混合木质气化炉

1、东北大学材料与冶金学院新能源科学与工程课程设计（论文）东北大学材料与冶金学院课 程 设 计（论 文）(新能源科学与工程)题 目 生物质无焦油汽化炉设计 专 业 新能源科学与工程 班 级 新能源1101班 姓 名 学 号 指导教师 完成日期 2015年1月11日2015年1月22日 混合木质高温空气气化实验系统设计计算理想气化指标理想气化指标的计算是在以下几个假设条件的基础上进行的（1） 气化原料为纯碳，且碳全部转化为。（2） 按化学计量方程式供给空气和水蒸汽，且无剩余。（3） 气化系统为绝热系统，碳和氧生成的反应所放出的热量全部用于水蒸气分解反应，无热量损失。理想的煤气组成（体积百分数）：41

2、.6%，20.8%，37.6%煤气热值：7.50（1791.3） 煤气产率：4.48冷煤气效率：100%空气消耗：2.15蒸汽消耗：0.75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。以弱粘结煤为原料，制取混合发生炉煤气。已知：（1）混合木质的元素组成元素43.535.2033.390.250.O89.158.40混合木质 高17.69

3、低16.26（2）焦油组成元素CHONS84.011.03.51.00.5（3）假定带出物为加入原料量的2（重量）；（4）灰渣排出温度为300，灰渣含碳量为2；含硫为总硫量的4；（5）煤气出口温度为360；（6）假定气化100kg烟煤用蒸汽23.4kg求：用综合计算法计算：（1） 干煤气的组成和热值；（2） 干煤气产率；（3） 鼓风空气量；（4） 水蒸气分解率和煤气中水蒸气的含量；（5） 气化效率；（6） 炉壁的热损失。计算基准为100kg应用基入炉原料。元素加入气化炉量kg带出物kg实际气化量kgkmolC43.530.87142.6593.555H5.200.1045.0962.548O3

4、3.390.66832.7221.023N0.250.0050.2450.009S0.080.0010.0770.002W9.150.1838.9670.498A8.40.1688.232共计100.004.0096.001干馏过程计算1）水蒸气热解水：原料中有50的氧与当量氢生成热解水吸附水：0.498kmol消耗：1.023×0.50.512kmol 0.512×21.023kmol生成：1.023kmol 0.498kmol1.521kmol 2）二氧化碳 原料煤中10的氧转变为二氧化碳消耗：1.023×0.10.1023kmolC0.1023kmol生成：

5、0.1023kmol3）甲烷 原料煤中35的氢转化为甲烷消耗：2.548×0.350.8918kmol C0.8918÷20.4459kmol生成：0.4459kmol4）乙烯 原料煤中4的氢转化为乙烯消耗：2.548×0.040.1019kmolC0.1019kmol生成：0.1019÷20.0510kmol6）氮气 均以游离状态析出0.009kmol7)硫化氢 原料煤中80的硫转化为硫化氢 消耗：S0.002×0.80.0016kmol0.0016kmol生成：0.0016kmol8)游离氢 参加气化反应的总氢量，除了消耗于生成热解水、甲烷

6、、乙烯、焦油和硫化氢以外，都以游离状态析出2.548-（1.023+0.8918+0.1019+0.0016）0.5297kmol9）一氧化碳 参加反应的总氧量，除了消耗于生成热解水、二氧化碳和焦油外，都转化为一氧化碳转化为一氧化碳的氧量：1.023-0.512-0.10230.4087kmol消耗：0.4087kmol C0.4087×20.8174kmol生成：0.8174kmol进入气化层的碳量，即干馏过程中未消耗的碳量C3.555-（0.1023+0.4459+0.1019+0.8174）2.0875kmol2气化过程计算1）灰平衡灰渣重量8.4026kg灰渣含碳C8.402

7、6×0.020.1681kg0.0140kmol在气化层中转化为煤气的碳量C2.0875-0.01402.0735kmol2）列方程、解方程根据干馏计算结果得知，还剩有2.0299kmol碳转入气化过程，蒸汽消耗量按0.234计，即消耗1.3kmol；煤气中碳与氮之比为1.5；气化反应平衡常数取2.1。由此得出下列5个方程式。碳平衡方程 a.2.0735氢平衡方程b.1.3氧平衡方程c.平衡常数方程d.2.1被气化的碳量与空气中的氮量之间存在下述关系（数据由经验得到）e.0.3 解上述方程组，得到0.1162kmol 0.3544kmol1.7191kmol6.9117kmol3总过

