大小有 150、300、750 和 1200 米 3/分等各种规格,产生的总压头为 29.5~34.3kPa[11]。

图 6 离心式鼓风机示意图

2.4.2 罗茨鼓风机的构造 当冷凝工段处理量较小时,一般可选用罗茨鼓风机。此种鼓风机在电动机功率即转 速一定时,其输入量与风机升压无关。如下图所示,罗茨鼓风机有一铸铁外壳,其壳内 装有两个 8 字型的铸铁或铸钢制成的空心转子,并将汽缸分成两个工作室。由于转子的 中心距即转子长度的不同,输气其能力可以在很大范围内波动。 罗茨鼓风机结构简单、制造容易、体积小,转速一定时,如压头稍微变化其输气量 仍保持不变。但是,使用时间久后,间隙因磨损增大,效率降低。因此为保证安全运转, 此种鼓风机必需用循环管调节煤气量,在压出管路上需安装安全阀

图 7 罗茨鼓风机示意图

3. 煤气的鼓风冷凝工段的工艺计算
3.1 集气管的工艺计算
年产 1200kt 焦炭鼓冷计算的原始数据: 一般配煤成焦率按 75%计算 则干煤量为: 120÷ 75%=160 万吨/年=182.6 吨/时 一年按 365 个工作日计算,工艺为连续性生产。 因配煤水分应小于 10%, 一般规定当 7~8%时, 则干煤堆密度最小, 本设计中煤料水分取 8%。 3.1.1 原始数据 焦炉每小时装入干煤量,吨 装入煤料水分,% 182.6 8

焦炉煤气中的主要化学产品产率如下表

表5
项目 1 2 3 4 5 6 7

主要炼焦化学产品产率(按装入干煤计) ;
名称 焦炭 焦油 氨 硫化氢 粗苯 化合水(热解水) 干煤气 合计 167.43 吨/时 质量

%(质量)

占干煤量,%(质量) 74.9 3.75 0.26 0.22 1.07 4.28 15.52 100

表6

干煤气组成(粗苯、硫化氢、氨除外)

项目 1 2 3 4 5 6 7

炼焦煤气组成的名称 H2 CH4 CO N2 CO2

体积百分组成 59.5 25.5 6.0 4.0 2.4 2.2 0.4 100

dabn
O2 合计

3.1.2

物料平衡

集气管物料衡算:
100 每小时装入湿煤量:182.6× =198.48 吨/时 100 ? 8

装入没料带入水分:198.48-182.6=15.88 吨/时 1. 进入集气管的气态炼焦产品数量如下: (kg/h) 按质量计算时, kg/h

干煤气:Mr=182.6× 3× 10 15.52%=28339.52 千克/时 水蒸汽:MB=182.6× 3× 10 4.28%+15.88× 3=23695.28 千克/时 10 焦油汽:MCM=182.6× 3× 10 3.75%=6847.5 千克/时 粗苯汽:Mσ= 182.6× 3× 10 1.07%=1953.82 千克/时 硫化氢:Mc=182.6× 3× 10 0.22%=401.72 千克/时 氨: Mα=182.6× 3× 10 0.26%=474.76 千克/时

合计: 61712.6 千克/时 按体积计算时, 干煤气:Vr= 式中: m3/h

Mr 28339.52 = =62837.073m3/h…………..(1) ρr 0.451

ρ r —按煤气组成求出的干煤气的密度

kg/m3

2+0.255× 16+0.06× 28+0.04× 28+0.024× 44+0.022× 0.8+0.022× 28× 0.2× 78+ ρ r =(0.595× 0.004× 32)÷ 22.4=0.451 kg/m3 式中: 2,16,28—分别为 H2,CH4,CO 的分子量 CmHn 按 80%的 C2H4 和 20%的 C6H6 计算 水蒸汽:VB=23695.28 ×
22.4 =29487.46 m3/h 18

其中:18—水的分子量 焦油汽:VCM=6847.5×
22.4 =902.26m3/h 170

其中:170—焦油的平均分子量 粗苯汽:Vσ=1953.82×
22.4 =527.296 m3/h 83

其中:83—粗苯的平均分子量 硫化氢:Vc=401.72×
22.4 =264.66 m3/h 34 22.4 =625.57 m3/h 17

其中:34—硫化氢的分子量 氨 :Vα=474.76×

其中:17—氨的分子量 合计: 94644.319 m3/h 2. 集气管排出的气态炼焦产品数量计算如下: 设:煤气中的焦油在集气管内冷凝 60%,则冷凝的焦油量为: gcm=0.6× 6847.5=4108.5kg/h 而出集气管的煤气中所含的焦油量为: 6847.5-4108.5=2739kg/h 折合成体积为: 0.4VCM =0.4× 902.26=360.904 m3/h 用 M kg/h 表示集气管内蒸发的水量。 折合成水汽体积为:
22.4 × M 18

kg/h=1.245M m3/h

所以:从集气管排出的气态产品数量如下表所示:

M 值可从集气管的热平衡计算中求得

表7
名称

从集气管排出的气态产品数量
气态产品量 千克/时 米 3/时 62837.073 29487.46+1.245M 360.904 527.296 264.66 625.57 94102.963+1.245M

干煤气 水蒸汽 焦油汽 粗苯汽 硫化氢 氨 合计

28339.52 23695.28+M 2739 1953.82 401.72 474.76 57604.1+M

3.1.3 热平衡 输入热量: 1. 焦炉煤气带入集气管的热量 (1)干煤气带入的热量 Q1=MrCrt1...............(2) 式中: t1—煤气温度,取 t1=650℃
/ Cr—在 0~650℃范围内干煤气的平均比热, kJ / (m3 ?℃)或kJ (kg ?℃)

干煤气的平均比热可根据其组成的平均比热求得: Cr=(0.595× 0.3135+0.255× 0.555+0.06× 0.3265+0.04× 0.3225+0.024× 0.4905+0.022× 0.7165+0.004× 0.339)× 4.1868=1.630668584 kJ / (m3 ?℃) 按质量计的比热: Cr=
1.630668584 =3.615673135 kJ / (kg ?℃) 0.451

故:Q1=MrCrt1=28339.52× 3.615673135× 650=66603186.73 kJ / h (2)水蒸汽带入的热量:

Q2=MB(2491.1+CBt1)…………..(3) 式中:CB—0~650℃范围内水蒸汽的平均比热, kJ / (kg ?℃) 2491.1—0 ℃时水蒸汽的焓, kJ / kg 故:Q2=23695.28× (2491.1+0.484× 4.1868× 650)=90231626.24 kJ / h (3)焦油汽带入的热量
Q3 ? M CM ? 368.46 ? CCM t1 ?

