第二章 煤气的初冷和焦油氨水的分离
焦炉煤气从炭化室经上升管逸出时的温度为650－750℃此时煤气中含有焦油气，苯族烃、水汽，氨、硫化氢、氰化氢，萘及其他化合物，为回收和处理这些化合物，首先应将煤气冷却，这是因为:
1. 从煤气中回收化学产品和净化煤气时，多采用比较简单易行的冷凝，冷却法和吸收法，在较低的温度下(25~ 35℃)才能保证较高的回收率;
2. 含有大量水汽的高温煤气体积大(例如由附表2查得0℃时lm3干煤气，在80℃经水蒸汽饱和后的体积2.429m3，而在25℃经水汽饱和的体积为1.126m。，前者比后者大1.16倍)，显然所需输送煤气管道直径、鼓风机的输送能力和功率均增大，这是不经济的;
3. 在煤气冷却过程中，不但有水汽冷凝，且大部分焦油和萘也被分离出来，部分硫化物，氰化物等腐蚀性介质溶于冷凝液中，从而可减少回收设备及管道的堵塞和腐蚀。
煤气的初步冷却分两步进行：
第一步是在集气管及桥管中用大量循环氨水喷洒，使煤气冷却到80~90℃；
第二步再在煤气初冷器中冷却。在初冷器将煤气冷却到何种程度，随化学产品回收与煤气净化选用的工艺方法而异，经技术经济比较确定，例如若以硫酸或磷酸作为吸收剂，用化学吸收法除去煤气中的氨，初冷器后煤气温度可以高一些，一般为25~35℃；若以水作吸收剂，用物理吸收法除去煤气中的氨初冷后煤气温度要低些，一般为25℃以下。
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一、煤气在集气管内的冷却
1. 煤气在集气管内冷却的机理
煤气在桥管和集气管内冷却，是用表压为150~200kPa的循环氨水通过喷头强烈喷洒进行的
当细雾状的氨水与煤气充分接触时，由于煤气温度很高而湿度又很低，故煤气放出大量显热，氨水大量蒸发，快速进行着传热和传质过程。传热过程推动力是煤气与氨水的温度差，所传递的热量为显热，是高温的煤气将热量传热传给低温的循环氨水。
传热过程推动力是煤气与氨水的温度差，所传递的热量为显热，是高温的煤气将热量传热传给低温的循环氨水。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分压之差，氨水部分蒸发，煤气温度急剧降低，以供给氨水蒸发所需的潜热，此部分热量约占煤气冷却所放出总热量的75％~80％。另有约占所放出总热量10％的热量由集气管表面散失。
通过上述冷却过程，煤气温度由650~750℃降至80 ~85 ℃，同时有60％左右的焦油气冷凝下来，含在煤气中的粉尘也被冲洗下来，有焦油渣产生。在集气管冷却煤气主要是靠氨水蒸发吸收需要的相变热使煤气显热减少温度降低，所以煤气温度可冷却至高于其最后达到的露点温度1~3℃。煤气的露点温度就是煤气被水汽饱和的温度，以是煤气在集气管中冷却的极限。
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；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。
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
（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、冷凝的焦油黏度增大，易使集气管堵塞。氨水又有润滑性，便于焦油流动，可以防止煤气冷却过程中煤粉、焦粒、焦油混合形成的焦油渣因积聚，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
（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，每吨干煤需5m3循环氨水，对双集气管焦炉需6m3的循环氨水。
（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好坏。
第二节 煤气在初冷器的冷却
