工艺论证
工艺论证
1.1设计依据
a．本设计根据中国矿业大学本科生毕业设计教学大纲和设计任务书进行设计。
b．徐州伟天化工有限公司工艺资料。
1.2煤气初步冷却的目的和意义
在炼焦过程中，荒煤气从焦炉炭化室经上升管逸出的温度温度为650—750℃，需要经过初步冷却才能往后续工段进行输送，同时煤气由炭化室出来经集气管、吸气管、冷却及净化设备直到煤气储罐或送回焦炉，要通过很长的管道及各种设备。为了克服这些设备和管道阻力及保持足够的煤气剩余压力，还要对煤气进行加压。这些都是鼓风冷凝工段的任务。
煤气的初步冷却分两步进行：
（1）是在集气管和桥管中用大量循环氨水喷洒，是煤气冷却到80-90摄氏度；（2）在煤气初冷器中冷却，可将煤气冷却到25-65摄氏度。
煤气的初冷，输送及初步净化，是炼焦化学产品回收工艺过程的基础。其操作运行的好坏，不仅对回收工段的操作有影响，而且对焦油蒸馏工段及炼焦炉的操作也有影响。因此，对这部分工艺及设备的研究都很重视。
煤气初冷的目的一是冷却煤气，二是使焦油和氨水分离，并脱除焦油渣。1.3工艺流程
煤气在集气管经循环氨水喷散冷却，到达汽液分离器，分离出的液体流向机械化氨水澄清槽。焦油、氨水、焦油渣等混合液都是从机械化澄清槽头部进入，沉淀后的煤尘、煤粉及焦油渣等通过刮板机从机械化澄清槽放空口头部刮出，分层后的焦油、氨水从机械化澄清槽的焦油渣尾部，通过调节控制器分别排出。上段得到氨水，送入氨水中间槽；中段得到焦油，送到下一设备进行进一步的焦油脱水、脱渣处理；而下段从焦油中沉降的焦油渣等大比重物质由机械化澄清槽的刮板刮出。
鼓冷工段可以分成三部分：一是煤气的初步冷却；二是焦油和氨水的分离；三是煤气的输送。
1.3.1工艺流程的选择
煤气冷却的流程方式可分为间接冷却，直接冷却和间冷-直冷混合冷却三种。上述三种各有缺点，可根据生产规模，工艺要求及其他条件因地制宜的选择采用。本设计采用的是横管式间冷工艺流程。
1.3.1.1煤气的间接冷却
如图1，煤气的间接冷却有立管式和横管式两种，立管式相对于横管式工艺较老，故本设计采用横管式间冷工艺。
横管式煤气初冷器冷却，煤气走管间，冷却水走管内。横管式冷却器煤气通道分为上、中、下三段，上段用循环氨水喷洒，中段和下段液量和热负荷的计算可知：上段和中段冷凝液量约占总量的95%，而下段冷凝液量仅占总量的5%；从上段和中段流至下段的冷凝液由45摄氏度降至30摄氏度的显热，约占总热负荷的60%；下段冷凝液的冷凝潜热及冷却至30摄氏度的显热，约占总热负荷的20%；
下段喷洒冷凝液的冷却显热，约占总热负荷的20%。由此可见，上段和中段喷洒的氨水和冷凝液全部从下段排出，显著地增加了下段负荷。
1.3.1.2煤气的直接冷却工艺
如图2，煤气的直接冷却，是在直接式煤气初冷塔内由煤气和冷却水直接接触传热完成的。
同煤气间接冷却相比，直接冷却还具有冷却效率高，煤气压力损失小，基建投资少等优点。但也具有工艺流程较复杂，动力消耗大，循环氨水冷却器易腐蚀易堵塞，各澄清池污染也严重，大气坏境恶劣等缺点。因此，目前大型焦化厂还很少单独采用这种煤气直接冷却流程。
1.3.1.3煤气的间冷-直冷混合冷却工艺
由集气管来的82摄氏度左右的荒煤气经气液分离器分离出煤焦油氨水后，进入横管式间接冷却器被冷却到50-55摄氏度，再进入直冷空喷冷却到25-35
摄氏度。在直冷空喷塔内，煤气由下向上流动，与分两段喷淋下来的氨水煤焦油混合液逆流密切接触而得到冷却。
