两段炉的干馏段设计、适用条件和性能评价

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I制造工程设计
ManufactureEngineeringDes泖
【文章编号】1007—9467(2006)09—0074—06
两段炉的干馏段设计、适用条件和性能评价
■朱大钧(中元国际工程设计研究院,北京100089)
【摘要】阐述了两段炉气化原理和干馏段设计的特点,通过
计算分析得出单纯内热式与内外并热式两段炉的差别。


段炉的适用条件取决于原料煤种、用户对煤气的质量要求
以及环境保护的要求等因素。

对于两段炉的性能评价,一是
性能参数,二是干馏段下方提取出的半焦的工业分析数据,
三是两段气化工艺整体系统的综合性能,应该达到设备配
套合理、酚水浓缩无排放、能源利用率高的效果。

【关键词】两段炉;煤气化;干馏;性能评价
【中图分类号】TQ545;TQ542.6【文献标志码】A
DistillationZonePlanning,useableConditions
andPerformanceAppraisingofatwoStage
Gasifier
ZHUDa-jun
(ChinaIPPRengineeringcorporation,Beijing100089,China)
[Abstract]Expoundaspecialfeatureoftwostagecoalgasification
andthedistillationdesign.Analysisadifferenceofthesingleinter
heatingstyleandtheinter/outerheatingstyletwostagegasifier.
Theuseableconditionsofatwo
stagegasifierisdependonthetype
ofcoalbeingused/thequalitydemandofthegasforuserandtheenvironmentalprotection.Fortheperformanceappraisingtoatwostageagsifier:1)the
performancedata2)theindustrialanalysisofthesemi—cockpickedupfrombosomofadistillationzone.3)a
goodcomprehensiveperformanceofatwo
stagegasification
systemshouldbethatequipmentschoiceisreasonable/thephenolicwater
isconcentratedandnodischarged/theefficiencyofenergybeingusedishigher.
74[Keywordsltwostagegasifier;coalgasification;distillation;performanceappraising
1干馏段的设计
连续鼓风的固定床两段煤气发生炉与普通单段发生炉的最显著的区别是在煤气炉的气化段上方增加一个干馏段。

白上而下加入到炉中的煤要先经过干馏段,在其中首先完成干燥和干馏反应过程,进而再以干馏后形成的半焦炭落入下方的气化段,半焦的气化和燃烧则在气化段完成。

干馏的目的在于更合理的利用固体燃料所含的有机成分。

进行干馏的结果,使固体燃料中的有机成分分解为分子较为简单的各种挥发产物以及含碳量增高了的固体残留物——焦炭。

固体燃料经过干馏能够得到怎样性质的产品?这些产品的产率又是多少?则要根据干馏所用原料性质及干馏所采用的条件(主要是加热条件)来决定。

两段炉干馏段的设计和制造使用是经过了长期的实践发展而逐步完善的。

根据前苏联H.B.施沙可夫著的《可燃气体生产原理》的介绍,早期带有低温干馏段的煤气发生炉具有两种结构形式,一种是只有一个上部煤气出口,这种炉型只能适用于燃料中水分含量比较高的情况;另一种是有上部和下部两个出口,这种炉型可以通过炉外装置调节上下部出口煤气的比例适应不同的水分含量的燃料之气化。

但是这种炉型的气化层产生的气体的一部分
万方数据
是以内热方式对干馏段的燃料进行干馏,而气体的另一部分则在较高温度下就从下部出口离开了炉体,未对干馏段产生作用。

目前我国运行的两段式煤气发生炉中亦有类似炉型,尽管有的在下段煤气出口方式上稍加改进,但其仍不具有干馏段内阁墙及隔墙孔道,也不具有环形围墙孔道,干馏段的对外散热热损失还是完全由上段煤气承担,所以可认为该炉仍是一种单纯内热式干馏的炉型。

