浅谈空冷器在煤化工项目中的应用

摘要： 本文主要对水冷式换热器与空冷器进行对比，介绍了空冷器节水、节能等优点，空冷器的应用条件和选型，并结合工程实际应用进行简要阐述。

关键词： 煤化工； 空冷器； 水冷器

中图分类号： TQ53 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2012）06-0033-02

在传统化工冷却系统中，水作为理想的冷却介质，被长期广泛的采用，但是随着水资源的匮乏及环保意识的加强，节能、节水、无污染的空冷器得到了更广泛的应用。随着西部大开发的深入，西北地区的煤化工项目越来越多，对水的需求也越来大，水资源逐渐成为西北地区经济发展的瓶颈。空冷器在煤化工方面的推广应用是一项具有意义的节能、节水措施，对保护西北地区有限的水资源和可持续发展有着重大的意义。

典型的空冷器由管束、风机、百叶窗、风箱、构架和其他附件（梯子、平台等）构成。热流体从管束顶端流入，底部流出，风机驱动空气通过风箱从底部向上流动穿过管束或翅片管，使管内高温工艺流体得到冷却或冷凝，达到换热目的；同时可采用百叶窗调节进入空冷器的空气量来改善空冷器的调节和适应性能。空冷器是以环境空气作为冷却介质，对管内高温流体进行冷却或冷凝的设备，不用消耗大量的水资源，较之水冷却是一种显著的节能节水设备。

空冷器按冷却方式可分为：干式空冷器，湿式空冷器、干湿联合空冷器；按管束布置型式分为：水平式空冷器，斜顶式空冷器，立式空冷器，圆环式空冷器；按空冷器通风方式分为：自然通风式空冷器、鼓风式空冷器、引风式空冷器。目前国内煤化工装置最常用的空冷器主要是鼓风式、引风式和斜顶式空冷器。

空冷器和以水作为冷却介质的传统冷却系统相比，有它的优点也有缺点，对这两种冷却方式的讨论也持续了相当长的时间，下面就这两种冷却方式的优缺点作以比较。

空冷器和水冷器相比的优点，见下表：

空冷器与水冷却相比的缺点见下表：

通过以上分析，空冷和水冷系统都有各自的优缺点，我们在设计中就需要对空冷器和水冷器做出一个综合评价，根据具体情况合理的选择空冷器或水冷器，以达到经济合理，节能环保的目的。

在一般情况下，如果当地水资源匮乏，从经济性和环保角度来说，是优先选择空冷。我国西北地区水资源相对匮乏，生态系统脆弱，各季节平均温度低，气候干燥，使用空冷有着得天独厚的条件，每年节约效益将达到60%左右。但在许多介质出口温度很低的场合，单独使用空冷器是不可行的，例如，在一个环境温度为42℃，设计冷却水温度为33℃的场合，要把一热介质液体冷却到40～45℃是不可能的。对这种情况，可以采用空冷器加后水冷来实现。对其他某些场合，空冷器也是不经济的。如上述环境温度为42℃，冷却水温度为33℃的场合，对于一个进出口温度分别为50℃和40℃的工艺介质冷凝器，因其温差太小，用空冷器是不行的，可考虑单独使用水冷器或采用湿式空冷。湿式空冷器综合了空冷和水冷的优点，是干式空冷器的改进和发展。它由翅片管束、风机、构架和喷淋装置组成。在工程应用上，在环境气温比较低时，湿式空冷器不喷水，按干工况运行，只有在夏季气温较高时，才采用喷雾装置，以达到降低工艺流体出口温度的目的。这样湿式空冷器就可充分适应气候的变化保证工艺流体出口温度满足工艺要求。另外，干式空冷器用在接近温差高于20～25℃的情况是经济的。这样当气温为35℃时，经济的流体出口温度应高于55～60℃，但是在煤化工厂中，有许多工艺流体要求冷却到50℃以下，如果仍采用干式空冷器，或由于温差太小，传热面积增加，不经济；或根本冷不下来。使用经验表明，湿式空冷器可使工艺流体冷却到接近环境气温，弥补了干式空冷器的不足。联合型空冷器由干式空冷管束和湿式空冷管束组成，是空冷技术应用的又一发展。工艺流体进入干式空冷管束进行冷凝和冷却，然后进入被直接喷淋的湿式空冷管束进行冷却。空气携带喷雾水先进入湿式空冷管束进行蒸发冷却后，再进入干式空冷管束。在联合空冷器中可以一次实现工艺流体的冷凝和冷却任务，不必再装设其他冷却装置。

以陕西咸阳某地60万吨/年煤制甲醇为例，该项目共使用4台空冷器。其中1台用于9000Nm3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0.23Bar a，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°C，然后进入空冷器，通过空冷器冷却到60°C，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°C，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，比较符合缺水的西北地区的长远发展。

从上述可知，空冷器因其节水、节能、无污染的特点，其优越性越来越得到人们的认可，空冷替代水冷成为今后发展的趋势。尤其是西北地区化工原料充足、水资源紧缺、温度较低而且多风，给使用空冷器创造了良好的条件，在西北地区的煤化工项目中合理的应用空冷器会取得良好的经济效益，对西北地区的可持续发展有着重大的意义。

参考文献：

[1] 马义伟主编.空冷器的设计和应用[M].哈尔滨工业大学出版社，1998.