聚集在塔底的喷洒液及冷凝液沉淀出其中的固体杂质后，其中用于循环喷洒的部分经液封槽用泵送往螺旋板换热器，在此冷却到25摄氏度左右，再压送到直冷空喷塔上、中两段喷洒。相当于塔内生成的冷凝液量的部分混合液，由塔底导入机械化氨水澄清槽，与气液分离器下来的氨水、煤焦油以及横管初冷器下来的冷凝液等一起混合后进行分离澄清的氨水进入氨水槽后，泵往焦炉喷洒，剩余氨水经氨水储槽泵送脱酚及蒸氨装置。初步澄清的焦油送至焦油分离槽出去焦油渣及进一步除去水分，然后经焦油中间槽泵送入焦油储槽。
煤气的直接冷却是在直接冷却塔内，由煤气和冷却水直接接触传热而完成的。此法不仅冷却了煤气，而且具有净化煤气良好、设备结构简单、造价低及煤气阻力小等优点。间冷、直冷结合的煤气初冷工艺即是将二者优点结合的方法。
1.3.1.4氨水工艺
由汽液分离器分离下来的焦油和氨水首先进入机械化澄清槽，在此进行氨水、焦油和焦油渣的分离。上部的氨水流入循环氨水中间槽，再由循环氨水泵送至焦炉集气系统和高压氨水喷洒系统循环喷洒冷却煤气。
1.3.4.1剩余氨水工艺流程
水中间槽的氨水，利用循环氨水泵将一部分的循环氨水送入除焦油器，除焦油后自流到剩余氨水槽，再利用剩余氨水泵送至脱硫工段剩余氨水蒸氨装置，脱除的焦油自流到地下放空槽后返回系统。
由鼓风冷凝工断送来的剩余氨水与蒸氨塔底排出的蒸氨废水换热后进入蒸氨塔，用直接蒸汽将氨蒸出，同时从终冷塔上段排出的含碱冷凝夜进入蒸氨塔上部分解剩余氨水中固定氨，蒸氨塔顶部的氨水经分离器后，进入脱硫工段的脱硫塔内，以增加脱硫液中的碱源。换热后的蒸氨废水冷却器冷却后送至酚氰污水处理站。
1.3.1.5焦油工艺
清槽下部的焦油靠静压流入焦油分离器，进一步除去焦油中的焦油渣后用焦油中间泵抽送至焦油超级离心机，采用机械方式脱除焦油中的水和焦油渣后，被送入焦油贮槽。机械化氨水澄清槽和焦油分离器底部沉降的焦油槽、超级离心机排出的焦油渣至焦油渣车，定期送往备煤。增加超级离心机，提高了焦油脱渣和脱水的效果。
1.4鼓风冷凝设备的选择
1.4.1初冷器型式的选择
初冷器是焦化厂煤气冷却的主要设备，主要有立管式间接初冷器和横管间接初冷器两种。在此设计中选择了横管式间接初冷器，下面分析其优缺点。
1.4.4.1立管式间接初冷器
如图3，立管式煤气初冷器长圆柱形和圆柱形两种。这种结构形式的初冷器，在规定的水量下，水在管内的流速很低。在热水出口前的一个行程（即煤气进口流向的第一格），还存在着水的温差颠倒、水流混乱的现象。这些均影响冷却效率。这种冷却器由于上部水箱为敞开式，水在管内流速低，热传导效率低，总传热系数一般为418～627kJ/(m2?h?℃)。另外煤气从80～90℃冷却到45℃左右的冷凝液量要比从45℃冷却到25～30℃大得多，但是煤气中的大部分萘是在50℃
以后析出的，从而造成冷却器后段萘的堵塞严重，阻力增大，清扫频繁，煤气出口萘含量高（一般高出**10℃左右），净化煤气的作用差。
立管式初冷器一般均为多台并联操作，煤气流速为3-4m/s，煤气通过阻力约为0.5-1kpa。
为了克服这些缺点，可在初冷器后几个煤气流通内，用含萘较低的混合煤焦油进行喷洒，可解决萘的沉积堵塞问题，使之低于集合温度下萘在煤气中的饱和浓度。
1.4.1.2横管式间接初冷器
如图4，横管式冷却器在高约1m的长方形箱内水平配置多根传热管，多箱组合，煤气从上向下流动，冷却水由下向上流动，整个设备可按需要分为三段（热水段、循环水段、低温水段）或二段（循环水段、低温水段）。低温水段可以采用断塔板与上部隔开，达到节能效果。在中、下段连续喷洒焦油氨水混合液，一方面使传热管外壁形成液膜以提高液膜传质，另一方面从上而下冲洗和防止萘和焦油等物的堵塞，这种冷却器由于提高了水速，煤气流向与冷凝液流向一致，因此除萘效果比立管式冷却器好，可最大限度地实现煤气净化效果，总传热系数可达836～1672kJ/( m2?h?℃),比立管式冷却器几乎提高了一倍多，因而选用面积可大大减少。此外，还可以防止冷凝液再度蒸发。