这种炉型在国内有代表性的是从意大利引进的I、G、I的两段炉和我国在1988年以前设计的炉型。

另外一种可以认为是内外并热式干馏的两段炉,这种炉型的下段煤气出口一直升高到干馏段的上沿,气化煤气的一部分经过干馏段的内部隔墙孔道或内部中心钢管和干馏段围墙内的孔道对整个干馏段释放出~定的热量,并承担了干馏段对炉外的散热损失后,才以相对低的温度离开炉体。

这种炉型的代表有我国引进的英国Wellman炉,法国L、G、I炉、南非Stoic炉和我国设计的D3.0—88型两段炉及其系列产品。

当然根据炉子的大小还有~些炉型只有围墙孔道和中心钢管,甚至还有的有中心钢管而无隔墙孔道,尽管品种较多,但基本上可以归纳为一种是单纯内热式干馏段,一种是内外并热式干馏段。

本文就将这两种干馏段进行热量试算。

用于两段式煤气发生炉的燃料,目前以大同煤居多,另外辽宁阜新煤、内蒙古东胜煤、黑龙江东宁煤、河南义马煤也有使用。

本试算以大同十级中块(全水分7%)为例。

按照GB1341。

77《煤的管式低温试验方法》修正大同煤铝甄分析结果,取数据如下(重量%):热解水:5%;焦油产率:8%;半焦产率:81%;煤气产率:6%
为简化计算,设定煤气的产量为(以mkg煤计):气化煤气总产量3.Om3(标准状态下);干馏煤气产量O.1m,(标准状态下);设气化煤气有石rn3(标准状态下)进入干馏段内层;则上段出口煤气量=Ⅸ+0.1Xm3(标准状态下);下段出口煤气量=3.0.Xm3f标准状态下)。

型搏臻蚓
MamtfactureEngineeringDes伽I1.1单纯内热式干馏段热量试算
设热量输入方的状态为:入炉煤的温度20。

C,气化煤气进入干馏段温度700。

C。

1)入炉煤:热容1.30(kJ/kg・℃)
gl_1.30x20=26(kJ)
2)Xm3(标准状态下)的气化煤气,热容1.38(kJ/m3℃1
3)Xm3(标准状态下)气化煤气的水蒸汽:100"C蒸汽热容为2671(kJ/kg):100。

C~700。

C蒸汽平均比热1.96(kJ/kg・℃)
输入总热量为:
Qi=26+966X+173.12X=26+1139.12X(kJ)
设热量输出方的状态为:煤气、蒸汽温度120℃,半焦从干馏段下方排出的温度650℃。

①原料煤中的水分生产蒸汽,在120。

C下的热含2700.3(kJ/kg):
qt=2700.3xO.07=189.02(11)
②煤的热解水生成蒸汽:
q2=2700.3xO.05=135.02(11)
③xm3(标准状态下)气化煤气中水蒸汽:
q3=2700.3xO.045X=125.1X(1(J)
④煤气中的焦油:焦油的潜热418(11/kg),热容2.09(kJ/kg・℃、
q4----(418+2.09×120)xO.08=53.5(∽
⑤干馏煤气:热容为2.51kJ/m3℃(标准状态下)
q5=2.15×120xO.1=30.12(1t)
⑥Xm3"C(标准状态下)℃气化煤气:热容1.34kJ/m3℃(标准状态下)
口产1.34x120×X=160.8x(11)
⑦半焦:650。

C半焦的热容1.38(kJ/kg・℃)
口7=0.81x650x1.38=726.57(kJ)
⑧散热损失:根据有关资料和生产经验,散热损失大致相当于输入总热量的3%~5%,取较低数值3%计:
qs=Ql×3%
输出总热量为:
Qo=l134.23+282.3X+Qi×3%
用Qo=Qi解出X:
万方数据
I制造工程设计
I胍咖I啪西硒Me矗昭如匆I
X=I.35m3(标准状态下)
结果表明,单纯内热式干馏段两段炉的气化煤
气要有1.35m3(标准状态下)进入干馏段,占气化煤气总量的45%,上段煤气合计1.45m3(标准状态下)占两段炉煤气总产量的47%。

1.2内外并热式干馏段热量试算
因热量出方中不会有干馏段内层向炉壳外的直接热损失⑧’,而入方则增加了干馏段外层即一部分气化煤气途经干馏段内隔墙孔和围墙时对于内层的间接给热量④’。

