中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2011屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)第1頁(yè)P(yáng)AGEPAGE61日產(chǎn)量10萬(wàn)Nm3氣化廠設(shè)計(jì)1.總論1.1設(shè)計(jì)依據(jù)（1）畢業(yè)實(shí)習(xí)任務(wù)書及畢業(yè)設(shè)計(jì)大綱（2）參照江蘇恒盛化肥有限公司的工藝經(jīng)驗(yàn)（3）導(dǎo)師儲(chǔ)睿智講師的指導(dǎo)1.2造氣工藝論證煤炭是我國(guó)儲(chǔ)量最豐富的能源資源，按目前的產(chǎn)量和已探明的儲(chǔ)量推算，我國(guó)煤炭資源可開采近百年，估計(jì)在可預(yù)期的時(shí)間里，煤在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中還占據(jù)著主導(dǎo)地位。相反我國(guó)的石油等其它重要的一次能源明顯不足，一方面，作為及其重要的能源物資和化工原料，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油需求日益高漲，但國(guó)內(nèi)石油的開采利用逐漸趨于遞減模式而不得不轉(zhuǎn)向國(guó)外進(jìn)口，耗費(fèi)大量外匯，給國(guó)家的各個(gè)方面都帶來(lái)不便。另一方面，目前煤炭利用方式以粗放為主，利用效率低下，環(huán)境污染嚴(yán)重，不能緩解和明顯緩解國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)石油的依賴性。近年來(lái)，國(guó)家相關(guān)部門已經(jīng)明顯意識(shí)到這個(gè)問題，從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益出發(fā)，大力發(fā)展煤炭深加工產(chǎn)業(yè)，使煤化工由傳統(tǒng)的能源型向新型化工型轉(zhuǎn)變是我國(guó)煤炭利用技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)。煤炭氣化作為其中重要的一項(xiàng)正向著良好的方向蓬勃發(fā)展。而利用水煤氣發(fā)生爐制得的合成氣（CO+H2）是作為重要的化工原料氣而存在的。現(xiàn)在火熱的碳一化學(xué)工業(yè)就是在合成氣的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。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)要求，本合成氣廠采用邯鄲無(wú)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的工藝，日產(chǎn)量10萬(wàn)Nm3。生產(chǎn)出的合成氣可為較大規(guī)模的甲醇生產(chǎn)提供原料氣。煤炭氣化自從1839年俄國(guó)第一臺(tái)空氣鼓風(fēng)液態(tài)排渣氣化爐問世以來(lái)，至今已有100多年的歷史了，自上世紀(jì)70年代起，世界各國(guó)廣泛開展了煤氣化研究，按煤在氣化爐中的流體力學(xué)條件，氣化方法可分為：（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。因?yàn)榧?xì)煤粒將會(huì)隨煤氣由煤氣爐頂帶出，增加了煤的損失。（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的氣流中，由于劇烈的顆粒運(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%以上小于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等氣體，殘?jiān)匀墼问脚懦鰵饣癄t。（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)定的熔池，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，在高溫條件下完成反應(yīng)，生成CO和H2為主要成分的煤氣。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)可伲瑲饣矢?，是一種理想的氣化方法。爐型選用φ2260mm1.3造氣工藝1.3.1工藝指標(biāo)采用間歇法工藝生產(chǎn)水煤氣的原料要求必須具有低揮發(fā)分產(chǎn)率，一定的塊度，較高的機(jī)械強(qiáng)度，好的熱穩(wěn)定性，難結(jié)渣和適中的反應(yīng)性以及較高的灰熔點(diǎn)，具體指標(biāo)要求如下：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)采用邯鄲無(wú)煙煤，它的各項(xiàng)指標(biāo)均符合上述要求。1.3.2工藝流程基本原理水煤氣生產(chǎn)的主要反應(yīng)是水蒸氣與碳的反應(yīng)：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)關(guān)鍵是水蒸氣的分解，而水蒸氣的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)生燃燒反應(yīng)，放出大量的反應(yīng)熱，熱量積蓄于料層內(nèi)，在制氣時(shí)，積蓄于料層內(nèi)的熱量使水蒸氣進(jìn)行分解反應(yīng)，生成水煤氣。待熱量消耗至一定程度時(shí)，制氣階段結(jié)束，再次向料層吹風(fēng)，如此循環(huán)，即可。流程說明本工段以邯鄲無(wú)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的中塊煤，原料送入吊煤斗，提升至造氣廠房三層，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)與熾熱的碳層發(fā)生反應(yīng)：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)階段組成。循環(huán)往復(fù)進(jìn)行，使制成的煤氣持續(xù)進(jìn)入系統(tǒng)。每個(gè)循環(huán)六個(gè)階段具體流向如下：（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。