采用陽泉無煙煤120萬m三D合成氣廠的工藝設(shè)計(jì)樣本

1總論1.1設(shè)計(jì)根據(jù)（1）畢業(yè)實(shí)習(xí)任務(wù)書及畢業(yè)設(shè)計(jì)大綱（2）參照陽泉煤電公司煤氣廠工藝經(jīng)驗(yàn)（3）導(dǎo)師孟獻(xiàn)梁專家指引1.2造氣工藝論證國內(nèi)有著豐富煤炭資源，但石油和天然氣相對缺少，煤炭作為能源資源始終在國內(nèi)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重作用，當(dāng)前，國內(nèi)能源構(gòu)造仍以煤炭為主，據(jù)預(yù)測，到2050年煤炭在一次能源消費(fèi)中比重仍將在50%以上。從長遠(yuǎn)利益出發(fā)，大力發(fā)展煤炭深加工產(chǎn)業(yè)，使煤化工由老式能源型向化工型轉(zhuǎn)變是國內(nèi)煤炭運(yùn)用技術(shù)長遠(yuǎn)之計(jì)。煤炭氣化作為其中重要一項(xiàng)正向著良好方向蓬勃發(fā)展。而運(yùn)用水煤氣發(fā)生爐制得合成氣（CO+H2）是作為重要化工原料氣而存在。當(dāng)前火熱碳一化學(xué)工業(yè)就是在合成氣基本上發(fā)展起來。如F—T合成汽油、制氨、制甲醇、煤氣甲烷化、甲醇制醋酸、合成精細(xì)化學(xué)品和新材料……據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定，本合成氣廠采用陽泉無煙煤為氣化原料，水蒸氣作為氣化劑，吹入熾熱碳層分解制取合成氣工藝，日產(chǎn)量0.9Mm3。生產(chǎn)出合成氣可為較大規(guī)模甲醇生產(chǎn)提供原料氣。煤炭氣化之1839年俄國第一臺(tái)空氣鼓風(fēng)液態(tài)排渣氣化爐問世以來，至今已有100近年歷史了，自上世紀(jì)70年代起，世界各國廣泛開展了煤氣化研究，按煤在氣化爐中流體力學(xué)條件，氣化辦法可分為：（1）移動(dòng)床氣化也稱固定床氣化，由于煤粒在氣化爐中逐漸往下移而得名。移動(dòng)床氣化需要用塊煤為原料，且煤粒盡量均勻。由于細(xì)煤粒將會(huì)隨煤氣由煤氣爐頂帶出，增長了煤損失。（2）流化床氣化是以小顆粒煤為氣化原料，在氣化爐內(nèi)使之懸浮分散在垂直上升氣流中，由于激烈顆粒運(yùn)動(dòng)，床層中幾乎沒有溫度梯度和濃度梯度。（3）氣流床氣化一種并流式氣化，氣體（氧和蒸汽）將煤粉（70%以上不大于200目）帶入高溫氣化爐，在1500~1900℃高溫下將煤進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為CO、CO2、H2（4）熔融床氣化俗稱浴床氣化或熔融流態(tài)床氣化，其特點(diǎn)是有一溫度較高（1600~1700℃）且高度穩(wěn)定熔池，粉煤和氣化劑以切線方向高速噴入熔池內(nèi)，池內(nèi)熔融物保持高速旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，氣液固三相密切接觸，在高溫條件下完畢反映，生成CO和H2本廠采用移動(dòng)床氣化法，該法氣化過程進(jìn)行比較完全，灰渣中殘?zhí)可?，氣化效率高，是一種抱負(fù)氣化辦法。爐型選用3000mmUGI水煤氣爐。作為第一代氣化爐與其他工藝相比，效率不是最高，但該工藝成熟，生產(chǎn)穩(wěn)定，操作以便，機(jī)械除灰，特別是工業(yè)化經(jīng)驗(yàn)豐富。生產(chǎn)粗煤氣通過除塵，脫硫等凈化工藝后可直接供應(yīng)甲醇合成廠。而當(dāng)代較先進(jìn)氣化辦法，如德士古法，殼牌法，GSP法，雖然氣化效率更高，長處眾多，當(dāng)也存在投資大，工業(yè)化經(jīng)驗(yàn)局限性等缺陷，綜合比較，采用移動(dòng)床間歇法工藝生產(chǎn)水煤氣。1.3造氣工藝1.3.1工藝指標(biāo)采用間歇法工藝生產(chǎn)水煤氣原料規(guī)定必要具備低揮發(fā)分產(chǎn)率，一定塊度，較高機(jī)械強(qiáng)度，好熱穩(wěn)定性，難結(jié)渣和適中反映性以及較高灰熔點(diǎn)，詳細(xì)指標(biāo)規(guī)定如下：固定碳（干基）≥70%水分<7%灰分（干基）<20%揮發(fā)分（干基）<8%硫分（干基）≤1%熱穩(wěn)定性≥60%灰熔點(diǎn)>1250oC機(jī)械強(qiáng)度（落下實(shí)驗(yàn)）≥70%塊度25～75mm或50～100mm本設(shè)計(jì)采用陽泉無煙煤，它各項(xiàng)指標(biāo)均符合上述規(guī)定。1.3.2工藝流程1.3.2.1基本原理水煤氣生產(chǎn)重要反映是水蒸氣與碳反映：C+H2O（g）CO+H2△H=－131.5MJ/kmolC+2H2O（g） CO2+2H2△H=－90.0MJ/kmol可見，水煤氣生產(chǎn)核心是水蒸氣分解，而水蒸氣分解需要由外界提供熱量。本設(shè)計(jì)采用間歇送風(fēng)蓄熱法，分為兩個(gè)階段，吹風(fēng)階段和制氣階段。吹風(fēng)階段即是將空氣吹入爐中，與煤發(fā)生燃燒反映，放出大量反映熱，熱量積蓄于料層內(nèi)，在制氣時(shí)，積蓄于料層內(nèi)熱量使水蒸氣進(jìn)行分解反映，生成水煤氣。待熱量消耗至一定限度時(shí)，制氣階段結(jié)束，再次向料層吹風(fēng)，如此循環(huán)，即可。1.3.2.2流程闡明本工段以陽泉無煙煤為原料，以水蒸氣為氣化劑，通過固定床層間歇式氣化爐制成水煤氣。本廠采用25～75mm中塊煤，原料送入吊煤斗，提高至造氣廠房三層，從加煤孔加入爐內(nèi)?？諝庥煽諝夤娘L(fēng)機(jī)從爐底吹入爐內(nèi)，使?fàn)t內(nèi)碳層燃燒。當(dāng)碳層溫度達(dá)到1000oC左右時(shí)，停止吹空氣，通入水蒸氣，其在爐內(nèi)與熾熱碳層發(fā)生反映：C+H2O（g）CO+H2上述過程由吹風(fēng)蒸汽吹凈上吹下吹二次上吹空氣吹凈六個(gè)階段構(gòu)成。循環(huán)往復(fù)進(jìn)行，使制成煤氣持續(xù)進(jìn)入系統(tǒng)。每個(gè)循環(huán)六個(gè)階段詳細(xì)流向如下：（1）吹風(fēng)階段空氣由鼓風(fēng)機(jī)從爐底進(jìn)入爐內(nèi)，生成吹風(fēng)氣，由爐頂排出。通過過熱除塵器和回收余熱后進(jìn)入廢熱鍋爐，產(chǎn)生1.8kgf/cm2蒸汽，而吹風(fēng)氣自身溫度降至230oC后由煙囪排出放空。（2）蒸汽吹凈階段蒸汽由爐底吹入，將爐內(nèi)及管道內(nèi)殘留吹風(fēng)氣由煙囪吹出。（3）上吹階段蒸汽由鍋爐房進(jìn)入蒸汽緩沖罐，經(jīng)蒸汽總管再分派到各套系統(tǒng)除塵過熱器，過熱到180oC后由爐底進(jìn)入爐內(nèi)，生成水煤氣通過過熱除塵器、廢熱鍋爐除塵和廢熱回收后，經(jīng)洗氣箱降溫除塵，再經(jīng)洗氣塔冷卻至35oC左右，最后進(jìn)入緩沖氣柜。（4）下吹階段蒸汽下吹能克服氣化層上移，減少了原料損失并保證了爐內(nèi)溫度和氣體構(gòu)成穩(wěn)定。蒸汽由爐頂進(jìn)入爐內(nèi)，生成煤氣由爐底導(dǎo)出，經(jīng)下吹集塵器除塵后，直接進(jìn)入洗氣箱、洗氣塔，然后匯合于緩沖氣柜。（5）二次上吹通過蒸汽下吹后，煤氣爐底部和管線布滿了水煤氣，此時(shí)若直接通空氣則有爆炸危險(xiǎn)，為安全起見，下吹后還應(yīng)進(jìn)行一次上吹。其氣體流向同一次上吹階段。（6）吹凈階段空氣從爐底吹入爐內(nèi)，將爐內(nèi)剩余煤氣至上吹流向吹入水煤氣系統(tǒng)。制氣過程六個(gè)階段采用微機(jī)油壓控制，通過微機(jī)控制油壓閥關(guān)啟來實(shí)現(xiàn)流體流向控制。1.3.2.3循環(huán)時(shí)間分派合成氣生產(chǎn)工作循環(huán)各個(gè)階段時(shí)間分派隨原料性質(zhì)和工藝操作詳細(xì)規(guī)定而定，采用180s工作循環(huán)。吹風(fēng)階段作用是積蓄盡量多熱量，為制氣準(zhǔn)備條件，因而規(guī)定吹風(fēng)后料層應(yīng)具備恰當(dāng)高溫，同步時(shí)間應(yīng)當(dāng)盡量短，以相對增長制氣階段時(shí)間，吹風(fēng)時(shí)間普通占循環(huán)時(shí)間24%。