煤气冷却和焦油蒸汽、水蒸汽的冷凝，可以采用不同形式的冷却器。被冷却的煤气与冷却介质直接接触的冷却器，称为直接混合式冷却器，简称为直接冷却器或直接冷却；被冷却的煤气与冷却介质分别从固体壁面的两侧流过，煤气将热量传给壁面，再由壁面传给冷却介质的冷却器，称为间壁式冷却器，简称为间接冷却器或间接冷却。由于冷却器的形式不同，煤气冷却所采取的流程也不同。
煤气冷却的流程可分为间接冷却、直接冷却和间直混合冷却三种。
一、煤气的间接初冷
1. 立管式冷却器间接初冷工艺流程
经气液分离后的煤气进入数台并联立管式间接冷却器，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，这个温度依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℃，在水洗氨生产系统中，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、大部分水汽和萘在初冷器中被冷凝下来，萘溶解于焦油中。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。冷凝氨水中含有较多的挥发铵盐（NH3与H2S、HCH、H2CO3形成的铵盐，如 (NH4)S、NH4CN、(NH4)2CO3等），固定铵盐（如NH4C1、NH4CNS、(NH4)SO4和(NH4)S2O3等）的含量较少。当其溶液加热至100℃即分解的铵盐为挥发铵盐，需加热到220~250℃或有碱存在的情况下才能分解的铵盐叫固定铵盐。
2.横管式冷却器间接初冷工艺流程
横管式煤气初冷器冷却，煤气走管间，冷却水走管内。水通道分上下两段，上段用循环水冷却，下段用制冷水冷却，将煤气温度冷却到22℃以下。横管式初冷器煤气通道，—般分上中下三段，上段用循环氨水喷洒，中段和下段用冷凝液喷洒，根据上、中、下段冷凝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℃降至30℃的显热及喷洒的冷凝液冷却显热，约占总热负荷的60％；下段冷凝液的冷凝图2-5-1 横管式煤气初冷工艺流程潜热及冷却至30℃的显热，约占总热负荷20%；下段喷洒冷凝液的冷却显热，约占总热负荷20%。
3.剩余氨水量的计算
在氨水循环系统中，由于加入配煤水分和炼焦时产生的化合水，使氨水量增多而形成所谓的剩余氨水。这部分氨水从循环氨水泵出口管路上引出，送去蒸氨。
显然，剩余氨水量取决于配煤水分和化合水的数量以及煤气初冷后集合温度的高低．
煤气初冷的集合温度不宜偏高，否则会带来下列问题：
①煤气中水汽含量增多，体积变大，致使鼓风机能力不足，影响煤气正常输送。
②焦油气冷凝率降低，初冷后煤气中焦油含量增多，影响后续工序生产操作。
③在初冷器内，煤气冷却到一定程度（一般认为55℃）以下，萘蒸汽凝华呈细小薄片晶体析出，可溶入焦油中，温度愈低，煤气中萘蒸汽含量也愈少，当集合温度高时，煤气中含萘量将更显著增大。
由上述可见，在煤气初冷操作中，必须保证初冷器后集合温度不高于规定值，并尽可能地脱除煤气中的萘。
二、煤气的直接初冷
煤气的直接初步冷却，是在直接冷却塔内由煤气和冷却水直接接触传热完成的。
由吸气主管来的80～85℃的煤气，经过气液分离器进入并联的直接式初冷塔，用氨水喷洒冷却到25～28℃，然后由鼓风机送至捕焦油器，捕除焦油雾后，将煤气送往回收氨工段。
由气液分离器分离出的氨水、焦油和焦油渣，经焦油盒分出焦油渣后流入焦油氨水澄清池，从澄清池出来的氨水用泵送回集气管喷洒冷却煤气。澄清池底部的焦油流入焦油池，然后用泵抽送到焦油槽，再送往焦油车间加工处理。焦油盒底部的焦油渣由人工捞出。
初冷塔底部流出的氨水和冷凝液经水封槽进入初冷循环氨水澄清池，与洗氨塔来的氨水混合并在澄清池与焦油进行分离。分离出来的焦油与上述焦油混合。澄清后的氨水则用泵送入冷却器冷却后，送至初冷塔循环使用。剩余氨水则送去蒸氨或脱酚。
