CN111678354A - 变换气间接空气冷却方法 - Google Patents
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Abstract
变换气间接空气冷却方法，采用气液直接传质传热方式，将变换气热量直接转移到循环水中，使循环水的温升大幅提高，将使循环水闭式冷却的空冷面积、冷却风量、喷雾水量大幅减少。
Description
技术领域
本发明属于以煤、油、天然气等为原料的能源、化工领域，特别涉及缺水地区的生产线中的CO变换气及含有饱和水蒸汽的工艺气体的冷却工艺技术与设备。
背景技术
能源化工中，无论是煤还是油或是天然气为原料生产氢气或其它化工产品，产线通常由气化，即将原料转化为富含CO+H2为主要成分的煤气；净化，即脱除对终端产品有害的成分；合成，即合成目标产品的三大工序组成；而在净化工序中通常设有设有CO变换工序，目的是为最终产品提供更多的氢气，方法是将煤气中的部分或全部CO在200-500℃的温度和催化剂作用下与水蒸汽反应：CO+H2O＝CO2+H2转化为CO2+H2；该转化后的煤气通常就称为变换气，变换气在回收其中的热量后温度降到70℃左右，还要冷却到工艺要求的常温35℃或40℃以下，才能送入下游的CO2等有害气体脱除工序。
传统的变换气的冷却办法是用30℃或以下的循环冷却水，通过列管或板翅式间壁换热器，将其冷却到工艺要求的常温；循环冷却水吸收变换气热量温度升到40℃后，送回循环水冷却塔冷却到30℃或以下，再泵送回来循环冷却。一套年产40亿m3SNG的装置，每小时变换气冷却的循环水量就达7000吨(即每m3SNG变换气循环冷却水耗量达14kg)左右。
循环水与空气直接接触冷却，即采用图1所示方式的是最广泛的，循环水温度由40℃降到30℃的开式冷却，7000t/h规模，循环水泵电耗1500kw以上，年耗电1200万kwh，尤其是年耗水资源100万吨之多，这在我国匮乏水资源的北方就显得太浪费了，且其冷却塔及循环泵系统投资至少1000元/(t.h循环水)，换算为单位冷却量投资为1000元/(42MJ.h)，即86元/(kwh冷却量)，7000t/h规模，投资在700万元以上；
循环水冷却方式采用图2所示的与空气间接接触的，循环水温度由40℃降到30℃的干湿串联闭式冷却方式，由于其中的闭式湿冷段喷水密度远大于蒸发量，导致大量的雾状水随气流进入干冷段，既造成干冷段湿热堵塞，又使节水量大大减少，实际节水只有约30％的，仅冷却塔及循环泵系统投资达2500元/(t.h循环水)，即215元/(kwh冷却量)，7000t/h规模，总投资1750万元；
循环水冷却方式采用图3和CN 108088276 A所述的节水75％的闭式循环水系统，循环水温度由40℃降到30℃的，仅冷却塔即循环泵系统投资达4500元/(t.h循环水)，即387元/(kwh冷却量)，7000t/h规模，投资更达到3150万元。由于化工尤其是大宗化工产品属于传统产业，其利润率很低，在缺水地区建设含有CO变换工序的化工生产线，迫切需要一种既能大大节约水资源消耗、又能保证冷却效果、还不增加投资成本的工艺气冷却方法及装置
发明内容
本发明的目的，开发一种变换气冷却的全年水资源耗量减少90％，水泵风机电耗更少，投资比现有闭式冷却更低的变换气冷却工艺方法与装置。
具体发明内容如下：
一种变换气冷却方法，由变换气冷却、循环水加热、循环水冷却三个工艺过程和组成，其特征在于：
