新型塔内件技术——金属格栅填料开发及其在造汽洗涤塔的应用

　　填料塔作为一种传统的气、液传质设备，近年来有很大的发展。由于填料结构的不断改进，在许多生产过程中填料塔已替代了传统的板式塔。填料主要有散堆填料和规整填料2类。散堆填料有拉西环、鲍尔环、阶梯环、矩鞍环、海尔环、泰勒花环等，其主要优点在于安装方便，具有通用性，但是能量较小，流体分布性能较差，阻力较大，如果有沉淀物生成，易造成填料塔堵塞等缺点。随着化学工业的发展，对塔设备不断提出新要求：有的要求分离热敏性物系，有的要求通过技术改造提高生产能力以求节能;有的因环保要求，在三度处理时必须进一步提高效率，以达到国家有关标准等。随着塔器的大型化，散堆填料难以满足这种要求。因而结构与排列整齐、有效传质面积大、阻力小的规整填料应运而生，得到广泛应用。

　　我国大多数合成氨厂、煤气厂在气体净化过程中，半水煤气冷却除尘，采用空塔喷淋或板式塔(旋流板塔)和采用散堆填料塔，中型合成氨厂、焦化厂煤气洗涤采用木格子填料。因此，煤气冷却降尘效果不好，使后工序净化增加了难度。并且采用散堆填料(如用海尔环等)，阻力大、易堵塔使用周期短，往往生产一段时间后需停车清理，影响工厂的正常生厂。

　　中型合成氨厂和焦化厂煤气洗涤一直采用木格子填料，经用东北红松脱脂处理后使用。由于生产过程中气液频繁窜动，使得塔内填料容易破损，使用寿命短。木板较厚，比表面积小，空隙率小，传热效果不理想。加上木格子两面粗糙，煤灰容易沉积在填料表面造成堵塔，使得塔内气液分布不均，产生偏流，致使系统阻力不断上升，系统被迫停车检修，严重影响系统的正常稳定生产。因此云南角化集团有限公司、山西寿阳化燃有限公司和浙江平阳平氮化工有限公司分别于2001年9月、2002年5月和2004年7月委托杭州华纳环保科技有限公司设计并制造气集中洗涤塔及新型塔内件金属格栅填料，并2001年10月、2002年于9月和2004年8月投入使用，冷却和除尘效果非常好。解化集团有限公司增强了洗涤塔除去煤气中的重焦油和粉尘能力，山西寿阳出口体平均温度比原来空塔喷淋低50～70℃，浙江平阳比原来低25～30℃，煤气中基本不含粉尘(检测不出)，取得较好的节能和经济效果。该项目科技成果于2005年8月12日通过了中国石油和化学工业协会的技术鉴定。

　　1 结构与组装方式

　　金属格栅填料是由金属薄板(板厚度0.2～0.8mm)经过一定的加工工艺，最后根据塔径、人孔的大小制作成块片，在塔内组装而成。每盘填料高由塔径而定，一般为100～150mm。由于金属格栅填料板片与塔面是垂直的，与冷却水和气流是是平行的。在气流和水的冲刷下，基本消除了煤粉尘和焦油在填料表面的沉积，并消除了散堆填料和其他结构填料共有的壁流现象。每层填料通道相同，实质上金属格栅本身就是分布器，即使塔内冷却塔水初始分布不是很均匀，通过几层后会自然分布均匀，所以塔内不需要再设液体再分布装置。这使得格栅填料的设计、制造更简单，并提高了塔的利用空间和降低了塔的高度。　　

　　金属格栅填料在塔内上下2层呈90°(或45°)安装，气流(煤气)和液流(冷却水)逆向接触，冷却水靠重力沿填料表面下降。在金属薄片表面呈膜状向下流动，由于金属薄片很薄(0.2～0.8mm)，破液能力很强，液滴很细，液滴自上而下流动。气体连续相自下而上流动，与液膜和液滴接触传热，传热效率大提高。

　　金属格栅填料呈蜂窝状，空隙率高，气体和液体有固定走向，层板之间非常非常均匀，随着气量的增加或者冷却水加大，气液两相间的作用增强，但持液量很小，塔的阻力很小，液泛速度很高。金属格栅填料塔内不存在填料床内充满液体，气体不会以气泡的通过液体，金属格栅蜂窝状通道间矩较大。板片表面光滑，气体和液体有固定的通道，流体在板片之间不断冲刷接触，使得含尘及焦油的煤气和冷却水不会在填料表面停滞、沉积、淤积和堵塞，因此金属格栅填料是一种高效、大通量、低压降、不会堵塔的新型规整填料。