經(jīng)過過熱除塵器回收余熱后進(jìn)入廢熱鍋爐，產(chǎn)生2.0kgf/cm2的蒸汽，而吹風(fēng)氣本身溫度降至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)蒸汽總管再分配到各套系統(tǒng)的過熱除塵器，過熱到180oC后由爐底進(jìn)入爐內(nèi)，生成的水煤氣經(jīng)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的上移，減少了原料的損失并保證了爐內(nèi)溫度和氣體組成的穩(wěn)定。蒸汽由爐頂進(jìn)入爐內(nèi)，生成的煤氣由爐底導(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）二次上吹經(jīng)過蒸汽下吹后，煤氣爐的底部和管線充滿了水煤氣，此時(shí)若直接通空氣則有爆炸的危險(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）空氣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)。制氣過程的六個(gè)階段采用微機(jī)油壓控制，通過微機(jī)控制油壓閥的關(guān)啟來(lái)實(shí)現(xiàn)流體的流向控制。循環(huán)時(shí)間的分配合成氣生產(chǎn)工作循環(huán)的各個(gè)階段的時(shí)間分配隨原料的性質(zhì)和工藝操作的具體要求而定，采用180s的工作循環(huán)。吹風(fēng)階段的作用是積蓄盡可能多的熱量，為制氣準(zhǔn)備條件，因此要求吹風(fēng)后料層應(yīng)具有適當(dāng)?shù)母邷?，同時(shí)時(shí)間應(yīng)該盡量的短，以相對(duì)增加制氣階段的時(shí)間，吹風(fēng)時(shí)間一般占循環(huán)時(shí)間的24%。制氣階段一般以下吹時(shí)間稍長(zhǎng)為好，因?yàn)檫@樣，可使灰渣中的含碳量降低。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(zhǎng)一些為安全，一般占循環(huán)時(shí)間的8%左右，吹凈階段為了排除爐頂空間的水煤氣，吹凈階段為了排除爐頂空間的水煤氣，故所需時(shí)間最短，大約占3%，具體分配如表1：循環(huán)時(shí)間的分配吹風(fēng)上吹下吹二次上吹空氣吹凈蒸汽吹凈合計(jì)百分比%24263981.81.2100時(shí)間s43.246.842.16180.0各階段的操作指標(biāo)（1）吹風(fēng)階段的操作指標(biāo)：鼓風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓：447×9.8Pa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：0.18kgf/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：0.18kgf/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原料組成2.1.1原料已知數(shù)據(jù)：原料已知數(shù)據(jù)成分CadHadNadSt.dAdMadMar質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%74.421.550.920.4818.821.994.39以上數(shù)據(jù)源自邯鄲郭二莊礦一坑混中快無(wú)煙煤。由于工藝計(jì)算中采用的是煤的收到基和干燥基的數(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目標(biāo)數(shù)據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)即為收到基和干燥基數(shù)據(jù)，根據(jù)《煤化學(xué)》有以下轉(zhuǎn)換公式：以X代表S，A，C，H，N，Q。Xd=Xad，Xar=XadXd=Xar，Qgr·ad=6330kcal/kg（1）干燥基數(shù)據(jù)：由以上公式和已知數(shù)據(jù)，可得：Cd=Cad=74.42×%=75.93%Hd=Had=1.55×%=1.58%Nd=Nad=0.92×%=0.94%Ad=18.82%，St·d=0.48%Od=100%－Ad－St.d－Cd－Hd－Nd=100%－18.82%－0.48%－75.93%－1.58%－0.94%=2.25%（2）收到基數(shù)據(jù)：由Xd=Xar,可得Aar=Ad,則Aar=18.82×%=17.99%St.ar=0.48×%=0.46%由Xar=Xad，可得Car=Cad=74.42×%=72.600%Har=Had=1.55×%=1.51%Nar=Nad=0.92×%=0.90%Mar=4.39%，Aar=17.99%，St.ar=0.46%Oar=100－Mar－Aar－St.ar－Car－Har－Nar=100%－4.39%－17.99%－0.46%－72.600%－1.51%－0.90%=2.15%原料熱值Qgr.ar=Qgr.ad=6330×=6175kcal/kg故目標(biāo)數(shù)據(jù)可列表如下：組成CHONSAM合計(jì)重量，%（干）75.931.583.350.940.4818.82—100.00重量，%（濕）72.6001.513.220.900.4617.994.390100.00Qgr.ar=6175kcal/kg=6175×4.1868=25853kJ/kg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）原料組成和熱值組成CHONSAM合計(jì)重量，%（干）75.931.582.250.940.4818.82—100.00重量，%（濕）72.6001.512.150.900.4617.994.39100.00原料煤熱值Qgr.ar=175kcal/kg=25853kJ/kg（2）吹風(fēng)氣組成成分H2COCO2O2N2CH4H2S合計(jì)體積%3.28.1215.250.4941100.00（3）水煤氣組成成分H2COCO2O2CH4H2S合計(jì)體積%55.335.747.400.50.980.08100.00（4）灰渣組成組成CSA合計(jì)重量，%18.50.680.9100.0（5）氣化爐進(jìn)出物料溫度空氣：20℃，相對(duì)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注：根據(jù)《煤氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》，可查得可燃?xì)獾臒嶂等缦拢簹怏wH2COCH4H2S高熱值,kJ/m312778126433977525347低熱值,kJ/m3108051264335786223367則吹風(fēng)氣和水煤氣的高低位熱值可計(jì)算如下：吹風(fēng)氣熱值：HHV=(0.032×12778+0.0812×12643+0.004×39775+0.00041×25347)=1605kJ/m3LHV=(0.032×10805+0.0812×12643+0.004×35786+0.00041×223367)=1525kJ/m3水煤氣熱值：HHV=(0.5530×12778+0.3574×12643+0.0098×39775+0.0008×25347)=11994kJ/m3LHV=(0.5530×10805+0.3574×12643+0.0098×35786+0.0008×223367)=10864kJ/m32.3基本數(shù)據(jù)計(jì)算以100kg原料為計(jì)算基準(zhǔn).