新型塔內(nèi)件技術(shù)——金屬格柵填料開發(fā)及其在造汽洗滌塔的應(yīng)用

　　填料塔作為一種傳統(tǒng)的氣、液傳質(zhì)設(shè)備，近年來有很大的發(fā)展。由于填料結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，在許多生產(chǎn)過程中填料塔已替代了傳統(tǒng)的板式塔。填料主要有散堆填料和規(guī)整填料2類。散堆填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、矩鞍環(huán)、海爾環(huán)、泰勒花環(huán)等，其主要優(yōu)點(diǎn)在于安裝方便，具有通用性，但是能量較小，流體分布性能較差，阻力較大，如果有沉淀物生成，易造成填料塔堵塞等缺點(diǎn)。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，對塔設(shè)備不斷提出新要求：有的要求分離熱敏性物系，有的要求通過技術(shù)改造提高生產(chǎn)能力以求節(jié)能;有的因環(huán)保要求，在三度處理時必須進(jìn)一步提高效率，以達(dá)到國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等。隨著塔器的大型化，散堆填料難以滿足這種要求。因而結(jié)構(gòu)與排列整齊、有效傳質(zhì)面積大、阻力小的規(guī)整填料應(yīng)運(yùn)而生，得到廣泛應(yīng)用。

　　我國大多數(shù)合成氨廠、煤氣廠在氣體凈化過程中，半水煤氣冷卻除塵，采用空塔噴淋或板式塔(旋流板塔)和采用散堆填料塔，中型合成氨廠、焦化廠煤氣洗滌采用木格子填料。因此，煤氣冷卻降塵效果不好，使后工序凈化增加了難度。并且采用散堆填料(如用海爾環(huán)等)，阻力大、易堵塔使用周期短，往往生產(chǎn)一段時間后需停車清理，影響工廠的正常生廠。

　　中型合成氨廠和焦化廠煤氣洗滌一直采用木格子填料，經(jīng)用東北紅松脫脂處理后使用。由于生產(chǎn)過程中氣液頻繁竄動，使得塔內(nèi)填料容易破損，使用壽命短。木板較厚，比表面積小，空隙率小，傳熱效果不理想。加上木格子兩面粗糙，煤灰容易沉積在填料表面造成堵塔，使得塔內(nèi)氣液分布不均，產(chǎn)生偏流，致使系統(tǒng)阻力不斷上升，系統(tǒng)被迫停車檢修，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常穩(wěn)定生產(chǎn)。因此云南角化集團(tuán)有限公司、山西壽陽化燃有限公司和浙江平陽平氮化工有限公司分別于2001年9月、2002年5月和2004年7月委托杭州華納環(huán)?？萍加邢薰驹O(shè)計(jì)并制造氣集中洗滌塔及新型塔內(nèi)件金屬格柵填料，并2001年10月、2002年于9月和2004年8月投入使用，冷卻和除塵效果非常好。解化集團(tuán)有限公司增強(qiáng)了洗滌塔除去煤氣中的重焦油和粉塵能力，山西壽陽出口體平均溫度比原來空塔噴淋低50～70℃，浙江平陽比原來低25～30℃，煤氣中基本不含粉塵(檢測不出)，取得較好的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效果。該項(xiàng)目科技成果于2005年8月12日通過了中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會的技術(shù)鑒定。

　　1 結(jié)構(gòu)與組裝方式

　　金屬格柵填料是由金屬薄板(板厚度0.2～0.8mm)經(jīng)過一定的加工工藝，最后根據(jù)塔徑、人孔的大小制作成塊片，在塔內(nèi)組裝而成。每盤填料高由塔徑而定，一般為100～150mm。由于金屬格柵填料板片與塔面是垂直的，與冷卻水和氣流是是平行的。在氣流和水的沖刷下，基本消除了煤粉塵和焦油在填料表面的沉積，并消除了散堆填料和其他結(jié)構(gòu)填料共有的壁流現(xiàn)象。每層填料通道相同，實(shí)質(zhì)上金屬格柵本身就是分布器，即使塔內(nèi)冷卻塔水初始分布不是很均勻，通過幾層后會自然分布均勻，所以塔內(nèi)不需要再設(shè)液體再分布裝置。這使得格柵填料的設(shè)計(jì)、制造更簡單，并提高了塔的利用空間和降低了塔的高度。　　