设④’是由气化煤气的一部分(3-X)m3(标准状态下)煤气以700。

C进入孔道并以580。

C于下段煤气出口排出的过程对干馏段的给热。

这股热气所给出总热量由两部分组成:
1)3-Xms(标准状态下)气化煤气:
gf(3堵)×1.38:,<(700—580)=496.8—165.6X(kJ)
2)煤气中的水蒸汽:
q6-0.045x(3-x)(700—580)×1.96=31.75-10.58X(kJ)
这股煤气的平均温度较高,散热损失也要大一些,设ga+g。

的15%作为热量损失,85%作为④’向干馏段给热:
q4=(528.55—176.08X)x85%=449.27-149.67X(kJ)
至此,可得出总的热量输出方:
Qo=l134.23+282.3x(U)
总的热量输入方:
Q;=26+1139.12x+49.27—149.67x2475.27+
989.45X(kJ)
用qo=O,解出x:
X=658.96+707.15=0.93m3(标准状态下)
结果表明,内外并热式干馏段两段炉,气化煤气要有0.93m3(标准状态下)进入干馏段内层,占气化煤气总量的31%,上段煤气产量1.03m3(标准状态下)占两段炉煤气总产量的33%。

从以上试算可知,当使用含水量为7%的烟煤用于两段炉气化时,单纯内热式炉的上下段煤气比例几近1:l,而内外并热式的比例约为1:2。

在实
际生产中,原料煤种的含水量会因进厂煤的产地、76质量、气候等条件影响经常变动,尤其是使用长焰煤或年老褐煤时,其全水分均常高于以上计算所用的数据。

在这种情况下,内外并热式干馏段两段炉的优点即上下段煤气比例差距大、调节方便,就为煤气的正常生产创造了先决条件。

其表现为:需要增加进入干馏段内层的气量,以供给煤炭中水分的蒸发,且保持上段煤气出口的温度在120。

C。

同时,间接给热用的下段煤气的出口温度有所降低、气量减少。

这种炉型在低负荷生产时,间接给热的下段煤气也会由于气量减少,对外散热的损失相对增加而表现为出口温度偏低。

单纯内热式干馏段两段炉,由于其下段煤气的近50%(煤中水分若再高,则此比例将会更高)要进入干馏段内,使得上段煤气量相对较大,需配置较大的电除焦油器和较大的煤气间接冷却器。

而此种炉型,未进入干馏段内的那部分下段煤气没有对干馏段给热,只是向炉外散失部分热量后就在700℃~650℃的温度下离开炉体进入冷却设备,实际上造成了能源利用率的下降,所以这种炉型的下段煤气的出口温度就不会像内外并热式炉那样,随着生产负荷的变化和煤种的变化而有较大的改变,其下段煤气出口温度总会很高。

在低负荷生产时,由于干馏段的散热损失相对增加,气化煤气中进入干馏段内的那部分煤气就需要更多。

我国设计的D3.0.88型两段炉及其系列产品D2.4m,D2.0m的两段炉均采用了内外并热式干馏段结构。

当然,本文只是尝试着用热量衡算来进行一些分析并不是干馏段设计的全部内容。

同样是属于内外并热式干馏段的两段炉,也会由于干馏段的结构设计,传热设计等方面的优劣而具有明显的差别。

2两段炉的适用条件
两段式煤气发生炉与普通单段炉一样,其使用条件首先应该取决于该项目建设单位对煤气用量和质量的要求;取决于所能获得的较经济的原煤料的种类和质量的条件。

其中原料应是首要因素。

那种认为两段炉适用煤种广泛,什么样的煤都可以用,甚至还有的地方先建起了两段炉煤气站,开工
万方数据
后却使用无烟煤为原料,我们认为这种认识和作法是极不科学和不负责任的。