（1）帶出物帶出的各元素量：帶出物為4kgC：4×0.7593=3.037H：4×0.0158=0.063O：4×00.0225=0.09N：4×0.0094=0.038S：3×0.0048=0.019A：3×0.1882=0.753總重：4（2）灰渣生成量及其中各元素量灰分總重為100×17.99%=17.99故灰渣量為=21.31kg灰渣中帶出的各元素量：C：21.31×0.185=3.942S：21.31×0.006=0.128A：21.31×0.809=17.24 共計(jì)：21.31（3）氣化原料損失于帶出物和灰渣中各元素量：C：3.037+3.942=6.979H：0.063O：0.09N：0.038S：0.019+0.128=0.147A：0.753+17.24=17.99共計(jì)：25.31（4）原料氣化后進(jìn)入煤氣中的各元素量：C：72.600－6.979=65.621H：1.51+4.39×－0.063=1.935O：2.15+4.39×－0.09=5.962N：0.90－0.038=0.862S：0.46－0.147=0.313共計(jì)：74.6932.4吹風(fēng)階段計(jì)算2.4.1吹風(fēng)階段的物料衡算（1）每m3吹風(fēng)氣中所含各元素的量：C：×（0.0812+0.1525+0.004）=0.1273kgH：×（0.032×2+0.004×4+0.00041×2）=0.003608O：×（0.0812+0.1525×2+0.00859×2）=0.2844N：×0.7213=0.9016S：×0.00041=0.0005857（2）由碳平衡計(jì)算吹風(fēng)氣產(chǎn)量.=515.48m3（3）由氮平衡計(jì)算空氣耗量.=469.77m3（4）由空氣帶入的水汽量.20℃干空氣含飽和水汽0.01847kg/m3，在相對(duì)濕度為70%時(shí)，空氣含水汽0.01847×0.7=0.01293kg/m3。由空氣帶入的水汽總量為469.77×0.01293=6.074kg（5）由氫平衡計(jì)算吹風(fēng)氣中水汽含量.收入：原料帶入氫1.935空氣中水汽帶入氫6.074×=0.675共計(jì)2.610支出：吹風(fēng)氣含氫515.48×0.003608=1.860吹風(fēng)氣中水汽含氫（差額）0.750共計(jì)2.610吹風(fēng)氣中水汽總量0.750×=6.75單位體積吹風(fēng)氣含水汽量=0.0131kg/m（6）氧平衡校驗(yàn).收入：原料帶入氧5.962空氣帶入氧469.77×0.21×=140.931空氣中水汽帶入氧6.074×=5.399共計(jì)152.29支出：吹風(fēng)氣含氧515.48×0.2844=146.693吹風(fēng)氣中水汽含氧6.75×=6.00共計(jì)152.60誤差×100%=0.20%可行（7）硫平衡收入：原料中帶入硫0.313支出：吹風(fēng)氣中含硫515.48×0.0005857=0.誤差：×100%=-0.63%可行2.4.2收入：（1）原料發(fā)熱量:Q1=100Qgr.ar=100×25853=2585300kJ（2）原料物理熱:Q2=MCt=100×20×1.05=2100kJC—無(wú)煙煤的比熱容（3）干空氣物理熱:Q3=VCt=469.77×20×1.30=12214kJC—干空氣的的比熱容：0.0.61×4.1868=1.30（4）空氣中水汽熱焓:Q4=MH=6.074×2530.1=15368kJH—20度下的水氣熱焓：2530.1kJ/kg共計(jì)2614982kJ支出：（5）吹風(fēng)氣發(fā)熱量：Q5=V×HHV(吹風(fēng)氣)=1605×515.48=827345kJ（6）吹風(fēng)氣物理熱：Q6=VCPtCp值由加權(quán)法求得，已知550度下列各氣體的Cp如下：氣體H2COCO2O2CH4H2SN2Cp0.3120.3230.4900.3370.5120.4060.320則吹風(fēng)氣熱容：Cp=（0.312×0.032+0.323×0.0812+0.49×0.1525+0.337×0.006+0.092×0.004+0.406×0.00041+0.320×0.7213）×4.1868=1.56KJ/m3C則Q6=VCPt=515.48×550×1.56=442282kJ（7）吹風(fēng)氣中水汽熱焓Q7=6.75×3595.6=24270kJ3595.6—550C下水氣熱焓（8）帶出物的化學(xué)熱Q8=4×30606=122424kJ（9）帶出物的物理熱Q9=4×550×1.26=2772kJ（10）灰渣化學(xué)熱Q10=34068×3.942+10467×0.128=135636kJ（11）灰渣物理熱Q11=21.31×200×0.837=3567kJ（12）爐壁熱損失（取原料發(fā)熱量的7%）Q12=25853×100×0.07=180971kJ共計(jì)1739267kJ故積聚在料層中的熱量：QA=2614982－1739267=875715kJ吹風(fēng)效率：×100%=×100%=33.87%吹風(fēng)階段的熱平衡表項(xiàng)目熱量，kJ比例，%收入1.原料發(fā)熱量Q1258530098.862.原料物理熱Q221000.083.干空氣物理熱Q3122140.474.空氣中水汽熱焓Q4153680.59共計(jì)2614982100.00支出1.吹風(fēng)氣發(fā)熱量Q582734547.572.吹風(fēng)氣物理熱Q644228225.433.吹風(fēng)氣中水汽熱焓Q7242701.404.帶出物的化學(xué)熱Q81224247.045.帶出物的物理熱Q927720.166.灰渣化學(xué)熱Q101356367.807.灰渣物理熱Q1135670.218.爐壁熱損失Q1218097110.41共計(jì)1739267100.00.2.5制氣階段計(jì)算2.5.1制氣階段的物料衡算（1）單位體積水煤氣所含元素量（m3）C：﹙0.3574+0.074+0.0098)=0.2364H：﹙0.5530×2+0.0098×4+0.0008×2)=0.0512O：﹙0.3574+0.074×2+0.005×2)=0.3682N：S：×0.0008=0.00114（2）由碳平衡計(jì)算水煤氣產(chǎn)量=277.59m3（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（277.59－X）m3。