…………..(4)

式中: 368.46—在 0 ℃时焦油汽的焓, kJ / kg CCM—按下式求出的焦油汽比热,
kJ / ( k ?℃) g

CCM ? 0.305 ? 0.392 ? 10?3 t1 ? 0.305 ? 0.392 ? 10 ?3 ? 650 ? 2.344608kJ / ( kg ? ?C )

故:
Q3 ? M CM ? 368.46 ? CCM t1 ? ? 6278.63 ? ? 368.46 ? 2.344608 ? 650 ? ? 12958439.08kJ / h

(4)粗苯汽带入的热量:
Q4 ? M ? C? t1

…………..(5)

式中:
C?

—苯族烃(粗苯)的比热,按下式计算:
C?

=

20.7 ? 0.026t M

M—苯族烃(粗苯)的平均分子量,取 M=83
C?

=

20.7 ? 0.026t =1.8966204 kJ / (kg ?℃) M

故:Q4=1953.82× 1.8966204× 650=2408675.665 kJ / h (5)硫化氢带入的热量: Q5=McCct1………….. (6) 式中: Cc—在 0 ℃~650 ℃范围内硫化氢的比热, kJ / (kg ?℃) 取为1.15kJ / (kg ?℃) , 故:Q5=401.72× 1.15× 650=299550.1828 kJ / h

(6)氨带入的热量: Q6=MαCαt1………….. (7) 式中: Cα—在 0 ℃~650 ℃范围内氨的比热,为 2.6125632 kJ / (kg ?℃) 故:Q6=474.76× 2.6125632× 650=806221.3281 kJ / h 由煤气带入集气管的总热量为: QⅠ=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6 =66603186.73+90231626.24+12958439.08+2408675.665+299550.1828+806221.3281 =173307699.2 kJ / h 2. 喷洒氨水带入集气管大的热量: QⅡ=W1tB………….. (8) 式中: W1—喷洒氨水的量, kg/h
tB

—喷洒循环氨水的温度, ℃ 5.5 米 3/时(以 1 吨干煤为基准)

设:喷洒氨水量为:

5.5× 水 =1004300 kg/h ρ 则:W1=182.6× 喷洒氨水的最低温度按进入集气管的煤气面积确定。 在总压为 760mm 汞柱时,进入集气管的煤气中水蒸汽分压为:
P=760 ? 29487.46 =236.7862mmHg 94644.319

这相当于 70.3 ℃时的蒸汽压。 而喷洒氨水的实际温度应比进入集气管的煤气露点高 5~10 ℃,以保证水份蒸发的推动 力,取水温 77℃。 故:喷洒氨水带入集气管的热量为: 1000× 4.1868=323769849.5kJ/h 77× QⅡ=1004.3× 进入集气管的总热量: Q 入=QⅠ+QⅡ =173307699.2+323769849.5=497077548.7 kJ/h

输出热量 1. 炼焦煤气从集气管带走的热量 QIII

(1)干煤气带走的热量: Q1=MrCrt2………….. (9) 设集气管出口煤气温度为 83 ℃ 由有关数据手册上查到 82~650 ℃之间焦炉煤气的平均比热容为
Cr =(0.595 ? 0.31 ? 0.255 ? 0.383 ? 0.06 ? 0.306 ? 0.04 ? 0.305 ? 0.024 ? 0.415 ?0.022 ? 0.518 ? 0.004 ? 0.314) ? 4.1868=1.403779612kJ/(m3 ? ? C)

则按质量计的比热为:Cr=

1.403779612 ? 3.112593375 kJ/( kg ? ?C ) 0.451

3.112593375× 83=7321380.383 kJ/h 故:Q1=28339.52× (2)水蒸汽带走的热量: Q2=MB(2491.27+CBt2) =(23695.28+M) × (595+0.438× × 83) 4.1868 =2643.352927 M+62634987.75 kJ/h 式中:1.89—水蒸汽的比热,kJ/( kg ? ?C ) 2491.1—0 ℃水蒸汽的焓,kJ/kg (3)焦油汽带走的热量: Q3=MCM(368.46+CCMt2) ………….. (10) 式中:368.46—0 ℃焦油汽的焓,kJ/kg 10-3 83) 4.1868= 1.42kJ/( kg ? ?C ) 焦油汽的比热:CCM=(0.305+0.392× × × (88+0.337536× )=1330424.454 kJ/h 83 故:Q3=MCM(368.46+CCMt2)=2739× (4)粗苯汽带走的热量:
Q4 ? M ? C? t2
…………..

(11)

粗苯汽的比热:
C? ? 20.7 ? 0.026 ? 83 ? 4.1868 ? 1.153034631kJ / ? kg ? ?C ? 83

1.153034631× =186984.2362kJ/h 83 故:Q4=1953.82× (5)硫化氢带走的热量: Q5=McCct2………….. (12)

? 式中:Cc—硫化氢的比热,取 0.997kJ/( kg ? C )

0.238× 4.1868× =33224.67328 kJ/h 83 故:Q5=McCct2=401.72× (6)氨带走的热量: Q6= MαCαt2………….. (13)

式中: Cc—氨的比热,取 2.11 kJ/( kg ? ?C ) 0.503× 4.1868× =82985.53804 kJ/h 83 故: Q6= MαCαt2=474.76× 则:焦炉煤气从集气管带走的热量为: QⅢ=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6………….. (14) =7321380.383+62634987.75+2643.352927M+1330424.454+186984.2362+33224.67 328+82985.53804 =(2643.352927M+71589987.03) kJ/h 2. 循环氨水和冷凝焦油带走的热量: QⅣ=(W1-M+gCMCCM)TB1………….. (15)

式中: TB1—离开集气管的氨水和焦油的温度,并规定此温度高于喷洒氨水温度 2~3℃, 即 TB1 为 80℃ CCM—焦油汽的比热,按下式计算: CCM=(0.327+0.31× -3× 10 80)=0.3518 kcal/(kg·℃) 故: QⅣ=(W1-M+gCMCCM)TB1

0.3518) × 4.1868 80× =(1004300-M+4108.5× =(336868377.3-334.944M) kJ/h 3. 集气管周围散热损失的热量:
QV ? ??1 ? ?
2

? F?

t1 t2 ? ?

…………..

(16)

式中:

?1 ? ? 2

—集气管壁对空气的对流和辐射给热系数,kJ/(m2·h·℃)

此值可按下式近似公式求得:

?1 ? ? 2 ? 8 ? 0.05t1

…………..

