第一节　煤气在集气管内的冷却

一、煤气在集气管内的冷却

1.冷却的机理

煤气在桥管和集气管内的冷却，通常是将75℃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℃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分压却远低于氨水温度下的饱和蒸气压，氨水则会快速汽化。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的过程。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，但氨水温升却不多。

煤气急剧降温，与氨水间温差减小，煤气增湿，煤气中水蒸气分压增大。气-液两相间传热和传质速率会降低。煤气降温的极限是与氨水温度相等；煤气增湿的极限是煤气中水蒸气分压与氨水最终温度下的饱和蒸气压相等。此时氨水温度就是增湿达到饱和的煤气露点温度。

由于气-液两相在桥管和集气管的接触时间很短，两相间达不到上述平衡关系，煤气的温度一般冷却到比露点温度高1～3℃。

煤气急剧降温，放出的是显热，传递给了氨水；部分氨水汽化，又以潜热的形式被蒸汽带回了气相。因此，增湿后煤气的总含热量比高温进口煤气的总含热量低不了多少。根据实测数据计算，煤气从650～750℃降温到80～85℃所放出的热量中，约10％经管壁散失在大气中。由此不难得知，煤气在桥管和集气管中的冷却，主要是降温，而排放热量的冷却作用则是在煤气初冷器中完成的。

不过，煤气温度从650～750℃降温到80～85℃的过程中，有60％左右的煤焦油蒸汽冷凝下来；煤气中夹带的粉尘大都被冲洗下来，并形成焦油渣。

综上所述，煤气在桥管和集气管中的冷却过程，主要是降温、增湿以及初步净化作用。

从集气管排出的物料，除湿煤气外，还有未汽化的循环氨水以及冷凝的部分煤焦油和焦油渣。在进一步冷却煤气之前，应当先把它们分离。

2.煤气露点与煤气中水汽含量的关系

煤气的冷却及所达到的露点温度同下列因素有关：进集气管前煤气中的水蒸气含量（主要决定于煤料的水分）和温度，循环氨水量、进口温度以及集气管压强、氨水喷洒效果等。其中以煤料水分影响最大，在一般生产条件下，煤料水分每降低1％，露点温度可降低0.6～0.7℃。显然，降低煤料水分，对煤气的冷却很重要。煤气露点与煤气中水汽含量之间的关系如图2-2所示。

由于煤气的冷却主要是靠氨水的蒸发，所以，氨水喷洒的雾化程度好，循环氨水的温度较高（氨水液面上水汽分压较大），氨水蒸发量大，煤气则冷却得较好，反之则差。

二、煤气在集气管内冷却的技术要求

1.集气管技术操作指标

集气管技术操作的主要数据（中国沿海地区数据）如下：

集气管前煤气温度/℃　　　　　　650～750　　煤气露点/℃　　　　　　　　　　　　79～83

离开集气管的煤气温度/℃　　　　80～85　　　循环氨水量/（m3/t干煤）　　　　　　　5～6

循环氨水温度/℃　　　　　　　　72～78　　　蒸发的氨水量（占循环氨水量）/％　　　2～3

离开集气管氨水的温度/℃　　　　74～79　　　冷凝煤焦油量（占煤气中煤焦油量）/％　约60

由上述数据可见，煤气虽然已显著冷却，但集气管内不仅不发生水蒸气的冷凝，相反由于氨水蒸发，使煤气中水分增加。但煤气仍未被水汽所饱和，经冷却后煤气温度仍高于煤气的露点温度。

2.技术要求

①集气管在正常操作过程中用氨水而不用冷水喷洒，因冷水温度低不易蒸发，使煤气冷却效果不好，所带入的矿物杂质会增加沥青的灰分。此外，由于水温很低，使集气管底部剧烈冷却、冷凝的煤焦油黏度增大，易使集气管堵塞。氨水呈碱性，能中和煤焦油酸，保护了煤气管道。氨水又有润滑性，便于煤焦油流动，可以防止煤气冷却过程中煤粉、焦粒、煤焦油混合形成的煤焦油渣因积聚而堵塞煤气管道。

②进入集气管前的煤气露点温度主要与装入煤的水分含量有关，煤料中水分（化合水及配煤水分，约占干煤质量的10％）形成的水汽在冷却时放出的显热约占总放出热量的23％，所以降低煤料水分，会显著影响煤气在集气管冷却的程度，当装入煤全部水分为8％～11％时，相应的露点温度为65～70℃。为保证氨水蒸发的推动力，进口水温应高于煤气露点温度5～10℃，所以采用72～78℃的循环氨水喷洒煤气。

③对不同形式的焦炉所需的循环氨水量也有所不同，生产实践经验确定的定额数据为：对单集气管的焦炉，每1t干煤需5m3循环氨水，对双集气管焦炉需6m3的循环氨水。近年来，国内外焦化厂已普遍在焦炉集气管上采用了高压氨水代替蒸汽喷射进行无烟装煤，个别厂还采用了预热煤炼焦，设置了独立的氨水循环系统，用于专设的焦炉集气管的喷洒，则它们的循环氨水量又各不同。