上、下吹蒸汽用量相等，均為Wkg，上、下行煤氣組成相同。上吹階段的氫平衡收入：原料帶入氫1.935×=0.006971Xkg蒸汽帶入氫W=Wkg共計(jì)（0.006971X+）kg支出：上行煤氣含氫0.0512Xkg煤氣中水汽含氫0.26×X=0.02889Xkg共計(jì)0.0801Xkg氫平衡：0.006971X+=0.0801X=0.0731X下吹階段的氫平衡收入：原料帶入氫1.935×（1－）=1.935－0.006971Xkg水蒸氣帶入氫W=Wkg共計(jì)（1.935－0.006971X+）kg支出：下行煤氣含氫（277.59－X）×0.0512=14.213－0.0512Xkg煤氣中水汽含氫0.5××（277.59－X）=15.422－0.05556Xkg共計(jì)（29.635－0.1086X）kg氫平衡1.935－0.006971X+=29.635－0.1086X=27.7－0.0998X由上吹階段和下吹階段的氫平衡方程解得：X=160.208m3W=由此得到：上行煤氣產(chǎn)量為：160.208下行煤氣產(chǎn)量為：277.59－160.208=117.382上行煤氣占總產(chǎn)量比例為：×100%=57.71%。下行煤氣占總產(chǎn)量比例為：1－57.71%=42.29%。上行煤氣中水汽量為：0.26×160.208=41.65下行煤氣中水汽量為：0.50×117.382=58.69煤氣中含水汽總量為：41.65+58.69=100.34上吹蒸汽耗量為：105.40下吹蒸汽耗量為：105.40總蒸汽耗量為：105.40×2=210.8上吹蒸汽分解率為：×100%=60.48%。下吹蒸汽分解率為：×100%=44.32%。平均蒸汽分解率為：×100%=52.40%。（4）氧平衡校驗(yàn)收入：原料帶入氧5.962蒸汽帶入氧210.8×=187.38共計(jì)193.342支出：煤氣含氧277.59×0.3682=102.21煤氣中水汽含氧100.34×=89.19共計(jì)1誤差：×100%=1.02%（5）硫平衡收入：原料帶入硫0.313支出：煤氣含硫277.59×0.00114=0.誤差：×100%=-1.26%2.5.2制氣階段的熱量衡算收入：（1）原料發(fā)熱量Q1=100×25853=2585300kJ（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=2835.8kJ/kg（過熱）下吹蒸汽110℃，i=2691.28kJ/kg（飽和）Q3=105.40×2835.8+105.40×2691.28=582554kJ 共計(jì)3169954kJ支出：（4）水煤氣熱量Q4=277.59×11994=2908785kJ（5）干水煤氣物理熱Q5上行煤氣500℃，下行煤氣200℃，各煤氣成分的熱容如下：（kcal/（m3·℃））由加和計(jì)算得到：氣體H2COCO2CH4O2H2S200℃0.3110.3130.4290.4200.3370.378500℃0.3120.3210.4780.0900.3710.402200℃，Cp1=0.311×0.5530+0.313×0.3574+0.429×0.074+0.420×0.0098+0.337×0.005+0.678×0.0008=0.330kcal/（m3·℃）=1.381kJ/（m3·℃）500℃Cp2=0.312×0.5530+0.321×0.3574+0.478×0.074+0.090×0.0098+0.371×0.005+0.402×0.0008=0.322kcal/（m3·℃）=1.347kJ/（m3·℃）Q5=160.208×500×1.381+117.3824×200×1.347=142246kJ（6）水煤氣中水汽熱焓Q6 水汽500℃，i=3487.6kJ/kg200℃，i=2874.7kJ/kgQ6=41.65×3487.6+58.69×2874.7=313975kJ（7）帶出物的化學(xué)熱Q7=122424kJ（8）帶出物的物理熱Q8=4×550×1.26=2772kJ（9）灰渣化學(xué)熱Q9=135636kJ（10）灰渣物理熱Q10=3567kJ（11）爐壁熱損失（取原料發(fā)熱量的7%）Q11=2585300×0.07=180971kJ共計(jì)3810376kJ故需從料層中吸取的熱量QB=3810376－3169954=640422kJ制氣效率：×100%=×100%=76.38%制氣階段的熱平衡表收入項(xiàng)目熱量，kJ支出項(xiàng)目熱量，kJ1.原料發(fā)熱量Q125853001.水煤氣熱量Q429087852.原料物理熱Q221002.干水煤氣物理熱Q51422463.水蒸氣熱焓Q35825543.水煤氣中水汽熱焓Q63139754.從料層中吸取的熱量QB6404224.帶出物的化學(xué)熱Q71224245.帶出物的物理熱Q827726.灰渣化學(xué)熱Q91356367.灰渣物理熱Q1035678.熱損失Q11180971共計(jì)3810376共計(jì)38103762.6總過程計(jì)算2.6.1原料使用分配設(shè)100kg原料中，制氣消耗x640422x=875715（100－x）x=57.76所以，100kg原料中，57.762.6.2生產(chǎn)指標(biāo)計(jì)算每100吹風(fēng)氣產(chǎn)量×42.24=217.74水煤氣產(chǎn)量×57.76=160.34空氣耗量×42.24=198.43蒸汽耗量×57.76=121.76總過程效率×100%=74.39%總過程熱效率×100%=44.99%2.6.3水煤氣制造總過程的物料平衡（1）碳平衡收入：原料中碳72.60支出：水煤氣中碳160.34×0.2364=3吹風(fēng)氣中碳217.74×0.1273=27.72帶出物中碳3.037灰渣中碳3.942共計(jì)72.60（2）氫平衡收入：原料中氫1.51+4.39×=1.998空氣中水汽含氫198.43×0.01293×=0.285蒸汽含氫121.76×=13.53共計(jì)15.813支出：水煤氣含氫160.34×0.0512=8.209吹風(fēng)氣含氫217.74×0.003608=0.786水煤氣中水汽含氫160.34××=6.440kg吹風(fēng)氣中水汽含氫217.74×0.0131×=0.317帶出物中氫0.063共計(jì)15.815（3）氧平衡收入：原料中氧2.15+4.39×=6.052空氣中氧198.43×0.21×=59.529空氣中水汽含氧198.43×0.01293×=2.281蒸汽中氧121.76×=108.231共計(jì)176.093支出：水煤氣中氧160.34×0.3682=59.037吹風(fēng)氣中氧217.74×0.2844=61.925水煤氣中水汽含氧160.34××=51.518kg吹風(fēng)氣中水汽含氧217.74×0.0131×=2.535帶出物中氧0.09共計(jì)172.914誤差：×100%=0.56%（4）氮平衡收入：原料中氮0.