【正文】 H2COCO2CH4ΔH1== ΔH2=(n汽G1)( H225,g)=()()ΔH3=nH2O(H225,lH130,l)+G1(H225,g)=()+G1() 因為有ΔH1+ΔH2+ΔH3=0，所以可通過EXCEL解得G1= kmol第四章 典型設(shè)備的設(shè)計及選型 典型的化工設(shè)備 德士古水煤漿加壓氣化工藝流程中用到的主要化工設(shè)備有以下幾種：磨煤機、煤漿泵、氣化爐、水洗塔、蒸發(fā)熱水塔、低壓閃蒸汽冷凝器、灰水罐、灰水循環(huán)泵灰水泵、文丘里洗滌器、撈渣機、灰水罐、澄清槽、過濾機真空泵、澄清槽給料泵、真空帶式過濾機、除氧水泵、除氧水槽、氣化鎖斗沖洗罐、真空閃蒸冷卻器、真空閃蒸分離器、真空閃蒸器、高壓閃蒸分離器、燒嘴冷卻水槽、燒嘴冷卻水泵、鎖斗沖洗水罐、燒嘴冷卻水換熱器、低壓閃蒸汽冷凝器、真空泵分離器，其中本設(shè)計主要考慮的典型化工設(shè)備則為德士古氣化爐。 典型設(shè)備的特點 （一）德士古氣化爐是一種以水煤漿進料的加壓氣流床氣化裝置，水煤漿由氣化劑夾帶由專門的噴嘴噴入爐內(nèi)，瞬間氣化。 ： (1) 甲烷含量低，利于甲醇與氨的合成 (2) 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)件很少；理論上可以用于任何煤種 (3) 具有較長的實際運行經(jīng)驗，操作危險性小，可用率達80%85% (4) 利用水煤漿便于高壓泵送的特點，可以制備壓力很高的粗煤氣 (5) 能充分利用一切污水源制作水煤漿 (6) 氣化爐的運行費用較低 (7) 后續(xù)的除灰系統(tǒng)比較簡化 (8) 原料適應(yīng)廣。各種煙煤、氣煤、肥煤，都可以用來制氣，對煤的水分、灰分、可然霧含量、灰熔點等沒有苛刻的要求，這有利于廠家就近選煤，可大大節(jié)約成本。 (9) 氣體有效成分高。有效成分(CO+H2)80%82%，魯奇氣化工藝的有效氣成分(CO+H2)只有50%70%。排渣無污染，污水污染小易處理。因高溫氣化，氣體中含甲烷很低（CH4≤%），無焦油，廢渣可以綜合利用。 (10) 氣化壓力范圍大。~，氣化壓力高可節(jié)省合成氣壓縮功。 (11) 碳的轉(zhuǎn)化率高。碳的轉(zhuǎn)化率高達98%。 (12) 氣化爐熱量利用。氣化爐有激冷，廢鍋，激冷和廢鍋結(jié)合的3種流程。可以根據(jù)產(chǎn)品進行選擇氣化流程。由激冷工藝制得合成氣，汽氣比達到1:4，特別適合作為生產(chǎn)合成氨和甲醇的氣頭，也可作為制氫、羰基合成氣等，用途廣泛。廢鍋流程適合用做然氣透平循環(huán)聯(lián)合發(fā)電工程，副產(chǎn)的高壓蒸氣用于蒸氣透平發(fā)電機組，實現(xiàn)多聯(lián)供 (13) 氣化爐結(jié)構(gòu)簡單生產(chǎn)能力大。氣化爐內(nèi)無傳動裝置，結(jié)構(gòu)比較簡單。 缺點： (1) 氣化爐耐火材料使用壽命短,氣化爐耐火磚一般采用法國沙佛埃磚,使用壽命較短,約一年半左右,必須局部或全部更換,主要原因是耐火磚受到高溫(1400℃左右)氣流及熔渣的沖刷,特別是燃燒室中下部,直接受到熔渣沖刷,磨蝕嚴重。另外開停車頻繁也是影響其壽命的原因。由于耐火磚價格昂貴,每爐磚約需80萬美元,故在現(xiàn)有條件下加強工藝操作管理十分必要,另外也可采用國產(chǎn)的耐火材料。 (2) 氣化爐爐膛熱電偶壽命短,爐膛熱電偶由燃燒室外壁經(jīng)殼壁、隔熱層、三層耐火磚插入燃燒室用以指示爐內(nèi)反應(yīng)溫度。熱電偶頭部距內(nèi)壁向火面磚內(nèi)縮約50mm。由于各層耐火材料的熱膨脹系數(shù)不同,熱電偶常受到剪切力的作用而損壞,有的使用壽命只有一周左右,短的甚至剛開車即損壞,無法長期準確指示爐內(nèi)溫度,僅能用于指導(dǎo)開車。