高温空气气化实验系统关键技术研究

高温空气气化实验系统关键技术研究

1物质和酚类物质近年来，在世界燃料利用和能源供应领域提出了一种高温空气氧化技术（hmg）。用1000c以上的高温空气对生物产生氧化，并获得燃料、焦油和酚类的高热值。对外部环境造成的污染很小。日、美、欧等发达国家相继开展了这方面的工作,并取得了初步的研究结果。我国在这方面的研究工作刚刚开始,一方面对生物质高温空气气化过程本身缺乏足够的研究;另一方面还没有一个较完善的可用于生物质高温空气气化研究的实验系统。为提高我国生物质高温空气气化技术的研究水平,早日形成我国自主的知识产权,有必要着手建立相关实验系统,开展有关研究工作。为建立生物质高温空气气化系统实验台,本文对该系统关键技术—高温空气发生器的研制过程中耐火材料的选择及其厚度计算进行了理论分析,编制了耐火材料厚度计算的计算机程序,并就高温空气发生器的关键部件:分流装置、蓄热室、燃烧器和燃烧室的耐火材料分别进行了设计。2高温空气发生器的工作原理高温空气发生器是获得高温空气/蒸汽的关键部件,其关键技术在于采用了一对蜂窝陶瓷蓄热体。该蓄热体具有比表面积大,传热性能好,阻力损失小,能实现极限余热回收等特点,是一种紧凑的高效换热器。高温空气发生器主要由燃烧室、燃烧器、蓄热室、四通阀、鼓风机及排烟机等组成。其中燃烧室、燃烧器、蓄热室各两个呈左右对称布置。工作原理示意图如图1所示。高温空气发生器工作时,燃料在A侧燃烧室内燃烧,产生1300℃的高温烟气,高温烟气通过蓄热室时,与蜂窝陶瓷蓄热体进行热交换,蓄热体被加热,烟气则被冷却到120℃左右,经四通阀排入大气中。与此同时,常温空气与蒸汽经四通阀后进入B侧的蓄热室,吸收蓄热室中高温蓄热体中的热量,迅速升温到1000℃以上。加热后的高温空气/蒸汽分成两部分,其中一大部分输入到卵石床气化器中用作气化剂。另一部分用于A侧燃烧室清洁燃气的燃烧。经过一段时间后进行切换,B侧燃烧,A侧产生高温空气,切换周期为15~30s。为使高温烟气的温度得到控制,一般向燃烧侧供以常温空气。3材料选择和厚度计算的理论分析3.1复合材料的选用原则在整个高温空气发生器开发过程中,耐火材料的选择及其厚度计算是一个很重要的环节,在进行耐火材料的选择时,主要考虑如下设计要求:1)由于整个开发系统中所有温度一般都在1000℃以上,故要求作火面的耐火材料有较高的耐火度;2)气体流过耐火材料表面的流速比较高,故选择内层耐火材料时要充分考虑其表面耐冲刷力;3)为达到把整个系统设计得既美观又轻巧的目的,要求使用的耐火材料的密度较小;4)为减少散热损失,要求隔热及绝热耐火材料的保温性能较好,即导热系数小;5)耐火材料的选择同样要求做到物美价廉。耐火纤维及其制品具有导热系数小,绝热效果良好,耐火度高及比重小等优点,故在整个系统设计中所用耐火材料都选耐火纤维及其制品。3.2密度对纤维细度的影响所选用的耐火材料其热物性参数如下:1)莫来石纤维:密度ρ=100~600kg/m3,导热率λ≤0.22W/(m·K)(1400℃)。最高使用温度:1600℃,长期使用温度:1500℃。2)莫来石纤维制品:密度ρ=130~200kg/m3,导热率λ≤0.387W/(m·K)(1400℃)。最高使用温度:1600℃,长期使用温度:1500℃。3)高铝纤维制品:密度ρ=120~320kg/m3,导热率λ=0.14~0.31W/(m·K)。最高使用温度:1350℃,长期使用温度:1100℃。4)普通硅酸铝纤维:密度ρ=120~200kg/m3,导热率λ=0.14~0.29W/(m·K)。最高使用温度:1250℃,长期使用温度:1000℃。3.3热阻和厚度的计算耐火材料厚度计算,一般采用试算法。试算法分为设计计算和验算计算,这里采用设计计算。在采用设计计算法计算耐火材料的厚度时,首先假设最外壁的温度,并且由空气的对流系数、空气的温度及外表面积,求出总的散热损失,其主要计算公式如下:Q损失=Δt×F×α空气(1)式中:Q损失—外壁散热损失,W;Δt—外壁与空气的温度差,℃;F—外壁表面积,m2;α空气—空气与外壁的对流换热系数,W/(m2·℃)。然后根据最内层的火面温度、各层耐火材料的长期使用温度以及经济指标,假设各层耐火材料之间的温度,确定各层耐火材料的厚度,其主要计算公式如下:Q损失=T内层−T外层R1+R2+⋯+Rn(2)Q损失=Τ内层-Τ外层R1+R2+⋯+Rn(2)式中:T内层,T外层—分别为火面及外壁温度,℃;R1,R2,…,Rn—分别为各层耐火材料的热阻,℃/W。