制氣階段普通如下吹時(shí)間稍長為好，由于這樣，可使灰渣中含碳量減少。為了保證吹凈階段空氣由煤氣爐下部進(jìn)入而不發(fā)生爆炸，二次上吹時(shí)間稍長某些為安全，普通占循環(huán)時(shí)間8%左右，空氣吹凈階段為了排除爐頂空間水煤氣，故所需時(shí)間最短，大概占3%，詳細(xì)分派如表1：吹風(fēng)上吹下吹二次上吹空氣吹凈蒸汽吹凈共計(jì)比例%24263981.81.2100時(shí)間s43.246.870.214.43.242.16180.0表1循環(huán)時(shí)間分派1.3.2.4各階段操作指標(biāo)（1）吹風(fēng)階段操作指標(biāo)：鼓風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓：492×9.8Pa煤氣爐出口溫度：550oC廢熱鍋爐溫度：230oC（2）上吹階段操作指標(biāo)：水蒸氣入爐壓力：18kgf/cm2上行煤氣出口溫度：500oC過熱除塵器出口溫度：300～350oC（3）下吹階段操作指標(biāo)：水蒸氣入爐壓力：18kgf/cm2下吹煤氣出口溫度：200oC洗氣箱出口溫度：75oC洗氣塔出口溫度：35oC2工藝計(jì)算2.1原料構(gòu)成2.1.1已知數(shù)據(jù)原料已知數(shù)據(jù)成分MadMarSt.dAdCadHadNad質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%0.773.80.7118.1573.332.900.96Qgr.ad=6850卡/克Qnet.ar=6302卡/克以上數(shù)據(jù)源自陽泉洗煤廠中塊商品煤由于工藝計(jì)算中采用是煤收到基和干燥基數(shù)據(jù)，而不是空氣干燥基數(shù)據(jù)，故應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。2.1.2目的數(shù)據(jù)目的數(shù)據(jù)即為收到基和干燥基數(shù)據(jù)，依照《煤化學(xué)》有如下轉(zhuǎn)換公式：以X代表S，A，C，H，N，Q。Xd=Xad，Xar=XadXd=Xar，Qgr.ar=Qgr.ad（1）干燥基數(shù)據(jù)：由以上公式和已知數(shù)據(jù)，可得Cd=Cad=73.33×=73.90%Hd=Had=2.90×=2.92%Nd=Nad=0.96×=0.97%Od=100-Ad-St.d-Cd-Hd-Nd=100-18.15-0.71-73.90-2.92-0.97=3.35%又已知Ad=17.91%，St.d=0.31%（2）收到基數(shù)據(jù)由Xd=Xar,可得Xar=Ad,則Aar=18.15×=17.46%St.ar=0.71×=0.68%由Xar=Xad，可得Car=Cad=73.33×=71.09%Har=Had=2.90×=2.81%Nar=Nad=0.96×=0.93%Oar=100-Mar-Aar-St.ar-Car-Har-Nar=100-3.8-17.46-0.68-71.09-2.81-0.93=3.23%原料熱值Qgr.ar=Qgr.ad=6850×=6640.8卡/克又已知Mar=3.8，Ad=18.15，St.d=0.71故目的數(shù)據(jù)可列表如下：構(gòu)成CHONSAM共計(jì)重量，%（干）73.902.923.350.970.7118.15100.00重量，%（濕）71.093.234.030.930.6817.463.80100.00Qgr.ar=6640.8卡/克干基即代表干燥基，濕基即為收到基2.2設(shè)計(jì)已知條件（1）原料構(gòu)成和熱值構(gòu)成CHONSAM共計(jì)重量，%（干）73.902.923.350.970.7118.15100.00重量，%（濕）71.092.813.230.930.6817.463.80100.00原料煤熱值Qgr.ar=6640.8卡/克=6640.8×4.1868=27803.701kJ/kg（2）吹風(fēng)氣構(gòu)成成分H2COCO2O2N2CH4H2S共計(jì)體積%3.288.3514.600.3572.850.500.07100.00（3）水煤氣構(gòu)成成分H2COCO2O2CH4H2S共計(jì)體積%54.80037.2606.4700.4800.8500.140100.00（4）灰渣構(gòu)成構(gòu)成CSA共計(jì)重量，%19.70.7179.59100.0（5）爐進(jìn)出物料溫度空氣：20℃，相對濕度70%.吹風(fēng)氣：550℃上行煤氣：500℃下行煤氣：200℃灰渣：200℃蒸汽：下吹蒸汽為110℃飽和蒸汽.上吹蒸汽為180℃過熱蒸汽.（6）帶出物為3kg干基原料注：依照《煤氣設(shè)計(jì)手冊》，可查得可燃?xì)鉄嶂等缦拢簹怏wH2COCH4H2S高熱值，kcal/m33044301895106054低熱值，kcal/m32576301885705581則吹風(fēng)氣和水煤氣高低位熱值可計(jì)算如下：吹風(fēng)氣熱值：HHV=(0.0328×3044+0.0835×3018+0.005×9510+0.0007×6053)×4.1868=1689.93kJ/m3LHV=(0.0328×2576+0.0835×3018+0.005×8570+0.0007×5581)×4.1868=1604.60kJ/m3水煤氣熱值：HHV=(0.548×3044+0.3726×3018+0.0085×9510+0.0014×6054)×4.1868=12066.06kJ/m3LHV=(0.548×2576+0.3726×3018+0.0085×8570+0.0014×5581)×4.1868=10956.07kJ/m32.3基本數(shù)據(jù)計(jì)算以100kg原料為計(jì)算基準(zhǔn).（1）帶出物帶出各元素量：帶出物為3kgC：3×0.739=2.217H：3×0.0292=0.0O：3×0.0335=0.1N：3×0.0097=0.0S：3×0.0071=0.0A：3×0.1815=0.總重：3kg（2）灰渣生成量及其中各元素量灰分總重為100×17.46%=17.46kg故灰渣量為=21.25kg灰渣中帶出各元素量：C：21.25×0.197=4.S：21.25×0.0071=0.灰：21.25×0.7959=16.912875kg 共計(jì)：21.25kg（3）氣化原料損失于帶出物和灰渣中各元素量：C：2.217+4.18625=6.40325H：0.0O：0.1N：0.0S：0.0213+0.150875=0.A：0.5445+16.912875=17.457375共計(jì)：24.25kg（4）原料氣化后進(jìn)入煤氣中各元素量：C：71.09－6.40325=64.68675H：2.81+3.80×－0.0876=3.1446kgO：3.23+3.80×－0.1005=6.5073kgN：0.93－0.0291=0.S：0.68－0.172175=0.共計(jì)：75.75kg2.4吹風(fēng)階段計(jì)算2.4.1吹風(fēng)階段物料衡算（1）每m3吹風(fēng)氣中所含各元素量：C：（0.0835+0.146+0.005）=0.1256H：（0.0328+2×0.005+0.0007）=0.003884O：（×0.0835+0.146+0.0035）=0.27kgN：×0.7285=0.910625S：×0.0007=0.001（2）由碳平衡計(jì)算吹風(fēng)氣產(chǎn)量.=515.02m3（3）由氫平衡計(jì)算空氣耗量.=474.01m3ххх（4）由空氣帶入水汽量.20℃干空氣含飽和水汽0.01847kg/m3，在相對濕度為70%時(shí)，空氣含水汽0.01847×0.7=0.01293kg/m3。由空氣帶入水汽總量為474.01×0.01293=6.129kg（5）由氫平衡計(jì)算吹風(fēng)氣中水汽含量.收入：原料帶入氫3.1446kg空氣中水汽帶入氫6.129×=0.6810kg共計(jì)3.8256kg支出：吹風(fēng)氣含氫515.02×0.003884=2.0003kg吹風(fēng)氣中水汽含氫（差額）1.8253kg共計(jì)3.8256kg吹風(fēng)氣中水汽總量1.8253×=16.4277kg單位體積吹風(fēng)氣含水汽量=0.031897kg/m3（6）氧平衡校驗(yàn).