正常操作一般根據(jù)氣體組成及爐渣的形狀間接判斷爐溫。 (3) 德士古燒嘴使用周期短,在高溫及高濃度煤漿沖刷的苛刻條件下,德士古燒嘴的使用周期較短,一般約50天左右,即要停爐撥出燒嘴進行檢查,對有龜裂、燒蝕、磨蝕現(xiàn)象的燒嘴進行修復(fù),重新使用。目前德士古燒嘴的損壞是影響裝置連續(xù)運行的主要因素。 (4) 黑水管線容易堵塞、結(jié)垢、磨蝕,由于氣化爐和碳洗塔排出的黑水中含固量較高,經(jīng)常造成黑水管線堵塞,影響正常操作,并往往造成氣化爐停車。黑水管線、煤漿管線的清洗增大了工作強度。在黑水減壓部份的管線在節(jié)流、汽蝕作用下,磨損嚴重,常常需要更換。第五，氣化爐渣堵現(xiàn)象根據(jù)目前德士古裝置運行的實際情況來看，氣化爐的渣堵現(xiàn)象可以分為3類：1)熔渣堵塞渣口，使燃燒室的灰渣無法排出，堆滿燃燒室的底部。2)熔渣逐漸積累到下降管內(nèi)壁上，直至掛滿下降管而堵塞氣體通道。這種類型的渣堵僅上海焦化廠報道過，其它廠家還未出現(xiàn)此問題。3)激冷后的大塊灰渣堆積在氣化爐鎖斗上部LHV—51閥的上部，鎖斗排渣無法順頃利進行而造成渣堵。這種現(xiàn)象較為普遍，本文主要對這種渣堵現(xiàn)象進行分析。 典型設(shè)備氣化爐的裝配圖圖41 氣化爐綜合構(gòu)造圖圖42 氣化爐構(gòu)造圖圖43 氣化爐橫截面圖圖44 激冷環(huán)連接圖 主要設(shè)備選型（1）綜述 磨煤機是將煤塊破碎并磨成煤粉的機械，它是煤粉爐的重要輔助設(shè)備。磨煤過程主要是壓碎、擊碎和研碎三種方式進行。其中壓碎過程消耗的能量最省，研碎過程最費能量。各種磨煤機在制粉過程中都兼有上述的兩種或三種方式，但以何種為主則視磨煤機的類型而定。 （2）工作原理 磨煤機是將煤塊破碎并磨成煤粉的機械，它是煤粉爐的重要輔助設(shè)備。磨煤過程是煤被破碎及其表面積不斷增加的過程。要增加新的表面積，必須克服固體分子間的結(jié)合力，因而需消耗能量。煤在磨煤機中被磨制成煤粉，主要是通過壓碎、擊碎和研碎三種方式進行。其中壓碎過程消耗的能量最省。研碎過程最費能量。各種磨煤機在制粉過程中都兼有上述的兩種或三種方式，但以何種為主則視磨煤機的類型而定。 （3）分類 磨煤機的型式很多，按磨煤工作部件的轉(zhuǎn)速可分為三種類型，即低速磨煤機、中速磨煤機和高速磨煤機。 （1）綜述 煤氣化爐有兩種概念，一種是煤產(chǎn)氣爐即煤氣發(fā)生爐也叫煤氣發(fā)生器，是將煤作為氣化燃料進行可燃氣體制造的爐子。另外一種概念是一種利用煤氣進行燃燒的鍋爐或者各種加熱燃燒爐稱為煤氣化爐。還有一種鍋爐稱為煤氣一體化鍋爐是一種燃煤鍋爐，利用煤氣發(fā)生爐的特性將鍋爐增加受熱面積和燃燒室，除了燃煤層提供鍋爐熱源外其產(chǎn)生的可燃氣通過特殊設(shè)計配風(fēng)可在燃氣室進行充分燃燒，實際上是鍋爐和煤氣發(fā)生爐的結(jié)合的一種新型環(huán)保鍋爐。根據(jù)煤的性質(zhì)和對煤氣產(chǎn)品的要求有多種氣化爐型式。分為固定床（移動床）、沸騰床和氣流床等形式。 （2）分類按煤在氣化爐內(nèi)的運動方式分為固定床（移動床）、沸騰床和氣流床等形式；按氣化操作壓力分常壓氣化和加壓氣化；按進料方式分固體進料和漿液進料；按排渣方式分固體排渣和熔融排渣等各種設(shè)計。典型的工業(yè)化煤氣化爐型有：UGI爐、魯奇爐、溫克勒爐（Winkler）、德士克爐(Texaco)和道化學(xué)煤氣化爐(Dow Chemical)。正在研究開發(fā)的爐型有十幾種。 (3) 德士古爐 美國德士古公司開發(fā)的一種加壓氣流床煤氣化設(shè)備。[6]1979年在聯(lián)邦德國完成工業(yè)操作試驗。其特點是把煤制成水煤漿送入氣化爐內(nèi)同氣化劑進行高溫氣化反應(yīng)。