空冷器在煤化工项目中的应用思考

tobyxie

空冷器在煤化工项目中的应用思考
摘要：该文章主要对水冷式换热器与空冷器进行对比，主要阐述了空冷器节水节能等优点。
概况：
在传统工业冷却系统中，水作为理想的冷却介质，被长期广泛的采用，但是随着水资源与能源的匮乏及环保意识的加强，传统的冷却形式受到严重挑战，所以，空冷器应运而生，并以其节水、无污染等优越性能迅速发展起来。空冷器作为一种换热设备在化工行业起着举足轻重的作用。将取之不尽的空气作为冷却介质，较之水冷却是一种显著的节能节水设备。如今，煤化工项目较多，而煤化工项目主要集中在煤炭资源较为丰富的西北地区。如今的煤化工项目应用的换热器主要还是水冷器。对于水资源相对缺乏的西北地区，如何将空冷器应用煤化工项目中已成为我们需要解决的问题。
首先： 空冷器与传统水冷器相比有许多优点，如下图 ：
空冷的优点        水冷的缺点
a)        对环境没有热污染和化学污染；        a)        对环境污染严重；
b)        空气可随意取得，不需任何辅助设备和费用；        b)        冷却水往往受水源限制，要设置管线和泵站等设施；
c)        选厂址不受限制；        c)        选厂址时必须考虑有充足的水源；
d)        空气腐蚀性小，使用寿命长；        d)        水腐蚀性强，需要进行处理，以防结垢和脏物的淤积；
e)        空气的压降仅有10～20毫米，故空气的操作费用低；
        e)        循环水压头高（取决于冷却器和冷水塔的相对位置），故水冷能耗高；
f)        空冷系统的维护费用，一般情况下仅为水冷系统的20～30%；

        f)        由于水冷设备多、易于结垢，在温暖气候条件下还易生长微生物，附于冷却器表面，常常需要停工清洗；
g)        一旦风机电源被切断，仍有30～40%的自然冷却能力。        g)        电源一断，即要全部停产
当然空冷与水冷却相比也有许多缺点，如下图例
空冷的缺点        水冷的优点
a)        由于空气比热小，且冷却效果取决于干球温度，通常不能把工艺流体冷却到环境温度；        a)        水冷通常能使工艺流体冷却到低于空气温度2～3℃，且循环水在水塔中可被冷却到接近环境湿球温度；
b)        大气温度波动大，风、雨、阳光，以及季节变化，均会影响空冷器的性能，在冬季还可能引起管内介质冻结；        b)        水冷对环境温度变化不敏感；
c)        由于空气侧膜传系数低，故空冷器的冷却面积要大得多；        c)        水冷器结构紧凑，其冷却面积比空冷器要小得多；
d)        空冷器不能紧靠大的障碍物、如建筑物、大树，否则会引起热风循环；        d)        水冷器可以设置在其他设备之间，如管线下面；
e)       
e)        要求用特殊工艺制造的翅片管和风机；        f)        用一般列管式换热器即可满足要求；
f)        有一定的噪声        g)        无噪声
所以，我们在煤化工项目中如果要选择空冷器，就要对空冷器做综合评价，根据具体情况合理的选择空冷器。所以，我们就必须对空冷器有一定的了解，接下来就从结构原理和选型上对空冷器作进一步说明。
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
目前石油化工企业常用的空冷器型式, 按管束布置方式有立式、水平式、斜顶式、圆环式等按通风方式可分为鼓风式、引风式和自然通风式按冷却方式可分为干式空冷、湿式空冷、干湿联合空冷。干式空冷一般采用水平式管束, 湿式空冷采用立式管束, 干湿联合空冷可采用斜顶式, 采用何种型式的空冷应因地制宜。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5-6一℃ , 可采用湿空冷。
3.        在设计选用
空冷器的工作中 , 选型主要是对干式、湿式和联合型空冷器的选择。由于其各有优缺点 ,因此在设计选用过程中 ,应根据具体工艺要求和实际情况进行科学合理的选择。由于干式空冷器基本型式 ,下面主要介绍湿式和联合型空冷器。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。因此湿式空冷器的任务就是解决低温流体的冷凝和冷却 ,取代传统的水冷器。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。风机置于干湿空冷管束之间。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。联合空冷器湿式空冷管束出口的工艺流体的温度接近环境气温。联合型空冷器有两种基本结构型式:
1 干式空冷斜顶管束和湿式空冷横管立放管
束相组合;
2 干式空冷水平管束和湿式空冷横管立放管
束相组合
对于后一种组合型式 , 特别有利于老厂的技术改造。可采用原有水平管束的框架。在两侧挂上两片横管立放管束的办法 ,即可组成联合空冷器。对于前一种型式 ,斜顶空冷管束又可分为两种型式:一种是
立管斜放管束。一种是横管斜放管束。
表1
空冷的优点水冷的缺点
空气可以免费取得,
其他辅助费用低
冷却水费用高,
其他辅助费用高
厂址选择不受限制厂址的选择跟水源有很大关系
运行费用低运行费用较高
维护费用低维护费用较高
表2
空冷的缺点水冷的优点
通常不能将流体降到低温可以将流体降到低温
空冷所需换热面积较大所需换热面积较小
受环境影响大几乎不受环境影响
安装位置受限制可以设置在设备之间
需要一种特殊工艺要求的翅片管一般的管壳式换热器即可满足