收入：原料帶入氧6.5073kg空氣帶入氧474.01×0.21×=142.203kg空氣中水汽帶入氧6.129×=5.448kg共計(jì)154.1583kg支出：吹風(fēng)氣含氧515.02×0.27=139.0554kg吹風(fēng)氣中水汽含氧16.4277×=14.6024kg共計(jì)153.6578kg誤差×100%=0.325%可行（7）硫平衡收入：原料中帶入硫0.5083kg支出：吹風(fēng)氣中含硫515.02×0.001=0.5150kg誤差：×100%=1.3%可行2.4.2收入：（1）原料發(fā)熱量:Q1=100Qgr.ar=100×6640.8×4.1868=2780370.1kJ（2）原料物理熱:Q2=MCt=100×20×1.05=2100KJC—無煙煤比熱容（3）干空氣物理熱:Q3=VCt=474.01×20×1.298=12305.30kJC—干空氣比熱容：0.31×4.1868=1.298（4）空氣中水汽熱焓:Q4=MH=6.129×2530.1=15506.98kJH—20度下水氣熱焓：2530.1kJ/kg共計(jì)2810282.38kJ支出：（5）吹風(fēng)氣發(fā)熱量Q5=V×HHV(吹風(fēng)氣)=1689.93×515.02=870347.75kJ（6）吹風(fēng)氣物理熱Q6=VCPtCp值由加權(quán)法求得，已知550度下列各氣體Cp如下：氣體H2COCO2O2CH4H2SN2Cp0.3120.3230.4900.3370.5120.4060.320則吹風(fēng)氣：Cp=（0.0328×0.312+0.323×0.0835+0.49×0.146+0.337×0.0035+0.512×0.005+0.406×0.0007+0.320×0.7285）×4.1868=1.448KJ/m3C則Q6=VCPt=515.02×550×1.448=410161.9kJ（7）吹風(fēng)氣中水汽熱焓Q7=16.4277×3590=58975.4KJ3590—550C下水氣熱焓（8）帶出物化學(xué)熱Q8=3×30606=91818kJ（9）帶出物物理熱Q9=3×550×1.26=2079kJ（10）灰渣化學(xué)熱Q10=34068×4.18625+10467×0.150875=144196.37kJ（11）灰渣物理熱Q11=21.25×200×0.837=3557.3kJ（12）爐壁熱損失（取原料發(fā)熱量7%）Q12=100×6640.8×4.1868×0.07=194625.91kJ共計(jì)1775761.63kJ故積聚在料層中熱量QA=2810282.38－1775761.63=1034520.75kJ吹風(fēng)效率：×100%=×100%=36.81%吹風(fēng)階段熱平衡表項(xiàng)目熱量，kJ比例，%收入1.原料發(fā)熱量Q12810282.3898.952.原料物理熱Q221000.0743.干空氣物理熱Q312305.300.4334.空氣中水汽熱焓Q415506.980.546共計(jì)28401944.66100支出1.吹風(fēng)氣發(fā)熱量Q5870347.7549.0132.吹風(fēng)氣物理熱Q6410161.923.0983.吹風(fēng)氣中水汽熱焓Q758975.43.3214.帶出物化學(xué)熱Q8918185.1715.帶出物物理熱Q920790.1176.灰渣化學(xué)熱Q10144196.378.1207.灰渣物理熱Q113557.30.8.爐壁熱損失Q12194625.9110.960共計(jì)1775761.631002.5制氣階段計(jì)算2.5.1制氣階段物料衡算（1）單位體積水煤氣所含元素量（m3）C：（0.3726+0.0647+0.0085）=0.2388H：（0.548+2×0.0085+0.0014）=0.05057O：（×0.3726+0.0647+0.0048）=0.3654kgN：S：×0.0014=0.002（2）由碳平衡計(jì)算水煤氣產(chǎn)量=270.88m3（3）由氫平衡計(jì)算水蒸氣耗量及上、下行煤氣產(chǎn)量設(shè)：上行煤氣中含水汽0.26kg/m3，下行煤氣中含水汽0.50kg/m3，上行煤氣產(chǎn)量為Xm3，下行煤氣產(chǎn)量為（270.88-X）m3。上、下吹蒸汽用量相等，均為Wkg，上、下行煤氣構(gòu)成相似。上吹階段氫平衡收入：原料帶入氫3.1446×=0.0116Xkg蒸汽帶入氫W=Wkg共計(jì)（0.0116X+）kg支出：上行煤氣含氫0.05057Xkg煤氣中水汽含氫0.26×X=0.0289Xkg共計(jì)0.07947Xkg氫平衡：0.0116X+=0.07947X=0.06787X下吹階段氫平衡收入：原料帶入氫3.1446×（1-）=3.1446-0.0116X水蒸氣帶入氫W=W共計(jì)（3.1446－0.0116X+）kg支出：下行煤氣含氫（270.88-X）×0.05057=13.766-0.0505X煤氣中水汽含氫0.5××（270.88-X）=14.792-0.05556X共計(jì)（28.558－0.10729X）kg氫平衡3.1446-0.0116X+=28.558-0.10729X25.4134－0.09569X=由上吹階段和下吹階段氫平衡方程解得：X=155.38m3W=9由此得到：上行煤氣產(chǎn)量為155.38m3。下行煤氣產(chǎn)量為270.88－155.38=115.5m3。上行煤氣占總產(chǎn)量比例為×100%=57.36%。下行煤氣占總產(chǎn)量比例為1－57.36%=42.64%。上行煤氣中水氣量為0.26×155.38=40.40kg。下行煤氣中水氣量為0.50×115.5=57.75kg。煤氣中含水氣總量為40.40+57.75=98.15kg。上吹蒸汽耗量為94.91kg。下吹蒸汽耗量為94.91kg?？傉羝牧繛?4.91×2=189.82kg上吹蒸汽分解率為×100%=57.43%。下吹蒸汽分解率為×100%=39.15%。平均蒸汽分解率為×100%=48.29%。（4）氧平衡校驗(yàn)收入：原料帶入氧6.5073kg蒸汽帶入氧189.82×=168.73kg共計(jì)175.2373kg支出：煤氣含氧270.88×0.3654=98.9796kg煤氣中水汽含氧98.15×=87.24kg共計(jì)186.2196kg誤差：×100%=5.89%（5）硫平衡收入：原料帶入硫0.50783kg支出：煤氣含硫270.88×0.002=0.54176kg誤差：×100%=6.26%2.5.2制氣階段熱量衡算收入：（1）原料發(fā)熱量Q1=100×6640.8×4.1868=2780370.1kJ（2）原料物理熱Q2=100×20×1.05=2100kJ（3）水蒸氣熱焓Q3上吹蒸汽180℃，i=2782.5kJ/kg（過熱）下吹蒸汽110℃，i=2693.4kJ/kg（飽和）Q3=94.91×2782.5+94.91×2693.4=519717.7kJ共計(jì)3302187.8kJ支出：（4）水煤氣熱量Q4=270.88×12146.22=3290168.1kJ（5）干水煤氣物理熱Q5上行煤氣500℃，下行煤氣200℃，各煤氣成分熱容如下：（kcal/（m3·℃））氣體H2COCO2CH4O2H2S200℃0.3110.3130.4290.4200.3220.378500℃0.3120.3210.4780.5100.3350.402由加和計(jì)算得到：200℃，Cp1=0.548×0.311+0.313×0.3726+0.429×0.0647+0.420×0.0085+0.322×0.0048+0.378×0.0014=0.320kcal/（m3·℃）=1.340kJ/（m3·℃）500℃Cp2=0.548×0.312+0.321×0.3726+0.478×0.0647+0.510×0.0085+0.335×0.0048+0402×0.0014=0.328kcal/（m3·℃）=1.373kJ/（m3·℃）Q5=155.38×500×1.382+115.5×200×1.348=138506kJ（6）水煤氣中水汽熱焓Q6水汽500℃，i=3487.6kJ/kg200℃，i=2795.5kJ/kgQ6=40.40×3487.6+57.75×2795.5=302339.17kJ（7）帶出物化學(xué)熱Q7=91818kJ（8）帶出物物理熱Q8=3×500×1.26=1890kJ（9）灰渣化學(xué)熱Q9=144196.3kJ（10）灰渣物理熱Q10=3557.3kJ（11）爐壁熱損失（取原料發(fā)熱量7%）Q11=194625.91kJ共計(jì)4110985.18kJ故需從料層中吸取熱量QB=4110985.18－3302187.8=808797.38kJ制氣效率：×100%=×100%=80.074%制氣階段熱平衡表收入項(xiàng)目熱量，kJ支出項(xiàng)目熱量，kJ1.