(17)

其中:t1 为集气管壁温度,取 120℃ 则:

?1 ? ? 2 ? ? 8 ? 0.05 ?120 ? ? 14kcal / (m 2 ? h ? ?C ) ? 58.618kJ / ? m 2 ? h ? ?C ?
t2—空气温度,取 25℃ F—集气管表面积

对于三座焦炉均为单集气管时,当集气管直径为 1.2 米,每根集气管长为 70 米 3.14× 1.2× 70=791.28 m2 F =3π DL=3× 式中: D—集气管直径: L—集气管长度: 故:
QV ? ??1 ? ? 2 ? F ? t1 ? t2 ? ? 58.618 ? 791.28 ? ?120 ? 25? ? 4406408.85kJ / h

总输出热量为: Q 出= QⅢ+ QⅣ+ QⅤ………….. (18)

=71589987.03+2643.352927M+336868377.3-334.944M+4406198.368=(412864562.7+2308.408 927M)kJ/h 因为输出热量应等于输入热量,Q 出= Q 入 则:380932765.6-2312.69M=454889973.9 得:M=36480.96532kg/h

或 36480.96532×

22.4 =45398.53461m3/h 18

3 则离开集气管的煤气总体积为:94102.963+45398.53461=139501.4976 m /h 3 则集气管的水蒸汽总体积为:29487.46+45398.53461=74885.99461 m /h

集气管出口的煤气中水蒸汽分压为:
74885.99461 =407.9766661mmHg=54391.44912Pa P=760× 139501.4976

相当于煤气出口温度 83.3≈83℃(露点)与假设相符。因此前面假设的离开集气管的 煤气温度是正确的。 根据上述的计算,在表 8 中列出集气管的物料平衡,在表 9 中列出其热平衡。 表8
物料名称 千克/时 干煤气 水蒸汽 焦油汽 粗苯 硫化氢 氨 小计 循环氨水 焦油 总计 28339.52 23695.28 6847.5 1953.82 401.72 474.76 61712.6 1004300 —— 1066012.6 输入 米 3/时 62837.073 29487.46 902.26 527.296 264.66 625.57 94644.319 —— ——

集气管的物料平衡
输出 千克/时 28339.52 60176.24532 2739 1953.82 401.72 474.76 94085.06532 966667.7192 4108.5 1066012.6 米 3/时 62837.073 74885.99461 360.904 527.296 264.66 625.57 139501.4976 —— ——

表9

集气管的热平衡

物料名称 干煤气 水蒸汽 焦油汽

输入热量(kJ/h) 66603186.73 90231626.24 12958439.08

输出热量(kJ/h) 7321380.383 159067054.2 1330424.454

苯族烃 硫化氢 氨 小计 循环氨水 焦油 集气管热损失 总计

2408675.665 299550.1828 806221.3281 173307699.2 323769849.5 —— —— 497077548.7

186984.2362 33224.67328 82985.53804 168022053.5 324165178.8 484118.1098 4406198.368 497077548.7

3.2 两段冷却流程的横管式煤气初冷器的初步冷却工艺计算及选型
第二段从 45℃冷却到 25℃, 本设计中采用两段横管初冷器, 第一段从 83℃冷却到 45℃, 第一段用循环水冷却,第二段采用低温冷却水冷却。 3.2.1 横管式煤气初冷器的物料衡算 计算依据: 横管式煤气初冷器安装在由两座焦炉引来的煤气管线上,则进入煤气初冷器的煤气量 为: 装炉干煤量 干煤气量 初冷器进口煤气温度 初冷器一段后煤气温度 初冷器出口煤气温度 182.6t/h 28339.52kg/h 83℃ 45℃ 25℃

查有关资料: 吸煤气管道的热损失大约占出集气管输出热量的 3%, 故吸煤气管道热损 失 为 : 4569018.67kJ/h , 由 于 热 损 失 而 冷 凝 下 来 的 水 蒸 汽 的 量 为 : 2022.35kg/h , 或 2516.70m3/h。 入初冷器水蒸汽的量为: 60176-2257=57919kg/h 或 74886-2809=72077m3/h

入初冷器水煤气带入的热量为: 168022053.5-5218708=162803345.5kJ/h 3.2.2 进入横管初冷器的物料组成 进入煤气初冷器的炼焦煤气温度为 83℃,压力为 200mmH2O

表 10
物料名称 干煤气 水蒸汽 焦油汽 粗苯 硫化氢 氨 小计

进入横管初冷器的物料如下: kg/h
28339.52 57919 2739 1953.82 401.72 474.76 91827.82

m3/h
62837.073 72077 360.904 527.296 264.66 625.57 136692.503

3.2.3

一段初冷器出口煤气中水蒸汽的计算 煤气出口温度为 45℃,压力为 400mmH2O。在初冷器中大部分焦油汽冷凝。设焦油

汽在初冷器的第一段冷凝了 90%,溶解于剩余氨水中的氨、硫化氢和二氧化碳的总量为 103 标 m3,而在第一段溶解了 90%。 VV=Vcg 式中:
3 Vcg—初冷器出口的干煤气体积,标 m /h

p (19) p1 ? p …………..

P—水蒸汽在 45℃时的分压,为 974mmH2O P1—一段初冷器出口煤气压力,为 9933 mmH2O
3 Vcg =136692.503-72077-[(360.904+103)×0.9]=64197.9894m /h

故:VV =64917.9894× 或

974 =6979.4443m3/h 9933 ? 974

6979.4443 ?18 =5608.482kg/h 22.4

3.2.4

二段初冷器出口的物料衡算 二段初冷器出口煤气中水蒸汽的量: V`V=V`cg
p` (20) p1 `? p` …………..

式中:
3 V`V—初冷器出口的干煤气体积,标 m /h

p `—水蒸汽在 25℃时的分压,322mmH2O

p1 ` —二段煤气初冷器出口煤气压力,9833mmH2O
3 V`cg =136692.503-72077-(180.452+103)=64332.051 m /h

V`V =64332.051× 或

322 =2178 m3/h 9833 ? 322

2178 ?18 =1750kg/h 22.4

在一、二段初冷器中冷凝的水蒸汽的量为: 57919-1750=56169 kg/h 送到溶剂脱酚去的氨水量为: 23695-1750=21945kg/h 需补充到循环氨水中的冷凝水量为: 56169-21945=34224 kg/h 设剩余氨水含氨 5g/L,含硫化氢 2 g/L,含二氧化碳 2 g/L, 则:溶于剩余氨水中含氨为:21945×0.005=109.725 kg/h 溶于剩余氨水中的二氧化碳和硫化氢各为:21945×0.002=43.89kg/h 或硫化氢为 28.9m3/h,二氧化碳为 22.3 m3/h。 因此:两段冷却流程的横管式煤气初冷器的物料平衡总结见下表 11:

表 11
物料名称

两段冷却流程的横管式煤气初冷器的物料平衡
输入 输出 米 3/时 62837.073 72077 360.904 527.296 264.66 625.57 136692.503 —— —— —— —— 千克/时 28295.63 1750.2 —— 1953.82 357.83 365.035 32722.52 56168.8 197.505 2739 91827.82 米 3/时 62739.76 2178 —— 527.296 235.75 481 66161.806 —— 103 360.904 ——