①变换气冷却：利用变换气中水蒸汽达到饱和浓度的特征，将需要冷却的高温湿变换气(1)，在冷却塔下部的高温鼓泡段(2)先经过鼓泡形式的气液质热直接传递方式，使液相的高温循环水(8)温度(t2)比湿变换气温度(T1)低在2℃以内；然后高温湿变换气(1)再自下而上的进入冷却塔中部的填料段(3)，与至上而下的循环水进行逆流传质传热，将湿变换气的热量传给循环水，再经过冷却塔上部的水雾分离部件(5)除去大部分水雾后，从塔顶离开冷却塔，即在加热循环水的同时，使变换气(6)温度(T2)被冷却到比循环水(7)温度(t1)高3℃以内，即T2-t1＜3℃；
②循环水加热：来自空冷器(12)的常温循环水(7)，从水雾分离部件(5)下方进入冷却塔，经液体分布器(4)洒布在填料段(3)上，循环水在填料表面自上而下流动，与上行的高温湿变换气(1)逆流接触进行质量、热量传递，循环水在填料表面向下流动中吸收热量，温度不断升高后流出填料段(3)，流进冷却塔下部的高温鼓泡段(2)，再与进入冷却塔的高温湿变换气(1)进行鼓泡传质传热吸收热量，以减小流出填料段(3)的循环水与高温湿变换气(1)的温差，使高温循环水(8)的温度(t2)上升到比高温湿变换气(1)温度(T1)低2℃以内，即T1-t2＜2℃，流出冷却塔；
③循环水冷却：出冷却塔的高温循环水(8)经循环水泵(9)加压后，经空冷器进水管线(11)进入空冷器(12)，利用常温空气对循环水进行冷却；在夏季高温时段，轴流风机全开，循环水温度不能降到工艺要求值时，通过设置的喷雾管线(10)取出少量循环水，并利用循环水与大气环境的压力差无需专用设置加压泵，根据冷却空气需要降温度数，运用等焓降温原理，以每单位空气质量降低1℃的喷雾水量为基数，通过喷头(13)对进入空冷器的常温空气(14)，进行喷雾增湿等焓降温预冷，使空气温度降低后再进入空冷器对循环水进行冷却；由于我国北方缺水，夏季高温时段空气湿度极低，等焓降温的幅度通常可达10℃，甚至更高；从而保证了循环水将热量传递给冷却空气所需的温差，进而保证了循环冷却水在空冷器(12)中冷却到工艺指标温度(t1)，再进而保证了冷却后的变换气(6)达到工艺指标(T2)。
冷却塔内的传热传质过程既可以是高温鼓泡段+填料段传质传热结构，也可以是高温鼓泡段+浮阀板、或高温鼓泡段+旋流板、或高温鼓泡段+泡罩板、或高温鼓泡段+筛板、或高温鼓泡段+垂直筛板塔等各种板式传质传热结构；还可以是图5所示的高温鼓泡段(2)+各板式传质传热段(3a)+低温鼓泡段(4A)结构。
空冷器的布置方式可以水平式、斜顶式、立式等已有的方式，结构可以是方形、圆柱形等的结构形式。
空冷器的冷却空气的流动驱动力，还可通过设置风筒，利用冷却空气经空冷器加热后密度降低产生的升力来部分甚至全部替代，这样更将大幅降低其工艺的动力消耗。
本发明除应用于变换气外，还可用于其它富含饱和水蒸汽的、不含水蒸汽的各种气体冷却。
采用本发明具有以下积极效果：
采用采用传热效率远高于间壁传热的气液直接接触传热方式的目的是，既达到将变换气冷却到工艺要求的≤30～40℃的常温的同时，使循环冷却水的温差由传统的10℃提高到20～40℃，这不仅可使冷却变换气的循环水量减少50～75％、使循环水泵动力消耗减少50～75％、使循环水泵及管路投资减少50～75％、省掉投资费用昂贵的变换气间壁式换热冷却部件；更重要的是还可使进入空冷器(12)的高温循环冷却水(8)的温度(t2)由现行冷却工艺的40℃提高到50～70℃，从而使进入空冷器(12)的循环水温度(t2)与冷却空气(14)温度(t3)的传热对数平均温差提高50～200％，进而即可空冷器(12)的面积大幅减少、投资减少，还可使进入空冷器的冷却空气用量、风机电耗、空冷器(12)的占地也大幅减少。
由于进入空冷器(12)的高温循环水温度50～70℃，比现行的循环水闭式冷却循环水40℃高了10～30℃，即使在夏季35℃的高温时段，高温循环水(8)的温度将比35℃空气温度高15-35℃，绝大部分的热量仍然可以由进入空冷器的冷却空气带走，从而保证实现全年水资源消耗减少90％的发明目的。
