魏 松 波
(武汉平煤武钢联合焦化有限责任公司，湖北武汉430082)
摘 要：通过新型煤气冷却器、高效蒸氨塔等新设备的开发，并建立冷却水运行数学模型，运用遗传算法优化参数，使武钢焦化工序冷却水循环率由40%提高到95%，改善了煤化工产品质量。
关键词：焦化冷却水系统；技术；改进
中图分类号：TQ522．5 文献标识码：B 文章编号：1008—4371(2009)02—0023—04
Technological improvement in cooling water system of Coking Plant in WISCO
WEI Song-bo
(Wuhan Pingmei—WISCO Joint Coking Co.，Ltd，Wuhan 430082，China)
Abstract：The circulation rate of cooling water for the coking process of the Coking
Plant of WlSCO has grown up to 95％from the original 40% by way of development of
the new mode gas cooler and high efficiency ammonia steaming tower and by establishment of a math model for the cooling water running as well as by optimization of the parameters with the heredity algorithm，and as the results the quality of the coal chemical products has been improved．
Key words：cooling water system of coking；technology；improvement
钢铁工业是矿产资源、能源、水资源消耗的密集型产业，同时又是污染排放的大户，废水、废气占工业总排放量的14%。焦化行业兼具冶金、化工的特点，更是用水、排水的大户。武钢焦化公司近年来采用先进技术，对化产工序冷却水系统进行大规模改造，取得了显著成效。
1 冷却水系统存在的问题
武钢焦化公司一化产回收系统系20世纪50年代的旧工艺，二回收系统煤气净化是AS流程，新老工艺并存，设备参差不齐。一回收生产水基本上不经循环就直接排放，每年排放废水占武汉市工业废水排放总量的9%左右，不仅新水用量大，而且大量的废水排放又加剧了水资源消耗及环境污染。
1．1 化产生产工艺流程落后，水利用总体水平低
武钢焦化公司化产工序一回收煤气冷却系统为1958年投产建成，主要由煤气初冷、硫铵、终冷洗萘、洗苯及脱苯等工序组成，工艺落后，设备老化。终冷工序采用煤气与水直接接触冷却，每小时产生100 m3高浓度酚氰废水，严重污染周围环境，煤气中萘的质量浓度高达800 mg/m3。90年代后，虽然进行了一些小改小革，但由于设备结构不合理，工艺不匹配，技术老化，能耗又高，回收率低，工业用水处于原始无序阶段。在一回收车间能源介质的冷却降温过程中，大量工业水与各种介质进行换热，换热后没有回收利用，冷却水系统在国内同行业中处于较低水平。
1．2 供水水质不稳定，耗水量大
武钢焦化公司一回收车间焦炉煤气冷却用水主要取自长江水，低温水来源于毗邻武钢的北湖地下水。冷却供水仅经简单的絮凝和沉淀，水质波动大，泥沙含量高，极易在初冷器中结垢，煤气初冷工艺夏季使用北湖水温23℃的地下水，初冷后煤气温度达32～38℃，煤气中的萘的质量浓度(标准条件下)3．5 g/m3，达不到工艺要求的指标，也降低了设备热效率，进而导致用水量增加，形成高耗水量的恶性循环，冷却水一次换热后全部外排进入长江，每年的直排水量高达4 200万t。