千克/时 干煤气 水蒸汽 焦油汽 粗苯 硫化氢 氨 小计 水 溶解气体 焦油 总计 28339.52 57919 2739 1953.82 401.72 474.76 91827.82 —— —— —— 91827.82

3.2.5 3.2.6

横管式煤气初冷器的衡算 横管式煤气初冷器的冷却水量的计算 为简化工程计算,热量衡算只考虑干煤气冷却和水蒸汽冷却两项。氨、苯、焦油、硫

化氢等化学产品热量忽略不计。 根据物性数据查得各温度下煤气被水汽饱和后的总热焓和水汽含量见表 12 所示。

表 12 项目

干煤气的总热焓和水汽含量 温度 83 45 284.7861 84.1 35 174.2546 47.45 ℃ 30 134.9824 35.20 25 103.707 26.00

总热焓 kJ/m3 水汽含量 g/ m3

2523.3 905.6

以此求得不同情况下的热量 Q,冷凝量 g 和冷却水量 G 如下:

1. 两段煤气初冷第一段,煤气温度由 83℃被冷却到 45℃
Q1 ? =62837.073 ? ? 2523.3 ? 284.7861? =140661698.3kJ / h

冷凝液量:
g1 ? 62837.073 ? ? 905.6 ? 84.1? =51620.655kg / h

冷却水量:
G1 ? 140661698.3 ? 51620.655 ? 64 ? 4.1868 ? 2330.087903m3 / h ………….. (21) 1000 ? (45-32) ? 4.1868

式中: 64—初冷冷凝液的平均温度,℃ 45,32—循环冷却水出口,进口温度,℃ 2. 两段煤气初冷第二段,煤气温度由 45℃被冷却到 25℃
Q2 =62837.073 ? ? 68.02 ? 24.77 ? ? 4.1868=11378480.63kJ / h

冷凝液量:
g 2 =62837.073 ? ? 84.1 ? 26.00 ? =3650.834kg / h

冷却水量:
G2 ? Q2 ? g 2 ? 35 11378480.63 ? 3650.834 ? 35 ? 4.187 ? ? 369.97063m3 / h ………….. (22) ? (25-18) 1000 ? (25-18) ? 4.187

式中: 35—初冷冷凝液的平均温度,℃ 25,18—低温水出、进口温度,℃ 为了适应煤气露点温度的变化和提高初冷二段的水速,低温水量 G2 宜按

1.25G ? 369.97063?1.25 ? 462.463m3 /h
两段用水量为: G ? G1 ? G2 ? 2330 ? 462.463 ? 2792m3 / h 3.2.7 冷却面积的计算及煤气初冷器的选择

F?
式中:

Q 米2 k ?t ..............(23)

Q—煤气由 t1 到 t2 放出的热量,kJ/h

?t —水和煤气的对数平均温度差,℃

k —总传热系数,kJ/(m2·h·℃)
因为并联时流体阻力比串联时小得多,故本设计中横管初冷器采用并联。设采用三 台并联操作,则煤气传给水的传热系数按下式计算:
k? 1 1

?1
式中:

?

?1 ? 2 1 ? ? ?1 ?2 ? 2 …………..(24)

?1 —煤气对管壁的给热系数,kJ/(m2·h·℃);主要取决于煤气中水蒸汽平均含
量 ? (体积%)按下式计算: lg ?1 ? 1.69 ? 0.0246? …………..(25)

?1 —金属管壁表面上的垢层的热阻,取 0.0002(m2·h·℃)/kJ ?1

?2 —横管式初冷器内沉积物的热阻,取 0.0001(m2·h·℃)/kJ ?2
? 2 —管壁对水的给热系数,kJ/(m2·h·℃)
根据下式 ? 2 ? 0.023Re0.8 Pr 0.4 其中:

?
d

?

…………..(26)

Re —雷诺准数;
Pr —普兰特准数;

? —水的导热系数,kJ/(m·h·℃)
d —管内径,m;

? —与 Re 有关的系数。
?t 的计算:
煤气,℃ 水, ℃ 83 ? 45 45 ? 32 38 13 煤气,℃ 水, ℃ 45 ? 25 25 ? 18 20 7

?t1 ?


38 ? 13 ? 23.4℃ 38 ln 13
72077 2178 100 ? )? ? 28 136692.503 66161.806 2

?t2 ?

2 0? 7 ? 1 2 .℃ 4 20 ln 7

? ?(
所以

l g?1 ? 1 . 6 9 ?

0 . 0 2 4 6 ? 1 . 6 9? 0 ?0 2 4 6 ?? .

28

2.3788

故 ?1 = 1001.566 ? 1002 kJ/(m2·h·℃) 为了求管壁到水的传热系数 ? 2 ,须先确定水的流速,当用 n=4 台并联初冷器,一簇 管束的断面为 0.1864,管径为 57mm,厚度为 3.5mm 时,水的流速为:

??

G 2792 ? ? 1.04m / s 3600 ? n ? 0.1864 3600 ? 4 ? 0.1864

式中: 5 台初冷器并联,当冷却水平均温度为 34.5℃,其物理性能为: 比热 导热系数 动力粘度 密度 则雷诺准数 Re ? 1000

C ? 4 . 1 8 J / k?℃) k (g
2 ? =2.25k J / ( m ? h℃) ?

Z = 0 . 7c 3 P 3
3 ? ? 9 9 5 g /m k

?d ?
Z

? 1000 ?

1.04 ? 0.05 ? 995 ? 70586.63 0.733

式中:d—管子内径,为 57-3.5 ? 2=50mm=0.05m 因 Re>10000,所以 ? ? 1 普兰特准数为: Pr ? 3.6
CZ ? 3.6 ? 4.18 ? 0.733 ? 4.9 2.25 …………..(27)

?

故 努赛尔准数为:
Nu ? 0.023Re0.8 Pr 0.4 ? ? 0.023 ? 70586.630.8 ? 4.90.4 =329….(28)

给热系数 ? 2 按下式计算:

? 2 ? Nu

?
d

? 329 ?

0.538 ? 14821.43947kJ / (m2 ? h ? ?C ) 0.05

故传热系数为:

k?

1 ? 868kJ / (m2 ? h ? ?C ) 1 1 ? ? 0.0005 ? 0.001 329 3540
?t 1 12.4 ? 23.4 ? ? 17.9 ℃ ?t2 2

平均温差为:
?t 平均 ?

传递热量为:
Q ? Q1 ? Q2 ? 140661698.3 ? 11378480.63 ? 152040178.9kJ/h

故冷却面积为:

F?

