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1、全国气体净化信息站2 0 0 6 年技术交流会论文集 新型塔内件技术金属格栅填料开发及其 在造气洗涤塔的应用 沈树荣 ( 杭州华纳塔分离工程有限公司。浙江杭州3 1 i 1 1 3 ) 填料塔作为一种传统的气，灌传质设备，近年来 有很大发展。由于填料结构的不断改进，在很多生 产过程中填料塔已代替了传统的板式塔。填料主要 有散堆填料和规整填料2 类。散堆填料有拉西环、 鲍尔环、阶梯环、矩鞍环、海尔环、泰勒花环等，其主 要优点在于安装方便，具有通用性l 但是通量较小， 流体分布性能较差，阻力较大，如果有沉淀物生成， 易造成填料塔堵塞等缺点。随着化学工业的发展， 对塔没备不断提出新要求：有的要求分离
2、热敏性物 系，有的要求通过技术改造提高生产能力和产品质 量，有的要求降低回流比，减少系统阻力以求节能； 有的因环保要求，在三废处理时必须进一步提高效 率，以达到国家有关标准等。随着塔器的大型化，散 堆填料难以满足这种要求。因而结构与排列整齐、 有效传质面积大，阻力小的规整填料应运丽生，很到 广泛应用。 我国大多数合成氨厂、煤气厂在气体净化过程 中，半水煤气玲却除尘。采用空塔喷淋或板式塔( 旋 流板塔) 和采用散堆填料塔，中型合成氨厂、焦化厂 煤气洗涤采用木格子填料。因此，煤气冷却除尘效 果不好，使后工序净化增加了难度。并且采用散堆 填料( 如用海尔环等) ，阻力大、易堵塔使用周期短 往往生产一
3、段时间后需停车清理，影响工厂的正常 生产。 中型合成氨厂和焦化厂煤气洗涤一直采用木格 子填料，经用东北红松脱脂处理后使用。由于生产 过程中气液频繁窜动，使得塔内壤料容易破损，使用 寿命短。木板较厚，比表面积小，空隙率小，传热效 果不理想。加上木格子表面粗糙，煤灰容易沉积在 填料表面造成堵塔。使得塔内气液分布不均，产生偏 流，致使系统阻力不断上升，系统被迫停车检修，严 重影响系统的正常稳定生产。因此云南解化集团有 限公司、山西寿阳化燃有限公司和浙江平阳平氮化 工有限公司分别于2 0 0 1 年9 月、2 0 0 2 年5 月和 2 0 0 4 年7 月委托杭州华纳环保科技有限公司设计 并制造造气
4、集中洗涤塔及新型塔内件金属格栅填 料，并2 0 0 1 年1 0 月、2 0 0 2 年于9 月和2 0 0 4 年8 月 投人使用，冷却和除尘效果非常好。解化集团有限 公司增强了洗涤塔除去煤气中的重焦油和粉尘能 力，山西寿阳出口气体平均温度比原来空塔喷淋低 5 0 7 0 。浙江平阳比原来低2 5 3 0 ，煤气中基 本上不含粉尘( 检测不出) ，取得较好的节能和经济 效果。该项目科技成果于2 0 0 5 年8 月1 2 日通过了 中国石油和化学工业协会的技术鉴定。 I 结构与组装方式 金属格栅填料是由金属薄板( 板厚度0 2 o 8 r a m ) 经过一定的加工工艺，最后根椐塔径、人孔的
5、 大小制作成块片，在塔内组装而成。每盘填料高由 塔径而定，一般为1 0 0 1 5 0m m 。由于金属格栅填 料板片与塔面是垂直的，与冷却水和气流是平行的。 在气流和水的冲刷下，基本消除了煤粉尘和焦油在 填料表面的沉积，并消除了散堆填料和其他结构填 料共有的壁流现象。每层填料通道相同，实质上金 属格栅本身就是分布器，即使塔内冷却水初始分布 不是很均匀，通过几层后会自然分布均匀，所以塔内 不需要再设液体再分布装置。这使得格栅填料塔的 设计、制造更简单，并提高了塔的利用空间和降低了 塔，的高度。见图l 。 图I金属格播壤料结构与组装方式 全国气体净化信息站2 0 0 6 年技术交流会论文集 2