原料發(fā)熱量Q12780370.11.水煤氣熱量Q43290168.12.原料物理熱Q221002.干水煤氣物理熱Q51385063.水蒸氣熱焓Q3519717.73.水煤氣中水汽熱焓Q6302339.174.從料層中吸取熱量QB808797.384.帶出物化學(xué)熱Q7918185.帶出物物理熱Q818906.灰渣化學(xué)熱Q9144196.37.灰渣物理熱Q103557.38.熱損失Q11194625.91共計(jì)4110985.18共計(jì)4167100.782.6總過程計(jì)算2.6.1原料使用分派原料使用分派設(shè)100kg原料中，制氣消耗xkg，則吹風(fēng)消耗（100－x）kg808797.38x=1034520.75（100-x）x=5因此，100kg原料中，56kg用于制氣，44kg消耗于吹風(fēng)階段。2.6.2生產(chǎn)指標(biāo)計(jì)算每100kg原料生產(chǎn)指標(biāo)：吹風(fēng)氣產(chǎn)量×44=226.16m3水煤氣產(chǎn)量×56=151.69m3空氣耗量×44=208.56m3蒸汽耗量×56=106.30kg總過程效率×100%=65.83%總過程熱效率×100%=59.06%2.6.3水煤氣制造過程物料平衡（1）碳平衡收入：原料中碳71.09kg支出：水煤氣中碳151.69×0.2388=36.22kg吹風(fēng)氣中碳226.61×0.1256=28.462kg帶出物中碳2.217kg灰渣中碳4.18625kg共計(jì)71.09kg（2）氫平衡收入：原料中氫2.81+3.8×=3.232kg空氣中水氣含氫208.56×0.01293×=0.2996kg蒸汽含氫106.30×=11.81kg共計(jì)15.3416kg支出：水煤氣含氫151.69×0.05057=7.7kg吹風(fēng)氣含氫226.61×0.003884=0.8802kg水煤氣中水汽含氫151.69××=6.1070kg吹風(fēng)氣中水汽含氫226.61×0.031897×=0.8031kg帶出物中氫0.0876kg共計(jì)15.5779kg（3）氧平衡收入：原料中氧3.23+3.8×=6.6078kg空氣中氧208.56×0.21×=62.568kg空氣中水汽含氧208.56×0.01293×=2.3970kg蒸汽中氧106.3×=94.49kg共計(jì)166.0628kg支出：水煤氣中氧151.69×0.3236=49.10kg吹風(fēng)氣中氧226.61×0.21=61.1847kg水煤氣中水汽含氧151.69××=48.8560kg吹風(fēng)氣中水汽含氧226.61×0.031897×=6.4250kg帶出物中氧0.1005kg共計(jì)165.6662kg誤差：×100%=0.24%（4）氮平衡收入：原料中氮0.93kg空氣中氮208.56×0.79×=217.01kg共計(jì)206.88kg支出：吹風(fēng)氣中氮226.61×0.910625=206.36kg帶出物中氮0.0291kg共計(jì)206.389kg誤差：（5）硫平衡收入：原料中硫0.68kg支出：吹風(fēng)氣中硫226.61×0.001=0.22661kg水煤氣中硫151.69×0.002=0.30338kg帶出物中硫0.0213kg灰渣中硫0.150875kg共計(jì)0.702165kg（6）總過程元素平衡表（單位：kg）項(xiàng)目CHONSA共計(jì)收入1.原料71.093.2326.60780.930.6818.151002.空氣（含水汽）0.299664.965205.95271.21463.蒸汽11.8194.49103.41共計(jì)71.0915.3416166.0628206.360.6817.46476.9944支出1.水煤氣36.227.749.100.3033893.323382.吹風(fēng)氣28.4620.880261.1847206.360.22661297.113513.水煤氣中水汽6.107048.856054.9634.吹風(fēng)氣中水汽0.80316.42507.22815.帶出物2.2170.08760.10050.02910.02130.54453.06.灰渣4.186250.15087516.91287521.25共計(jì)71.0915.5779165.6662206.3890.70216517.457375475.88264誤差-0.00070.02510.5470.388-0.0006-0.003170.95572.6.4水煤氣制造過程熱量平衡收入：原料發(fā)熱量Q1=2780370.1kJ原料物理熱Q2=2100kJ干空氣熱焓Q3=208.56×1.298×20=5414.22kJ空氣中水汽熱焓Q4=15506.98×0.44=6823.07kJ蒸汽熱焓Q5=519717.7×0.56=291041.91kJ共計(jì)3085749.3kJ支出：水煤氣熱值Q6=3290168.1×0.56=1842494.136kJ水煤氣物理熱Q7=138506×0.56=77563.36kJ吹風(fēng)氣熱值Q8=870347.75×0.44=382953.01kJ吹風(fēng)氣物理熱Q9=410161.9×0.44=180471.236kJ吹風(fēng)氣中水汽熱焓Q10=58975.4×0.44=25949.176kJ水煤氣中水汽熱焓Q11=302339.17×0.56=169309.94kJ帶出物化學(xué)熱Q12=91818kJ帶出物物理熱Q13=3×0.44×550×1.26+3×0.56×500×1.26=1973.16kJ灰渣化學(xué)熱Q14=144196.3kJ灰渣物理熱Q15=3557.3kJ熱損失（按差額計(jì)）Q16=194599.77kJ共計(jì)3114885.388kJ總過程熱平衡表項(xiàng)目熱量，kJ比例，%收入1.原料發(fā)熱量Q12780370.190.102.原料物理熱Q221000.073.干空氣熱焓Q35414.220.184.空氣中水汽熱焓Q46823.070.225.蒸汽熱焓Q5291041.919.43共計(jì)3085749.3100.00支出1.水煤氣熱值Q61842494.13659.152.水煤氣物理熱Q777563.362.493.吹風(fēng)氣熱值Q8382953.0112.294.吹風(fēng)氣物理熱Q9180471.2365.795.吹風(fēng)氣中水汽熱焓Q1025949.1760.836.水煤氣中水汽熱焓Q11169309.945.47.帶出物化學(xué)熱Q12918183.008.帶出物物理熱Q131973.160.069.灰渣化學(xué)熱Q14144196.34.6310.灰渣物理熱Q153557.30.1111.熱損失Q16194599.776.25共計(jì)3114885.388100.003重要設(shè)備計(jì)算與選型3.1水煤氣發(fā)生爐3.1.1水煤氣發(fā)生爐選型及臺(tái)數(shù)擬定水煤氣發(fā)生爐選型原則是應(yīng)在滿足生產(chǎn)條件前提下，盡量使臺(tái)數(shù)減少，如此能減少固定投資費(fèi)用以無煙煤為氣化原料,可選W-G型氣化爐,采用干式排渣方式。預(yù)設(shè)日產(chǎn)120萬立方米合成氣廠,假定每天工作24小時(shí),即=50000m3/h。（1）φ3000mm水煤氣爐此爐每小時(shí)產(chǎn)水煤氣6000--7500Nm3/h。假定需要n臺(tái)水煤氣爐，則n=，得n=6.68—8臺(tái)。（2）φ2740mm水煤氣爐此爐每小時(shí)產(chǎn)水煤氣6000--6600Nm3/h。