Q 152040178.9 ? ? 9785.55846m 2 k?t 868 ?17.9
9785.55846 ? 3.3 ? 4 。 2950

因为一台横管式冷却器的冷却面积为 2950m2,故 n ? 初冷器管板的拉脱力校核

3.2.8

初冷器(换热器)在操作中,承受流体压力和管壁否认温差应力的联合作用,这两个 力在管子与管板的连接接头处产生一个脱力,使管子与管板有脱力的倾向。拉脱力的定义 是管子每平方米胀接周边上所受到的力,单位为帕(Pa) 。试验证明,对于管子与管板是焊 接连接的接头,接头的强度高于管子本身金属的强度,拉脱力不足以引起接头的破坏;但 对于管子与管板是胀接连接的接头, 拉脱力则可能引起接头处密封性的破坏或使管子松脱。 为保证管端与管板牢固地连接和良好的密封性,必须进行拉脱力的校核。 在操作压力作用下,管子每平方米胀接周边上所受到的力
qp ? pf ? d 0l
qp



式中:
p ? 设计压力,取管程压力pt 和壳程压力p s二者中的较大者,MPa



d0 ? 管子外径,mm



l ? 管子胀接长度,mm ;
f ? 每四根管子之间的面积,mm 2 ;

管子成正三角形排列时,

f =0.866a 2 ?

?
4

d0 2

管子成正方形排列时,
f =a 2 ?

?
4

d0 2

式中:
a ? 管间距, m m 。

在温差应力作用下,管子每平方米胀接周边上所受到的力 qt :
qt =

? t at ? t ? d 0 ? di ? ? d 0l 4d 0l
2

2

?

式中:

? t ? 管子中的温差应力,MPa;
at ? 每根管子管壁横截面积,mm 2;

d0,di ? 分别为管子的外径、内径,mm;

由温差应力产生的管子周边力与由操作压力产生的管子周边可能作用在同一方向,也可 能作用在相反方向。 若两者方向相同, 管子的拉脱力为 方向同
qp

q p ? qt

; 反之, 管子的拉脱力为

qt ? q p





qt

两者中较大者。

换热管的拉脱力必须小于许用拉脱力 表

? q ? , ? p ? 值见下表
许用拉脱力

换热管与管板胀接结构模式 钢管 胀接 有色金属管 焊接 管端不卷边,管孔不开槽 管端卷边或管孔开槽 管孔开槽

?q?
2 4 3
0.5 ?? ?t
t

钢管、有色金属管
t

注 ?? ?t 为在设计温度时,换热管材料的许用压力,MPa。

本设计中,换热管的设计的参数如表 14

表 14 项目 操作压力/MPa 操作壁温/°C 材质 线膨胀系数 ? (1/C) 弹性模量 E /MPa 许用应力/MPa 尺寸/mm 管子根数 排列方式 管间距/mm 管子与管板的连接方式 胀接长度/mm 许用拉脱力 [q] /MPa

换热管的设计参数 管子 0.6 35 10 号钢(镀锌)
11.8 ?10?6 0.21?106

壳体 0.095 85 Q235-B
11.8 ?10?6 0.21?106

111

124.6

? 57 ? 3.5 ? 3000
5500 正方形 a=72 开槽胀接 l=80 4.0
qt

在温差应力作用下,管子每平方米胀接周边上所受到的力



? a ? t ? d 0 ? di qt = t t ? ? d 0l 4d 0l
2

2

?

其中:

? t 为管子的温差应力

?t ?

? E (tt ? ts )
1? At As

????????????????????(32)

换热管总截面积为:
At ?

?
4

(d 0 2 ? di 2 )n ?

?
4

? (0.0572 ? 0.052 ) ? 5500 ? 3.234m2

????(33)

壳壁横截面积为:

As ? 2.464m 2

?t ?

? E (tt ? ts )
1? At As

?

11.8 ? 0.21?106 ? ?85 ? 35 ? ? 53.58MPa 3.234 1? 2.464
2 2

? a ? t ? d 0 ? di qt = t t ? ? d0l 4d 0 l

? ? 53.58 ? ? 57

2

? 50 2 ?

4 ? 57 ? 80

? 2.2 MPa

q ? qt ? q p ? 0.11 ? 2.2 ? 2.31MPa

q ? ? q ? ? 4MPa ,故管子拉脱力在许用范围内。

3.3 机械化氨水澄清槽的工艺计算及选型
循环氨水量: 对于单集气管时,按计算定额为每吨装炉煤 6m3,即:
182.6 ? 6 ? 1095.6m3 / h

进入此槽内的初冷冷凝液量为:
g ? g1 ? g 2 ? 51620.655 ? 3650.834 ? 55271.489kg / h ? 56m3 / h

需要澄清的总液量为:
1095.6 ? 56 ? 1151.6m3 / h

需要设备容积(按澄清 20 分钟计算)为:
1151.6 ? 20 ? 383.87m3 60

所以,实际选用三台 V ? 187m3 的机械化氨水澄清槽。

3.4 离心式煤气鼓风机的工艺计算及选型
鼓风机是从焦炉中吸取煤气和产生煤气通过回收车间设备及煤气管道所必需的压力。 配置在鼓风机前的设备和管道处于负压,而配置在鼓风机后的则处于正压。 鼓风机是为了从焦炉中抽出炼焦煤气,加压后送入化学产品回收车间,通过一系列设 备和管道,在焦化厂边界保持一定的压力。因此鼓风机必须满足抽送煤气量及克服一系列 设备及管道阻力并保持一定边界压力的要求。

3.4.1

冷鼓风机的扬程 鼓风机的扬程取决于煤气设备及管道系统的阻力, 回收车间煤气管道和设备的阻力一

般采用如下表 13 数值:

表 13

煤气管道的各个管段和设备的阻力一般规定 吸入状态 毫米水柱 400 100 500 毫米水柱 400 50 600 150 300 400 1900

从焦炉到鼓风机前的煤气管道压力 管式煤气冷却器的阻力 小计 压出状态 从鼓风机到焦化厂边界的煤气管道的阻力 电捕焦油器的阻力 饱和器系统的阻力 煤气最终冷却器的阻力 苯洗涤塔的阻力 边界处煤气剩余压力 小计

根据上式计算总阻力为 2400 毫米水柱,故应选扬程不小于 3000 毫米水柱的鼓风机。 当鼓风机后煤气的压力为 2400 毫米水柱,大气压为 760 毫米汞柱时,其总压力为:
P2 ? 760 ? 1900 ? 900毫米汞柱 13.6 500 ? 273毫米汞柱 13.6

鼓风机前煤气的绝对压力为:
P ? 760— 1

3.4.2

鼓风机转子所需功率 鼓风机转子所需功率按下式计算:
N ? 0.133PV1 [( 1 P2 0.27 ) ? 1]千瓦 P 1 …………..(29)

式中:
P1 —鼓风机吸入口的绝对压力,大气压 P2 —鼓风机压出口的绝对压力,大气压 V1 —进入鼓风机煤气的实际体积,米 3/时

当鼓风机前压力 P1 =723mmHg 和温度为 35℃时,进入煤气鼓风机的煤气体积为:
V1 ? PV0T1 760 273 ? 35 0 ? 66161.806 ? ? ? 78464.04911m3 / h PT0 723 273 1 ..............(30)

式中: 66161.806—离开初冷器的煤气体积,米 3/时。 则鼓风机的轴功率:
?? 900 ?0.27 ? P2 0.27 723 N ? 0.133PV1[( ) ? 1] ? 0.133 ? ? 78464.04911? ?? 1 ? ? 1? ? 604.68 KW P 760 ?? 723 ? ? 1 ? ?

