论文部分内容阅读
【摘要】本文主要分析了空冷器在煤化工项目的应用的相关问题，分析了空冷器的相关原理和技术的要点，进而探讨了其在煤化工项目的应用方法，以期可以提高空冷器的应用效果。
【关键词】空冷器；煤化工；选择；问题
中图分类号：TQ53文献标识码： A
一、前言
空冷器的研发和制造步伐正在加快，而将空冷器应用于煤化工项目中也成为了今后的趋势，所以，分析空冷器在煤化工项目中的应用要点和具体的方法非常有必要。
二、空冷器应用的必要性
我国是一个严重缺水的国家，淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2300立方米，仅为世界平均水平的l／4、美国的1／5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，我国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为l1000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡。到2O世纪末，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为6O亿立方米。水环境恶化又进一步加剧了水资源紧缺的矛盾。随着我国人口的增加，经济的发展和城市化进程的加快，我国水资源形势将更为严峻，以水资源紧张、水污染严重和洪涝灾害为特征的水危机已经成为我国可持续发展的重要制约因素，成为实现新时期经济社会发展目标具有基础性、全局性和战略性的重大问题。
工业生产中消耗的水量很大，化工、火力发电都是我国取水量最大的行业，近些年来，大型煤化工行业持续升温，循环水的消耗规模也变得十分庞大，且项目大都集中在国家14个煤炭生产基地中，我国煤炭资源与水资源的逆向分布决定了节水工作的开展与否直接影响着工业企业项目的立项、审批、生产经营和持续发展。尽管直接空冷较一般水冷的一次性投资高，但由于其节水性能优越，在富煤缺水地区采用直接空冷技术已逐渐成为一种趋势。在大型煤化工装置如热电站、空分岛中有多台驱动用的汽轮机，若将汽轮机的表面冷却器由水冷改为空冷，节水效果相当明显。推广空冷技术，不仅有利于我国西北、东北以及黄河以北的许多富煤少水地区发展电力及化工事业，而且对调整我们现有能源结构，提升民族制造工业水平，都有现实意义。
三、空冷器的原理和选型
1. 空冷器结构原理
空气冷却器是以环境空气作为冷却介质，横掠翅片管外，使管内高温工艺流体得到冷却或冷凝的设备，简称“空冷器”，也称“空气冷却式换热器”。空冷器也叫做翅片风机，常用它代替水冷式壳－管式换热器冷却介质，水资源短缺地区尤为突出。
以空冷器冷却方式分类，可分为：干式空冷器，湿式空冷器，干－湿联合空冷器，两侧喷淋联合空冷器；以空冷器管束布置型式分类，可分为：水平式空冷器，斜顶式空冷器，立式空冷器，圆环式空冷器；以空冷器通风方式分类，可分为：自然通风式空冷器、鼓风式空冷器、引风式空冷器。
2. 空冷器的选型
采用何种型式的空冷应因地制宜，目前石油化工企业常用的空冷器一般都为直接空冷器，其换热元件主要分为单排扁圆管、双排椭圆管、多排圆管、顺逆流叠加管等。根据进气量及出口冷凝液温度决定空冷器换热元件的选型，一般当热流由进口温度冷却到75℃,用干空冷最经济，热流由进口温度冷却到75-65℃,用于空冷、增湿空冷均可，热流由75℃冷却到比湿球温度高5-6℃,可采用湿空冷。
四、空冷器在煤化工项目中的应用实例分析