空氣中氮198.43×0.79×=195.95共計(jì)196.850支出：吹風(fēng)氣中氮217.74×0.9016=196.314帶出物中氮0.038共計(jì)196.352誤差：×100%=0.25%（5）硫平衡收入：原料中硫0.支出：吹風(fēng)氣中硫217.74×0.0005857=0.水煤氣中硫160.34×0.00114=0.帶出物中硫0.019灰渣中硫0.128共計(jì)0.誤差：×100%=0.43%（6）總過程元素平衡表（單位：kg）項(xiàng)目CHONSA共計(jì)收入1.原料72.601.9986.0520.90.4617.99100.002.空氣（含水汽）0.28561.81195.95258.0453.蒸汽13.53108.231121.761共計(jì)72.6015.813176.093196.8500.4617.99479.806支出1.水煤氣37.908.20959.0370.128105.2742.吹風(fēng)氣27.720.78661.925196.3140.180286.9253.水煤氣中水汽6.44051.51857.5984.吹風(fēng)氣中水汽0.3172.5352.8525.帶出物3.0370.0630.090.0380.0190.75346.灰渣3.9420.12817.2421.31共計(jì)72.6015.815175.105196.3520.45817.993478.32誤差0-0.010.560.250.43-0.0170.3112.6.4水煤氣制造過程的熱量平衡收入：原料發(fā)熱量Q1=2585300kJ原料物理熱Q2=2100kJ干空氣熱焓Q3=198.43×1.30×20=5159kJ空氣中水汽熱焓Q4=15368×0.4654=6491kJ蒸汽熱焓Q5=582554×0.5776=79316kJ共計(jì)2923882kJ支出：水煤氣熱值Q6=2908785×0.5776=1621939kJ水煤氣物理熱Q7=142246×0.5346=79316kJ吹風(fēng)氣熱值Q8=827345×0.4224=349470kJ吹風(fēng)氣物理熱Q9=442282×0.4224=186820kJ吹風(fēng)氣中水汽熱焓Q10=24270×0.4224=10252kJ水煤氣中水汽熱焓 Q11=313975×0.5776=175072kJ帶出物的化學(xué)熱Q12=122424kJ帶出物的物理熱Q13=2772kJ灰渣化學(xué)熱Q14=135636kJ灰渣物理熱Q15=3567kJ熱損失（按差額計(jì)）Q16=233614kJ共計(jì)2923882kJ總過程的熱平衡表項(xiàng)目熱量，kJ比例，%收入1.原料發(fā)熱量Q1258530088.422.原料物理熱Q221000.073.干空氣熱焓Q351590.184.空氣中水汽熱焓Q464910.225.蒸汽熱焓Q532483211.11共計(jì)2923882100.00支出1.水煤氣熱值Q61621939585.472.水煤氣物理熱Q7793162.713.吹風(fēng)氣熱值Q834947011.954.吹風(fēng)氣物理熱Q91868206.395.吹風(fēng)氣中水汽熱焓Q10102520.356.水煤氣中水汽熱焓Q111750725.997.帶出物的化學(xué)熱Q121224244..198.帶出物的物理熱Q1327720.099.灰渣化學(xué)熱Q141356364.6410.灰渣物理熱Q1535670.1211.熱損失Q162366148.09共計(jì)2923882100.003.主要設(shè)備的計(jì)算與選型3.1水煤氣發(fā)生爐3.1.1水煤氣發(fā)生爐的選型及臺(tái)數(shù)確定水煤氣發(fā)生爐的選型原則是應(yīng)在滿足生產(chǎn)條件的前提下，盡可能的使臺(tái)數(shù)減少，如此能減少固定投資費(fèi)用以無(wú)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)210萬(wàn)合成氣廠,假定每天工作24小時(shí),即=87500Nm3/h。（1）φ3000氣爐此爐每小時(shí)產(chǎn)水煤氣6000~7500要n臺(tái)水煤氣爐，則n==11.8（2）φ2740氣爐此爐每小時(shí)產(chǎn)水煤氣6000~6500要n臺(tái)水煤氣爐，則n==13.5綜合比較，選用φ300水煤氣發(fā)生爐十四臺(tái)，十二開二備。其技術(shù)指標(biāo)如下：爐膛內(nèi)徑：3.0爐膛面積：7.07蒸汽水套受熱面積：1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：1060煤氣出口直徑下口：760水煤氣產(chǎn)量：7400Nm3/h燃料層高度：3焦炭消耗量：4000kg最大風(fēng)壓：1800mmH20(2)電動(dòng)機(jī)功率：7.5kW灰盤轉(zhuǎn)速：0.336～1.68r/h外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)：7235×4497×11708總重(不包括耐火磚)：59.5t包括耐火磚：~90t注：（1）1kg/cm2=98.1kPa（2）1mmH2O=9.80Pa3.1.2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)際的煤氣產(chǎn)量及空氣、蒸汽流量是多變的，在進(jìn)行緩沖氣柜之前的設(shè)備計(jì)算時(shí)，不能根據(jù)平均值,必須計(jì)算出煤氣爐的瞬時(shí)產(chǎn)氣量和原料消耗量。（1）循環(huán)時(shí)間的確定選用φ3000mm水煤氣爐，每小時(shí)產(chǎn)水煤氣7400Nm3根據(jù)水煤氣生產(chǎn)過程中的實(shí)際生產(chǎn)工藝條件的要求，必須具有短的循環(huán)時(shí)間，一般為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(zhǎng)，約占6—9%，吹風(fēng)時(shí)間既要保證經(jīng)吹風(fēng)后料層具有較高的溫度，又使制氣時(shí)間較長(zhǎng)，按以往經(jīng)驗(yàn)，可采用以下時(shí)間分配百分率，見下表。