考虑鼓风机需进行空气试车及其它因素鼓风机配用的电机功率一 般取轴功率的 1.25~1.3 倍,则:
N1 ? 604.68 ?1.25 ? 755.85KW

由于鼓风机操作时可能出现超负荷, 因次鼓风机的传动功率应当大于所需的轴功率; 当用蒸汽透平机带动时要大于 15%,当用电动机带动时要大于 25~30%。 选用国产 D1250—22 型煤气鼓风机,其性能为 Q=1250 米 3/分 3.4.3 鼓风机后煤气温度 t
?P ? T2 ? T1 ? 2 ? ?P ? 1
0.27

配用电机容量为 1000KW

K

……………(31)

式中:
T2 —机后煤气绝对温度,K
T1 —机前煤气绝对温度,K

取机前煤气温度为 35℃,得:

? 900 ? T2 ? ? 273 ? 35 ? ? ? ? ? 723 ?

0.27

? 327 K

或 t2 ? 327 ? 273 ? 54 ?C 因此,煤气在鼓风机内加热了 19℃,实际上煤气鼓风机后煤气升温比这些低,因为 有一部分热量从鼓风机表面散到外界。

3.5

电捕焦油器的选型
为了保证回收车间的的鼓风机后的煤气管道和回收设备的正常操作,在鼓风机后设 置电捕焦油器以进一步捕集煤气中的焦油雾。 在煤气初冷器内不能将煤气中焦油完全分离出来,一般每立方米含 2~ 5 克 ,炼焦 煤气通过鼓风机高速离心作用后,煤气中的焦油雾从每立方米 1.5 ~ 2 克降到每立方米 0.5 克 左右。煤气含这么高的焦油是不利的,因为它要影响硫铵和洗苯用的洗油质量 。 因此必须将这部分焦油从煤气中脱出除。 在焦化厂采用电捕焦油器脱出煤气中的焦油雾,电捕焦油器优点是效率高,可达 98~99% ,电力消耗小,阻力不大[11 ~ 15] 。 在焦化厂内,有的将电捕焦油器安装在鼓风机前,即在煤气初冷器后,也有的安装 在鼓风机后。这两种方案各有其优缺点 。 现有的大多数焦化厂都把电捕焦油器安装在鼓风机后。在最近的设计中,也有将电 捕焦油器设置在鼓风机前。 焦化工业中一般采用立管式电捕焦油器。电捕焦油器结构见图 8,焦炉煤气从连接 管引入,通过两块分配栅板而进入悬挂在管板上的沉淀管内。分配栅板的用途是将煤气 均匀分布在所有沉淀管整个断面上。 在每根沉淀管中心都穿一条电晕极,挂在顶部挂架上。为拉紧电晕极,在其下端挂

有配重。顶部挂架用三个拉条悬挂在绝缘子上。为了加热从沉淀管上流下来的焦油,在电 捕焦油器的底部装有蒸汽夹套。电捕焦油器中的焦油通过水封排出。

图8 Fg2.1 米 2 电捕焦油器的技术特性: 高度,毫米 直径,毫米 8875 2800 沉淀管数量,根 沉淀管有效面积 煤气速度,米/秒 压力损失,毫米水柱 输入电压 109 Fg=2.1 米 2 1.35~1.75 20~50
? 40千伏

沉淀管规格, ?165 ? 45 沉淀管长,毫米 电晕极总长 煤气处理量 3500 382 米

? 1 5 0 0 03 时 米 /

炼焦煤气以 54℃,压力为 1900mm 水柱,进入电捕焦油器,煤气实际体积流量为:
V ? 66161.806 ? 273 ? 54 10333 ? ? 66940m3 / h 273 10333 ? 1900

3.5.1

两极间的电位差 设:电捕焦油器的沉淀管内径为 1560mm,电晕极的直径为 2mm。此时,两极间 的所需电位差为:

V ? E ? R2 ? R1 ?

伏……………(32)

式中:
R1 —电晕极钢丝半径,cm;
R2 —沉淀管半径,cm;

E—电压梯度, 则:

E=4000V/cm

V ? 4000 ? ? 7.8 ? 0.1? ? 30800V ? 3.08 ? 1012电磁单位

3.5.2

焦油雾滴的运动时间 焦油雾滴运动时间按下式计算:
t? R2 2 ? R12 2A

秒………………………………….(33)

式中 A 按下式计算:
L? ? Ve ?1 ? 0 . 8 1? d? ? A? ?R ? 2 1 . ? d ? ? g2 ? 6 l ? R1 ?

厘米 2/秒…………………(34)

式中: V—两极间的电位差,电磁单位; e—电子荷,取 1.59 ? 10?20电磁单位

? —煤气粘度,取 1.35 ? 10?6 ? 千克?秒? / 米2
d—最小焦油雾滴直径,取 4 ? 10?5 厘米 L—炼焦煤气 0℃时的气体分子平均间距,为 1.12 ? 10?5 厘米 而在 54℃时为: L ? 1.12 ? 10?5 因此,
273 ? 54 ? 1.23 ? 10?5 厘米 273

? 1.23 ? 10?5 ? L? ? 3.08 ? 1012 ? 1.59 ? 10?20 ? ?1 ? 0.81 ? Ve ?1 ? 0.81 ? ? 4 ? 10?5 ? d? ? ? A? ? ? 27.7厘米 / 秒 7.8 ? R2 ? ?5 ?6 21.6 ? 4 ? 10 ? 1.35 ? 10 ? lg 21.6 ? d ? lg ? ? 0.1 R1 ? ?

t?