④集气管冷却操作中，应经常对设备进行清扫，保持循环氨水喷洒系统畅通，氨水压力、温度、循环量力求稳定。

三、集气管的物料平衡与热平衡

通过集气管的物料平衡和热平衡的计算，可以了解集气管内物料转移的情况以及求得冷却后的煤气温度。若冷却后的煤气温度已确定，就可以求得必需的循环氨水用量及其蒸发量，也可用以评定集气管操作的好坏。

下面以中国某焦化厂实际生产数据为例，计算煤气被冷却至一定温度时循环氨水的蒸发水量和集气管出口煤气的露点温度。

1.某厂实际生产数据

（1）产品产率（占干煤质量）

焦炉煤气/％　　　　　　　15.80　　氨/％　　　　　　　　　　　　　0.3

化合水/％　　　　　　　　　　2　　硫化氢/％　　　　　　　　　　　0.3

煤焦油/％　　　　　　　　　4.0　　焦炭/％　　　　　　　　　　　　76.5

粗苯/％　　　　　　　　　　1.1　　总计/％　　　　　　　　　　　　100.0

配合煤水分按每100kg湿煤含水8kg计算。

（2）操作指标

冷凝煤焦油量占总煤焦油量/％　　　　60　　进入集气管的煤气温度/℃　　　　　　650

离开集气管的煤气温度/℃　　　　　　82　　标准状态下的煤气密度/（kg/m3）　　0.465

进入集气管的循环氨水温度/℃　　　　75　　集气管内压力（绝压）/Pa　　　1.013×105

离开集气管的循环氨水温度/℃　　　　78

（3）热量分配情况（占总放出热量）

氨水蒸发所吸收的热量Q1/％　　　　75　　集气管的散热损失Q3/％　　　　　10

氨水升温所吸收的热量Q2/％　　　　15

（4）各种组分在82～650℃之间的平均比热容（由有关图表查到）

焦炉煤气/［kJ/（m3·℃）］　　　　1.591　　硫化氢/［kJ/（kg·℃）］　　　　　　1.147

水汽/［kJ/（kg·℃）］　　　　　　2.010　　煤焦油气/［kJ/（kg·℃）］　　　　　2.094

苯族烃/［kJ/（kg·℃）］　　　　　1.842　　82℃时煤焦油平均汽化潜热/（kJ/kg）　330.8

氨/［kJ/（kg·℃）］　　　　　　　2.613　　水在82℃时的汽化潜热/（kJ/kg）　　　2303.3

2.循环氨水量的计算

以1t干煤做计算基准，煤气在集气管内进行冷却时放出的总热量（以0℃为基准），可按如下计算。

煤气放出的显热：

煤焦油气放出的显热：

1000×0.04×2.094×（650-82）=47576（kJ）

煤焦油气放出的冷凝热：

1000×0.04×0.6×330.8=7939（kJ）

水汽放出的显热：

1000×0.107×2.010×（650-82）=122160（kJ）

式中，0.107为1t干煤产生的总水分。

苯族烃放出的显热：

1000×0.011×1.842×（650-82）=11509（kJ）

氨放出的显热：

1000×0.003×2.613×（650-82）=4453（kJ）

硫化氢放出的显热：

1000×0.003×1.147×（650-82）=1954（kJ）

放出的总热量为：

Q=307060+47576+7939+122160+11509+4453+1954=502651（kJ）

根据热平衡，则得：　　Q=Q1+Q2+Q3=502651（kJ）

因循环氨水蒸发所吸收的热量Q1=0.75Q，所以蒸发水量为：

因氨水升温所吸收的热量Q2=0.15Q，则循环氨水量为：

式中，4.187为水的比热容，kJ/（kg·℃）。

所以，以1t干煤计的循环氨水总量为　164+6003=6167（kg）

氨水蒸发量占循环氨水总量　

3.煤气露点温度的确定

根据已知数据及计算结果，可求得离开集气管的煤气露点温度。

进入集气管的气态炼焦化学产品按体积计数量为：

式中，18、200、83、17、34分别为水、煤焦油、苯族烃、氨及硫化氢的相对分子质量。

在集气管内冷凝的煤焦油体积为：

在集气管内蒸发的氨水体积为：

在无烟装煤时喷射的蒸汽量对干煤的质量分数为：单集气管1.5％；双集气管3％，现按双集气管的喷射蒸汽量求得体积为：

离开集气管的水汽总体积为：

离开集气管的煤气总体积为：

486+204+37.3-2.7=724.6（m3/t干煤）

集气管出口煤气中水汽分压为：

由附表1查得相应的煤气饱和温度（露点）为82.5℃。