很明显,两段炉的目的就是将煤中的水分和挥发份先经干燥干馏使其产生出干馏煤气、低中湿焦油后,再以半焦状态进入气化段实现煤的完全气化。

如果建设单位是以无烟煤或焦炭为气化原料,就根本没有必要使用两段煤气炉而相应增加煤气站的建设费用。

还有那种认为引进的几台两段炉和已建成的两段煤气炉煤气站几乎都是以大同烟煤为原料,因此无论何地也只能是天下“大同”。

这种认识也是不正确的。

从理论上讲,任何一种炉型都不是万能的,都是针对一定范围的燃料所设计的。

比如我们曾经在设计黑龙江省东宁陶瓷厂煤气站,供给该厂引进的意大利瓷砖生产线用煤气的过程中,就是针对当地褐煤的质量情况,经过认真的气化试验取得数据,再经严密的理论计算,特殊设计了高料层固定料位,自动加煤的气化炉和煤气间接冷却,两级电除焦油和轻油的工艺流程。

该炉实际上可以认为是一种上、下段煤气比例为1:0的两段炉,该站所副产的则是低温干馏焦油,其密度好,流动性好,为该站创造了较好的经济效益。

经过较高的稳定料层后,出炉的煤气中带出物少、煤气质量好、热量高。

因此,两段炉的适用条件取决于原料、煤种和用户对煤气质量的要求和建站占地、环境保护的要求。

3两段煤气炉的性能评价
根据目前国内两段炉煤气站的生产经验,两段煤气发生炉的性能评价是与煤气工艺流程相联系的,有关冷煤气工艺大致可由以下几个方面给予考虑:
一是两段式煤气炉的性能参数。

为了完成对含有挥发份和水分的烟煤以及这两种成分均较高的褐煤、长焰煤的充分干燥、干馏,使其经过干馏段后形成半焦,再进入气化段产生无焦油的洁净煤气,就必须合理地设计干馏段结构并制定出正确的相应参数。

一般是要控制上段煤气的出口温度在100℃~150℃,从而保证上段煤气较高的热值,以所含CH4及其他高分子碳氢化合物的较高组分来
制造工程设计l
ManufactⅢ'eE嚼Me咖珧s诤lI
鉴定干馏段的效果。

相应地还要尽量提高干馏段底部温度在700℃左右,从而保证煤的干馏最终温度在700℃甚至略高的范围(对于内外并热式的两段炉,下段煤气出口温度可能会由于低负荷生产时煤气的对外散热损失相对增加而有所降低,但这种情况并不说明干馏段底部温度偏低),并以下段煤气较低的热值及所含cH。

及其他高分子碳氢化合物的较低组分来鉴定两段炉的性能。

因此,在全国两段炉技术及应用研讨会上,经国内多单位专家研讨,推荐两段炉的一系列气化性能指标,其中上段煤气热值应为:7100kJ/m3~7500kJ/m3(标准状态下),下段煤气热值为:5200kJ/m3~5700kJ/m3(标准状态下)。

经过近几年来各生产单位的测定,上海泰山陶瓷有限公司引进英国Wellmancb2.0m两段炉的上段煤气大多在7536.24kJ/m3(标准状态下)以上,而其下段煤气热值则多在5233.5kJ/m3(标准状态下)以下。

国内白行开发制造的D3.0—88两段炉上段煤气的热值在7494.37kJ/m,(标准状态下)以上,下段煤气热值在5442.84kJ/m3(标准状态下)以下。

有资料介绍:某些无内隔墙或只有中心钢管干馏段的两段炉如南非产stoic炉的上段煤气热值仅为7406kJ/m3(标准状态下),而下段煤气热值却高达6066kJ/m3(标准状态下),此炉工作现场的下段煤气风冷器下方亦发现有大量焦油。

可见,该炉的下段煤气的热值与大同煤单段炉煤气相近,而下段煤气中的高碳氢化合物也较高。

所以,可以说该炉的结构不是很理想,干馏不够充分,下段煤气中仍含有较多的焦油。

我院负责国内配套设计的澳大利亚供货的南非另一公司的只有内中心钢管式干馏段的两段炉也存在这样的问题。

该供货商提供给中方的下段煤气激冷塔循环水的水质与该炉的上下段煤气经间冷器冷凝的水质相近,也足以说明这种两段炉的下段煤气热值较高,煤气中焦油和高碳氢化合物均比较高,即干馏的效果也不理想。

