移動(dòng)床煤氣化爐的設(shè)計(jì)及計(jì)算

1、煤氣化研究背景我國(guó)是一個(gè)缺油少氣煤炭資源相對(duì)豐富的國(guó)家，而煤氣化技術(shù)則是現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，煤氣化是通過(guò)直接液化制取油品或在高溫下氣化制得合成氣，再以合成氣為原料制取甲醇、合成油、天然氣等一級(jí)產(chǎn)品及以甲醇為原料制得乙烯、丙烯等二級(jí)化工產(chǎn)品的核心技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外氣化技術(shù)眾多，自世紀(jì)中葉德國(guó)Siemen兄弟最早開(kāi)發(fā)煤氣發(fā)生爐至今，已有150余年歷史!形成了固定床(移動(dòng)床)、流化床和氣流床三種技術(shù)工藝。各種技術(shù)都有其特點(diǎn)和特定的適用場(chǎng)合，它們的工業(yè)化應(yīng)用程度及可靠性不同，選擇與煤種及下游產(chǎn)品相適宜的煤氣化工藝技術(shù)是煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要決策。煤氣化原理示意圖氣化的基本過(guò)程固體燃料的氣化過(guò)程是在氣化爐（

2、或稱(chēng)煤氣發(fā)生爐）中進(jìn)行的。氣化爐由爐體、加料裝置、爐柵（又稱(chēng)爐篦或爐條）、灰盤(pán)、氣化劑入口和煤氣出口等部分組成。固體燃料自上而下加入，在氣化過(guò)程中逐步下移，變成爐渣后由下部導(dǎo)出，氣化劑則由下部進(jìn)入，通過(guò)爐柵自下而上，生成的煤氣由燃料層上方引出，這樣就形成了一個(gè)連續(xù)穩(wěn)定的氣化過(guò)程。煤氣化的化學(xué)反應(yīng) (a) 氣相反應(yīng)： 2CO + O2 2CO2 2H2 + O2 2H2O CH4 + O2 2H2O + CO CO + H2O CO2 + H2 CO + 3H2 2H2O+CH4 CxHy(氣態(tài)煤焦油)+ （x+y/2）2O2 y/2H2O + xCO (b) 氣固反應(yīng)： C + O2 CO2

3、2C + O2 2CO C + H2O CO + H2 C + CO2 2CO C + 2H2CH4固定床氣化技術(shù)工藝 定床氣化技術(shù)也稱(chēng)移動(dòng)床氣化技術(shù)，是世界上最早開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的氣化技術(shù)。固定床一般以塊煤或焦煤為原料，煤（焦）由氣化爐頂部加入，自上而下經(jīng)過(guò)干燥層、干餾層、還原層和氧化層，最后形成灰渣排出爐外，氣化劑自下而上經(jīng)灰渣層預(yù)熱后進(jìn)入氧化層和還原層。固定床氣化的局限性是對(duì)床層均勻性和透氣性要求較高，入爐煤要有一定的粒（塊）度（650mm）和均勻性。煤的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、黏結(jié)性和結(jié)渣性等指標(biāo)都與透氣性有關(guān)，因此，固定床氣化爐對(duì)入爐原料有很多限制。 大型固定床氣化技術(shù)包括Lurgi氣化技術(shù)、

4、BGL氣化技術(shù)和YM氣化技術(shù)等。加壓固定床氣化技術(shù)是在常壓固定床氣化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要解決常壓固定床氣化技術(shù)中氣化強(qiáng)度低、單爐處理負(fù)荷小等缺點(diǎn)，最有代表性的是Lurgi加壓氣化爐。 BGL氣化技術(shù)是在Lurgi氣化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，該技術(shù)最大的改進(jìn)是降低了蒸汽與氧氣的體積比，提高了氣化反應(yīng)區(qū)的溫度，實(shí)現(xiàn)熔融態(tài)排渣，從而提高了生產(chǎn)能力，可更適合于灰熔點(diǎn)低的煤和對(duì)蒸汽反應(yīng)活性較低的煤。氣化過(guò)程計(jì)算 氣化過(guò)程計(jì)算是發(fā)生爐制氣工段工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。氣化過(guò)程計(jì)算應(yīng)確定：發(fā)生爐煤氣組成、熱值、產(chǎn)氣率、蒸汽和空氣耗率、其它副產(chǎn)品產(chǎn)率、氣化效率、熱效率等。 發(fā)生爐煤氣氣化過(guò)程計(jì)算方法有兩種：一是控制

