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(lái)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(guò)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(duì)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(guò)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(shí)必須進(jìn)一步提高效率，以達(dá)到國(guó)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(guó)大多數(shù)合成氨廠、煤氣廠在氣體凈化過(guò)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(shí)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(guò)程中氣液頻繁竄動(dòng)，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(yáng)化燃有限公司和浙江平陽(yáng)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(yáng)出口體平均溫度比原來(lái)空塔噴淋低50～70℃，浙江平陽(yáng)比原來(lái)低25～30℃，煤氣中基本不含粉塵(檢測(cè)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(guò)了中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)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(guò)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(guò)幾層后會(huì)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(jiǎn)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(dòng)，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(dòng)。氣體連續(xù)相自下而上流動(dòng)，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(huì)以氣泡的通過(guò)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(huì)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(huì)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(dòng)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(dòng)，氣體作為連續(xù)相自下而上的流動(dòng)，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(shí)，則呈噴射狀態(tài)接觸，噴射點(diǎn)對(duì)應(yīng)氣體的動(dòng)能因子作為該填料操作負(fù)荷，此時(shí)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(huì)以氣泡的形式通過(guò)液體。所以格柵填料對(duì)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(duì)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(huì)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(guò)程剛開始時(shí)，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(dòng)力大，出口時(shí)推動(dòng)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(dòng)態(tài)洗滌，筆者以實(shí)測(cè)數(shù)萬(wàn)個(gè)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(shí)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(wú)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(huì)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(yáng)燃化有限公司和平陽(yáng)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(bào)告，目前在國(guó)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(lái)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(zhǎng)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(yáng)燃化有限公司使用2年半，平陽(yáng)平氮化工有限公司使用4個(gè)月，解化集團(tuán)公司使用3年打開洗氣塔檢查，填料完好，沒(méi)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(huì)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(zhǎng)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。