附图说明
图1为现行传统的循环水温差度为10℃(30-40℃)，投资86元/(kwh冷却量)开式冷却工艺流程及主要设备结构简图。
图2为现行循环水温差度为10℃(30-40℃)，投资172元/(kwh冷却量)的，干湿串联闭式循环水冷却工艺流程及主要设备结构简图。
图3为CN 108088276 A所述的节水75％，循环水温差度为10℃(30-40℃)，投资387元/(kwh冷却量)的，等焓降温闭式循环水冷却工艺流程及主要设备结构简图；
图4为本发明所述的一种变换气冷却方法，即采用高温鼓泡段(2)+填料段(3)的气液直接传质传热方式，将高温湿变换气或煤气冷却到常温的同时，将循环水循环水温差成倍提高的闭式循环水冷却工艺流程及主要设备结构简图。
图5为本发明所述的一种变换气冷却方法，即采用高温鼓泡段(2)+各种板式结构段(3)+低温鼓泡段(4A)的气液直接传质传热方式，将高温湿变换气或煤气冷却到常温的同时，将循环水循环水温差成倍提高的闭式循环水冷却工艺流程及主要设备结构简图。
图中：
1.已回收热量后，需要冷却的含饱和水蒸汽的高温湿变换气及管线；
2.高温鼓泡段；
3.填料段；
3A.板式传热传质段；
4.液体分布器；
4A.低温鼓泡段；
5.水雾分离部件；
6.常温变换气及管线；
7.常温循环水及管线；
8.高温循环水及管线；
9.循环水泵；
10.喷雾管线；
11.空冷器进水管线；
12.空冷器；
13.喷头；
14.常温空气；
15.冷却风机。
具体实施方式
地处缺水地区某煤化工生产线海拔1300米，露点温度23℃，来自软水预热器的高温变换气162000Nm3/h，绝对压力3.1MPa，温度70℃，比热容0.35kcal/Nm3℃，其中饱和水蒸汽含量与干变换气体积比为100∶1，冷却降温到≤40℃。高温变换气释放热量：2431608千卡/h。
循环冷却水在冷却塔冷却内自上而下通过液体分布器、填料段、高温鼓泡段，在冷却变换气的同时吸收变换气热量，温度由37℃上升到68℃，温升31℃，循环水量约80m3/h；变换气在高温鼓泡段阻力5000Pa。填料段阻力500Pa。
循环水在空冷器中流动总阻力50000Pa，空冷器迎风面积54m2，风速2.5m/s，风机电耗22kw，循环水泵扬程30m，循环水量80吨/小时，电耗10kw，循环水温度由68℃降到≤37℃出空冷器。
夏季高温时段喷雾全年总计1500小时，进入空冷器冷却空气进行喷雾增湿等焓降温，平均降温10℃，每年喷雾量3016吨，因非高温时段不喷雾，该喷雾量即全年耗水量3016吨。
Claims (6)
1.变换气间接空气冷却方法，由变换气冷却、循环水加热、循环水冷却三个工艺过程和组成，其特征在于：
①变换气冷却：利用变换气中水蒸汽达到饱和浓度的特征，将需要冷却的高温湿变换气(1)，在冷却塔下部的高温鼓泡段(2)先经过鼓泡形式的气液质热直接传递方式，使液相的高温循环水(8)温度(t2)比湿变换气温度(T1)低在2℃以内；然后高温湿变换气(1)再自下而上的进入冷却塔中部的填料段(3)，与至上而下的循环水进行逆流传质传热，将湿变换气的热量传给循环水，再经过冷却塔上部的水雾分离部件(5)除去大部分水雾后，从塔顶离开冷却塔，即在加热循环水的同时，使变换气(6)温度(T2)被冷却到比循环水(7)温度(t1)高3℃以内，即T2-t1＜3℃；