在煤气初冷器内90%以上的冷却能力用于水汽的冷凝，从结构上看，横管式初冷器更有利于蒸汽的冷凝。
横管式初冷器用Ф54*3mm的钢管，管径细而管束小，因而水的流速可达
0.5-0.7m/s。又由于冷却水管在冷却器断面上水平密集布设，使与之成错流的煤气产生强烈湍动，从而提高了传热系数，并实现了均匀冷却。
横管式冷却器具有以上优点，但水管结垢较难清扫，要求使用水质好的或经过处理含萘低的冷却水。
横管式初冷器与立管式初冷器两者比较，横管式初冷器有更多优点，如对煤气的冷却，净化效果好，节省钢材，造价低，冷却水用量少，生产稳定，操作方便，结构紧凑，占地面积省。因此，鉴于以上两种初冷器的对比我选用横管式间接初冷器。
1.4.2鼓风机结构特点及选型
焦化厂焦炉煤气鼓风机有离心式和容积式两种。离心式用于大型焦炉；容积式常用的是罗茨鼓风机，用于中小型焦炉。在此设计中，我选择了罗茨鼓风机。下面介绍的是此两种鼓风机的结构及优缺点。
1.4.
2.1离心式鼓风机
如图5，离心式鼓风机由固定的机壳和在机壳内高速旋转的转子组成。转子上有一个至数个工作叶轮；工作叶轮由两个平行的圆盘构成，圆盘之间用固定叶片连接。煤气由吸入管导入第一个工作叶轮的中心，并随高速旋转的叶轮做高速运动，并因离心力作用沿叶轮的叶片向周边扩散，进入叶轮边缘与壳体之间的空间。因此，煤气速度减慢，体积膨胀并产生压力。由于压力的作用，煤气顺着固定在壳体上的固定叶片返回到第二个工作叶轮的中心，重复上述过程。如此，煤气依次进入各个叶轮，压力逐渐增大，由最末一个叶轮边缘排出机外，沿压出管
送出。所以煤气的压力是在转子的各个叶轮作用下，并经过能量转换而提高的。显然，转子的转速越高，煤气的密度越大，作用于煤气的离心力也越大，则鼓风机出口的煤气的静压能也就越高。增加转子的工作叶轮数，显然会提高煤气排出的压力。大型离心式鼓风机转速在5000r/min以上，用电动机驱动时，需设增速器以提高转速。
离心式鼓风机按进口煤气流量的大小有150m^3/min,300m^3/min,750m^3/min,900m^3/min,和1200m^3/min等各种规格，产生的总压头为29.5-34.3kpa。
1.4.
2.2罗茨鼓风机
如图6，罗茨鼓风机利用转子转动时的容积变化来吸入和排出煤气，用电动机驱动。罗茨鼓风机有一铸铁外壳，壳内装有两个“8”字形的用铸铁或铸钢制成的空心转子，并将气缸分成两个工作室。两个转子装在两个互相平行的轴上，在这两个轴上又各装有一个互相咬合、大小相同的齿轮，当电动机经由皮带轮带动主轴转子时，主轴上的齿轮又带动了从动轴上的齿轮，所以两个转子做相对反向转动，此时一个工作室吸入气体，由转子推入另一个工作室而将气体压出。每个转子与机壳内壁及与另一个转子表面均需紧密结合，其间隙一般为0.24～0.40mm，间隙过大即有一定数量的气体由压出侧漏到吸入侧，有时因泄露量大而使机身发热。
罗茨鼓风机因转子的中心距及转子长度的不同，其输气能力可以在很大范围内变动。在我国中小型焦化厂应用的罗茨鼓风机有多种规格，其生产能力为28～30m /min,所生成的额定压头为19.61～34.32kPa。
罗茨鼓风机具有结构简单、制造容易、体积小，且在转速一定时，如压头稍有变化，其输气量可保持不变，这就是优点。但在使用日久后，间隙因磨损增大，其效率即降低。另外，运行时的噪音也很大。此种鼓风机必须用循环管调节煤气量，在压出管路上需安装安全阀，以保证安全运转。
冬季因气温较低，煤气中的焦油容易粘住转子，而出现鼓风机启动困难、运转负荷加大、甚至破坏转子平衡等情况。此时从煤气入口处加入溶剂油或重油进行清洗，可有较好的效果。
1.4.