5、計(jì)算法；二是綜合計(jì)算法。前者以實(shí)際測(cè)定的數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù)，后者以一部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和一部分理論數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù)。本文采用綜合計(jì)算法。 理想氣化指標(biāo) 燃料干餾過(guò)程的計(jì)算 煤中含碳量的平衡 煤氣組成、熱值和產(chǎn)率的確定 繪制物料平衡表 計(jì)算煤氣發(fā)生爐的熱平衡煤氣產(chǎn)率/氣化效率/熱效率通過(guò)計(jì)算潞安礦務(wù)局干煤氣產(chǎn)率：3.38m3/kg濕煤氣產(chǎn)率：3.58m3/kg氣化效率：69.63%熱效率：76.66% 以上作為氣化爐設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù) 氣化爐的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)選用常壓固定床混合煤氣發(fā)生爐。 此爐型由上、中、下三部分組成。 上部分包括加煤機(jī)、爐蓋、探火孔等主要部件。 中部包括爐體和蒸汽水套、碎渣圈等。 下部包括爐篦、

6、灰盤(pán)通風(fēng)箱等?；冶P(pán)及通風(fēng)箱均設(shè)有水封，以保證爐子的氣密性，還起到防爆作用氣化爐設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)氣化強(qiáng)度為850 Nm3/(m2h) 爐膛內(nèi)徑為3000mm,則截面積A=9.78m2 爐膛凈高為2200mm 煤氣產(chǎn)量:8313 Nm3/h 耗煤量:3.58m3/kg 氣化劑耗量:4644.13Nm3/h 蒸汽消耗量:696.62 m3/kg爐墻及探火孔在進(jìn)行耐火材料的選擇時(shí)，主要考慮耐火度和絕熱性能兩項(xiàng)指標(biāo)。由于整個(gè)裝置內(nèi)部溫度都在1000左右，故要求向火面的耐火材料有較高的耐火度。爐內(nèi)溫度900，由此選擇耐火材料為粘土耐火磚，保溫材料為水泥珍珠巖制品探火孔是發(fā)生爐的重要部件之一，8個(gè)探火孔均勻分布

7、在爐蓋的圓周上。其作用是：通過(guò)探火孔對(duì)燃料表層進(jìn)行觀察；調(diào)整爐況及對(duì)燃料層進(jìn)行深層調(diào)整；用釬子探測(cè)爐內(nèi)各層溫度及分布情況，用以指導(dǎo)操作。探火孔由塞子、外殼、及噴嘴組成。蒸汽發(fā)生系統(tǒng) 水套產(chǎn)生的蒸汽和熱水由上升管上升到蒸汽集氣器中，在其中進(jìn)行汽水分離，分離水經(jīng)給水管流回水套，以形成水的自然循環(huán)。集氣器分離出的蒸汽供氣化用。 水套由20號(hào)鋼板制成，作用是內(nèi)殼形成的水冷壁可防止熔渣塊粘在爐壁上，并產(chǎn)生0.07兆帕的蒸汽，供氣化使用。右圖為設(shè)計(jì)的爐底水封結(jié)構(gòu)示意圖灰盤(pán) 灰盤(pán)與大蝸輪固定在一起，下部以其環(huán)形導(dǎo)軌坐落在環(huán)形基座的鋼球上，灰盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鋼球在上、下槽形導(dǎo)軌內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以減小摩擦力。灰盤(pán)內(nèi)壁表面突出的