7.82 ? 0.12 ? 1.098秒 2 ? 27.7

3.5.3

沉淀极管数的确定 所需电极管的容积为:
V? ? V ? t 6 6 9 4?0 1 . 0 9 8 3 ? ? 2 0 .m 4 3600 3600 ………………………(35)

当管长为 3.5 米,每根点机关的容积为:
? 165 ? 4.5 ? 2 ? 3.14 ? ? ? 10?3 ? ? 3.5 ? 0.067米3 2 ? ?
2

所需电极管的数目为:
n? 20.4 ? 304.4 ? 304 0.067

所以选用 3 台 109 根的电捕焦油器。 3.5.4 煤气在电捕焦油器沉淀极管内的平均流速和平均停留时间

选用 3 台 109 根的电捕焦油器并联操作时, 煤气在电捕焦油器内的实际停留时间为:
tP ? 0.067n ? 3600 0.067 ?109 ? 3 ? 3600 ? ? 1.18s V 66940 ………..(36)

煤气在电捕焦油器沉淀极管内的平均流速 Wp
WP ? 3.5 ? 2.97m / s 1.18

3.5.5

电捕焦油器的电能消耗(两台并联)

N?

VI ?1 1000?0

kw………………………………………(37) mA

I ? nLi

式中:
I — 电流值,mA;

n — 沉淀极管子数,109 根; L 一根沉淀极管长,L=3.5m;
i —电流密度, i ? 0.5 ? 10?3 A / m ;

V—两极间的电位差,30800 伏;

? 0 —有效系数,取? 0 =0.85

?3 I ? n L i 3 ? 0 9 ? 3 . 5 0 .?5 1 0 ? 1 ? ?

A.57 0

N?

VI 30800 ? 0.57 ?1 ? ? 1 ? 21.65 KW 1000?0 1000 ? 0.85

每小时处理 1000 标 m3 煤气所需消耗的电能:
N 21.65 ? ? 0.323KW V 66.94

4
4.1 土建设计条件

非工艺条件的选择和设计另起一页

1. 车间建筑物的火灾危险性分类参照建筑设计防火规范。 2. 室内地坪标高一般应比室外地坪标高高出 0.15 米,如有特殊要求,另行提出。 3. 室外主要操作区及通道设混凝土地坪,并考虑排水。 4. 地下式的油池或水池应有防渗漏措施。 5. 室内楼板上的安装孔应有盖板,如安装安全杆,则栏杆应为可拆卸的。 6. 室内楼板上的管孔应有高度不小于 100 毫米的堰。 4.1.1 生产工艺流程图 见工艺流程图。

4.1.2 车间平面图 见车间布置图 4.1.3 设备一览表 表 14 编 号 1 2 横管初冷器 煤气鼓风机附电机
F ? 2950米2
Q ? 750m3 / min

设备一览表 规格 数量 图号或型号

设备名称

5 2

见工艺流程图 D1250—22 型

N ? 1000kw

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 鼓风机水封槽 电捕焦油器 机械化氨水中间槽 循环氨水中间槽 焦油中间槽 焦油贮槽 初冷冷凝液中间槽 事故氨水槽 循环氨水泵附电机

JK2—630—2 1F 4662 1F 4665 1F 4602 39 TH 074 39 TH 072 39 TH 075 39 TH 080 39 TH 073 12 Sh—94

1000 ? 2800 ? 4100
Dg 3600,H=12270
V ? 187米3
3 Dg 5150,H=3600, V ? 75米 3 Dg 5100,H=2500, V ? 50米
3 Dg 600,H=8245, V ? 200米

2 2 3 1 1 2 1 1 2

3 Dg 5100,H=2500, V ? 50米 3 Dg 5100,H=3600, V ? 75米

Q ? 529~893米3 / 时,

H=55~42 米,N=155 千瓦 2 12 中间焦油泵附电机
Q ? 39.2~72米3 / 时,

JS—116—4 100 YD16 ? 4

2

H=73.6~40.8 米,N=17 千瓦 2 JO 2—61—2

13

焦油泵及冷凝液泵 附电机

Q ? 39.6~72米3 / 时,

3

100 YD16 ? 4

H=73.6~40.8 米,N=17 千瓦 3 JO 2—61—2 14 Sh—19

14

初冷循环水泵附电 机

Q ? 972~1440米3 / 时,

2

H=32~22 米,N=135 千瓦 2 JS 115—4 2.5 FY—12

15

鼓风冷凝液液下泵 附电机

Q ? 28.8米3 / 时,

2

H=15.7 米,N=4 千瓦 2 JO 2—32—2 39 TH 070 混凝土 14 Sh—19 JS 115—4

16 17 18

鼓风冷凝液槽 初冷循环水池 手动单梁起重机

3 Dg 2000,L=7000, V ? 20米

1 1 1

8000 ? 3000 ? 3000

Q=5 吨,

LK ? 11米

19

手动单轨小车 附手拉葫芦

Q=1 吨,H=2.5 米

1

SDX—3 型

SH 1 型 20 操作走台 39 TH 043 39 TH 044 39 TH 045 21 润滑油滤油机 附电机 N=1.1 千瓦 1 LK 50 型 BJO 2 — 21 —
4T2

22 23

高位油箱 油站附电机 N=7.5 千瓦

2 2

150 型 YZ 160 BJO 2 — 21 —
4T2

24

油站加热器底罩

2

1F4661

25 26

移动梯 电捕焦油器水封槽

H=2100 Dg 800,H=4000

1 1

1B 333—6 39 TH 079

4.2 供电照明系统
4.2.1 供电系统及用电要求 1. 回收车间各工段供电负荷按焦化厂负荷分级规定。回收车间整体按二级负荷考虑。 2. 电动机的启动和停止一般为机房操作,如电动机台数少且距离仪表室近,也可在仪表 室内控制。 3. 煤气鼓风机和电机机的启动和停止宜在机旁远方操作,每台鼓风机应单独设置控箱。 4. 连续运行的重要电机,宜在仪表室内安装电流表,并有运行指示和事故信号。 5. 在回收车间,除正常的室内外工作照明外,在管道的视镜或设备视镜及液面指示条件 外应设局部照明,鼓风机室应有事故照。 6. 为满足生产的连续性,供电一定要满足双电路的要求,同时电网必须为工人提供足够 的电量。 7. 车间或工段办公室以及各工段的主要仪表操作室内设有调度电话和自动电话。 8. 鼓风机与焦炉集气管操作室有直通电话联系。 9. 夜班操作工地及监控地段用照明。 4.2.2 用电设备平面布置图 用电设备平面布置图见车间平面布置图。 4.2.3 避雷要求 采用集中避雷方式,避雷针应装在初冷器上。