1．3 循环系统设施不完善
地处长江之畔的武钢焦化公司，由于取用水的便利及水资源利用的成本低廉，20世纪50年代工艺设计时采取直流供水系统，带来一回收车间冷却水系统循环工艺和设施的不完善及不配套，煤气初步冷却采用18台立管式初冷器，冷却介质采用未经净化的长江水，水的循环利用率在20世纪末最高只有40%，远低于我国《焦化行业清洁生产标准》所规定的95%标准。
2 冷却水系统新技术的开发与应用
针对焦炉煤气冷却水系统初冷水直排、终冷水直冷、水循环率低等落后状态，开展一系列技术改造。
2．1 新型无堵煤气横管初冷器的开发
此种新型无堵带断塔盘形式的煤气横管初冷器，管程按冷却介质不同分为上、下二段，上段为高压循环水冷却段，下段为低温水冷却段。上段在混合液喷洒管安装了若干个无堵喷头，顶部换热管材质更新为不锈钢；在上下段之间安装1个断塔盘，高温段和低温段的冷凝液和喷淋液分别引人冷凝液槽，利于减轻低温段的热负荷和减少低温水用量。
该新型无堵横管初冷器，能除去煤气中84%以上的焦油、焦油雾和88%以上的萘，与普通横管式初冷器相比，焦油(包括焦油雾)和萘的去除率分别提高9．0%和8．0%。
2．2 开发自带冷凝液收集器的煤气横管终冷器
开发出的自带冷凝液收集器的煤气横管终冷器及轻质焦油洗萘的节水新技术，淘汰了终冷水直接由风冷+螺旋板换热器低温水冷却的二次冷却方式，实现了终冷水闭路循环，完成了工艺从“长流程”到“短流程”的转变，传热系数提高了50%，单位体积煤气所需冷却面积却降低了63%，脱萘效率提高30%。
2．3 采用高效圆形泡罩塔盘蒸氨塔
原蒸氨塔的塔盘结构形式为条形泡罩，阻力大，传质效率低，蒸氨后废水中氨氮质量浓度高达300 mg/L。针对这一弊端，采用了高效蒸氨塔和固定铵盐旋流反应器技术，蒸氨塔的每一层塔板上按照一定的排列规则布置圆形高效泡罩，塔径小，操作弹性大，蒸氨后废水中氨氮质量浓度降至100 mg/L以下，大幅度减轻生化处理氨氮的负荷，以确保生化处理氨氮达标排放。
2．4 采用清洗和预膜新技术
对低压、低温及高压水系统，分别以高水量循环冲洗，并不断补水、排污，以清除设备表面的浮锈、油污等污物；采用预膜新技术在金属表面形成的保护膜，延缓了设备腐蚀，保证了水系统设备的正常运行，延长了设备及管道的使用寿命，降低了焦化生产用水的成本。
3 冷却水工艺的选择及参数优化
3．1 工艺路线的选择
为提高化产老系统水的循环利用率，确立将原有直流用水系统改为循环供水的总体思路(图1)，寻求最佳优化工艺路线及操作参数，将新水消耗降到最低。
3．1．1 初冷系统
采用横管式煤气初冷器冷却和二次制取洗萘油的煤气初冷工艺。轻质焦油被切取一次分离后，经自动清除装置制取的二次洗萘油，能保证洗萘液中有足够的轻质焦油，用于初冷器的下段喷洒洗萘。该系统从2004年10月底运行以来，3台横管初冷器并联运行处理13．5万m3/h的煤气，单台初冷器的阻力在1 200 Pa左右。
3．1．2 终冷工序从“长流程"转变为“短流程"
采用自带冷凝液收集器的煤气横管终冷塔，煤气经终冷塔预冷段(上段)和终冷段(下段)两段冷却水间接冷却，解决了“上、下段系统不匹配”的技术难题。煤气在终冷塔中温度降到露点(44℃)以下产生的冷凝液，自流入塔底部冷凝液收集器，用冷凝液泵抽出送到终冷塔顶部和中部喷洒，并冲刷换热管外壁，以防管外壁生成积萘。由于将冷凝液收集器集成在横管式终冷器的底部，实现了从“长流程”到“短流程”的突破。
3．1．3 循环冷却水系统运行数学模型的建立
制冷机的运行冷却方式的传统做法是简单地分为“夏季方式”和“冬季方式”，同时开启制冷机和冷却塔为夏季方式，只开冷却塔为冬季方式。这种方式虽简单可靠，但不经济。通过对开启制冷机和冷却塔的台数进行合理组合，建立冷却塔出水极限温度和大气温度决策模型，来决定制冷机和冷却塔运行方式，提高了制冷水的冷却效果。循环冷却水系统的实际运行中，冷却水量不仅随着季节变化有所不同，而且随着热交换设备的热负荷而改变，所以，循环冷却水系统优化运行的基本思想是在循环水流量满足热交换设备热负荷的同时，循环冷却水系统的运行必须能耗最低，其目标函数为：
