移动床煤气化炉的设计及计算

煤气化的化学反应
• • • • • • (a) 气相反应： 2CO + O2 → 2CO2 2H2 + O2 → 2H2O CH4 + O2 → 2H2O + CO CO + H2O → CO2 + H2 CO + 3H2→ 2H2O+CH4
• CxHy(气态煤焦油)+ （x+y/2）2O2 → y/2H2O + xCO
气化过程计算
• 气化过程计算是发生炉制气工段工 艺设计的基础。气化过程计算应确 定：发生炉煤气组成、热值、产气 率、蒸汽和空气耗率、其它副产品 产率、气化效率、热效率等。
• 发生炉煤气气化过程计算方法有两 种：一是控制计算法；二是综合计 算法。前者以实际测定的数据为计 算依据，后者以一部分实测数据和 一部分理论数据为计算依据。本文 采用综合计算法。
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气化炉设计参数
• 设气化强度为850 Nm3/(m2h) • 炉膛内径为3000mm,则截面积A=9.78m2 • 炉膛净高为2200mm • 煤气产量:8313 Nm3/h • 耗煤量:3.58m3/kg • 气化剂耗量:4644.13Nm3/h • 蒸汽消耗量:696.62 m3/kg
炉墙及探火孔
灰盘
• 灰盘与大蜗轮固定在一起，下部以其环形导轨坐落在环形基座的 钢球上，灰盘转动时钢球在上、下槽形导轨内转动，以减小摩擦 力。灰盘内壁表面突出的斜筋帮助大排灰刀排灰。固定不动的大 排灰刀下端插入灰盘水中，灰盘转动时，灰渣沿灰刀的斜面被排 出。 • 灰盘与碎渣圈的相对尺寸对灰渣的排出、煤气的产量等有直接的 影响。 • 对于炉体与灰盘之间的间隙h要有足够尺寸，若尺寸不够大，会 造成灰渣对水套磨损的加剧，本设计h取350mm。
以上作为气化炉设计的基础参数
气化炉的设计
• 本设计选用常压固定床混合煤气发生炉。 • 此炉型由上、中、下三部分组成。 • 上部分包括加煤机、炉盖、探火孔等主要部件。 • 中部包括炉体和蒸汽水套、碎渣圈等。 • 下部包括炉篦、灰盘通风箱等。灰盘及通风箱均设有水封，以保 证炉子的气密性，还起到防爆作用
蒸汽发生系统
水套产生的蒸汽和热水由上升管上 升到蒸汽集气器中，在其中进行汽水分 离，分离水经给水管流回水套，以形成 水的自然循环。集气器分离出的蒸汽供 气化用。 水套由20号钢板制成，作用是内壳 形成的水冷壁可防止熔渣块粘在炉壁上， 并产生0.07兆帕的蒸汽，供气化使用。
右图为设计的炉底水封结构示意图
移动床煤气化炉的设计及计算
煤气化研究背景
• 我国是一个缺油"少气"煤炭资源相对丰富的国家，而煤气化技术则是现代 煤化工的基础，煤气化是通过直接液化制取油品或在高温下气化制得合成 气，再以合成气为原料制取甲醇、合成油、天然气等一级产品及以甲醇为 原料制得乙烯、丙烯等二级化工产品的核心技术。 目前国内外气化技术众多，自世纪中叶德国Siemen兄弟最早开发煤气发生 炉至今，已有150余年历史!形成了固定床(移动床)、流化床和气流床三种 技术工艺。各种技术都有其特点和特定的适用场合，它们的工业化应用程 度及可靠性不同，选择与煤种及下游产品相适宜的煤气化工艺技术是煤化 工产业发展中的重要决策。
•
气化的基本过程
固体燃料的气化过程是在气化炉（或称煤气发 生炉）中进行的。气化炉由炉体、加料装置、 炉栅（又称炉篦或炉条）、灰盘、气化剂入口 和煤气出口等部分组成。固体燃料自上而下加 入，在气化过程中逐步下移，变成炉渣后由下 部导出，气化剂则由下部进入，通过炉栅自下 而上，生成的煤气由燃料层上方引出，这样就 形成了一个连续稳定的气化过程。 灰层：分配气化剂、保护炉篦使其不受高温的 影响，借灰渣显热预热气化剂 氧化层：碳与气化剂中氧进行氧化反应，生成 co2及co，放出热量，供还原层吸热反应所需 热量 还原层：co2还原成co，或水蒸气与碳分解为， 所需热量为氧化层上来之热气体所带显热 干馏层：燃料与热煤气换热进行热分解，析出 干馏产物：水分、轻油、干馏煤气 干燥层：靠热煤气显热使原料煤得以干燥 空气层：积聚所产煤气，沉降所携灰尘
（2）给水管管径 生产蒸汽所消耗的软化水由集汽器经给 水管补充，其流量为11.3，得经济流速 0.4m/s
总 结