假定需要n臺(tái)水煤氣爐，則n=，得n=7.58—8.33臺(tái)。綜合比較，選用φ3000mm水煤氣發(fā)生爐八臺(tái)，六開二備。其技術(shù)指標(biāo)如下：爐膛內(nèi)經(jīng)：3.0m爐膛面積：7.07m2蒸汽水套受熱面積：18m3夾套蒸汽壓力：0.5～0.8kg/cm2進(jìn)風(fēng)口直徑：1060/760mm煤氣出口直徑上口：1060mm煤氣出口直徑下口：760mm水煤氣產(chǎn)量：6000～7500Nm3/h燃料層高度：3500mm焦炭消耗量：4000kg/h最大風(fēng)壓：1800mmH20電動(dòng)機(jī)功率：7.5kW灰盤轉(zhuǎn)速：0.336～1.68r/h外形尺寸(長×寬×高)：7235×4497×11708總重(不涉及耐火磚)：59.5t涉及耐火磚：～90t3.1.2水煤氣發(fā)生爐指標(biāo)計(jì)算由于煤氣爐是間歇生產(chǎn)，因而實(shí)際煤氣產(chǎn)量及空氣、蒸汽流量是多變，在進(jìn)行緩沖氣柜之前設(shè)備計(jì)算時(shí)，不能依照平均值,必要計(jì)算出煤氣爐瞬時(shí)產(chǎn)氣量和原料消耗量。（1）循環(huán)時(shí)間擬定選用φ3000mm水煤氣爐，每小時(shí)產(chǎn)水煤氣7500Nm3/h。依照水煤氣生產(chǎn)過程中實(shí)際生產(chǎn)工藝條件規(guī)定，必要具備短循環(huán)時(shí)間，普通為3—4min，另吹凈和二次上吹階段以能達(dá)到排除殘留氣為原則，則吹凈約占3—4%，為保證安全，二次上吹可稍長，約占6—9%，吹風(fēng)時(shí)間既要保證經(jīng)吹風(fēng)后料層具備較高溫度，又使制氣時(shí)間較長，按以往經(jīng)驗(yàn)，可采用如下時(shí)間分派百分率，見下表。循環(huán)時(shí)間及百分率分派表吹風(fēng)上吹下吹二次上吹空氣吹凈蒸汽吹凈共計(jì)比例%24263981.81.2100時(shí)間s43.246.870.214.43.242.16180.0依照物料衡算,每100kg燃料生產(chǎn)指標(biāo)（標(biāo)態(tài)）為:水煤氣(干)151.69Nm3吹風(fēng)氣(干)226.61Nm3消耗空氣(干)208.56Nm3消耗蒸汽106.30kg每循環(huán)平均產(chǎn)氣量：=375Nm3(干氣)（2）吹風(fēng)空氣流量計(jì)算×208.56×=39968.30Nm3/h（3）蒸汽產(chǎn)量計(jì)算上吹蒸汽流量×106.30×0.5×=7340.48kg/h下吹蒸汽流量×106.30×0.5×=6738.19kg/h（4）吹風(fēng)氣流量計(jì)算×226.61×=46684.44Nm3/h（5）水煤氣流量計(jì)算上行煤氣計(jì)算375×0.5376×=12652.9Nm3/h下行煤氣計(jì)算375×0.4264×=8200Nm3/h闡明：（1）以上流量未涉及漏損量；（2）煤氣流量在加煤后各個(gè)循環(huán)并不相似，以上指標(biāo)是平均值。3.2空氣鼓風(fēng)機(jī)（1）選型空氣鼓風(fēng)機(jī)選型原則是空氣鼓風(fēng)機(jī)要能滿足爐子最大用量，且留有一定余量。又每臺(tái)爐子生產(chǎn)時(shí)最大風(fēng)量為39968.30Nm3/h，管道損失取5%，則所需風(fēng)量是=42071.89Nm3/h由風(fēng)量42071.89Nm3/h，可選9-19-D型NO.16序號為5鼓風(fēng)機(jī)，其參數(shù)如下：機(jī)號：NO16傳動(dòng)方式：D轉(zhuǎn)數(shù)：1450r/min序號：5全壓×9.8Pa：14504流量：50997m3/h所需功率：96.82kW電動(dòng)機(jī)型號：S-138-4電動(dòng)機(jī)功率：410kW（2）空氣鼓風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)擬定由于水煤氣間歇產(chǎn)生，故煤氣爐不需持續(xù)鼓風(fēng)，因而只要將吹風(fēng)機(jī)階段錯(cuò)開，一臺(tái)風(fēng)機(jī)可滿足多臺(tái)水煤氣爐生產(chǎn)。吹風(fēng)時(shí)間為43.2+5.4×0.6=46.44s故在一種循環(huán)中，一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)可供應(yīng)=3.8臺(tái)煤氣爐。在實(shí)際生產(chǎn)中，煤氣爐六開二備，因此采用四臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，三開一備即可。此外，為了減少鼓風(fēng)噪音，可在鼓風(fēng)機(jī)空氣進(jìn)口處安裝消音器，消音器一臺(tái)即可，裝在進(jìn)風(fēng)管口處。3.3夾套鍋爐計(jì)算3.3.1夾套鍋爐作用夾套鍋爐作用是冷卻爐壁，保護(hù)爐壁，并副產(chǎn)蒸汽，通過熱除塵器過熱后被送入煤氣爐發(fā)生反映。另通過夾套鍋爐物料、熱量衡算可求出夾套鍋爐蒸汽產(chǎn)量、軟水消耗量和污水排放量。3.3.2已知條件（1）煤氣爐散失熱量194599.77kJ，其中夾套鍋爐回收50%；（2）軟水進(jìn)口30oC,總固體150PPm；（3）排污水總固體PPm；（4）鍋爐產(chǎn)氣壓2.0kgf/cm2(絕)飽和蒸汽，即2.0×9.807×104=0.196MPa(絕)飽和蒸汽。3.3.3產(chǎn)氣及耗水量計(jì)算設(shè)進(jìn)口軟水量為xkg，產(chǎn)氣量為ykg，以100kg原料為計(jì)算基準(zhǔn)。（1）熱量平衡進(jìn)項(xiàng)：回收廢熱量194599.77×0.50=97299.89kJ軟水焓4.187×30xkJ共計(jì)（97299.89+125.61x）kJ出項(xiàng)：蒸汽焓2708.4ykJ式中2708.4—2.0kgf/cm2下(絕)飽和蒸汽焓，kJ/kg。排污水焓：502(x-y)kJ式中502—2.0kgf/cm2(絕)沸騰水焓，kJ/kg。共計(jì)：502x+2206.4y平衡：97299.89+125.61x=502x+2206.4y376.39x+2206.4y=97299.89……………①（2）總固體平衡376.39x+2206.4y=97299.891850x-y=0………②（3）解方程式①、②得x=40.25kgy=即每100kg燃料：副產(chǎn)蒸汽37.23kg消耗軟水40.25排污水40.25-37.23=3.023.4除塵過熱器設(shè)計(jì)3.4.1除塵過熱器作用及設(shè)計(jì)原則從煤氣爐出來上行水煤氣溫度較高，500度，且?guī)в写罅炕覊m，必要進(jìn)行脫除，除塵過熱器作用就是脫塵，并用水蒸氣將水煤氣降溫，同步回收熱量，過熱水蒸氣，為水煤氣反映創(chuàng)造條件。因煤氣爐是間歇生產(chǎn)，則過熱除塵器應(yīng)滿足其最大熱負(fù)荷。在吹風(fēng)階段中，過熱除塵器沒有飽和蒸汽通過，故吹風(fēng)氣顯熱沒有在此處進(jìn)行互換，而在廢熱鍋爐中互換，產(chǎn)生蒸汽（2.0kgf/cm2）。在制氣下吹階段中，由于下行煤氣通過下行集塵器，不通過除塵過熱器后直接進(jìn)入洗氣箱，且溫度較低（200oC）故此階段亦無大熱互換。在上吹階段中，500oC上行煤氣經(jīng)由除塵過熱器，將飽和蒸汽（110oC）過熱到180oC，故此階段熱負(fù)荷最大。則過熱除塵器以上行煤氣各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。