6、3 9 金属格栅填料在塔内上下2 层呈9 0 。( 或4 5 。) 安 装，气流( 煤气) 和液流( 冷却水) 逆向接触，冷却水靠 重力沿填料表面下降。在金属薄片表面呈膜状向下 流动，由于金属薄片很薄( o 2 o 8 r a m ) 。破液能力 很强，液滴很细，液滴自上而下流动。气体连续相自 下而上流动，与液膜和液滴接触传热，传热效率大大 提高。 金属格栅填料呈蜂窝状，空隙率高，气体和液体 有固定走向，层板之间非常均匀，随着气量的增加或 者冷却水加大，气液两相间的作用增强，但持液量很 小，塔的阻力很小，液泛速度很高。金属格栅填料塔 内不存在填料床内充满液体，气体不会以气泡的形 式通过液体，金
7、属格栅蜂窝状通道间距较大。板片 表面光滑，气体和液体有固定通道，流体在板片之间 不断冲刷接触，使得含尘及焦油的煤气和冷却水不 会在填料表面停滞、沉积、淤积和堵塞，因此金属格 栅填料是一种高效、大通量、低压降、不会堵塔的新 型规整填料。 2 金属格栅填料气液两相传质机理分析 金属格栅填料以金属板片作为主要传质构件， 金属板片垂直于塔截面，与气流和液流方向平行，上 下2 层呈9 0 。旋转，整体塔内气流和液流逆向接触， 旋流流动接触。液体靠重力沿填料表面下降，与上 升的气体接触，在金属板片表面呈膜状向下流动，气 体作为连续相自下而上流动，与液膜接触传质，气液 之间形成滴状或膜状接触。随着气速增加，
8、液体自 上而下液滴变细，当气速达到喷射时，则呈喷射状态 接触。喷射点对应气体的动能因子作为该填料操作 负荷，此时已不是液气控制而是雾夹带控制。 金属填料板片之间距离较大( 一般为2 0 5 0 r a m ) ，空隙率高，气体和液体有固定的走向，每层板 的通道非常均匀。随着气量的增加或者液量加大， 气液两相同的作用增强，但是持液量很小，塔的阻力 很小，液泛速度很高，格栅填料塔内不存在填料床内 满液体，气体不会以气泡的形式通过液体。所以格 栅填料对旧塔改造可以选用较高的空塔速度，是一 般填料的1 5 3 倍，大大提高了生产能力，对新塔 的设计可以降低塔的直径和高度。 由于格栅填料板片之间距离较大
9、，板片表面非 常光滑，气体上升和液体下降阻力大大降低，气体和 液体有固定的通道，流体在板片之间不断的冲刷接 触，使得含尘气体和液体不会在填料表面停滞、沉 积、淤积和堵塞。在正常操作条件下，其压降仅为阶 梯环填料和鲍尔环填料的2 0 3 0 ，通量比板式 塔高3 0 0 ，比m 5 0 鲍尔环高2 0 0 。 煤气在冷却塔中，洗涤过程刚开始时，煤气温度 较高和粉尘较多，随着气体在塔中逐步上升，煤气温 度降低，粉尘减少。开始推动力大，出口时推动小， 洗涤效果难度增加。因此，金属格栅的板间距随着 煤气变化而变化，煤气温度高，板间距大。随着气体 温度降低，板间距减少，即可最大限度降低温度，单 塔阻力大
10、大降低。这种动态洗涤，笔者以实测数万 个数据整理建立了数学模型，形成了温度线、粉尘洗 涤曲线和板问距变化曲线、洗涤温度曲线最大限度 一致。 当前，应用在煤气洗涤和冷却的填料中，使用较 多的有瓷质麻花砖等，其比较见表1 。 裹1 不同填料使用比较 在许多工厂煤气冷却中使用瓷质麻花砖洗涤效 果差、阻力大且粉尘易堵塔，因此在使用一段时间就 要停产清理，影响了正常生产。 3 金属格栅填料在造气洗涤塔中应用 无论氮肥厂的半水煤气、焦化厂的焦炉气和以 煤为原料的城市煤气或工业煤气，均需要冷却、除 尘。由于煤气中含有粉尘和焦油，大部分厂采用空 塔喷淋，中型氮肥厂一般采用木格子填料。气体冷 却和除尘效果不好，
11、一般煤气进气柜的温度为6 5 7 0 。降低了气柜的利用率，增加了系统阻力。降 低罗茨鼓风机和压缩机的打气量，影响造气炉的发 气量。金属格栅填料的表面和气体、液体方向平行， 由于在气流和液流的冲刷下，粉尘和焦油不会在填 料表面沉积。冷却和除尘效果好，一般出口气体与 冷却水进口温度相差3 5 。氮肥厂冬天的产量 高，也比较容易操作，夏天产量低。其主要原因就是 夏天煤气温度高，系统阻力增加，减少了压缩机的打 气量。如果能将煤气温度降低，则可以提高全年的 产量。山西寿阳燃化有限公司和平阳平氮化工有限 2 4 0 全国气体净化信息站2 0 0 6 年技术交流会论文集 公司只改造了造气的冷却塔，大修后该