4.3 仪表控制设计条件
4.3.1 控制方式 采用指示仪表集中显示,集中控制。 4.3.2 仪表控制条件 1. 冷凝泵房的仪表控制条件 表 15 冷凝泵房仪表测量项目 仪表种类 测量项目 煤气初冷低温水进口温度 温度计 煤气初冷的循环氨水温度 每台煤气初冷器出口温度 压力计 循环氨水泵出口压力 煤气初冷的低温水流量 流量计 煤气初冷的循环水流量 循环氨水流量 剩余氨水流量 循环氨水中间槽液位 冷凝液中间槽液位 液位计 焦油中间槽液位 焦油贮槽液位 初冷循环水池液位 剩余氨水贮槽液位 澄清分离设备的焦油、氨水界面 其它 用循环氨水中间槽的液位高度 调节剩余氨水送出量 测定点 进出口总管 进口总管 出水管 泵出口总管 进口总管 进口总管 泵出口总管 泵出口总管 槽体 槽体 槽体 槽体 水池 槽体 槽体 自动化要求 盘上指示 盘上指示 盘上指示 盘上指示 自动记录 盘上指示 自动记录 自动记录 盘上指示 盘上指示 盘上指示 盘上指示 盘上指示 盘上指示 盘上指示 自动调节

2. 表 16 鼓风机室仪表测量项目 仪表 测量项目 测定点 自动化要求

煤气初冷前的煤气温度 煤气初冷后的煤气集合温度 每台初冷器后的煤气温度 温度计 鼓风机后的煤气温度 电捕焦油器的绝缘箱温度 电捕焦油器后的煤气温度 鼓风机机组各轴承温度 焦炉集气管上的压力 煤气初冷器前总管吸力 煤气初冷后总管吸力 压力计 鼓风机前的煤气吸力调节 鼓风机进口阀门后吸力 鼓风机进口阀门前吸力 鼓风机后煤气压力 电捕焦油器后的煤气压力 流量计 液位计 冷凝鼓风工段低压蒸汽流量 鼓风机油箱或油站的油位

初冷前煤气总管 初冷后煤气总管 初冷器出口煤气管 鼓风机后煤气总管 绝缘箱 电捕焦油器后的煤气总管 鼓风机机组各轴承温度 焦炉集气管 初冷前煤气总管 初冷后煤气总管 鼓风机煤气进口总管 鼓风机煤气进口管 鼓风机煤气出口管 鼓风机后煤气出口总管 电捕焦油器后煤气出口管 低压气主管 油箱或油站

盘上指示 自动记录 盘上指示 盘上指示 盘上指示 盘上指示 盘上指示 自动记录 自动记录 自动记录 盘上指示 盘上指示 盘上指示 自动记录 盘上指示 盘上指示 盘上指示

4.4 采暖通风条件
1. 采暖方式: 各车间及车间办公室,休息室及操作室一般采用 0.3MPa 压力的蒸汽为采暖热媒。选 用散热器采暖,并采用集中采暖。

表 17 生产厂房名称 冷凝泵房 鼓风机室, 上层 鼓风机室, 下层 主要有害气体 余热、氨、焦油 余热、煤气 余热、煤气

采暖条件及要求 冬季室内采暖温度°C 10 或 16 10 或 16 5 最小换气次数 5 5~7 5 次/时

2. 通风方式:
各车间生产的通风,一般采用自然通风或强制通风,仪表室和主要操作室设窗或空调。

4.5 给排水设计条件
1. 生产冷却用水水质 de PH 值为 6.0~8.5;悬浮物小于 50mg/L;硬度要满足水质稳定要 求。 2. 生产用水水温一般规定如下: 小于 18°C 低温水的主要用户有煤气初冷器第二段等,在计算设备出水温度时,当采 用直流供水时按 35~40°C;当第二次利用时不高于 25°C 考虑。 小于 25°C 水的主要用户有鼓风机油冷却器等,当第二次利用时,计算设备出水温度按 40°C 考虑。 小于 32°C 循环水的主要用户有煤气初冷器第一段、氨分凝器等,计算设备出水温度按 45°C 考虑。 3. 煤气鼓风机油冷却器或气动鼓风机的蒸汽冷凝冷却器给水应有事故备用道。 4. 鼓冷工段生产用水量随规模、工艺流程和水温等具体条件而定。 表 18 设备名称 压力 横管冷却器 0.3MPa 具体的给排水要求如下表 供水方式 流量
m3 / h

工艺条件 温度 32°C

备注 间断

连续 是

表 19 工段 冷凝鼓风用水量 18°C 210

鼓冷车间用水量,t/h 25°C 18 32°C 1200

4.6 分析化验设计条件
表 20 名称 化验项目 化验项目及条件 采样地点 分析次数

粗焦油 细焦油

比重、水分 比重、水分、灰分、游离碳、黏 度

泵后 贮槽

送油时二次 每天二次

循环氨水 剩余氨水

氨、硫化氢、氰化氢、的含量 氨、硫化氢、氰化氢、二氧化碳、 酚

泵后 泵后

每月二次 每月二次

透平油 鼓风机出口 焦油器前后

水分、杂质、酸值、黏度、闪点 煤气含氧量 煤气含焦油量

鼓风机油箱 煤气管道上 煤气管道上

每月二次 每班二次 每周二次

4.7 爆炸和火灾危险场所等级
爆炸和危险场所等级如下表所示:

表 21 场所或设备名称 室外初冷器 冷凝泵房、 焦油氨水分离设备 及贮槽 鼓风机室 电捕焦油器

爆炸和火灾等危险场所的等级 主要介质名称 煤气 焦油、氨水 介质操作温度 °C 90~25 60~85 环境或场所等级 Q—3 H—1,潮湿

煤气 煤气、焦油

25~55 40~55

Q—2 Q—3

4.8 车间人员一览表

表 22 鼓冷车间人员表 工种 一班 二班 三班 四班 备员 管理员 合计(除备 员) 机房工 2 2 2 2 1 1 9

泵工 阀门工 仪表工 维修工 共计

2 4 1 1 10

2 4 1 1 10

2 4 1 1 10

2 4 1 1 10

1 2 1 1 6

1 1 1 1 5

9 19 5 5 47

4.9 供汽设计条件
4.9.1 供汽方式 采用连续供汽方式 4.9.2 供汽条件
2 生产用蒸汽参数一般要求绝对压力为 4~6 kg / cm 的饱和蒸汽。用气量随规模及工艺

流程等具体条件而不同,本设计中冷凝鼓风工段采用 1.5t/h。

4.10 设备维修
表 23 设备名称 煤气初冷器 鼓风机机组 主要维修项目 水室清扫 机械系统、油路系统 主要维修项目 维修制度 一年一次 三月小修、半年中修、一年大 修 机械化氨水澄清槽 电捕焦油器 泵类、换热器、阀门等 检修传动装置 瓷瓶、电晕极、沉淀极 日常维修 一年一次 三月一次

参考文献
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