3.4.2按上行煤氣計(jì)算生產(chǎn)能力3.4.2.1已知條件（1）上行煤氣流量：12652.9Nm3/h（2）上吹蒸汽流量：7340.48kg/h（3）每原則立方米水汽含量：0.26kg/Nm3=0.26×22.4/18=0.3236Nm3/Nm3（4）濕上行煤氣成分及流量成分H2COCO2CH4O2H2SH2O共計(jì)Nm3/h6933.794714.5818.63107.5560.7317.714094.4616747.38kmol/h309.54210.4736.554.802.710.79182.79747.65%41.4028.154.890.640.360.1124.45100濕水煤氣平均分子量M=（5）濕上行煤氣進(jìn)口溫度495oC（扣除5oC損失）（6）濕上行煤氣出口溫度350oC（假設(shè)）（7）煤氣壓力1.15kgf/cm2（絕），即1.15×9.807×104=0.113MPa（8）蒸汽進(jìn)口溫度110oC（9）蒸汽出口溫度180oC3.4.2.2熱量平衡進(jìn)項(xiàng)：（1）干煤氣熱焓Q1=12652.9×495×1.382=8655722.36kJ/h（2）上行煤氣中水蒸氣熱Q2=12652.9×0.26×3487.6=11473346.05kJ/h3487.6kJ/kg--500oC下水蒸氣熱焓（3）飽和蒸汽帶入物理熱Q3=7340.48×2691.28=19755287.01kJ/h式中2691.28—110oC飽和蒸汽熱焓共計(jì)39884355.42kJ/h出項(xiàng)：（4）350oC時(shí)上行煤氣熱值350oC各組分熱容（kcal/(m3·oC)）見下表：成分H2COCO2CH4O2H2Scp0.3110.3170.4600.4650.3270.390比例%553671.440.5030.057Cp=0.55×0.311+0.36×0.317+0.46×0.07+0.00503×0.327+0.0144×0.465+0.00057×0.39=0.326kcal/(m3·oC)=1.36kJ/(m3·oC)Q4=12652.9×1.36×350=6022780.4kJ/h（5）350oC時(shí)上行煤氣中水汽熱3175.3kJ/kg--350oC過熱蒸汽焓Q5=12652.9×3175.3×0.26=10445955.88kJ/h（6）180oC過熱蒸汽熱Q6=7340.48×2835.3=20812462.94kJ/h2835.3kJ/kg--180oC過熱蒸汽熱（7）取熱損失為6%Q損=39884355.42×6%=2393061.325kJ/h共計(jì)39674260.55kJ/h誤差：×100%=0.53%3.4.3擬定爐體規(guī)格過熱器采用U型管，用直列法排列，管徑采用直徑為φ38×2.5無縫鋼管。煤氣平均溫度是=422.5oC蒸汽平均體積V=7340.48××××=2.66m3/s初選蒸汽流速14m/s。管子根數(shù)n===222.3即取223根管間距取50mm，填充率取85%。D=1.05t=1.05×0.05×=1.20m以管板直徑1300mm作圖，按直列法排出管子數(shù)223根，管板折邊取100mm，于是爐體內(nèi)壁直徑為1500mm，見圖示一。核算流速u===13.95m/s成果與假設(shè)接近，可行。圖一過熱器管板管數(shù)擬定3.4.4傳熱系數(shù)計(jì)算3.4.4.1列管總截面積及ReA=n××di2=223××0.0332=0.191m水蒸汽質(zhì)量流速G=7340.48××=10.09kg/m2·s查得145oC下水蒸氣粘度為=1.40×10-6kg·s/m2=1.37×10-5Pa·SRe===24304.38>10000故蒸汽在管內(nèi)呈湍流狀態(tài)，選定條件適當(dāng)。3.4.4.2管內(nèi)傳熱系數(shù)計(jì)算（1）管內(nèi)對流傳熱系數(shù)查得180oC過熱蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)λ1=0.0265kcal/(m·h·oC)110oC過熱蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.0214kcal/(m·h·oC)則管內(nèi)平均導(dǎo)熱系數(shù)：λ=0.024kcal/(m·h·oC)=0.0279w/(m·oC)145oC過熱蒸汽比熱容：cp=0.48kcal/(kg·oC)=2.01kJ/(kg·oC)因此：Pr===0.99又μ=1.37×10-5Pa·s<1.0050×10-3×2Pa·s（1.0050×10-3Pa·s為20oC下水粘度）即蒸汽屬低粘度流體，且蒸汽在管內(nèi)呈湍流狀態(tài)，Re>1000，0.7<Pr<120,流體被加熱n=0.4。（2）管內(nèi)傳熱系數(shù)由于輻射傳熱系數(shù)<<，則可忽視故==236.4kg/(m2·h·oC)=65.67w/(m2·oC)3.4.4.3管外傳熱系數(shù)計(jì)算(1)上行煤氣質(zhì)量流速換熱管內(nèi)裝有圓缺形擋板（缺口面積為25%殼體內(nèi)截面積），擋板間距取800mm，則流體通過管間距最大截面積為：A===0.288m2式中，h：板間距0.8md0：管外徑0.038mD：換熱器內(nèi)徑1.50mt：管間距0.05m上行煤氣質(zhì)量流速G=755.6×15.52××=11.31kg/m2·s755.6—上行煤氣摩爾數(shù)15.52—上行煤氣平均分子量(2)上行煤氣混合粘度由天大版《化工原理》查得=422.5oC下各組分粘度如下：構(gòu)成H2COCO2CH4O2H2SH2OmPa·s0.01560.03250.03100.02140.03600.03000.0246按平方加和法計(jì)算，混合煤氣粘度如下：μ==(41.40×+28.15×+4.89×+0.36×+0.64×+24.45×+0.11×)/100=3.489=(41.40×0.0156×+28.15×0.0325×+4.89×0.031×+0.36×0.036×+0.64×0.0214×+24.45×0.0246×+0.11×0.03×)/100=0.0945因此μ=9.45×10-5/3.489=2.7×10-5Pa·s(3)雷諾數(shù)Re由于換熱管采用正方形排列，因此水力半徑可由下式求出：de==4×=0.0458m故Re===19185.11由于Re在2×103～1×106之間，故可采用凱恩法求出。即=對氣體，=1.0（4）上行煤氣混合導(dǎo)熱系數(shù)混合煤氣導(dǎo)熱系數(shù)可按下式求解：λ=查得422.5oC下煤氣中各組分導(dǎo)熱系數(shù)如下表：成分H2COCO2CH4O2H2SH2OW/(m·oC)0.3600.0500.0480.0800.0560.0130.072則λ=+0.36×0.056×+0.64×0.08×+24.45×0.072×+0.11×0.013×）/100=0.2865（41.40×+28.15×+4.89×+0.36×+0.64×+24.45×+0.11×）/100=2.221因此混合煤氣導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.2865/2.221=0.1290W/(m·oC)（4）上行煤氣混合熱容422.5oC下煤氣中各組分熱容如下表：成分H2COCO2CH4O2H2SH2Okcal/(m3·oC)0.3120.3180.4710.4800.3300.4000.374cp==(41.40×0.312+28.15×0.318+4.89×0.471+0.36×0.33+0.64×0.48+24.45×0.374+0.11×0.4)/100=0.338kcal/(m3·oC)==0.4878kcal/(kg·oC)（5）管外傳熱系數(shù)Pr===0.4275Re=19185.11，de=0.0458m則==173.24×0.86×4.1868=623.78kJ/(m2·h·oC)由于輻射傳熱系數(shù)<<，則==623.78W/(m2·oC)由于有折流板，在折流和管束間，折流板和換熱器之間，總有一定間隙，某些流體短路，因此將所求按經(jīng)驗(yàn)乘以一系數(shù)0.7。