据有关方面介绍,I.G.I.两段炉亦无内隔墙,他们承认该炉下段煤气中存在0.59/m3(标准状态下)的焦油。

由此可知,两段炉性能的关键指标应是上段煤气热值要高,下段煤气热值要低。

南非和意大利等国无内隔
77
万方数据
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ManufactureEngineerlngDesign
墙的两段炉的这两个指标明显较差。

弄清了这个道理,可见若要求下段煤气热值必须达到6300(kJ/m3)即1507m,(标准状态下)是不合道理的。

二是可以在两段炉正常生产过程中,及时取出干馏段下方的半焦进行工业分析。

根据《f氐温干馏工程》一书中介绍,煤的干馏产物(即半焦或焦碳)的挥发份含量在不同的干馏范围内的数据如下:低温干馏(--550℃)含挥发份8%~12%;中温干馏(550℃~750。

C)含挥发份4%~7%;高温干馏
(900℃以上)含挥发份0.5%~1%。

当然,以上数据仅是大致情况,不同的原料会有一些差别。

根据我们多年工业煤气制造的经验,含挥发份在5%以下的煤碳经气化后,煤气中的焦油含量就比较少了。

而我们设计和应用在煤的气化方面的干馏技术的目的,是要最大限度的降低半焦中的挥发份含量,而又不使干馏温度过高,造成干馏产物过多地发生二次裂解。

因此,笔者认为两段炉干馏段实际上应该属于中温干馏,干馏的最终温度应接近750℃,而在这个温度区域所抽取出的半焦的挥发份含量在2%'---4%之间是合理的。

B3.0—88型两段炉经北京煤化所测定,抽取的半焦含挥发份为2.12%。

我们得到的中心钢管式两段炉的半焦中挥发份含量高达5.19%,这也说明了国外的某些两段炉不一定比我国技术强。

还有的两段炉技术报告介绍该炉的半焦中挥发份含量仅有0.3%~1%,这项数据比高温干馏后的指标范围还要低,似乎也不合理,其不可信度比较高。

估计这是与采样时机、采样部位不正确有关,因此,本文前面就重点强调了要在两段炉正常生产过程中抽取干馏段下方的半焦来进行分析。

三是可用两面炉工艺系统的性能参数来进行评价。

两段炉的工艺流程(这里主要指冷煤气流程)设计是充分体现两段炉优势,做到解决环境保护问题,减小建站用地的关键。

笔者认为目前较普遍而又比较合理的流程如图1所示。

这个流程所需设备少,水系统简单,生产运行可靠。

还有的流程在上段出口和下段出口分别加上旋风除焦油器和旋风除尘器,在间冷器冷凝水、电除油器后加上油水分离器,这样相对增加了一些设
图1两段炉冷煤气工艺流程简图
备和占地及建筑、特构面积,但也不失为比较好的流程。

从实际运行效果来讲,上面未加这些设备的流程应该说是比较经济实用的方案。

至于工艺流程的参数与两段炉性能有关的,主要是上段煤气流量、温度对电除焦油器的选择。

通过两段炉干馏段的计算,具有内外并热式干馏段的两段炉,在使用含水分7%左右的原料煤气化时,上段煤气的产量仅占总产量的1/3左右,而单纯内热式干馏段两段炉的上段煤气则要占到产量的1/2左右。

因此前者的电滤器可选较小规格或者在选择相同规格的设备时能保证较高的工作效率。

下段煤气的产量和温度则将决定急冷塔的规格和急冷循环水量。

内外并热式两段炉的下段煤气经炉内隔墙和围墙孔道向干馏段内给热和承担了干馏段的向外散热损失后,其出口温度肯定要比单纯内热式两段炉的下段煤气低得多,而煤气流量也要相对多一些,因此要通过具体计算才能确定急冷塔的各项参数。