8、程指标1） 煤气数量及组成煤气成分煤气数量，kmol煤气组成，体积干馏煤气气化煤气最终煤气湿基干基CO20.10231.71911.821413.2316.47CO0.81740.35441.17188.5110.60CH40.445900.44593.254.03C2H40.051000.05100.370.46H20.52970.11620.64594.705.84H2S0.001600.00160.010.02N20.0096.91176.920750.2862.58 H2O1.5211.18382.704819.65共计3.477910.285213.7631100.00100.002

9、）其它气化指标（1）煤气热值（干基）高热值0.1060×12.6+0.0403×39.775+0.0046×63.041+0.0584×12.778+0.0002×25.3853.9798950.5660.低热值0.1060×12.6+0.0403×35.786+0.0046×59.118+0.0584×10.805+0.0002×23.4173.6854880.2526（2）煤气产率湿煤气产率13.7631×22.4×0.013.0829干煤气产率（13.7631-2.70

10、48）×22.4×0.012.4771（3）水蒸气分解率×1008.94煤气中水汽含量150.77（4）鼓风空气用量6.9207×8.7613kmol196.263）物料平衡表其中发生炉煤气各组分重量及总重量计算CO2 1.8214×4480.1416kgCO 1.1718×2832.8104kgCH4 0.4459×167.1344kgC2H4 0.0510×281.4280kgH2 0.6459×21.2918kgH2S 0.0016×340.0544kgN2 6.9207×281

11、93.7796kg共计 316.6402kg物料平衡表收入，kg支出，kg项目数量项目数量1煤1001.煤气（干）316.64022水蒸气23.42水蒸气48.68643空气252.32543焦油0其中：O2 N24灰渣8.40265带出物2.004共计375.72546共计375.72924）元素平衡表（单位：kg）CHONSAW共计收入1煤43.535.2033.390.250.088.409.151002水蒸气2.620.823.43空气58.5395193.7859252.3254共计43.537.80112.7295194.03590.088.409.15321.122支出1干煤气4

12、2.49323.282677.0336193.77960.0512316.64022水蒸气吸附水 热解水未分解水8.9648.9642.04616.36818.4142.367618.640821.30843焦油0000004带出物0.8710.1040.6680.0050.0010.1680.1832.005灰渣0.16810.0258.2328.4026共 计43.53237.8002112.7104193.78460.07728.49.147320.000误差0.00230.0002-0.0191-0.2513-0.00280-0.003-0.27374热量衡算1） 热量收入项：（1）原

13、料的化学热100×161951619500kJ（2）原料的显热2.0×100×204000kJ（3）水蒸气带入热量23.4×2592.1860657.012kJ因为气化剂中水蒸气分压为：1.3/(1.3+8.7613)0.1292atm12.92Kpa,查12.92Kpa饱 和蒸汽热焓值2592.18（4）空气带入热量1.185×330.30×207828.11kJ总热量收入：1691985.122kJ 2）热量支出项（1）干发生炉煤气发热量316.6402×3685.41166945.793kJ（2）干煤气物理热1.386

14、×360×316.6402157990.7942kJ干煤气在360时的平均比热，根据煤气组成加和计算得到（3）煤气中水汽带出热量48.6864×2600+1.978×（360-75）154030.6243kJ（6）带出物的化学热 2.00×1619532390kJ（7）带出物的物理热2×1.56×3601123.2kJ（8）灰渣化学热0.1681×340685726.8308kJ（9）灰渣物理热8.4026×300×0.8372109.89kJ（10）传给水夹套的热量及损失于环境中的热量，按差额

15、计算：171667.9897kJ总热量支出1520317.132kJ3）热平衡表项目数量，kJ比例，收入1煤Q1161950095.72Q240000.242水蒸气Q3 60657.0123.583空气Q47828.110.46共 计1691985.122100.00出方1干煤气Q51166945.79368.97Q6157990.79429.342水蒸气Q7154030.62439.103焦油Q800Q9004带出物Q10+Q1133513.21.985灰渣Q12+Q137836.72080.466水夹套及损失Q14171667.989710.15共计1691985.122100.004）各

16、种效率计算（1）气化效率×100×10072.06（3）气化热效率：×100×10074.50（4）热损失213017.9105kJ热损失率×10012.59碳转化率×10097.62气化计算结果及气化炉结构参数一气化炉计算结果气化原料为弱粘结性煤原料煤热值16.1953874.66煤气产率湿煤气产率13.7631×22.4×0.013.0829干煤气产率（13.7631-2.7048）×22.4×0.012.4771 煤气热值高热值3.9798950.5660低热值3.6854880.2526