8、斜筋幫助大排灰刀排灰。固定不動(dòng)的大排灰刀下端插入灰盤(pán)水中，灰盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，灰渣沿灰刀的斜面被排出。 灰盤(pán)與碎渣圈的相對(duì)尺寸對(duì)灰渣的排出、煤氣的產(chǎn)量等有直接的影響。 對(duì)于爐體與灰盤(pán)之間的間隙h要有足夠尺寸，若尺寸不夠大，會(huì)造成灰渣對(duì)水套磨損的加劇，本設(shè)計(jì)h取350mm。固定床氣化爐爐篦的設(shè)計(jì)與計(jì)算 在固定床氣化爐制氣過(guò)程中，氧化層中的燃料碳表面積只有在與充分均勻的氣化劑接觸的條件下才能發(fā)生燃燒化學(xué)反應(yīng)，直至以上各層化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行也都與氣化劑的分布是否均勻有著直接的關(guān)系。要使煤氣發(fā)生爐中送入的氣化劑在氧化層以下就形成一個(gè)流量均勻的速度場(chǎng)，爐篦氣化劑的分配及風(fēng)口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵。 據(jù)流體力學(xué)原理，有

9、以下特點(diǎn)： 1.各支管中阻力損失都相等，等于總阻力降： 2.所有支管中的流量和等于總流量： HHHHHN321總QQQQQN321爐篦風(fēng)口設(shè)計(jì)計(jì)算 爐篦風(fēng)口位置的確定 爐篦的分層，一般隨爐直徑大小而定，并考慮排灰方式以及穩(wěn)壓室所需要的結(jié)構(gòu)空間等因素。理論上分層越多越利于氣化劑的均勻分布。本設(shè)計(jì)分4層。 (2)穩(wěn)壓室的設(shè)計(jì)： 要達(dá)到氣化劑分布均勻，要使氣化劑在穩(wěn)壓室內(nèi)形成一均勻靜壓場(chǎng)，應(yīng)考慮： 氣化劑進(jìn)入穩(wěn)壓室是逐級(jí)擴(kuò)壓，以動(dòng)壓力的降低使靜壓力均勻平穩(wěn)。 氣化劑在穩(wěn)壓室內(nèi)，對(duì)應(yīng)各層爐篦風(fēng)口處的靜壓力必須相等。 空間允許時(shí)，穩(wěn)壓室越大，靜壓力越穩(wěn)定，越有利于氣化劑均勻分布。(3)穩(wěn)壓室風(fēng)口所需直徑

10、的計(jì)算部分：各層爐篦送氣化劑開(kāi)孔數(shù)目通過(guò)上述公式得到以下計(jì)算結(jié)果：第一層爐篦風(fēng)口截面，需5個(gè)40；第二層爐篦風(fēng)口截面，需5個(gè)40；第三層爐篦風(fēng)口截面，需7個(gè)40；第四層爐篦風(fēng)口截面，需65個(gè)40氣化爐進(jìn)出管徑的確定（1）上升管管徑水套頂部有8個(gè)蒸汽上升管，產(chǎn)生0.07MPa的蒸汽，產(chǎn)量大小與煤種及操作工藝有關(guān)，每個(gè)上升管流量為250m3/s，得經(jīng)濟(jì)流速為30m/s（2）給水管管徑生產(chǎn)蒸汽所消耗的軟化水由集汽器經(jīng)給水管補(bǔ)充，其流量為11.3，得經(jīng)濟(jì)流速0.4m/s總 結(jié)本文以潞安礦務(wù)局煤為原料，選擇固定床氣化爐作為本設(shè)計(jì)的氣化爐。通過(guò)對(duì)干餾過(guò)程與氣化過(guò)程的物料衡算和元素平衡計(jì)算，得到了撫順煤氣化的工藝參數(shù)如下：干煤氣高熱值：1486kcal/m3；干煤氣產(chǎn)率：3.38m3kg；氣化效率：69.63%；熱效率：76.66%；氣化強(qiáng)度：850Nm3/(m2h)；煤氣產(chǎn)量8313Nm3/h：，空氣消耗量為：4644.13Nm3/h，蒸汽耗量：696.62kg/h。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)爐子的工藝要求，完成了爐墻耐火材料的選擇與計(jì)算、水夾套的計(jì)算、爐篦的設(shè)計(jì)計(jì)算以及化爐進(jìn)出管徑