　　2 金属格栅填料气液两相传质机理分析

　　金属格栅填料以金属板片作为主要传质构件，金属板片垂直于塔截面，与气流和液流方向平行，上下2层呈90°旋转，整体塔内气流和液流逆向接触，旋流流动接触，液体靠重力沿填料表面下降，与上升的气体接触，在金属板片表面呈膜状向下流动，气体作为连续相自下而上的流动，与液膜接触传质，气液之间形成滴状或膜状接触。随着气速增加，液体自上而下液滴变细，当气速达到喷射时，则呈喷射状态接触，喷射点对应气体的动能因子作为该填料操作负荷，此时已不是液气控制而是雾夹带控制。

　　金属填料板片之间距离较大(一般为20～50mm)，空隙率高，气体和液体有固定的走向，每层板的通道非常均匀，随着气量的增加或者液量加大，气液两相间的作用很高，格栅填料塔内不存在填料床内满液体，气体不会以气泡的形式通过液体。所以格栅填料对旧塔改造可以选用较高的空塔速度，是一般填料的1.5～3倍，大大提高了生产能力，对塔的设计可以降低塔的直径和高度。

　　由于格栅填料板片之间距离较大，板片表面非常光滑，气体上升和液体下降阻力大大降低，气体和液体有固定的通道，流体在板片之间不断地冲刷接触，使得含尘气体和液体不会在填料表面停滞、沉积、淤积和堵塞。在正常操作条件下，其压降仅为阶梯环填料和鲍尔环填料的20%～30%，通量比板式塔高300%，比Φ50鲍尔环高200%。

　　煤气在冷却塔中，洗涤过程刚开始时，煤气温度较高和粉尘较多，随着气体在塔中逐步上升，煤气温度降低，粉尘减少。开始推动力大，出口时推动力小，洗涤效果难度增加。因此，金属格栅的板间距随着煤气变化而变化，煤气温度高，板间距大。随着气体温度降低，板间距减少，即可最大限度降低温度，单塔阻力大大降低。这种动态洗涤，笔者以实测数万个数据整理建立了数学模型，形成了温度线最大限度一致。

　　当前，应用在煤气洗涤塔和冷却的填料中，使用较多的有瓷质麻花砖等。其比较见表1.

表1　　　 不同填料使用比较

填料名称        规格/mm      堆积比重/   比表面积/   空隙率

 (kg.m^-3)    (m³.m^-3)     (%)

瓷质麻花砖    50×50×5         550         71         72

拉西环        50×50×5         510         93         70

不锈钢格栅填料   GSL-1板间距离50   85.9       86.9      98.95

　　在许多工厂煤气冷却中使用瓷质麻花砖洗涤效果,阻力大且粉尘易堵塔,因此在使用一段时间就要停产清理,影响了正常生产。

　　3 金属格栅填料在造气洗涤塔中应用

　　无论氮肥厂的半水煤气、焦化厂的焦炉气和以煤为原料的城市煤气或工业煤气，均需要冷却、降尘。由于煤气中含有粉尘和焦油，大部分厂采用空塔喷淋，中型氮肥厂一般采用木格子填料。气体冷却和除尘效果不好，一般煤气进气柜的温度为65～70℃。降低了气柜的利用率，增加了系统的阻力。降低罗茨鼓风机和压缩机的打气量，影响造气炉的发气量。金属格栅填料的表面和气体、液体方向平行，由于在气液和液流的冲刷下，粉尘和焦油不会在填料表面沉积。冷却和除尘效果好，一般出口气体与冷却水进口温度相差3～5℃。氮肥厂冬天的产量高，也比较容易操作，夏天产量低。其主要原因就是夏天煤气温度高，系统阻力增加，减少了压缩机的打气量。如果能将煤气温度降低，则可以提高全年的产量。山西寿阳燃化有限公司和平阳平氮化工有限公司只改造了造气的冷却塔，大修后该月产量提高5%。

　　根据文献和查新报告，目前在国内外还有蜂窝状格栅填料。

　　4 经济效益

　　a) 半水煤气出口温度与冷却水进口温度，设计温度差为5～8℃，投入使用之初，调试阶段气体与冷却水温度差在10℃左右，正常生产后气体与冷却水温度差在3℃左右，冬天几乎为0，证明塔内冷却效果好。

　　b) 金属格栅填料洗涤洗气塔比原来空塔喷淋出口气体温度可降低30℃左右，则系统阻力可降11%。经计算使造气发气量提高5%，系统阻力可降低2kPa,压缩机电耗可降低吨氨6.5kW.h,全年可节电20×104kW.h。

　　c) 降尘效果好，减轻了电除焦油器负荷，延长了除焦油器的使用寿命。

　　d) 金属格栅填料采用碳钢冷轧板，山西寿阳燃化有限公司使用2年半，平阳平氮化工有限公司使用4个月，解化集团公司使用3年打开洗气塔检查，填料完好，没有腐蚀。使用寿命可达6～8年。

　　实践证明，造气洗涤塔应用金属格栅填料，具有通气量大、压降低、不会造成粉尘焦油堵塞，冷却效果好，可以使造气系统正常、稳定、长周期、高效运行、具有较高的节能经济和经济效益。