以某地6O万吨/年煤制甲醇项目为例，该项目共使用4台空冷器。其中1台用于9000Nm3/H空分装置，该装置主空压机采用汽轮机驱动，汽轮机排汽压力0．23Bara，流量207．0T／h，机组选用德国曼透平公司产品，空冷器选用GEA公司干式直接空冷器。空冷器安装在空分厂房外的混凝土框架基础上，占地面积为40x37．5米，16组换热单元按照人字型斜顶式布置，每个换热单元由四层翅片管组成。下面三排为逆流管排，上面一排为顺流管排，蒸汽通过三排顺流管排冷凝，没有被冷凝的蒸汽通过逆流管排再被冷凝，不凝汽部分沿逆流管顶部的抽气总管至真空抽气器被抽出，凝结水沿换热单元底部凝结水管到凝结水槽由水泵送出。1台用于甲醇合成装置，该空冷器为鼓风式直接空冷，共8组换热单元，布置在装置钢框架顶部。因该装置反应器产生的合成气温度较高，单纯的空冷无法满足要求．故采用中间换热器——空冷器——水冷的方式冷却。甲醇合成塔产生的反应气体先进入进出口换热器，通过预热合成塔进口气体，使反应气体冷却到121℃，然后进入空冷器，通过空冷器冷却到60℃，此时大部分的反应气凝结产生粗甲醇，未凝结的反应气和粗甲醇再进入水冷器进一步冷却到40℃，剩余部分的气体在后水冷器中冷凝。另外2台用于甲醇精馏装置，分别用于冷凝预塔和常压塔顶部出来的不凝气体，均为鼓风式直接空冷．共26组换热单元，布置在装置管廊顶部，减少了装置的占地面积。该项目空分、合成、精馏装置采用空冷设计，省去了传统的循环水冷凝系统中的冷凝器及相关管道；减小了装置供水和水处理系统、排放处理、加药系统、凉水塔、循环水泵的规模。从投资额来看，虽然用空冷器取代水冷器一次性投资为水冷器的1．5～2倍，但使用空冷器不存在系统运行的水消耗问题，运行过程中能耗较低，不需要频繁的清理，对当地的环境影响较小，有着良好的经济效益和社会效益，比较符合缺水的该地区的长远发展。
五、空冷器运行存在的问题及解决措施
1、降温效果
（1）、增大部分换热管的直径
增大了管束中换热管的直径就增大了换热面积，使得由出口热水在单位时间内进入空冷器的水量大大的增加，进而循环水带走的热量也大大的增加，循环水的温度冷却的速度同时加快。另外，被空冷器冷却的循环水水量同时被增加。
（2）、提高挡风墙高度
空冷器运行时，冷空气通过散热器排出的热气上升，呈现羽流状况。当大风从炉后吹向平台散热器，风速度超出8m/s，羽流状况要被破坏而出现热风再回流。热气上升气流被炉后来风压下至钢平台以下，这样的热风又被风机吸入，形式热风再循环。甚至最边一行风机出现反向转动，在工程上是增设挡风墙来克服热风再循环。
（3）、增设防大风设施
空冷系统一般设在机器厂房附近，受不同风向和不同风速影响比较敏感，特别是风速超过3．0m/s以上时，对空冷系统散热效果就有一定影响，特别是当风速达到6．0/s以上时，不同的风向会对空冷系统形成热回流，甚至降低风机效率。为了使大风的影响降低到最低限度，但又不能对吸入风量造成影响，运行中可增设防大风设施，避免造成冷媒进入量的不足。
（4）、增设小型水冷器
如设计时，空冷系统的设计温度选择太低，夏季运行无法满足工况要求，可增加一套小型水冷器，在夏季高温时串联使用，以达到运行要求。
2、冬季换热管束冻裂
（1）、增设旁路暖机系统
机组冷态启动和机组低负荷运行时極易发生换热管束冻管现象，引入一路蒸汽管网来的过热蒸汽，经蒸汽减温减压阀和特殊设计的与排汽母管连接的孔板，向空冷器内补充冷态启动工况下汽轮机排汽流量的不足。
（2）、降低风机频率
空冷器应采用变频电机，在冬季低温环境下灵活操作，严格控制凝结水的过冷度及逆流管束出口温度，以免结冰；亦可逆转风机，以形成内部热风循环，降低管束内冷凝水结冰风险。
（3）、加大对易冻裂点的测漏
如空冷管束内已发生结冰，如不能及时发现，冰堵现象会逐渐蔓延，直至整条管束冻裂，故加大对易冻裂点的巡检，可有效避免此类损失，漏点容易在母管与翅片管焊接处发生断裂，需要重点在此处测漏。
六、结束语
综上所述，空冷器在煤化工行业的蓬勃发展符合我国资源地域国情，符合可持续发展需要，符合项目建设运行的要求的。选择空冷器的过程一定要使用合理的方法，在设计阶段充分考虑煤化工项目建设地域的具体情况，优化技术经济方案，确保在运行中达到理想的效果。
【参考文献】
[1]李诚.浅谈空气冷却器在化工领域中的应用[J].化工设备与管道.2012(05)
[2]冯建平.浅谈板式换热器在中小高炉炉体冷却中的应用[J].科技资讯.2011(33)
[3]邓霖.干法三胺生产装置空冷器的改造[J].川化.2011(03)
[4]赵本兴.空压机空冷器清洗除垢及其实际意义[J].化学清洗.2011(04)