氣化溫度1200～1600℃，操作壓力4MPa，水煤漿中煤粉濃度約71%(質(zhì)量)，煤粉中14～60%的粒度小于90μm，碳轉(zhuǎn)化率99%。德士古煤氣化爐為直立圓筒形結(jié)構(gòu)，主體分兩部分，上部為氣化室，下部為輻射廢熱鍋爐（或激冷部分），下接灰渣鎖斗。[7]氧氣和水煤漿分別通過壓縮機和泵升壓后，由氣化爐頂?shù)慕o料噴嘴進入爐內(nèi)，在高溫下進行氣化反應(yīng)。生成氣在廢熱鍋爐中激冷，初步降溫后從中部引出。氣化操作溫度控制在煤的灰熔點以上。灰渣通過灰渣鎖斗排出。由于采用高溫加壓操作，因此①氣化強度高；②生成氣壓力較高，節(jié)省后續(xù)工序的動力；③原料適應(yīng)性廣，既可采用不同的煤種，也可使用煤加氫液化后的殘渣；④把固體煤制成水煤漿流體輸送，簡化了加壓進料裝置；⑤廢水中不含焦油和酚，環(huán)境污染不嚴重。 (1) 綜述 鎖斗由接管法蘭、襯筒、錐筒、錐體、球形封頭及連接組件組成。其主要作用是將氣化爐燃盡的煤灰冷卻，粉碎處理后排出，是一部連續(xù)運轉(zhuǎn)的疲勞設(shè)備。鎖斗按中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準《JB473295鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準》進行設(shè)計、制造和驗收的。其中，對于A、B類焊縫進行100%射線檢測和100%超聲波檢測。所有焊縫表面進行磁粉檢測，熱處理后重新進行磁粉檢測。 鎖斗在煤化工行業(yè)用的比較多，特別是在一些加壓的粉煤/煤渣氣力輸送系統(tǒng)中應(yīng)用，其主要的作用是在起到一個壓力緩沖容器的作用，一般安裝在常壓容器和加壓容器之間。鎖渣系統(tǒng)主要有渣罐、鎖渣閥、排渣閥、渣罐和沖洗水罐組成，鎖渣閥一般有兩個，排渣閥一個。煤粉貯存在煤粉貯倉中，當(dāng)煤粉鎖斗處于常壓狀態(tài)時，關(guān)閉煤粉鎖斗的下閥，打開煤粉鎖斗的上閥，使煤粉貯倉的煤粉自流進入煤粉鎖斗，料滿后關(guān)閉上閥，通入高壓氮氣加壓后打開下閥使煤粉自流進入煤粉給料倉中，卸完后關(guān)閉下閥，排出氮氣降至常壓，再循環(huán)上述過程。鎖斗也可用于收集渣，通過下閥來實現(xiàn)間斷排渣。 鎖斗由接管法蘭、襯筒、錐體、筒體、橢圓封頭及連接組件組成。其主要作用是將氣化爐燃盡的煤灰冷卻，粉碎處理后排出，是一部連續(xù)運轉(zhuǎn)的疲勞設(shè)備。它主要應(yīng)用于煤化工制氣，特別是在一些加壓的粉煤/煤渣氣力輸送系統(tǒng)中應(yīng)用。 鎖斗控制包括卸壓清洗排渣充壓集渣等過程。涉及渣水工藝聯(lián)鎖、渣池攪拌器聯(lián)鎖、碳洗塔給料泵聯(lián)鎖、灰水泵聯(lián)鎖等。落入激冷室底部的固態(tài)熔渣，經(jīng)破渣機破碎后進人鎖斗系統(tǒng)（鎖渣系統(tǒng)），鎖斗系統(tǒng)設(shè)置了一套復(fù)雜的自動循環(huán)控制系統(tǒng)，用于定期收集爐渣。在排渣時鎖斗和氣化爐隔離鎖斗循環(huán)分為減壓、清洗、排渣、充壓四部分，每個循環(huán)約30分鐘，保證在不中斷氣化爐運行的情況下定期排渣。 4 噴嘴 將預(yù)熱后的氧氣與經(jīng)過過濾的蒸汽混合，形成氣汽混合物送入燒嘴。 洗滌塔是一種新型的氣體凈化處理設(shè)備。它是在可浮動填料層氣體凈化器的基礎(chǔ)上改進而產(chǎn)生的，廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢氣凈化、除塵等方面的前處理，凈化效果很好。[9]對煤氣化工藝來說，煤氣洗滌不可避免，無論什么煤氣化技術(shù)都用到這一單元操作。由于其工作原理類似洗滌過程，故名洗滌塔。 洗滌塔與精餾塔類似，由塔體，塔板，再沸器，冷凝器組成。由于洗滌塔是進行粗分離的設(shè)備，所以塔板數(shù)量一般較少，通常不會超過十級。 