煤气直接初冷，不但冷却了煤气，而且具有净化煤气的良好效果。某厂实测生产数据表明，在直接初冷塔内，可以洗去90％以上的焦油，80％左右的氨，60%以上的萘，以及约50%的硫化氢和氰化氢。这对后面洗氨洗苯过程及减少设备腐蚀都有好处。
同煤气间接初冷相比，直接初冷还具有冷却效率较高， 煤气压力损失小，基建投资较少等优点。但也具有工艺流程较复杂。动力消耗较大，循环氨水冷却器易腐蚀易堵塞、各澄清池污染严重，大气环境恶劣等缺点。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
三、间冷和直冷结合的煤气初冷
如前所述煤气的直接初冷，是在直接冷却塔内，由煤气和冷却水(经冷却后的氨水焦油混合液)直接触传热而完成的。此法不仅冷却了煤气，且具有净化煤气效果良好、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，在国内外大型焦化已得到采用。
自集气管来的荒煤气几乎为水蒸汽所饱和，水蒸汽热焓约占煤气总热焓的94%，所以煤气 在高温阶段冷却所放出的热量绝大部分为水蒸汽冷凝热，因而传热系数较高；而且在温度较高时(高于52℃)，萘不会凝结造成设备堵塞。所以，煤气高温冷却阶段宜采用间接冷却。而在低温冷却阶段，由于煤气中水汽含量已大为减少，气体对壁面间的对流传热系数低，同时萘的凝结也易于造成堵塞。所以，此阶段宜采用直接冷却。
第三节 焦油氨水的分离
一、焦油氨水混合物的性质及分离要求
在用循环氨水于集气管内喷洒荒煤气时，约60%的焦油冷凝下来，这种集气管焦油是重质焦油，其相对密度(20℃) 1.22左右，黏度较大，其中混有一定数量的焦油渣。
煤气再初冷器中冷却，冷凝下来的焦油为轻质焦油。其轻组分含量较多。在两种氨水混合分离流程中，上述轻质焦油和重质焦油的混合物称之为混合焦油。混合焦油20℃密度可降至1.15~1.19kg/1，黏度比重质焦油减少20％~45％，焦油渣易于沉淀下来，混合焦油质量明显改善。但在焦油中仍存在一些浮焦油渣，给焦油分离带来一定困难。
焦油的脱水直接受温度和循环氨水中固定铵盐含量的影响，在80~90℃和固定铵盐浓度较低情况下，焦油与氨水较易分离。因此，在独立的氨水分离系统中，集气管焦油脱水程度较差，而在采用混合氨水分离流程时，混合焦油的脱水程度较好，但只进行一步澄清分离仍不能达到要求的脱水程度，还须在焦油贮槽内保持80~90℃条件下进一步脱水。
二、焦油氨水混合物的分离方法和流程
三、焦油质量的控制
焦油中水分、灰分、甲苯不溶物是焦油质量的重要指标，它主要取决于冷凝工序的生产操作。操作中应注意如下几点：
(1)焦油氨水澄清槽内应保持—定的焦油层厚度，—般为1.5～2m，排出焦油时应连续均匀，不宜过快，要求夹带的氨水和焦油渣尽可能少，最好应装有自动控制装置。
(2)严禁在焦油澄清槽内随意排入生产中的杂油、杂水，以利于焦油、氨水、焦油渣分层，便于分离。
(３)静置脱水的焦油储槽，严格控制温度在80~90℃，保证静置时间在两昼夜以上。同时应按时放水，向精制车间送油时应均匀进行，且保持槽内有一定的库存量。
(４)严格控制初冷器后的集合温度符合工艺要求，避免因增大风机吸力而增加煤粉和焦粉的带入量。另外，焦炉操作应力求稳定，严格执行各项技术操作规定，尽量减少因煤粉、焦粉带入煤气而形成焦油渣，防止焦油氨水分离困难。
（５）机械化氨水澄清槽氨水满流情况、焦油压油情况、油水界面升降，减速机、刮渣机运行情况保持正常。
第四节 煤气冷却和冷凝的主要设备
一、煤气冷却设备
1. 立管式间接冷却器
2．横管式间接冷却器
二、澄清分离设备
焦油、氨水和焦油渣组成的液体混合物是一种悬浮液和乳浊液的混合物，焦油和氨水的密度差较大，容易分离。因此所采用的焦油氨水澄清分离设备多是根据分离粗悬浮液的沉降原理制作的。主要有卧式机械化氨水澄清槽、立式焦油氨水分离器、双锥形氨水分离器等。广泛应用的是卧式机械化氨水澄清槽。