2.3煤气鼓风机的操作制度
1.4.3电捕焦油器
焦油雾是在煤气冷却过程中形成的，它以内充煤气的焦油气泡状态或极细小的焦油滴存在于煤气中。焦油雾的清除对化产回收工段的设备及操作极为重要。清除焦油雾的方法很多，但从焦油雾滴的大小及所需的净化程度来看，采用电捕焦油器最为经济可靠。
1.4.3.1电捕焦油器的工作原理
根据板状电容的物理原理，如在两金属板间维持很强的电场，使含有尘灰或
雾滴的气体通过其间，气体分子发生电离，生成带有正电荷或负电荷的离子，于是正离子向阴极移动，负离子向阳极移动。当电位差很高时具有很大速度和动能的离子的电子与中性分子碰撞而产生新的离子（即发生电离），使两极间大量气体分子均发生电离作用。离子与雾滴的质点相遇而附于其上，使质点带有电荷，即可被电极吸引而从气体中除去，但金属平板形成的是均匀电场，当电压增大到超过绝缘电阻时，两极之间便会产生火花放电，这不仅会导致电能损失，而且能破坏净化操作。为了避免火花放电或发生电弧，应采用不均匀电场。
在不均匀电场中，当两极间电位差增高时，电流强度并不发生急剧的变化。这是因为在导线附近的电场强度很大，导线附近的离子能以较大的速度运动，使被碰撞的煤气分子离子化而离导线中心较远处，电场强度小，离子的速度和动能不能使相遇的分子离子化，顺而绝缘电阻只是在导线附近电场强度最大处发生击穿，即形成局部电离放电现象，这种现象称为电晕现象。
由于在电晕区内发生急剧的碰撞电离，形成大量的正负离子。负离子的速度比正离子大，所以电晕极常取为负极，圆管或环形金属则取为正极，因而速度大的负离子即向管壁或金属板移动，正离子则移向电晕极。在电晕区内存在两种离子，而电晕区外只有负离子，因而在电捕焦油器的大部分空间内，煤焦油雾滴只能成为带有包电荷的质点而向管壁或板壁移动。由于圆管或金属板是接地的，荷电煤焦油质点到达管壁或板壁时，即放电而沉淀于板壁上，故正极也称为沉淀极。
由于存在正离子的电晕区很小，且电晕区内正离子和负离子有中和作用，所以电晕极上沉淀的焦油量很少，绝大部分焦油雾均在沉淀极沉淀下来。煤气离子经在两极放电后，重新转变成煤气分子，从电捕焦油器中逸出。
1.4.3.2电捕焦油器的构造
如图7，电捕焦油器的外壳为圆柱形，底部为带有蒸汽夹套的锥形，对于直径4.5m电捕焦油器内，装有沉淀管136根，管径250mm，管长350mm，在每根沉淀管的中心处悬挂着电晕导线，由上部框架及下部框架拉紧，以使其外壳及沉淀管绝缘。一般电晕极采用直径3.5~4mm钢丝或直径2mm镍铬线。煤气自底部侧面进入并通过分筛板均匀地进入各沉淀管内，净化后的煤气从顶部煤气出口逸出。
从沉淀管捕集下来的焦油，则由器底焦油排出口及时排出。由于焦油黏度大，特别是冬季不易排出，故在锥形底部外面设有蒸汽夹套加热。
如图8，电捕焦油器顶部的绝缘装置及高压电源引入装置是结构比较复杂的部件。柱状绝缘子（电瓷瓶）会受渗漏到绝缘箱内的煤气中所带有的焦油、萘及蒸汽的沉积污染，从而降低了表面的绝缘性能，使之在高压下发生表面放电而被击穿，还会因受机械振动和由于绝缘箱温度的急剧变化而发生破裂，这都是电捕焦油器停工的主要原因。
为了防止煤气中的焦油、萘、水汽等在绝缘子上的冷凝沉积，操作时应保持绝缘箱的温度在90~110℃范围。为此，绝缘箱可采用蒸汽夹套加热或电阻丝加热。此外，绝缘箱内可通入氮气加以密封，以保护绝缘子。