12、月产量提表3 。 高5 。表3平阳平氮化工有限公司工艺参数 根据文献和查新报告目前在国内外还有蜂窝 状格栅填料。 4 山西寿阳燃化有限公司改造后工艺参数 日产量1 0 0 1 1 0 t 合成氨，其中3 8 0 3 9 0 t 碳 铵，其他为液氨。测定塔阻力0 3k P a ，冷却水量 3 5 0 3 8 0m 3 h ，进出口气体和水日平均温度见 表2 。 表2山西寿阳工艺参数 5 平阳平氮化工有限公司工艺参数 2 0 0 4 年1 1 月71 1 中班和早班测温点记录见 日产量7 5 8 0t 合成氨、冷却水量8 0t h ，塔平 均阻力0 2 5k P a 。 6 云南解化集团公司粗煤气
13、洗涤塔应用总结 云南解化集团公司采用鲁奇炉褐煤化生产合成 氨，制取粗煤气中含有大量的重焦油和粉尘。原粗 煤气洗涤塔采用D N3 8m m 3 8m m 0 5r n m 不 锈钢矩鞍环散堆填料，洗涤效果差，粗煤气中所含焦 油和粉尘大部份不能脱除。煤气被带至后工序设备 及管道，使得热交换器经常堵塞，加热炉管道高温结 焦，增强了系统阻力，变换炉催化剂被被粉尘及焦油 包裹，高温下积焦，造成催化剂床层压差增加，影响 了正常生产，平均每隔3 4 个月更换洗涤塔填料， 对能媒进行再生。对换热器进行清洗，影响了正常生 产，停车次数增加，生产运行周期缩短。 该公司于2 0 0 2 年9 月对洗涤塔进行改造，选
14、杭 州华纳塔器分离工程有限公司金属格栅填料，材质 是碳钢，型号为G S L 一2 型。自2 0 0 2 年1 0 月投人 运行至今，运行正常，每年大修打开检查完整无损， 没有堵塞。金属格栅填料与不锈钢矩鞍环性能比较 见表4 。 全国气体净化信息站2 0 0 6 年技术交流会论文集 2 4 1 裹4金格栅填辩与不锈钢矩鞍环性能比较 名称规格型号 比表( m Z 面积m - ：；熟价格元 更换填料前后，对洗涤塔进出口喷淋水中焦油 及悬浮物含量分析结果见表5 。 衰5更换填料前后洗涤塔进出口喷淋水中 焦油墨最浮物分析结果g L 取样点型燮鳖婴坚錾型型 焦油悬浮物焦油悬浮物 洗涤塔水进口 2 2 71
15、 0 50 5I 9 1 洗涤塔水出口 3 7 5 2 2 6 2 1 33 。5 4 脱除效果 I 4 81 2 11 6 31 6 3 洗涤塔喷淋水流量为6 5m 3 h ，更换填料后每 月可从粗煤气中脱除焦油及粉尘明显增加，增加 量为： 焦油：( 1 6 3 1 4 8 ) 6 5 2 4 X 3 0 = 7 0 2 t 月 粉尘：( 1 6 3 一1 2 1 ) 6 5 2 4 3 0 = 1 9 7 t 月 可以看出，采用了金属格栅填料后，增强了洗涤 塔除去重焦油及粉尘能力，提高了洗涤效果，减少了 粗煤气。将这些杂质带至后工序设备、管道，降低了 堵塞程度，降低了阻力，使洗涤塔和其他设
16、备，延长 了使用周期，原每年要停车4 次，现只需在大修期间 清理即可，实现了稳定长周期运行。 7 经济效益 a ) 半水煤气出口温度与冷却水进口温度，设计 温度差为5 8 ，投人使用之初，调试阶段气体与 冷却水温度差在l o 左右，正常生产后气体与冷却 水温度差在3 左右，冬天几乎为0 ，证明塔内冷却 效果很好。 b ) 金属格栅填料洗气塔比原来空塔喷淋出口 气体温度可降低3 0 左右则系统阻力可降1 1 ， 经计算使造气发气量提高5 ，系统阻力可降低2 k P a ，压缩机电耗可降低吨氨6 5k W h ，全年可节 电2 0 x 1 0 4 k W h 。 c ) 除尘效果好，减轻了电除焦油器负荷，延长了 除焦油器的使用寿命。 d ) 金属格栅填料采用碳钢冷轧板，山西寿阳燃 化有限公司使用2 年半，平阳平氮化工有限公司使 用4 个月，解化集团公司使用3 年打开洗气塔检查， 填料完好，没有腐蚀
