Источник: «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» " — 2011 / ХXI Всеукраинская научная конференция аспирантов и студентов. — Донецк, ДонНТУ — 2011. — 159—160 сс.
Коксовый газ является ценнейшим сырьем для предприятий химической промышленности, из него извлекаются синтетический аммиак и другие ценные примеси, также он используется как энергетическое и бытовое топливо. Коксовый газ образуется в результате коксования каменноугольной смолы и представляет собой сложную парогазовую смесь из паров воды, смолы, бензольных углеводородов, аммиака, сероводорода и цианистых соединений с температурой 650 — 750°С. Выход коксового газа с 1 т сухой шихты составляет в среднем 300 — 330 м3. Плотность газа в зависимости от состава колеблется в пределах 0,48 — 0,52 кг/м3. Для дальнейших технологических процессов после выхода из камер коксования газ должен быть охлажден до 25 — 35°С в цехе улавливания, так как при охлаждении уменьшается объем газа, расход энергии на сжатие и перемещение через улавливающую аппаратуру и данная температура газа обеспечивает высокую степень поглощения компонентов из газа. Кроме коксового газа, в цех улавливания подается надсмольная вода цикла газосборников вместе со сконденсированной в газосборниках коксовых печей каменноугольной смолой для охлаждения газа.
В соответствии с технологической схемой прямой коксовый газ с температурой 650 — 750°С выходит из камер коксовых батарей, отвод газа с одновременным его охлаждением надсмольной водой до температуры 85°С осуществляется арматурой, состоящей из стояков, газосборников и перекидных газопроводов. Охлажденный коксовый газ вместе с надсмольной водой и смолой поступает в сепараторы, в которых происходит отделение от газа воды и смолы. Из сепараторов вода и смола поступают в механизированные осветлители для отстаивания, а коксовый газ — в первичные газовые холодильники. После охлаждения коксовый газ очищается от туманообразной смолы в электрофильтрах. Нагнетатели производят отсос коксового газа из камер коксования и транспортирование его через аппараты для охлаждения и улавливания химических продуктов коксования. Для первичного охлаждения коксового газа применяются трубчатые холодильники с горизонтальным расположением труб. Корпус холодильника имеет прямоугольное сечение, к вертикальным стенкам которого развальцовкой закреплены трубы. Стенки корпуса укреплены ребрами жесткости. Трубы разбиты на отдельные пучки, которые соединяются между собой съемными крышками. Трубы из углеродистой стали крепятся в трубных решетках развальцовкой, а трубы из коррозионностойкой стали — обваркой с подвальцовкой. Трубы расположены с несколько увеличенным шагом (82мм). Разреженные пучки труб (44шт.) снижают гидравлическое сопротивление со стороны газового потока. В нижней части холодильника располагается плоское днище, наклоненное под углом 3 — 4° для облегчения удаления конденсата. Корпус установлен на железобетонный фундамент опорой. Для удобства транспортирования, холодильник по высоте разбит на 4 секции. Между собой секции соединяются сваркой. Пучки секции соединены переходными коленами. Предусмотрено 11 штуцеров — для ввода и вывода рабочих сред и подачи очистителей при ремонте и обслуживании. Общая поверхность охлаждения холодильника — 2950 м2, площадь поперечного сечения труб в одном ходе — 0,1864 м2, площадь поперечного сечения газохода между трубами — 2,15 м2, температура воды в трубном пространстве — 26 — 45°С, температура коксового газа в межтрубном пространстве — 82 — 35°С, давление в трубном пространстве — 4 атм, давление в межтрубном пространстве — 0,95 атм (вакуум), габариты — 3335*3000*24700, производительность по коксовому газу — 20000 м3/ч, производительность по воде — 235 м3/ч, наружный диаметр труб — 57 мм, плотность воды при температуре 35°С — 994 кг/м3.
Первичное охлаждение газа, протекающее в первичном газовом холодильнике осуществляется посредством процесса теплопередачи между коксовым газом и технической водой через цилиндрическую стенку. При тепловых процессах тепло передаётся от одного вещества к другому. Для самопроизвольного переноса тепла одно из этих веществ должно быть более нагрето, чем другое. Вещества, участвующие в процессе перехода тепла (теплообмен), называются теплоносителями. Вещество с более высокой температурой, которое в процессе теплообмена отдаёт тепло, называется горячим теплоносителем, а вещество с более низкой температурой, воспринимающее тепло, холодным теплоносителем. В данном случае происходит передача тепла через цилиндрическую однослойную стенку, разделяющую теплоносители. При деградационных процессах, возникающих в процессе эксплуатации холодильника, вследствие совокупного действия 2 факторов: коррозии и образования накипи труб, изменяется процесс теплопроводности и нагрузка на трубы первичного газового холодильника. Накипью называют слой тех веществ, который образуется из растворенных или взвешенных в надсмольной воде соединений. Для охлаждающей воды в первичном газовом холодильнике существуют следующие требования: ориентировочно допускается скорость отложений не более 0,25 г/м2 •ч; вода не должна вызывать точечной и язвенной коррозии, а также равномерной коррозии металла со скоростью, превышающей 0,09 г/м2 •ч. При отложениях накипи и росте коррозии на поверхностях труб процесс теплопроводности будет уже отображаться уравнением теплопроводности для установившегося теплового потока через многослойную цилиндрическую стенку:
где Q — тепловой поток (расход теплоты), Вт; λ1 — коэффициент теплопроводности стали, Вт/(м•К); λ2 — коэффициент теплопроводности слоя отложений, Вт/(м•К); L — длина цилиндра, м; = 31°С — cредняя разность температур процесса; dв — внутренний диаметр каждого цилиндрического слоя; dн — наружный диаметр каждого цилиндрического слоя.
На основе приведенной формулы выполнены расчеты теплопередачи с учетом изменения толщин трубы под влиянием коррозии и слоя накипи. Установлено, что расход теплоты на нагрев надсмольной воды и охлаждения коксового газа увеличивается почти в 2 раза за месяц. Соответственно, на выходе из холодильника температура коксового газа будет равна 43°С. Данная температура отрицательно сказывается на дальнейшее улавливание продуктов, дает дополнительную нагрузку на нагнетатели. Увеличение давление в трубном и межтрубном пространстве приводит к возникновению свищей, разрывов корпуса холодильника, выхода коксового газа наружу. Для предотвращения выхода среды можно использовать методы подбора оптимальных скоростей технологических потоков, изменение покрытий поверхностей.