　　金屬格柵填料在塔內(nèi)上下2層呈90°(或45°)安裝，氣流(煤氣)和液流(冷卻水)逆向接觸，冷卻水靠重力沿填料表面下降。在金屬薄片表面呈膜狀向下流動，由于金屬薄片很薄(0.2～0.8mm)，破液能力很強(qiáng)，液滴很細(xì)，液滴自上而下流動。氣體連續(xù)相自下而上流動，與液膜和液滴接觸傳熱，傳熱效率大提高。

　　金屬格柵填料呈蜂窩狀，空隙率高，氣體和液體有固定走向，層板之間非常非常均勻，隨著氣量的增加或者冷卻水加大，氣液兩相間的作用增強(qiáng)，但持液量很小，塔的阻力很小，液泛速度很高。金屬格柵填料塔內(nèi)不存在填料床內(nèi)充滿液體，氣體不會以氣泡的通過液體，金屬格柵蜂窩狀通道間矩較大。板片表面光滑，氣體和液體有固定的通道，流體在板片之間不斷沖刷接觸，使得含塵及焦油的煤氣和冷卻水不會在填料表面停滯、沉積、淤積和堵塞，因此金屬格柵填料是一種高效、大通量、低壓降、不會堵塔的新型規(guī)整填料。

　　2 金屬格柵填料氣液兩相傳質(zhì)機(jī)理分析

　　金屬格柵填料以金屬板片作為主要傳質(zhì)構(gòu)件，金屬板片垂直于塔截面，與氣流和液流方向平行，上下2層呈90°旋轉(zhuǎn)，整體塔內(nèi)氣流和液流逆向接觸，旋流流動接觸，液體靠重力沿填料表面下降，與上升的氣體接觸，在金屬板片表面呈膜狀向下流動，氣體作為連續(xù)相自下而上的流動，與液膜接觸傳質(zhì)，氣液之間形成滴狀或膜狀接觸。隨著氣速增加，液體自上而下液滴變細(xì)，當(dāng)氣速達(dá)到噴射時，則呈噴射狀態(tài)接觸，噴射點(diǎn)對應(yīng)氣體的動能因子作為該填料操作負(fù)荷，此時已不是液氣控制而是霧夾帶控制。

　　金屬填料板片之間距離較大(一般為20～50mm)，空隙率高，氣體和液體有固定的走向，每層板的通道非常均勻，隨著氣量的增加或者液量加大，氣液兩相間的作用很高，格柵填料塔內(nèi)不存在填料床內(nèi)滿液體，氣體不會以氣泡的形式通過液體。所以格柵填料對舊塔改造可以選用較高的空塔速度，是一般填料的1.5～3倍，大大提高了生產(chǎn)能力，對塔的設(shè)計(jì)可以降低塔的直徑和高度。

　　由于格柵填料板片之間距離較大，板片表面非常光滑，氣體上升和液體下降阻力大大降低，氣體和液體有固定的通道，流體在板片之間不斷地沖刷接觸，使得含塵氣體和液體不會在填料表面停滯、沉積、淤積和堵塞。在正常操作條件下，其壓降僅為階梯環(huán)填料和鮑爾環(huán)填料的20%～30%，通量比板式塔高300%，比Φ50鮑爾環(huán)高200%。

　　煤氣在冷卻塔中，洗滌過程剛開始時，煤氣溫度較高和粉塵較多，隨著氣體在塔中逐步上升，煤氣溫度降低，粉塵減少。開始推動力大，出口時推動力小，洗滌效果難度增加。因此，金屬格柵的板間距隨著煤氣變化而變化，煤氣溫度高，板間距大。隨著氣體溫度降低，板間距減少，即可最大限度降低溫度，單塔阻力大大降低。這種動態(tài)洗滌，筆者以實(shí)測數(shù)萬個數(shù)據(jù)整理建立了數(shù)學(xué)模型，形成了溫度線最大限度一致。

　　當(dāng)前，應(yīng)用在煤氣洗滌塔和冷卻的填料中，使用較多的有瓷質(zhì)麻花磚等。其比較見表1.