在获取循环冷却水系统中的溴化锂吸收式制冷机模型的基础上，确立制冷机的制冷量同加热蒸汽消耗量的关系；确立了循环冷却水系统优化运行数学模型的具体形式及冷却水量与制冷量关系，强化水系统管线的管理和监控，对出入口水质严格监测，实现冷却塔和制冷机梯级节能运行，年平均运行时间降低26%。
3．2 煤气冷却工艺参数的优化
3．2．1 煤气初冷工艺参数的优化
煤气初冷采用带有断塔盘的无堵塞横管式煤气初冷器，将高、低温段的冷凝液和喷洒液分别引入各自的冷凝液槽中，减轻低温段的热负荷和减少低温水用量。当气温较低时，根据所建立的制冷机和冷却塔优化调度决策模型，逐台停开制冷机，优化后煤气质量对比数据见表1。为改善洗萘油的质量，利用自动清除装置来二次制取洗萘油，保证了煤气中萘的洗涤效果，萘的去除率提高了76．0%。
3．2．2 煤气终冷工艺参数的优化
为保证终冷塔煤气出口温度不高于27℃的工艺要求，制定了不同季节冷却水的不同利用策略。当气温较低时，根据所建立的制冷机和冷却塔优化调度决策模型，逐台停开制冷机，既节约能源和降低焦化生产用水成本，又使煤气中萘含量显著降低，优化前后的对比见表2。
3．2．3 运用遗传算法优化冷却水系统的运行
通过对化产冷却水利用和管理过程数学模型的分析，拟定出焦炉煤气冷却水系统的优化运行的非线性规划的模型——将初始数据，包括水泵和风机的台数，以及各部分的基本参数输入计算程序中，对各约束条件、耗电量计算及各适应度函数进行计算，然后再根据各个体适应度值的大小对个体进行优选。若满足算法终止规则则输出结果；若不满足，则进行下一步操作，调整台数，最终得到循环水泵、风机和制冷机的开启台数ni、nj、nk
4 应用效果
冷却水系统所开发应用的技术运行实践证明，整套系统运行可靠，武钢焦化一回收化产工序生产稳定，化产品收得率有所提高，节水效果明显，生产水循环率保持在95%以上，取得了显著的经济和社会效益，达到《炼焦行业清洁生产标
准》( HJ/T 126-2003 )的规定。
4．1 煤化工产品质量得到改善
由于煤气中萘及焦油会在输送过程中结垢并沉积，极易导致煤气管道的堵塞，通过对水系调整及水系管理模型和方案的实施，优化了循环水的工艺参数，使化产工序的实物质量也显著得到改善，一回收车间主导产品煤气中萘及焦油含量分别降低了84%和88%。表3为系统优化前后煤气中焦油和萘含量指标。
4．2 焦化生产水利用率提高
化产系统冷却水改造后，生产水利用率由原来的40%提高到了95%以上，在其改进后1年时间内，月平均值达到95．60%。
4．3 经济效益显著
武钢焦化公司一回收系统在改造前，夏季为满足煤气冷却所用的低温水，不得不在每年6～8月内开动北湖地区的地下井水；改造后停用了地下水，仅此1项年可节约324万t地下水，价值1 500万元。工业水资源循环利用率的提高，降低了工业水用量，化产老区水用量从5 100 m3/h降至682m3/h，年可节约工业水3 870万t。
4．4 环保效益明显
煤气终冷系统由直冷改为间冷，减少了每小时近5 000 ms的终冷直排水；凉水架蒸发出的氰、氨等有毒气体对大气的危害得到彻底消除，减轻了对大气的污染，减少了300m3/h外排废水量，废水中污染物含量得到有效降低(表4)。
5 结语
武钢焦化公司“十五”期间在化产老区冷却水的利用上做了积极有效的探索，以先进的理论知识和先进的技术装备，来改造落后的生产工艺，用专业技术保证环保达标，提升功能；用专业技术推动了技术的进步，实现了化产老区冷却水循环利用率达到95%，取得了极其显著的经济和社会效益。
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