这样,上下段煤气的产量、温度都与所用煤种和干馏段型式有着密切的关系,即不同的煤种对应于某种炉型,其后续净化设备都会有不同的选择,这就是某些没有设计能力而千篇一律地照搬某个泊来品煤气站,为不同煤种的地区盲目建站不能成功的原因所在。

问冷器的参数同样与前述条件是密切相关的,上段煤气如果占总量1/2或1/3,对于小时产量大约为6000m3(标准状态下)的系统来说,煤气量的差别则高达1000m3/h(标准状态下),而这股煤气进入问冷器的温度则应在100"C~140℃,可见要经过问冷器将其间接冷却至35℃,那么上段煤气一侧的换热面积的差别之大是可想而知的了。

再说上段煤
万方数据
【文章编号】1007—9467(2006)09.0079—03
市政工程设计1]丽西孑面而丽再丽爿
水泥混凝土路面板使用寿命分析■周涛(枣庄市公路管理局,山东枣庄277101)
【摘要】根据不同的情况,找出现有水泥混凝土路面板破坏的原因,对使用寿命进行分析,为以后水泥混凝土路面板设计提供依据。

【关键词】水泥混凝土路面;使用寿命;分析
【中图分类号】U416.216【文献标志码】B
1前言
路面板的使用寿命一般是指标准轴载(Bzz一100)累计作用次数,为比较不同重量的轴载在路面破坏时累计作用次数,假定交通组成全由某一重量的轴载组成,分别计算各级轴载的累计作用次数作为它们的使用寿命。

利用路面板弯拉应力分析结果,可反算出不同脱空面积及不同荷载作用下路面板的使用寿命,现以路面板纵缝边缘中点处的弯拉应力进行使用寿命的推算。

现以济枣线水泥混凝土路面为实例,分两种情况进行分析:①只考虑车辆荷载的作用,不考虑温度应力的影响:②从最不利情况考虑,考虑温度疲劳作用及车辆荷载的共同作用的影响。

2不考虑温度疲劳应力影响时路面板使用寿命分析
计算参数为:水泥混凝土路面板厚度hc_22cm,弹性模量Ec-30000MPa,混凝土设计弯拉强度.伊5.0MPa;基础当量回弹模量E。

=100MPa。

路面板不产生断裂破坏的条件是:
o两T
式中,.厂,为混凝土设计弯拉强度,MPa。

取厂r-5.OMPa;O'p为荷载疲劳应力,MPa,tre=k,||},忌∥P厂其中,Orps为纵缝边缘最大弯拉应力,MPa;k,为应力折减系数,因纵缝处为设拉杆平缝,所以取后r-0.87;五,为疲劳应力系数,五,_肥n嘟;.|}。

为重交通的综合系数,二级公路五。

=1.20。

由O'e=fr可得:
0.87xNen057×1.20XO'ps=5.0
可推导出不考虑温度疲劳作用的路面板使用
气经间冷后的冷凝水量即酚水量,显然多出的1000mVh(标准状态下)煤气所含气化段产生的未分解蒸汽也将在间冷器上段侧冷凝下来而进入酚水水系。

这样就减低了酚水的浓度而增加了酚水水量,酚水罐的设计和酚水焚烧炉的燃料和酚水的平衡也要认真核算才是。

而流程中设置带有余热锅炉的酚水焚烧炉则是目前为止比较有效的治理酚水和提高煤气站综合热效率的一种好方法。

目前,有的煤气站由于设备供货方的“焚烧炉”根本无法投入运行而偷排酚水,这是不利于环境保护的。

还有的引进设备的煤气站,由于资金问题未在焚烧炉后配套余热锅炉,致使宝贵的能源白白的浪费掉了。

以上这些综合指标也是在对两段炉评价中必须予以重视的。

两段式煤气发生炉虽然在西方一些国家较早被研制开发,但其在国外的应用时间并不长,目前,国内自行开发的两段炉正在得到广泛的应用,我们应该不断地研究、改进,使其日臻完善。


【参考文献】
[1]GB1341.77煤的管式低温试验方法[S】.
【收稿日期12006一09.Ol
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万方数据。

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