移動床煤氣化爐的設計及計算

1、煤氣化研究背景我國是一個缺油少氣煤炭資源相對豐富的國家，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、天然氣等一級產(chǎn)品及以甲醇為原料制得乙烯、丙烯等二級化工產(chǎn)品的核心技術(shù)。目前國內(nèi)外氣化技術(shù)眾多，自世紀中葉德國Siemen兄弟最早開發(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)都有其特點和特定的適用場合，它們的工業(yè)化應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程固體燃料的氣化過程是在氣化爐（

2、或稱煤氣發(fā)生爐）中進行的。氣化爐由爐體、加料裝置、爐柵（又稱爐篦或爐條）、灰盤、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，在氣化過程中逐步下移，變成爐渣后由下部導出，氣化劑則由下部進入，通過爐柵自下而上，生成的煤氣由燃料層上方引出，這樣就形成了一個連續(xù)穩(wěn)定的氣化過程。煤氣化的化學反應 (a) 氣相反應： 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： 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)也稱移動床氣化技術(shù)，是世界上最早開發(fā)和應用的氣化技術(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)灰渣層預熱后進入氧化層和還原層。固定床氣化的局限性是對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。煤的機械強度、熱穩(wěn)定性、黏結(jié)性和結(jié)渣性等指標都與透氣性有關(guān)，因此，固定床氣化爐對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)展起來的，主要解決常壓固定床氣化技術(shù)中氣化強度低、單爐處理負荷小等缺點，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)展起來的，該技術(shù)最大的改進是降低了蒸汽與氧氣的體積比，提高了氣化反應區(qū)的溫度，實現(xiàn)熔融態(tài)排渣，從而提高了生產(chǎn)能力，可更適合于灰熔點低的煤和對蒸汽反應活性較低的煤。氣化過程計算 氣化過程計算是發(fā)生爐制氣工段工藝設計的基礎(chǔ)。氣化過程計算應確定：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)生爐煤氣氣化過程計算方法有兩種：一是控制

5、計算法；二是綜合計算法。前者以實際測定的數(shù)據(jù)為計算依據(jù)，后者以一部分實測數(shù)據(jù)和一部分理論數(shù)據(jù)為計算依據(jù)。本文采用綜合計算法。 理想氣化指標 燃料干餾過程的計算 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/熱效率通過計算潞安礦務局干煤氣產(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% 以上作為氣化爐設計的基礎(chǔ)參數(shù) 氣化爐的設計 本設計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、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、灰盤通風箱等?；冶P及通風箱均設有水封，以保證爐子的氣密性，還起到防爆作用氣化爐設計參數(shù) 設氣化強度為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爐墻及探火孔在進行耐火材料的選擇時，主要考慮耐火度和絕熱性能兩項指標。由于整個裝置內(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個探火孔均勻分布

7、在爐蓋的圓周上。其作用是：通過探火孔對燃料表層進行觀察；調(diào)整爐況及對燃料層進行深層調(diào)整；用釬子探測爐內(nèi)各層溫度及分布情況，用以指導操作。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。右圖為設計的爐底水封結(jié)構(gòu)示意圖灰盤 灰盤與大蝸輪固定在一起，下部以其環(huán)形導軌坐落在環(huán)形基座的鋼球上，灰盤轉(zhuǎn)動時鋼球在上、下槽形導軌內(nèi)轉(zhuǎn)動，以減小摩擦力?；冶P內(nèi)壁表面突出的

8、斜筋幫助大排灰刀排灰。固定不動的大排灰刀下端插入灰盤水中，灰盤轉(zhuǎn)動時，灰渣沿灰刀的斜面被排出。 灰盤與碎渣圈的相對尺寸對灰渣的排出、煤氣的產(chǎn)量等有直接的影響。 對于爐體與灰盤之間的間隙h要有足夠尺寸，若尺寸不夠大，會造成灰渣對水套磨損的加劇，本設計h取350mm。固定床氣化爐爐篦的設計與計算 在固定床氣化爐制氣過程中，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)生燃燒化學反應，直至以上各層化學反應的進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流量均勻的速度場，爐篦氣化劑的分配及風口的結(jié)構(gòu)設計是一個關(guān)鍵。 據(jù)流體力學原理，有

9、以下特點： 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爐篦風口設計計算 爐篦風口位置的確定 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。本設計分4層。 (2)穩(wěn)壓室的設計： 要達到氣化劑分布均勻，要使氣化劑在穩(wěn)壓室內(nèi)形成一均勻靜壓場，應考慮： 氣化劑進入穩(wěn)壓室是逐級擴壓，以動壓力的降低使靜壓力均勻平穩(wěn)。 氣化劑在穩(wěn)壓室內(nèi)，對應各層爐篦風口處的靜壓力必須相等。 空間允許時，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)壓室風口所需直徑

10、的計算部分：各層爐篦送氣化劑開孔數(shù)目通過上述公式得到以下計算結(jié)果：第一層爐篦風口截面，需5個40；第二層爐篦風口截面，需5個40；第三層爐篦風口截面，需7個40；第四層爐篦風口截面，需65個40氣化爐進出管徑的確定（1）上升管管徑水套頂部有8個蒸汽上升管，產(chǎn)生0.07MPa的蒸汽，產(chǎn)量大小與煤種及操作工藝有關(guān)，每個上升管流量為250m3/s，得經(jīng)濟流速為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)給水管補充，其流量為11.3，得經(jīng)濟流速0.4m/s總 結(jié)本文以潞安礦務局煤為原料，選擇固定床氣化爐作為本設計的氣化爐。通過對干餾過程與氣化過程的物料衡算和元素平衡計算，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算、水夾套的計算、爐篦的設計計算以及化爐進出管徑