循環(huán)時(shí)間及百分率分配表吹風(fēng)上吹下吹二次上吹空氣吹凈蒸汽吹凈合計(jì)時(shí)間S43.246.842.16180百分比%24263981.81.2100根據(jù)物料衡算,每100kg燃料的生產(chǎn)指標(biāo)（標(biāo)態(tài)）為:水煤氣(干)160.34Nm3吹風(fēng)氣(干)217.74Nm3消耗空氣(干)198.43Nm3消耗蒸汽121.76每循環(huán)平均產(chǎn)氣量：=370Nm3(干氣)（2）吹風(fēng)空氣流量計(jì)算×198.43×=35496Nm3/h（3）蒸汽產(chǎn)量計(jì)算上吹蒸汽流量×121.76×0.5×=7982kg/h下吹蒸汽流量×121.76×0.5×=7204kg/h（4）吹風(fēng)氣流量計(jì)算×217.74×=41871Nm3/h（5）水煤氣流量計(jì)算上行煤氣計(jì)算370×0.5776×=12571Nm3/h下行煤氣計(jì)算370×0.4224×=8015Nm3/h說明：（1）以上流量未包括漏損量；（2）煤氣流量在加煤后各個(gè)循環(huán)并不相同，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)的選型原則是空氣鼓風(fēng)機(jī)要能滿足爐子的最大用量，且留有一定的余量。又每臺(tái)爐子生產(chǎn)時(shí)最大風(fēng)量為41871Nm3/h，管道損失取5%，則所需風(fēng)量是=44705Nm3/h由風(fēng)量44705Nm3/h，可選9-19-D型NO.16序號(hào)為4的鼓風(fēng)機(jī)，其參數(shù)如下：機(jī)號(hào)：NO.16傳動(dòng)方式：D轉(zhuǎn)數(shù)：1450r/min序號(hào)：4內(nèi)效率：81.0%內(nèi)功率：229.61kW所需功率：269.44kW電動(dòng)機(jī)型號(hào)：S128-4電動(dòng)機(jī)功率：315kW（2）空氣鼓風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)的確定由于水煤氣間歇產(chǎn)生，故煤氣爐不需連續(xù)鼓風(fēng)，因此只要將吹風(fēng)機(jī)階段錯(cuò)開，一臺(tái)風(fēng)機(jī)可滿足多臺(tái)水煤氣爐的生產(chǎn)。吹風(fēng)時(shí)間為43.2+5.4×0.6=46.44s故在一個(gè)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，煤氣爐十二開二備，所以采用五臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，四開一備即可。另外，為了降低鼓風(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夾套鍋爐的計(jì)算3.3.1夾套鍋爐的作用夾套鍋爐的作用是冷卻爐壁，保護(hù)爐壁，并副產(chǎn)蒸汽，經(jīng)過熱除塵器過熱后被送入煤氣爐發(fā)生反應(yīng)。另通過夾套鍋爐物料、熱量衡算可求出夾套鍋爐的蒸汽產(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180971kJ，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2000PPm；（4）鍋爐產(chǎn)氣壓0.29MPa(絕)飽和蒸汽。3.3.3產(chǎn)氣及耗水量的計(jì)算設(shè)進(jìn)口軟水量為xkg，產(chǎn)氣量為ykg，以100（1）熱量平衡進(jìn)項(xiàng)：回收廢熱量180971×0.50=90486kJ軟水焓4.1868×30xkJ合計(jì)（90486+125.61x）kJ出項(xiàng)：蒸汽焓2724ykJ式中2724—3.5kgf/cm2下(絕)飽和蒸汽焓，kJ/kg。排污水焓：559(x－y)kJ式中559—0.29MPa(絕)沸騰水的焓，kJ/kg。合計(jì)：559x+2165y平衡：90486+125.61x=559x+2165y433x+2165y=90486……………①（2）總固體平衡150x=2000(x－y)1850x－2000y=0………②（3）解方程式①、②得x=37.15即每100kg燃料：副產(chǎn)蒸汽3消耗軟水3排污水37.15－34.36=2.3.4過熱除塵器的設(shè)計(jì)3.4.1過熱除塵器的作用及設(shè)計(jì)原則從煤氣爐出來(lái)的上行水煤氣溫度較高，500oC，且?guī)в写罅康幕覊m，必須進(jìn)行脫除，過熱除塵器的作用就是脫塵，并用水蒸氣將水煤氣降溫，同時(shí)回收熱量，過熱水蒸氣，為水煤氣反應(yīng)創(chuàng)造條件。因煤氣爐是間歇生產(chǎn)的，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)行交換，而在廢熱鍋爐中交換，產(chǎn)生蒸汽（2.0kgf/cm2）。在制氣的下吹階段中，由于下行煤氣經(jīng)過下行集塵器，不經(jīng)過過熱除塵器后直接進(jìn)入洗氣箱，且溫度較低（200oC）故此階段亦無(wú)大的熱交換。在上吹階段中，500oC的上行煤氣經(jīng)由過熱除塵器，將飽和蒸汽（110oC）過熱到180oC，故此階段的熱負(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)能力已知條件（1）上行煤氣流量：12571Nm3/h（2）上吹蒸汽流量：7982（3）每標(biāo)準(zhǔn)立方米干上行煤氣中水汽含量：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/h6951.764492.88930.25123.2062.8610.063609.7616180.77kmol/h310.61200.5841.535.52.810.45161.15722.64%43.027.775.750.760.390.0622.31100濕水煤氣的平均分子量M=（2×43.0+28×27.77+44×5.75+16×0.76+34×0.06+32×0.39+18×22.31）×=15.44kg/（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（飽和）（9）蒸汽出口溫度180oC（過熱）熱量平衡進(jìn)項(xiàng)：（1）干煤氣熱焓Q1=12571×495×1.418=8823711kJ/h（2）上行煤氣中水蒸氣的熱Q2=12571×0.26×3487.3=11368684kJ/h3478.3kJ/kg--500oC下水蒸氣熱焓（3）飽和蒸汽帶入的物理熱Q3=7982×2691.5=21483553kJ/h式中2691.5—110oC飽和蒸汽的熱焓共計(jì)41675948kJ/h出項(xiàng)：（4）350oC時(shí)上行煤氣熱值350oC各組分的熱容（kcal/(m3·oC)）見下表：成分H2COCO2CH4O2H2Scp0.3110.3170.4600.4650.3270.390百分比%55.335.747.400.980.50.08Cp=0.5530×0.311+0.3574×0.317+0.74×0.46+0.0098×0.465+0.005×0.327+0.0008×0.39=0.3258kcal/(m3·oC)=1.364kJ/(m3·oC)Q4=12571×350×1.364=6001395kJ/h（5）350oC時(shí)上行煤氣中水汽熱3176.9kJ/kg—350oC過熱蒸汽焓Q5=12571×3176.9×0.26=10383571kJ/h（6）180oC過熱蒸汽熱Q6=7982×2823.9=22540370kJ/h2823.9kJ/kg—180oC過熱蒸汽熱（7）取熱損失為7%Q損=41675948×7%=2917316kJ/h共計(jì)41842652kJ/h誤差：×100%=0.40%3.4.3確定爐體規(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(wú)縫鋼管。