• • • • 本文以潞安矿务局煤为原料，选择固定床气化炉作为本设计的气化炉。通 过对干馏过程与气化过程的物料衡算和元素平衡计算，得到了抚顺煤气化 的工艺参数如下： 干煤气高热值：1486kcal/m3；干煤气产率：3.38m3kg；气化效率：69.63%； 热效率：76.66%；气化强度：850Nm3/(m2h)；煤气产量8313Nm3/h：，空气 消耗量为：4644.13Nm3/h，蒸汽耗量：696.62kg/h。 在此基础上，根据炉子的工艺要求，完成了炉墙耐火材料的选择与计算、 水夹套的计算、炉篦的设计计算以及化炉进出管径的确定。根据计算结果， 自主设计了一台常压固定床气化炉。其结构参数如下： 炉膛内径：3000mm；炉膛截面积：9.78m2；炉膛净高2200mm；气化剂进口 管径500mm；煤气出口管径：1000mm，水套高度1300mm；水套受热面积： 27.86m2；灰盘水封高度：950mm；炉底水封高度：835mm。
在进行耐火材料的选择时，主要考虑耐火 度和绝热性能两项指标。由于整个装置内 部温度都在1000左右，故要求向火面的耐 火材料有较高的耐火度。
炉内温度900℃，由此选择耐火材料为粘土 耐火砖，保温材料为水泥珍珠岩制品
探火孔是发生炉的重要部件之一，8个探火 孔均匀分布在炉盖的圆周上。其作用是： 通过探火孔对燃料表层进行观察；调整炉 况及对燃料层进行深层调整；用钎子探测 炉内各层温度及分布情况，用以指导操作。 探火孔由塞子、外壳、及喷嘴组成。
• 要达到气化剂分布均匀，要使气化剂在稳压室内形成一均匀静压场，应考虑：
• ①气化剂进入稳压室是逐级扩压，以动压力的降低使静压力均匀平稳。 • ②气化剂在稳压室内，对应各层炉篦风口处的静压力必须相等。 • ③空间允许时，稳压室越大，静压力越稳定，越有利于气化剂均匀分布。
(3)稳压室风口所需直径的计算部分：
H1 H2 H3 HN H
Q1 Q 2 Q 3 Q N Q 总
炉篦风口设计计算
• 炉篦风口位置的确定 • 炉篦的分层，一般随炉直径大小而定，并考虑排灰方式以及稳压室所需要的结构空 间等因素。理论上分层越多越利于气化剂的均匀分布。本设计分4层。 • (2)稳压室的设计：
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热动1201——张少豪
固定床气化炉炉篦的设计与计算
• 在固定床气化炉制气过程中，氧化层中的燃料碳表面积只有在与充分均 匀的气化剂接触的条件下才能发生燃烧化学反应，直至以上各层化学反 应的进行也都与气化剂的分布是否均匀有着直接的关系。要使煤气发生 炉中送入的气化剂在氧化层以下就形成一个流量均匀的速度场，炉篦气 化剂的分配及风口的结构设计是一个关键。 • 据流体力学原理，有以下特点： • 1.各支管中阻力损失都相等，等于总阻力降： • • 2.所有支管中的流量和等于总流量： •
• 理想气化指标 • 燃料干馏过程的计算 • 煤中含碳量的平衡 • 煤气组成、热值和产率的确定 • 绘制物料平衡表 • 计算煤气发生炉的热平衡
煤气产率/气化效率/热 效率
通过计算潞安矿务局 干煤气产率：3.38m3/kg 湿煤气产率：3.58m3/kg 气化效率：69.63% 热效率：76.66%
• (b) 气固反应： • C + O2→ CO2 • 2C + O2→ 2CO • C + H2O→ CO + H2 • C + CO2→ 2CO • C + 2H2→CH4
固定床气化技术工艺
• 定床气化技术也称移动床气化技术，是世界上最早开发和应用的气化技术。固定床 一般以块煤或焦煤为原料，煤（焦）由气化炉顶部加入，自上而下经过干燥层、干 馏层、还原层和氧化层，最后形成灰渣排出炉外，气化剂自下而上经灰渣层预热后 进入氧化层和还原层。固定床气化的局限性是对床层均匀性和透气性要求较高，入 炉煤要有一定的粒（块）度（6～50mm）和均匀性。煤的机械强度、热稳定性、 黏结性和结渣性等指标都与透气性有关，因此，固定床气化炉对入炉原料有很多限 制。 • 大型固定床气化技术包括Lurgi气化技术、BGL气化技术和YM气化技术等。加压固 定床气化技术是在常压固定床气化技术基础上发展起来的，主要解决常压固定床气 化技术中气化强度低、单炉处理负荷小等缺点，最有代表性的是Lurgi加压气化炉。 • BGL气化技术是在Lurgi气化技术基础上发展起来的，该技术最大的改进是降低了 蒸汽与氧气的体积比，提高了气化反应区的温度，实现熔融态排渣，从而提高了生 产能力，可更适合于灰熔点低的煤和对蒸汽反应活性较低的煤。
各层炉篦送气化剂开孔数目
通过上述公式得到以下计算结果： • 第一层炉篦风口截面，需5个40； • 第二层炉篦风口截面，需5个40； • 第三层炉篦风口截面，需7个40； • 第四层炉篦风口截面，需65个40
气化炉进出管径的确定
（1）上升管管径 水套顶部有8个蒸汽上升管，产生 0.07MPa的蒸汽，产量大小与煤种及操 作工艺有关，每个上升管流量为250m3/s， 得经济流速为30m/s