17、气化空气消耗量：196.26蒸汽消耗量：23.4 蒸发1蒸汽需900热量需热量21060水夹套蒸汽产率：25（水夹套每平方米受热面积每小时平均产生约250.07的蒸汽，蒸汽产量大小与煤种及操作工艺等因素有关）炉渣产量：8.4026二无焦油气化炉设计参数：气化混合木质密度为：5mm内径：2000mm气化强度：250kg/(m2·h)喉口直径：1200mm截面积：3.14m2耗木质量：300kg/h混合木质分析：工业分析（空气干燥基）/ %元素分析（空气干燥基）/ %低位发热量（LHV）/kJ/kg水分灰分挥发分固定碳CyHyOyNySyAyWy9.159.2572.658.9543.5

18、35.2033.390.250.088.409.1516195气化时所需的理论空气量： V 01/0.21(1.866 C+5.55 H+0.7 S-0.7 O)1/0.21(1.866×0.43535.55×0.0520+0.7×0.00080.7×0.3339)1/0.21×0.8677=5.4880 m3/kg煤气化时实际所需空气量：空气系数（当量比）：0.20.4，取0.3则实际所需空气量为V0.3×5.48801.6464 m3/kg总空气量为：493.92 m3/h上部空气（80）：395.136 m3/h一次空气为：35

19、9.21 m3/h二次空气为：35.926 m3/h下部空气（20）：98.795m3/h管径计算公式：式中：管内径（米） 流量，按需要量或泵排量（） 经济流速（）一次空气为热空气，流速取8m/s,则一次空气管道直径：对二次空气，采用多喷嘴形式，喷嘴数量设计为8个，喷嘴中空气流速推荐值为1520 m/ s式中V气化所需空气量,m3/kg喷嘴中空气流速,m/s ;n 喷嘴个数;d 喷嘴直径,m 。二次空气喷嘴直径取12.5mm8 个进气喷嘴,喷嘴直径为12.5 mm ,各喷嘴轴线相切于一个37.5 mm 的虚拟圆管径计算公式：式中：管内径（米） 流量，按需要量或泵排量（） 经济流速（）下部空气管

20、道直径：下部空气管道直径取DN65mm，外径73mm，壁厚4mm。煤气产量：924.87m3/h热态煤气产量：360V= m3/h煤气管道：取经济流速6煤气出口直径取DN350，外径370mm，壁厚10mm。蒸汽消耗量(取0.234kg/kg): 70.20kg/h蒸汽管道：取经济流速25=0.0351m=35.1mm 蒸汽管道直径取DN40，外径49mm，壁厚4.5mm蒸汽消耗量：23.4 蒸发1蒸汽需900热量 需热量63180水夹套蒸汽产率：25（水夹套每平方米受热面积每小时平均产生约25 0.07的蒸汽，蒸汽产量大小与煤种及操作工艺等因素有关）水夹套受热面积：2.808（70.2） 夹

21、套高度：0.4471m 设计水夹套高度：135mm其受热面积为：可产蒸汽21.195kg/h，尚需补充蒸汽49.005kg灰渣重量8.4026kg炉渣产量：25.2078kg/h各层高度：选取：灰层：风帽上150mm 下部氧化层：200mm 还原层：400×2800mm 上部氧化层（喉部）：300mm 干馏、干燥层：300mm 空层：400mm煤气发生炉的操作规范简介操作的规范是否正却，将对煤气的质量、产气量、减少煤耗有很大的影响，使用者应不断摸索规律认真操作，以下是操作规程：1.料层高度：合理的料层高度，必须使气化剂和煤层有充分的接触时间和保证燃料沿炉子横截面上均匀分布，因此要求燃

22、料层有一定的高度，一般控制在10001200mm范围内。其中：灰层高度 100150mm氧化层高度 150200mm还原层高度 400450mm干馏、干燥层高度 200300mm入炉煤粒度大、水分含量高，要求气化强度适中时，料层总高度控制得高些，反之宜控制低些。2.加煤与出渣：煤气发生炉，采用间歇机械加煤法，操作十分方便。加煤时应做到“快、匀”，根据实际情况加煤。通常由煤气出口温度的高低(或炉内冒火情况)，以及加热炉内烧咀的喷火状态来判定。煤气出口温度高且冒明火，说明煤料层较薄，应增加煤量；烧咀喷火无力且火色偏红、甚至有少许黑烟，说明煤气不足，煤气炉料层可能有烧穿或结渣现象。应及时加煤或打钎，保持炉内正常气化。本炉采用机械出渣，出渣数量及出渣时间，可根据煤中灰分含量及发生炉气化状况而定。注意保持风帽上的灰渣不低于100mm；料层总高度不大于1.2m。3.看火与搅火：操作正常时，炉内煤层的表面呈红色，且有均匀的暗黑斑点。干燥层的温度在150250；干馏层的温度在550800；还原层的温度在9001000；燃烧层的温度在10001100。为了使燃料沿截面均匀分布，打碎燃料层形成的结渣和消灭煤层中的悬料现象，应根据炉内燃烧情况进行打钎