[5]孔繁民.空冷器计算机辅助设计的方法[J].石油化工设备.2012(01)
【关键词】空冷器；煤化工；选择；问题
中图分类号：TQ53文献标识码： A
一、前言
空冷器的研发和制造步伐正在加快，而将空冷器应用于煤化工项目中也成为了今后的趋势，所以，分析空冷器在煤化工项目中的应用要点和具体的方法非常有必要。
二、空冷器应用的必要性
我国是一个严重缺水的国家，淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2300立方米，仅为世界平均水平的l／4、美国的1／5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，我国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为l1000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡。到2O世纪末，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为6O亿立方米。水环境恶化又进一步加剧了水资源紧缺的矛盾。随着我国人口的增加，经济的发展和城市化进程的加快，我国水资源形势将更为严峻，以水资源紧张、水污染严重和洪涝灾害为特征的水危机已经成为我国可持续发展的重要制约因素，成为实现新时期经济社会发展目标具有基础性、全局性和战略性的重大问题。
工业生产中消耗的水量很大，化工、火力发电都是我国取水量最大的行业，近些年来，大型煤化工行业持续升温，循环水的消耗规模也变得十分庞大，且项目大都集中在国家14个煤炭生产基地中，我国煤炭资源与水资源的逆向分布决定了节水工作的开展与否直接影响着工业企业项目的立项、审批、生产经营和持续发展。尽管直接空冷较一般水冷的一次性投资高，但由于其节水性能优越，在富煤缺水地区采用直接空冷技术已逐渐成为一种趋势。在大型煤化工装置如热电站、空分岛中有多台驱动用的汽轮机，若将汽轮机的表面冷却器由水冷改为空冷，节水效果相当明显。推广空冷技术，不仅有利于我国西北、东北以及黄河以北的许多富煤少水地区发展电力及化工事业，而且对调整我们现有能源结构，提升民族制造工业水平，都有现实意义。
三、空冷器的原理和选型
1. 空冷器结构原理
空气冷却器是以环境空气作为冷却介质，横掠翅片管外，使管内高温工艺流体得到冷却或冷凝的设备，简称“空冷器”，也称“空气冷却式换热器”。空冷器也叫做翅片风机，常用它代替水冷式壳－管式换热器冷却介质，水资源短缺地区尤为突出。
以空冷器冷却方式分类，可分为：干式空冷器，湿式空冷器，干－湿联合空冷器，两侧喷淋联合空冷器；以空冷器管束布置型式分类，可分为：水平式空冷器，斜顶式空冷器，立式空冷器，圆环式空冷器；以空冷器通风方式分类，可分为：自然通风式空冷器、鼓风式空冷器、引风式空冷器。
2. 空冷器的选型
采用何种型式的空冷应因地制宜，目前石油化工企业常用的空冷器一般都为直接空冷器，其换热元件主要分为单排扁圆管、双排椭圆管、多排圆管、顺逆流叠加管等。根据进气量及出口冷凝液温度决定空冷器换热元件的选型，一般当热流由进口温度冷却到75℃,用干空冷最经济，热流由进口温度冷却到75-65℃,用于空冷、增湿空冷均可，热流由75℃冷却到比湿球温度高5-6℃,可采用湿空冷。
四、空冷器在煤化工项目中的应用实例分析
以某地6O万吨/年煤制甲醇项目为例，该项目共使用4台空冷器。其中1台用于9000Nm3/H空分装置，该装置主空压机采用汽轮机驱动，汽轮机排汽压力0．23Bara，流量207．0T／h，机组选用德国曼透平公司产品，空冷器选用GEA公司干式直接空冷器。空冷器安装在空分厂房外的混凝土框架基础上，占地面积为40x37．5米，16组换热单元按照人字型斜顶式布置，每个换热单元由四层翅片管组成。下面三排为逆流管排，上面一排为顺流管排，蒸汽通过三排顺流管排冷凝，没有被冷凝的蒸汽通过逆流管排再被冷凝，不凝汽部分沿逆流管顶部的抽气总管至真空抽气器被抽出，凝结水沿换热单元底部凝结水管到凝结水槽由水泵送出。