煤氣的平均溫度是=422.5oC蒸汽平均體積V=7982××××=2.38m3/s初選蒸汽流速16m管子根數(shù)n===185.6即取186根管間距取50mm，填充率取90%。D=1.05t=1.05×0.05×=1.067m取1.2m以管板直徑1200mm作圖，按直列法排出管子數(shù)199根，管板折邊取100mm，于是爐體內(nèi)壁直徑為核算流速u===13.99m/s結(jié)果與假設(shè)接近，可行。圖一過熱器管板管數(shù)的確定3.4.4傳熱系數(shù)的計(jì)算列管總截面積及ReA=n××di2=199××0.0332=0.170水蒸汽質(zhì)量流速G=7982××=13.04kg/m2查得145oC下水蒸氣的黏度為=1.39×10-2cp=1.39×10-5Pa·sRe===30964>10000故蒸汽在管內(nèi)呈湍流狀態(tài)，選定條件合適。管內(nèi)傳熱系數(shù)的計(jì)算（1）管內(nèi)對(duì)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飽和蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.0194kcal/(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過熱蒸汽的比熱容：Cp=0.48kcal/(kg·oC)=2.01kJ/(kg·oC)所以：Pr===1.00又μ=1.39×10-5Pa·s<1.0003×10-3Pa·s（1.0003×10-3Pa·s為20oC下水的黏度）即蒸汽屬低黏度流體，且蒸汽在管內(nèi)呈湍流狀態(tài)，Re>10000，0.7<Pr<120,流體被加熱n=0.4。===76.12W/(m2·h·oC)=274.03kJ/(m2·h·oC)（2）管內(nèi)傳熱系數(shù)由于輻射傳熱系數(shù)<<，則可忽略故==76.12kJ/(m2·h·oC)管外傳熱系數(shù)的計(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%的殼體內(nèi)截面積），擋板間距取800mm，則流體通過管間距最大的截面積為：A===0.211m2式中，h：板間距0.8md0：管外徑0.038mD：換熱器內(nèi)徑1.2mt：管間距0.05m上行煤氣質(zhì)量流速G=12571××=11.41kg/m2·s12571—上行煤氣摩爾流量15.44—上行煤氣平均分子量(2)上行煤氣混合黏度由天津大學(xué)版《化工原理》查得=422.5oC下各組分的黏度如下：組成H2COCO2CH4O2H2SH2OmPa·s0.01560.03250.03100.01940.03600.03000.0246按平方加和法計(jì)算，混合煤氣的黏度如下：μ==(43.0×+27.71×+5.75×+0.39×+0.76×+22.31×+0.06×)/100=3.459=(43.0×0.0156×+27.71×0.0325×+5.75×0.0310×+0.39×0.0360×+0.76×0.0194×+23.31×0.0246×+0.06×0.0300×)/100=0.0938所以μ==2.72×10-5Pa·s(3)雷諾數(shù)Re由于換熱管采取正方形排列，所以水力半徑可由下式求出：de===0.0458m故Re==19439由于Re位于2×103～1×106之間，故可采用凱恩法求出。即=對(duì)氣體，=1.0（4）上行煤氣混合導(dǎo)熱系數(shù)混合煤氣的導(dǎo)熱系數(shù)可按下式求解：λ=查得422.5oC下煤氣中各組分的導(dǎo)熱系數(shù)如下表：成分H2COCO2CH4O2H2SH2OW/(m·oC)0.3600.0500.040.0700.05690.010.070.43×0.360×+0.2717×0.050×+0.0575×0.04×+0.0039×0.0569×+0.0076×0.070×+0.2231×0.07×+0.0006×0.01×=0.29950.43×+0.2717×+0.0575×+0.0039×+0.00763×+0.2231×+0.0006×=2.231所以混合煤氣的導(dǎo)熱系數(shù)λ==0.134W/(m·oC)（4）上行煤氣混合熱容422.5oC下煤氣中各組分的熱容如下表：成分H2COCO2CH4O2H2SH2Okcal/(m3·oC)0.3120.3180.4710.4800.3300.400.374cp==(43.0×0.312+27.71×0.318+5.75×0.471+0.039×0.330+0.76×0.480+22.31×0.374+0.06×0.40)/100=0.342kcal/(m3·oC)=1.432kJ/(kg·oC)（5）管外傳熱系數(shù)Pr===0.289則==158.39W/(m2·oC)由于輻射傳熱系數(shù)<<，則==158.39W/(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，部分流體短路，所以將所求按經(jīng)驗(yàn)乘以一系數(shù)0.7。=0.7=158.39×0.7=110.87W/(m2·oC)=110.87×3.6=399.13kJ/(m2·h·oC)總傳熱系數(shù)的計(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(wú)縫鋼管導(dǎo)熱系數(shù)λ=45.3W/(m·oC)，管子厚度δ=0.0025m所以K===44.50W/(m2·oC)3.4.5換熱面積的計(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==275.80oC（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查天津大學(xué)版《化工原理》對(duì)數(shù)平均溫度差校正系數(shù)φΔt值的圖得φΔt=0.98所以Δtm=275.80×0.98=270.28oC（3）熱負(fù)荷Q=Q入（煤氣）－Q出（煤氣）=（8823711+11368684）－（6001395+10383571）=3807429kJ/h故換熱面積A===88.383.4.6結(jié)論考慮到煤氣進(jìn)口溫度的波動(dòng)，安全系數(shù)取1.2，則過熱除塵器的換熱面積為A=1.2×88.38=106.0U型管平均高度H==2.57m過熱除塵器上部的過熱器規(guī)格為：內(nèi)徑：φ1換熱器：φ38×2.5的U型管199根有效高度：2另外，在過熱器下部有一與之配套制作的除塵器，其外徑按比例取為2000mm3.5廢熱鍋爐的設(shè)計(jì)3.5.1廢熱鍋爐的作用及設(shè)計(jì)原則由于在吹風(fēng)階段中，并沒有通蒸汽，吹風(fēng)氣所攜帶的熱量沒有在除塵過熱器中進(jìn)行交換，因此，這部分熱量主要在廢熱鍋爐中回收，此外，上行煤氣經(jīng)過過熱器的換熱后，在廢熱鍋爐進(jìn)一步換熱，同時(shí)，廢熱鍋爐副產(chǎn)蒸汽，送往過熱器過熱后進(jìn)煤氣爐反應(yīng)。