洗滌塔適用于含有少量粉塵的混合氣體分離，各組分不會發(fā)生反應(yīng)，且產(chǎn)物應(yīng)容易液化，粉塵等雜質(zhì)（也可以稱之為高沸物）不易液化或凝固。當(dāng)混合氣從洗滌塔中部通入洗滌塔，由于塔板間存在產(chǎn)物組分液體，產(chǎn)物組分氣體液化的同時蒸發(fā)部分，而雜質(zhì)由于不能被液化或凝固，當(dāng)通過有液體存在的塔板時將會被產(chǎn)物組分液體固定下來，產(chǎn)生洗滌作用，洗滌塔就是根據(jù)這一原理設(shè)計和制造的。 煤漿泵是氣化系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備之一。目前多數(shù)企業(yè)的氣化裝置采用的高壓煤漿泵都是隔膜往復(fù)式泵，從缸體結(jié)構(gòu)上分主要有二種：即三缸隔膜往復(fù)式泵和四缸隔膜往復(fù)式泵，電機的轉(zhuǎn)動通過變速箱齒輪傳動機構(gòu)驅(qū)動每個缸的活塞，使活塞做往復(fù)運動。以單個缸為例介紹動作其過程：活塞往復(fù)運動利用驅(qū)動液的不可壓縮性，通過驅(qū)動液的壓力傳遞作用到隔膜上，使隔膜膨脹或收縮，然后利用上下活門的單向作用，實現(xiàn)煤漿的吸入和打出。 氣化爐計算 已知條件：每天耗煤量1500噸，煤漿停留時間τ=，耐火磚厚度為550mm，E=1，空氣密度ρ0=，風(fēng)速vw=60m/s，許用壓力S=75MPa，腐蝕余量TC=3mm，采用材料為碳鋼，密度ρ=7860kg/m3。，現(xiàn)取為1m/s。 計算爐體內(nèi)徑和氣化室高度 操作狀態(tài)V1=(P0V0/T0)T1/P1=n0RT1/P1=1000(106)=(100kg煤樣)單位換算成m3/s，即有：V1=(1000/3600/100)= m3/sDi= 1000+2550=1000+2550≈3313mm 因為停留時間為9s，故氣化室高度L氣化= 91=9 m 所以Lt ≈=9= m 壁厚校核 1）承受內(nèi)壓計算 Ri≈ Di/2 =1657 mm TP =PgR/()=1657/（75)= 2）承受風(fēng)壓計算 Tw=ρ0vw2（D0+）Lt/SπDi2 D0=Di+2TP=(3313+2)/1000= 所以Tw=602（+）(75π)= 3）環(huán)向焊縫強度計算 Tg=PgRi /(2SE+)=1657/（2751+)= 4) 壁厚核算 Tb= Tw+Tg=+=＜Tb,取Tb 所以TS=Tb+TC=+3= mm 外徑計算 D = Di + 2TS = 3313+2 ≈ 3758 mm 氣化爐重量及價格 根據(jù)經(jīng)驗公式：We =πD/1000(Lt++)TS/1000ρt=π（++）7860= CP=exp[++(lnWe)2+ln(Tb/Tp)]=1437183 噴嘴 氣體在燒嘴內(nèi)流動為絕熱等熵過程，內(nèi)氧通道占總氧20%，外氧通道占80%，T1=25℃，P2=，氧氣絕熱系數(shù)k=。氧氣粘度系數(shù)μ02=，氮氣粘度系數(shù)μN2=，粗糙度ε=。且輸送氧氣的管道包括1m長直管和90176。標(biāo)準彎頭一個。由已知條件，因為是絕熱等熵過程，所以有：(T2/T1)=(P2/P1)(k1)/k，令(P2/P1)(k1)/k=x，即T2=T1x，在操作態(tài)下，出噴嘴中心氧氣體積：V2中=(P0V0/T0)T2/P2=n0RT2/P2=()1000T1x/(106)= m3/(100kg煤樣) 單位換算成m3/s，即有：V2中=(1000/3600/100)≈ m3/s所以u2中=V2/(D中2)=4/（π）≈同理外氧也可由此計算得：u2外=V2/(D外2)= 4/（π）≈ m/s 取大值u2中=由伯努利方程知：u22/2gu12/2g=k/(k