1台用于甲醇合成装置，该空冷器为鼓风式直接空冷，共8组换热单元，布置在装置钢框架顶部。因该装置反应器产生的合成气温度较高，单纯的空冷无法满足要求．故采用中间换热器——空冷器——水冷的方式冷却。甲醇合成塔产生的反应气体先进入进出口换热器，通过预热合成塔进口气体，使反应气体冷却到121℃，然后进入空冷器，通过空冷器冷却到60℃，此时大部分的反应气凝结产生粗甲醇，未凝结的反应气和粗甲醇再进入水冷器进一步冷却到40℃，剩余部分的气体在后水冷器中冷凝。另外2台用于甲醇精馏装置，分别用于冷凝预塔和常压塔顶部出来的不凝气体，均为鼓风式直接空冷．共26组换热单元，布置在装置管廊顶部，减少了装置的占地面积。该项目空分、合成、精馏装置采用空冷设计，省去了传统的循环水冷凝系统中的冷凝器及相关管道；减小了装置供水和水处理系统、排放处理、加药系统、凉水塔、循环水泵的规模。从投资额来看，虽然用空冷器取代水冷器一次性投资为水冷器的1．5～2倍，但使用空冷器不存在系统运行的水消耗问题，运行过程中能耗较低，不需要频繁的清理，对当地的环境影响较小，有着良好的经济效益和社会效益，比较符合缺水的该地区的长远发展。
五、空冷器运行存在的问题及解决措施
1、降温效果
（1）、增大部分换热管的直径
增大了管束中换热管的直径就增大了换热面积，使得由出口热水在单位时间内进入空冷器的水量大大的增加，进而循环水带走的热量也大大的增加，循环水的温度冷却的速度同时加快。另外，被空冷器冷却的循环水水量同时被增加。
（2）、提高挡风墙高度
空冷器运行时，冷空气通过散热器排出的热气上升，呈现羽流状况。当大风从炉后吹向平台散热器，风速度超出8m/s，羽流状况要被破坏而出现热风再回流。热气上升气流被炉后来风压下至钢平台以下，这样的热风又被风机吸入，形式热风再循环。甚至最边一行风机出现反向转动，在工程上是增设挡风墙来克服热风再循环。
（3）、增设防大风设施
空冷系统一般设在机器厂房附近，受不同风向和不同风速影响比较敏感，特别是风速超过3．0m/s以上时，对空冷系统散热效果就有一定影响，特别是当风速达到6．0/s以上时，不同的风向会对空冷系统形成热回流，甚至降低风机效率。为了使大风的影响降低到最低限度，但又不能对吸入风量造成影响，运行中可增设防大风设施，避免造成冷媒进入量的不足。
（4）、增设小型水冷器
如设计时，空冷系统的设计温度选择太低，夏季运行无法满足工况要求，可增加一套小型水冷器，在夏季高温时串联使用，以达到运行要求。
2、冬季换热管束冻裂
（1）、增设旁路暖机系统
机组冷态启动和机组低负荷运行时極易发生换热管束冻管现象，引入一路蒸汽管网来的过热蒸汽，经蒸汽减温减压阀和特殊设计的与排汽母管连接的孔板，向空冷器内补充冷态启动工况下汽轮机排汽流量的不足。
（2）、降低风机频率
空冷器应采用变频电机，在冬季低温环境下灵活操作，严格控制凝结水的过冷度及逆流管束出口温度，以免结冰；亦可逆转风机，以形成内部热风循环，降低管束内冷凝水结冰风险。
（3）、加大对易冻裂点的测漏
如空冷管束内已发生结冰，如不能及时发现，冰堵现象会逐渐蔓延，直至整条管束冻裂，故加大对易冻裂点的巡检，可有效避免此类损失，漏点容易在母管与翅片管焊接处发生断裂，需要重点在此处测漏。
六、结束语
综上所述，空冷器在煤化工行业的蓬勃发展符合我国资源地域国情，符合可持续发展需要，符合项目建设运行的要求的。选择空冷器的过程一定要使用合理的方法，在设计阶段充分考虑煤化工项目建设地域的具体情况，优化技术经济方案，确保在运行中达到理想的效果。
【参考文献】
[1]李诚.浅谈空气冷却器在化工领域中的应用[J].化工设备与管道.2012(05)
[2]冯建平.浅谈板式换热器在中小高炉炉体冷却中的应用[J].科技资讯.2011(33)
[3]邓霖.干法三胺生产装置空冷器的改造[J].川化.2011(03)
[4]赵本兴.空压机空冷器清洗除垢及其实际意义[J].化学清洗.2011(04)
[5]孔繁民.空冷器计算机辅助设计的方法[J].石油化工设备.2012(01)