=0.7=173.24×0.7=121.3W/(m2·oC)=121.3×3.6=436.68kJ/(m2·h·oC)3.4.4.4總傳熱系數(shù)計(jì)算查得R內(nèi)=0.8598×10-4(m2·oC)/W，R外=1.7197×10-4(m2·oC)/W管道污垢熱阻R=R內(nèi)+R外=（0.8598+1.7197）×10-4=2.5795×10-4(m2·oC)/W查表知無縫鋼管導(dǎo)熱系數(shù)λ=45.3W/(m·oC)，管子厚度δ=0.0025m因此K===40.64W/(m2·oC)=40.64×0.86×4.1868=146.33kJ/(m2·h·oC)3.4.5換熱面積計(jì)算由于換熱器采用U型管，故按單殼程多管程計(jì)算，如下：（1）按逆流計(jì)算ΔtmΔtm==275.84oC（2）求φΔtP=冷流體溫升/兩流體最初溫差==0.182R=熱流體溫降/冷流體溫升==2.07查天大版《化工原理》對數(shù)平均溫度差校正系數(shù)φΔt值圖得φΔt=0.98因此Δtm=275.8×0.98=270.28oC（3）熱負(fù)荷Q=Q入（煤氣）-Q出（煤氣）=（8655722.36+11473346.05）-（6022780.4+10445955.88）=3660332.13kJ/h故換熱面積A===92.57m23.4.6結(jié)論考慮到煤氣進(jìn)口溫度波動(dòng)，安全系數(shù)取1.2，則過熱除塵器換熱面積為A=1.2×92.57=111.08m2,由于管外傳熱系數(shù)不不大于管內(nèi)傳熱系數(shù)，故傳熱面積應(yīng)以管內(nèi)徑計(jì)算。U型管平均高度H==2.41m過熱除塵器上部過熱器規(guī)格為：內(nèi)徑：φ1500mm換熱器：φ38×2.5U型管222根有效高度：2.41m此外，在過熱器下部有一與之配套制作除塵器，其外徑按比例取為3200mm。3.5廢熱鍋爐設(shè)計(jì)3.5.1廢熱鍋爐作用及設(shè)計(jì)原則由于在吹風(fēng)階段中，并沒有通蒸汽，吹風(fēng)氣所攜帶熱量沒有在除塵過熱器中進(jìn)行互換，因而，這某些熱量重要在廢熱鍋爐中回收，此外，上行煤氣通過過熱器換熱后，在廢熱鍋爐進(jìn)一步換熱，同步，廢熱鍋爐副產(chǎn)蒸汽，送往過熱器過熱后進(jìn)煤氣爐反映。因煤氣爐是間歇生產(chǎn)，廢熱鍋爐應(yīng)能滿足最大熱負(fù)荷需要，各階段以吹風(fēng)時(shí)熱負(fù)荷最大，故廢熱鍋爐以吹風(fēng)氣為條件進(jìn)行計(jì)算。3.5.2已知條件（1）吹風(fēng)氣流量：46684.4Nm3/h（干）（2）每原則立方米干吹風(fēng)氣中水汽含量：0.03004kg/m3=0.0374m3/m3（3）濕吹風(fēng)氣成分及流量成分H2COCO2CH4O2N2H2SH2O共計(jì)Nm3/h1531.253898.156815.92233.42163.4034009.5932.681746.0048430.4kmol/h68.36174.02304.2810.4277.291518.291.4677.952162.07比例%3.168.0514.070.480.3470.220.073.61100（4）濕吹風(fēng)氣平均分子量M=（2×3.16+28×8.05+44×14.07+16×0.48+34×0.07+32×0.34+28×70.22+18×3.61）×=29.03（5）吹風(fēng)氣進(jìn)口溫度：545oC（扣除內(nèi)外保溫管道損失5oC）（6）吹風(fēng)氣出口溫度：230oC（7）吹風(fēng)氣壓力：103kpa（絕）（8）產(chǎn)汽壓力：290kpa（絕）（9）軟水溫度：30oC軟水總固體150PPm排污水總固體PPm。3.5.3按吹風(fēng)氣計(jì)算廢熱鍋爐生產(chǎn)能力設(shè)新軟水加入量xkg，產(chǎn)汽量ykg。3.5.3.1熱量平衡進(jìn)項(xiàng)：（1）干吹風(fēng)氣熱焓Q1=46684.4×545×1.446=36790575.11kJ/h（2）吹風(fēng)氣中水汽熱焓Q2=46684.4×0.03004×3583.9=5026059.12kJ/h（3）軟水焓Q3=30x×4.182=125.46xkJ/h共計(jì)（41816634.23+125.46x）kJ/h出項(xiàng)：（4）干吹風(fēng)氣焓Q4=46684.4×1.39×230=14925002.68kJ/h（5）蒸汽焓Q5=2704ykJ/h（6）吹風(fēng)氣中水汽焓Q6=46684.4×0.03004×2933=4113237.37kJ/h（7）排污水焓Q7=502（x-y）kJ/h（8）熱損失(取入熱3%)Q8=（41816634.23+125.46x）×3%共計(jì)（20292739.08+505.8x+2202y）kJ/h平衡：41816634.23+125.46x=20292739.08+505.8x+2202y即21523895.15=380.3x+2202y①3.5.3.2總固體平衡150x=(x-y)1850x-y=0②由①和②式得：x=8904.6kg/hy=8236.8kg即：軟水加入量：8904.6kg/h蒸汽產(chǎn)量：8236.8kg排水量：8904.6－8236.8=667.8kg3.5.4爐體規(guī)格擬定采用火管式，列管六角形排列，管束間留十字形排污通道。吹風(fēng)氣平均溫度t===387.5oC吹風(fēng)氣平均體積流量：V=46684.4×××=30.86m3/s火管采用φ76×2.5mm無縫鋼管，初選氣體流速19m/s。則管子根數(shù)：n==即411根管間距取90mm，管板填充率取90%。故D=1.05t=1.05×0.09×=2.02m以管板直徑2200mm作圖，按六角形排列法排出管子數(shù)411根，管板折邊取100mm，于是爐體內(nèi)壁直徑為2400mm，如圖二所示。核算流速u==成果與假設(shè)接近，可行。圖二廢熱鍋爐管板管數(shù)擬定3.5.5傳熱系數(shù)計(jì)算3.5.5.1管內(nèi)傳熱系數(shù)計(jì)算（1）火管總截面積A=n××di2=411××0.0712=1.626m（2）氣體質(zhì)量流速G=Mn總/sh=29.03×2442.67××=10.93kg/m2·s（3）吹風(fēng)氣混合粘度，雷諾數(shù)吹風(fēng)氣定性溫度t===387.5oC387.5oC下各組分氣體粘度如下表：成分H2COCO2CH4O2N2H2SH2OmPa·s0.0150.0320.0280.0220.0360.0320.0290.023比例%3.168.0514.070.480.3470.220.073.61按平方根規(guī)律計(jì)算混合吹風(fēng)氣粘度：μ==(3.16×+8.05×+14.07×+0.34×+70.22×+0.48×+0.07×+3.61×)/100=5.315=(3.16×0.015×+8.05××0.032+14.07××0.028+0.34××0.036+70.22××0.032+0.48××0.022+0.07××0.029+3.61××0.023)/100=0.164故μ=0.164/5.315=0.0309mPa·s=3.09×10-5Pa·s因此Re===25114.2>10000則氣體在管內(nèi)呈湍流狀態(tài)，選定條件適當(dāng)。（4）吹風(fēng)氣混合導(dǎo)熱系數(shù)387.5oC下各組分氣體導(dǎo)熱系數(shù)如下表：成分H2COCO2CH4O2N2H2SH2OW/(m·oC)0.0330.040.0430.0990.0570.0470.0450.054按如下公式計(jì)算λ：λ=（3.16×+8.05×+14.07×+0.34×+70.22×+0.48×+0.07×+3.61×）/100=3.033（3.16××0.033+8.05××0.04+14.07××0.043+0.34××0.057+70.22××0.047+0.48××0.099+0.07××0.045+3.61××0.054）/100=0.1397λ=0.1396/3.033=0.0461W/(m·oC)（5）吹風(fēng)氣混合平均熱熔387.5oC下各組分氣體熱容如下表：成分H2COCO2CH4O2N2H2SH2Okcal/(m3·oC)0.3120.3170.4640.4700.3280.3160.3900.371cp==(3.16×0.312+8.05×0.317+14.07×0.464+0.34×0.328+70.22×0.316+0.48×0.47+0.07×0.039+3.61×0.371)/100=0.3397kcal/(m3·oC)==1.097kJ/(kg·oC)(6)管內(nèi)傳熱系數(shù)Pr===0.734又μ=3.09×10-5Pa·s<1.0050×10-3×2Pa·s（1.0050×10-3Pa·s為20oC下水粘度）即氣體屬低粘度流體，且氣體在管內(nèi)呈湍流狀態(tài)，Re>1000，0.7<Pr<120,流體被冷卻n=0.3。