为保证电捕焦油器的正常工作，在操作上还必须很好地维护绝缘箱，定期清扫，经常检查煤气的含氧并严格控制在2%以下，以保证操作上的安全。
电捕焦油器的工作电压为50kV，所以工业用点需经变压器升压，再经整流变为直流。旧式系统多用机械整流，现在一般采用硅整流。
1.4.3.3电捕焦油器的工艺操作
（1）.焦油雾在初冷后煤气中的含量一般为1～5克/标米3。焦油雾在离心鼓风机由于离心力的作用可除去一部分，但在罗茨鼓风机中仅能除去很少量的焦油。（2）. 电捕焦油器绝缘箱温度应控制在适当的数值。其温度偏低会使煤气中的焦油、萘等凝结在绝缘子上，降低绝缘性能，产生电击穿、炸裂、着火和爆炸事故。温度应控制在105～110℃。加热用的蒸汽压力应稳定。
（3）.操作电压按不同形式的电捕焦油器规定值保持稳定。
(4).煤气中的含氧量不大于1%。
(5). 电捕焦油器的阻力不大于50毫米。
1.4.4机械化氨水澄清槽的结构和特点
循环氨水在集气管内喷洒荒煤气时，约有60﹪的焦油气冷凝下来，这种焦油是重质焦油，其中混有一定数量的焦油渣。焦油渣内含有煤尘、焦粉、炭化室顶部热解产生的游离炭及清扫上升管和集气管时所带入的多孔物质，其量约占焦油渣的30%,其余约70%为焦油。
焦油、氨水和焦油渣组成的混合物是一种乳浊液和悬浊液的混合物，因而所采用的澄清分离设备多是根据分离粗悬浮液的沉降原理制作的。常用的为卧式机
械化氨水澄清槽。
机械化氨水澄清槽是一个不规则的长方形断面的钢制容器，以纵向隔板分成平行的两格。每格底部设有传动链带动的刮板输送机。两台刮板机和用一套由电动机和减速机组成的传动装置。焦油、氨水和焦油渣从入口管经隔室进入，使之均匀分布在焦油层的上部。澄清分离后的氨水敬溢流槽流出。焦油从下部通过液面调节器引出。焦油渣则被刮板机输送到倾斜部分顶端排出。
近年来，为了改善焦油脱渣和脱水提出了许多改进方法，其中生产中以如下几种方法应用较为广泛。
(1)机械化氨水澄清槽和离心分离相结合的工艺流程：由集气管来的液体混合物先进入机械化氨水澄清槽，分离了氨水的焦油进入焦油脱水澄清槽，然后用泵送往超级离心机除渣脱水，分离出的焦油渣放入收集槽，分离水进入机械化氨水澄清槽，净化后的焦油放入焦油中间槽，再送入储槽。
(2)沉降刮渣和氨水保温静置分离工艺流程：从气液分离器分离出的混合液，先自流到并联的机械刮渣槽内，大粒径焦油渣被挡至转鼓外沉至槽底，由缓慢移动的机械刮板输送机刮至槽外小车上，定期送往煤场配入煤中炼焦。氨水焦油混合液穿过带筛孔的转鼓，自流到分离槽中部的导流管分配盘内，均匀分散到槽中。
(3)带压力焦油脱水的焦油氨水分离工艺：带有压力焦油脱水的工艺流程主要由带刮板的氨水澄清槽和带螺旋输送装置的压力焦油分离器组成。由气液分离器下来的焦油氨水首先进入氨水澄清槽。分离出的氨水从顶部排往循环氨水槽，焦油渣连续由刮刀刮出排至手推小车，分离的粗焦油从底部的上方抽出，以保证尽可能少的固体颗粒，送往压力焦油分离器。压力焦油分离器能将焦油和水高度分离，收集的焦油渣用螺旋输送机沿焦油流动的反方向输送，并间歇排入氨水澄清槽，分离的氨水通过满流槽排至氨水澄清槽，脱水焦油排至焦油槽。
机械化氨水澄清槽有效容积一般为210m^3,187 m^3,142 m^3三种。以187