②循环水加热：来自空冷器(12)的常温循环水(7)，从水雾分离部件(5)下方进入冷却塔，经液体分布器(4)洒布在填料段(3)上，循环水在填料表面自上而下流动，与上行的高温湿变换气(1)逆流接触进行质量、热量传递，循环水在填料表面向下流动中吸收热量，温度不断升高后流出填料段(3)，流进冷却塔下部的高温鼓泡段(2)，再与进入冷却塔的高温湿变换气(1)进行鼓泡传质传热吸收热量，以减小流出填料段(3)的循环水与高温湿变换气(1)的温差，使高温循环水(8)的温度(t2)上升到比高温湿变换气(1)温度(T1)低2℃以内，即T1-t2＜2℃，流出冷却塔；
③循环水冷却：出冷却塔的高温循环水(8)经循环水泵(9)加压后，经空冷器进水管线(11)进入空冷器(12)，利用常温空气对循环水进行冷却；在夏季高温时段，轴流风机全开，循环水温度不能降到工艺要求值时，通过设置的喷雾管线(10)取出少量循环水，并利用循环水与大气环境的压力差无需专用设置加压泵，根据冷却空气需要降温度数，运用等焓降温原理，以每单位空气质量降低1℃的喷雾水量为基数，通过喷头(13)对进入空冷器的常温空气(14)，进行喷雾增湿等焓降温预冷，使空气温度降低后再进入空冷器对循环水进行冷却；由于我国北方缺水，夏季高温时段空气湿度极低，等焓降温的幅度通常可达10℃，甚至高达15℃；从而保证了循环水将热量传递给冷却空气所需的温差，进而保证了循环冷却水在空冷器(12)中冷却到工艺指标温度(t1)，再进而保证了冷却后的变换气(6)达到工艺指标(T2)。
2.根据权利要求1所述的变换气间接空气冷却方法法，其特征在于，变换气冷却和循环水加热的冷却塔内的传热传质过程，既可以是高温鼓泡段+填料段传质传热结构，也可以是高温鼓泡段+浮阀板、或高温鼓泡段+旋流板、或高温鼓泡段+泡罩板、或高温鼓泡段+筛板、或高温鼓泡段+垂直筛板等各种板式传质传热结构；
3.根据权利要求1所述的变换气间接空气冷却方法，其特征在于，变换气冷却和循环水加热的冷却塔内的传热传质过程还可以是，高温鼓泡段(2)+各种板式传质传热段(3a)+低温鼓泡段(4A)的气液直接传质传热方式。
4.根据权利要求1所述的变换气间接空气冷却方法，其特征在于，空冷器的布置方式可以水平式、斜顶式、立式等已有的方式，结构可以是方形、圆柱形等的结构形式。
5.根据权利要求1所述的变换气间接空气冷却方法，其特征在于，空冷器的冷却空气的流动驱动力，还可通过设置风筒，利用冷却空气经空冷器加热后密度降低产生的升力来部分甚至全部替代。
6.根据权利要求1所述的变换气间接空气冷却方法，其特征在于，变换气还可以是其它富含饱和水蒸汽的、或不含水蒸汽的各种气体。
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Inventor after: Sun Zhijie Inventor after: Zhang Xiongbin Inventor after: Liu Huawei Inventor after: Luo Ping Inventor after: Zhang Qingjian Inventor after: Li Ning Inventor after: Shi Mingju Inventor after: Li Kaijian Inventor before: Li Ning Inventor before: Zhang Xiongbin Inventor before: Liu Huawei Inventor before: Luo Ping Inventor before: Zhang Qingjian Inventor before: Shi Mingju Inventor before: Sun Zhijie Inventor before: Li Kaijian |
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