对平壁传热而言,各热阻计算式如下:Rn=δnλnA(3)Rn=δnλnA(3)式中:δn—耐火材料的厚度,m;λn—耐火材料的导热系数,W/(m·℃);A—换热面积,m2。对圆筒壁传热而言,各热阻计算式如下:Rn=ΔrnλnAn−1‚n(4)Rn=ΔrnλnAn-1‚n(4)式中:Δrn—第n层耐火材料的厚度,m;λn—第n层耐火材料的导热系数,W/(m·℃);An-1,n—第n层耐火材料的对数平均面积,其值等于An−An−1lnAnAn−1‚m2An-An-1lnAnAn-1‚m2;An、An-1—分别为第n层耐火材料两侧的表面积,m2。耐火材料的厚度计算的主要步骤如下:1)根据设计要求及经验值取最外层的壁温、环境温度及空气的对流系数,并且设定一个总的耐火材料厚度;2)由公式(1)计算总热量损失;3)按照各层耐火材料最高使用温度,假设各层耐火材料之间的温度,根据总热量损失,利用公式(2)和(3)或(4)计算出各层耐火材料的厚度;4)由上一步的结果计算出耐火材料总厚度,并且与设定的总厚度比较,如果两者相差不大,认为上述的耐火材料的厚度是正确的。否则,从步骤1)开始重新计算,直到两者相等为止;5)把计算所得各层耐火材料的厚度与厂家提供的规格进行比较,看是否经济合理,否则改变各层耐火材料之间的温度,从步骤3)开始重新计算,直到结构满意为止。耐火材料的两侧温度主要是由其长期使用温度来确定的,温度较高的一侧不能超过长期使用温度,较低的一侧不能超过与之相邻的耐火材料的长期使用温度。由于该计算过程是一个计算量较大的试算过程,故编制计算机程序来进行反复的计算。耐火材料厚度的计算还可以根据所选耐火材料、各层耐火材料之间的温度及散热量,查经验图表得到,但是结果比较粗糙。4材料规格的确定根据前面的耐火材料选择和理论的分析,对高温空气发生器研制中不同部件的耐火材料进行了选择。同时,编制了不同种类在不同温度下耐火材料厚度的计算机程序,并利用程序对高温空气发生器中关键部件:分流装置、蓄热室、燃烧室和燃烧器的耐火材料进行了设计,所做的设计分别如下:1)在分流装置中,通过它的高温空气/蒸汽的温度为1000℃左右,并且混合气体流速为10m/s左右,故内层耐火材料采用高铝纤维制品,外层用普通硅酸铝纤维作隔热材料,按照设计要求和经验值取:外壁的温度为70℃,空气与外壁的对流换热系数为41.87kJ/(m2·h·℃),环境温度为20℃;根据计算机程序的计算结果和厂家提供的材料规格,并综合整体设计的合理性因素,最后确定高铝纤维制品的厚度为60mm,普通硅酸铝纤维的厚度为140mm。2)在燃烧器中,烟气与高温空气/蒸汽的混合物流过燃烧室及其中烧嘴砖,混合气体的温度一般在1100℃左右。但是混合物与二次燃料进行燃烧后其温度将达到1500℃左右,考虑这里气流通过燃烧器时,气体流速为45m/s左右,故内层火面采用莫来石纤维制品,中间用莫来石纤维做隔热层,最外层用普通硅酸铝纤维做绝热层。按照设计要求和经验值取:外壁的温度为80℃,空气与外壁的对流换热系数为41.87kJ/(m2·h·℃),环境温度为20℃;根据计算机程序的计算结果和厂家提供的材料规格,并综合整体设计的合理性因素,确定莫来石纤维制品的厚度为60mm,莫来石纤维层为40mm,普通硅酸铝纤维层为100mm。3)在燃烧室中,烟气的温度及燃烧温度一般在1500℃左右,考虑这里气流通过燃烧室时,气体流速为45m/s左右,故内层火面采用莫来石纤维制品,中间用莫来石纤维做隔热层,最外层用普通硅酸铝纤维做绝热层。按照设计要求和计算的结果,确定这里使用的各层耐火材料的厚度与燃烧器中各层耐火材料的厚度是一样的。4)在蓄热室段,通过的高温空气/蒸汽或烟气的温度为1300℃~20℃之间,并且考虑周期加热和冷却的因素,故内层耐火材料采用高铝纤维制品,外层用普通硅酸铝纤维做隔热材料,按照设计要求和经验值取:外壁的温度为60℃,空气与外壁的对流换热系数为41.87kJ/(m2·h·℃),环境温度为20℃;根据计算机程序的计算结果和厂家提供的材料规格,并综合整体设计的合理性因素,最后确定高铝纤维制品的厚度为60mm,普通硅酸铝纤维的厚度为140mm。使用耐火纤维过程中,如何把耐火纤维固定在墙壁上是一个值得考虑的问题。耐火纤维固定方式很多,在设计中,采用锚固定的方式把耐火纤维固定在外壳(由5mm厚的钢板焊接)上,锚件的材质为1Cr18