===45.06W/(m2·oC)由于輻射傳熱系數(shù)<<因此==45.06W/(m2·oC)3.5.5.2管外傳熱系數(shù)計(jì)算管外為沸水，可用下式計(jì)算管外傳熱系數(shù)=3其中q—單位面積熱負(fù)荷，kcal/(m2·hoC)p—壓力（絕對），atm（1atm=0.098MPa）鍋爐熱負(fù)荷Q=進(jìn)吹風(fēng)氣焓-出吹風(fēng)氣焓=.23－（14925002.68+4113237.37）=22778394.18kJ/h假設(shè)鍋爐傳熱面積為640m2q==8500.8kcal/(m2·h)==1874.6kcal/(m2·h·oC)=7848.58kJ/(m2·hoC)=2180.2W/(m2·oC)3.5.5.3總傳熱系數(shù)計(jì)算管道污垢熱阻R=R內(nèi)+R外=（3.4394+1.7197）×10-4=5.1591×10-4(m2·oC)/W查表知無縫鋼管導(dǎo)熱系數(shù)λ=42.8W/(m·oC)管子厚度δ=0.0035mK===42.478W/(m2·oC)=152.92kJ/(m2·h·oC)3.5.5.4換熱面積校驗(yàn)(1)平均溫差ΔtmΔtm===232.8oC120.2—2kgf/cm2下飽和蒸汽溫度(2)換熱面積換熱面積A===639.8m2誤差×100%=0.03%與假設(shè)接近，可行。換熱面積計(jì)算應(yīng)先假定一種值，然后按照上面辦法進(jìn)行校驗(yàn)，若誤差較大，則重新假定，直至誤差在容許范疇內(nèi)。本次設(shè)計(jì)進(jìn)行了多次假設(shè)，由于過程復(fù)雜，故只列出了最后一次假設(shè)過程。3.5.6結(jié)論因已考慮了最大熱負(fù)荷，故不需再加安全系數(shù)，換熱面積取725m2，管內(nèi)給熱系數(shù)遠(yuǎn)低于管外給熱系數(shù)，故傳熱面積應(yīng)以管內(nèi)徑計(jì)算。爐管高度H==6.98m（取7m）鍋爐規(guī)格為：爐體內(nèi)徑：φ2400mm爐管：φ76×2.5，411根有效高度：7m3.6洗氣箱設(shè)計(jì)3.6.1洗氣箱作用及設(shè)計(jì)原則上行煤氣和下行煤氣經(jīng)初步解決日后到洗氣箱，此時(shí)溫度分別大概是230oC、200oC，還應(yīng)進(jìn)行降溫；另仍帶有不少灰塵，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步除塵。洗氣箱水位必要對煤氣進(jìn)氣管實(shí)現(xiàn)液封，如此即可以除塵，還可以通過洗氣箱中水蒸發(fā)減少煤氣溫度，出洗氣箱煤氣溫度為75oC。另洗氣箱存在可以提高煤氣在洗滌塔中洗滌效果，并在熱備爐時(shí)防止氣柜煤氣倒流回爐與空氣混合發(fā)生爆炸。洗氣箱設(shè)計(jì)核心在于洗滌水加入量和蒸發(fā)水?dāng)M定，即為加入洗滌水量必要不不大于蒸發(fā)水量，防止洗氣箱水位不斷下降，但也不可過大，過大則水位不斷上升，影響正常生產(chǎn)。最佳狀態(tài)就是加入量比蒸發(fā)量大一點(diǎn)，能保證正常溢流即可。3.6.2已知條件上行煤氣進(jìn)口溫度：230oC下行煤氣進(jìn)口溫度：200oC出洗氣箱氣體溫度：75oC冷卻水進(jìn)口溫度：30oC冷卻水出口溫度：50oC氣體出口壓力：1000mmH2O進(jìn)出氣管規(guī)格：φ720×6mm液封進(jìn)氣管高度：100mm上行煤氣流量：12652.9m3下行煤氣流量：8200Nm3洗滌水用量：1505kg/h(設(shè)定)3.6.3洗氣箱直徑擬定式中D—洗氣箱直徑，m；di—進(jìn)氣管內(nèi)徑，m；do—進(jìn)氣管外徑，m；h—進(jìn)氣管水封高度，m；Po—洗氣箱出口壓力，mH2O（1mH2O=9.80kPa）；即D=2.35m（取洗氣箱直徑為2.4m）3.6.4洗滌水用量擬定由于煤氣發(fā)生爐是間歇操作，則通過洗氣箱氣量隨制氣循環(huán)中各階段不同而變化，為保證冷卻效果，應(yīng)以最大氣體流量進(jìn)行計(jì)算，而上吹制氣階段氣體流量最大，故用上吹制氣過程參數(shù)計(jì)算。另用下行煤氣參數(shù)校驗(yàn)即可。上行煤氣流量12652.9Nm3/h=564.86kmol/h上行煤氣中水汽流量12652.9×0.26=3289.75kg/h取冷卻水用量為1505kg/h3.6.4.1上行煤氣參數(shù)計(jì)算洗滌水用量（1）、進(jìn)洗氣箱上行煤氣熱焓a.干上行煤氣熱焓230oC煤氣中各組分熱容如下表（kcal/(m3·oC)成分H2COCO2CH4O2H2Skcal/(m3·oC)0.3110.3130.4370.4500.3230.385cp==0.311×0.548+0.313×0.3726+0.437×0.0647+0.45×0.0085+0.323×0.0048+0.385×0.0014=0.322kcal/(m3·oC)Q1=12652.9×230×0.322=951624.6009kcal/h=3984261.9kJ/hb.干上行煤氣中水汽焓Q2=2937.6×0.26×12652.9=9663981.4kJ/hc.冷卻水焓Q3=30×1505×4.187=189043kJ/h共計(jì)13837286.3kJ/h（2）、出洗氣箱上行煤氣熱焓a.干上行煤氣熱焓75oC煤氣中各組分熱容如下表（kcal/(m3·oC)）成分H2COCO2CH4O2H2Skcal/(m3·oC)0.3100.3110.400.3830.3150.373cp==0.31×0.548+0.311×0.3726+0.40×0.0647+0.383×0.0085+0.315×0.0048+0.373×0.0014=0.318kcal/(m3·oC)Q1=12652.9×75×0.318×4.1868=1263457.6kJ/hb.干上行煤氣中水汽焓Q2=（3289.75+W）×2633.5=(8663556.6+2633.5W)kJ/h式中2633.5—75oC過熱蒸汽焓，kJ/kgW—冷卻水中蒸發(fā)量，kg/hc.冷卻水帶出焓Q3=50×（1505-W）×4.187=315071.8－209.4WkJ/h共計(jì)(10242086+2424.1W)kJ/h平衡：13837286.3=10242086+2424.1WW=1483.1kg/h=8由于洗氣箱是運(yùn)用水蒸發(fā)而帶走熱量，蒸發(fā)水量應(yīng)當(dāng)少于洗滌水加入量，故假設(shè)洗滌水用量為1505kg/h合理。(3)出洗氣箱上行煤氣量出洗氣箱氣體中水汽含量：1483.1+3289.75=4772.9kg/h出洗氣箱上行煤氣流量：12652.9+=18592.5Nm3/h3.6.4.2依照下行煤氣參數(shù)校核洗滌水用量出煤氣爐下行煤氣流量。干氣：8200Nm3/h=366.0kmol/h水汽：8200×0.5=4100kg/h=227.8kmol/h(1)進(jìn)洗氣箱下行煤氣熱焓a.煤氣顯熱200oC煤氣中各組分熱容如下表（kcal/(m3·oC)成分H2COCO2CH4O2H2Skcal/(m3·oC)0.3110.3130.4340.4200.3220.378cp==0.311×0.55+0.313×0.36+0.434×0.07+0.42×0.0144+0.322×0.00503+0.378×0.00057=0.322kcal/(m3·oC)Q1=8200×200×0.322×4.1868=2210965.31kJ/hb.水汽熱焓Q2=8200×0.5×686.6×4.1868=11786093.21kJ/h式中686.6—200oC過熱蒸汽熱焓，kcal/kgc.冷卻水焓Q3=30×1505×4.187=189043.05kJ/h共計(jì)14186101.56kJ/h(2)出洗氣箱氣體熱焓a.干氣顯熱Q1=8200×75×0.318×4.1868=818812.5kJ/hb.水汽熱焓Q2=（4100+W）×2633.5=10797350+2633.5WkJ/h式中2633.5—75oC過熱蒸汽焓，kJ/kgW—冷卻水中蒸發(fā)量，kg/hc.冷卻水帶出焓Q3=50×（1505-W）×4.187=(315071.75-209.35W)kJ/h共計(jì)(11931234.25