表1　　　 不同填料使用比較

填料名稱        規(guī)格/mm      堆積比重/   比表面積/   空隙率

 (kg.m^-3)    (m³.m^-3)     (%)

瓷質(zhì)麻花磚    50×50×5         550         71         72

拉西環(huán)        50×50×5         510         93         70

不銹鋼格柵填料   GSL-1板間距離50   85.9       86.9      98.95

　　在許多工廠煤氣冷卻中使用瓷質(zhì)麻花磚洗滌效果,阻力大且粉塵易堵塔,因此在使用一段時間就要停產(chǎn)清理,影響了正常生產(chǎn)。

　　3 金屬格柵填料在造氣洗滌塔中應(yīng)用

　　無論氮肥廠的半水煤氣、焦化廠的焦?fàn)t氣和以煤為原料的城市煤氣或工業(yè)煤氣，均需要冷卻、降塵。由于煤氣中含有粉塵和焦油，大部分廠采用空塔噴淋，中型氮肥廠一般采用木格子填料。氣體冷卻和除塵效果不好，一般煤氣進(jìn)氣柜的溫度為65～70℃。降低了氣柜的利用率，增加了系統(tǒng)的阻力。降低羅茨鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的打氣量，影響造氣爐的發(fā)氣量。金屬格柵填料的表面和氣體、液體方向平行，由于在氣液和液流的沖刷下，粉塵和焦油不會在填料表面沉積。冷卻和除塵效果好，一般出口氣體與冷卻水進(jìn)口溫度相差3～5℃。氮肥廠冬天的產(chǎn)量高，也比較容易操作，夏天產(chǎn)量低。其主要原因就是夏天煤氣溫度高，系統(tǒng)阻力增加，減少了壓縮機(jī)的打氣量。如果能將煤氣溫度降低，則可以提高全年的產(chǎn)量。山西壽陽燃化有限公司和平陽平氮化工有限公司只改造了造氣的冷卻塔，大修后該月產(chǎn)量提高5%。

　　根據(jù)文獻(xiàn)和查新報告，目前在國內(nèi)外還有蜂窩狀格柵填料。

　　4 經(jīng)濟(jì)效益

　　a) 半水煤氣出口溫度與冷卻水進(jìn)口溫度，設(shè)計(jì)溫度差為5～8℃，投入使用之初，調(diào)試階段氣體與冷卻水溫度差在10℃左右，正常生產(chǎn)后氣體與冷卻水溫度差在3℃左右，冬天幾乎為0，證明塔內(nèi)冷卻效果好。

　　b) 金屬格柵填料洗滌洗氣塔比原來空塔噴淋出口氣體溫度可降低30℃左右，則系統(tǒng)阻力可降11%。經(jīng)計(jì)算使造氣發(fā)氣量提高5%，系統(tǒng)阻力可降低2kPa,壓縮機(jī)電耗可降低噸氨6.5kW.h,全年可節(jié)電20×104kW.h。

　　c) 降塵效果好，減輕了電除焦油器負(fù)荷，延長了除焦油器的使用壽命。

　　d) 金屬格柵填料采用碳鋼冷軋板，山西壽陽燃化有限公司使用2年半，平陽平氮化工有限公司使用4個月，解化集團(tuán)公司使用3年打開洗氣塔檢查，填料完好，沒有腐蝕。使用壽命可達(dá)6～8年。

　　實(shí)踐證明，造氣洗滌塔應(yīng)用金屬格柵填料，具有通氣量大、壓降低、不會造成粉塵焦油堵塞，冷卻效果好，可以使造氣系統(tǒng)正常、穩(wěn)定、長周期、高效運(yùn)行、具有較高的節(jié)能經(jīng)濟(jì)和經(jīng)濟(jì)效益。