空冷只采用空气作为冷却介质，不能达到较低的冷却、冷凝温度，使空冷器的使用范围受到较大限制，往往需要在其后再进一步用水冷来满足工作所需的条件，使企业投资加大，因此，既保有空冷器具有的优点，又能在不加水冷的情况下即可达到较低冷却、冷凝温度的表面蒸发式空冷器作为新一代产品在生产中占有了越来越重要的地位。
表面蒸发式空冷器的工作原理是：利用空气和水两种冷介质分别利用显热和蒸发潜热共同冷却、冷凝热介质，使热介质的温度可降低到空气的湿球温度附近，可一步完成干式空冷和水冷的工作任务。设备运行过程中，水不断的喷淋在换热管束表面上，一部分蒸发吸收热介质热量，由性能稳定可靠的风机将热量散发至大气中；未蒸发的部分，回流入设备下部的水箱内，利用循环水泵再次送至喷淋系统循环利用。该设备是将干式空冷、水冷以及水冷器所需配备的凉水系统融为一体，且可保持其各自优势性能的高效冷却、冷凝设备。

而在一些化工原料充足、水资源紧缺且环境温度相对较低的地方,西北地区、东北地区,空气冷却器将会在生产中发挥着更重要的作用。在北方地区,各季节平均温度更低,年节约效益将达到60%左右。传统的冷却方式采用水作为冷却介质已有多年的历史,但是由于工业用水的大量增加(导致供水严重不足) , 以及对环境保护的要求日益严格, 特别是近年来,新型空气冷却器设计的显著经济性,一部分水冷却开始逐渐为空气冷却所代替。如今有更多的石油化工企业安装了空气冷却器或空气冷凝器。事实证明,这些设备不仅维护费用低廉,若与水冷却系统相比较,使用寿命更长。空冷器的优越性越来越得到人们的认可,以空冷代替水冷的趋势仍为明显。
结语：
从上述可知，空冷器在煤化工方面的推广应用是一项具有意义的技术改造措施。对西北的煤化工更具有特殊的现实意义。因为西北地区温度较低而且多风，这都是使用空气冷却器极好地条件。加上西北地区缺水，某些地方水质不好，容易结垢，对传热效率影响较大。因此，对于西北地区应用空气冷却器具有较大的经济意义。空冷器的优越性越来越得到人们的认可,以空冷代替水冷的趋势仍为明显。