因煤氣爐是間歇生產(chǎn)的，廢熱鍋爐應(yīng)能滿足最大熱負(fù)荷的需要，各階段以吹風(fēng)時(shí)的熱負(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：41871Nm3/h（干）（2）每標(biāo)準(zhǔn)立方米干吹風(fēng)氣中水汽含量：0.0131kg/m3=0.0163（3）濕吹風(fēng)氣成分及流量成分H2COCO2O2N2CH4H2SH2O共計(jì)Nm3/h1339.873399.96585.35359.6730201.55167.4817.17682.5042553.47kmol/h59.82151.78285.0616.061348.287.480.7730.471899.72百分比%3.157.9915.010.8570.970.390.041.60100.00（4）濕吹風(fēng)氣的平均分子量M=（2×3.15+28×7.99+44×15.01+32×0.85+28×70.97+16×0.39+34×0.04+18×1.60）×=29.41（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：1.05kgf/cm2（絕）（8）產(chǎn)汽壓力：2kgf/cm（9）軟水溫度：30oC軟水總固體150ppm排污水總固體2000ppm。3.5.3按吹風(fēng)氣計(jì)算廢熱鍋爐的生產(chǎn)能力設(shè)新軟水加入量xkg，產(chǎn)汽量ykg。熱量平衡進(jìn)項(xiàng)：（1）進(jìn)口干吹風(fēng)氣熱焓Q1=41871×545×1.512=34503378.84kJ/h（2）進(jìn)口吹風(fēng)氣中水汽熱焓Q2=41871×0.0131×3577.3=1907334.17kJ/h3583.9—545oC下水汽熱焓（3）軟水焓Q3=30x×4.187=125.6xkJ/h共計(jì)（36410713.01+125.6x）kJ/h出項(xiàng)：（4）出口干吹風(fēng)氣焓Q4=41871×1.449×230=13954348kJ/h（5）蒸汽焓Q5=2704ykJ/h（6）出口吹風(fēng)氣中水汽焓Q6=41871×0.0131×2933=1608780.12kJ/h2933—230oC下水汽熱焓（7）排污水焓Q7=502（x-y）kJ/h（8）熱損失(取入熱的3%)Q8=（36410713.01+125.6x）×3%=1092321+3.8x共計(jì)（16655449+505.8x+2202y）kJ/h平衡：36410713.01+125.6x=16655449+505.8x+2202y即380.2x+2202y=19755264①總固體平衡150x=2000(x-y)1850x-2000y=0②由①和②式得：x=8173kg/hy=即：軟水加入量：8173蒸汽產(chǎn)量：7560排水量：8173－7560=6133.5.4爐體規(guī)格的確定采用火管式，列管六角形排列，管束間留十字形排污通道。吹風(fēng)氣的平均溫度t===387.5oC吹風(fēng)氣平均體積流量：V=41871×××=27.68m3/s火管采用φ76×2.5mm則管子根數(shù)：n===493.7取494根管間距取100故D=1.05t=1.05×0.1×=2.46m以管板直徑2500mm作圖，按六角形排列法排出管子數(shù)494根，管板折邊取100核算流速u===17.93m/s結(jié)果與假設(shè)接近，可行。圖二廢熱鍋爐管板管數(shù)的確定3.5.5傳熱系數(shù)的計(jì)算管內(nèi)傳熱系數(shù)的計(jì)算（1）火管總截面積A=n××di2=494××0.0692=1.846m（2）氣體質(zhì)量流速G=Mn總/sA==8.41kg/m2·s（3）吹風(fēng)氣混合黏度、雷諾數(shù)吹風(fēng)氣的定性溫度t===387.5oC387.5oC下各組分氣體的黏度如下表：成分H2COCO2CH4O2N2H2SH2OmPa·s0.0150.0320.0280.0220.0360.0320.0380.023百分比%3.027.9314.030.820.5870.270.0413.27按平方根規(guī)律計(jì)算混合吹風(fēng)氣的黏度：μ==(3.15×+7.99×+15.01×+0.85×+70.97×+0.39×+0.04×+1.60×)/100=5.352=(3.15×1.52×+7.99×3.16×+15.01×2.94×+0.85×3.59×+70.97×3.27×+0.39×2.10×+0.04×2.87×+1.60×2.35×)×=16.55×10-6故μ==0.031mPa·s=3.1×10-6Pa·s所以Re===18719>10000則氣體在管內(nèi)呈湍流狀態(tài)，選定條件合適。（4）吹風(fēng)氣的混合導(dǎo)熱系數(shù)387.5oC下各組分氣體的導(dǎo)熱系數(shù)如下表：成分H2COCO2CH4O2N2H2SH2OW/(m·oC)0.029200.0400.03960.08780.04650.04290.0450.045按以下公式計(jì)算λ：λ=（3.15×+7.99×+15.01×+0.85×+70.97×+0.39×+0.04×+1.60×）/100=3.047（3.15×0.02920×+7.99×0.040×+15.01×0.0396×+0.85×0.04657×+70.97×0.0429×+0.39×0.0878×+0.04×0.045×+1.60×0.045×）/100=0.143λ==0.0196W/(m·oC)（5）吹風(fēng)氣的混合平均熱容387.5oC下各組分氣體的熱容如下表：成分H2COCO2CH4O2N2H2SH2Okcal/(m3·oC)0.3120.3170.4640.4700.3280.3160.6900.371cp==(3.15×0.312+7.99×0.317+15.01×0.464+0.85×0.328+70.97×0.316+0.39×0.470+0.04×0.39+1.60×0.371)/100=0.340kcal/(m3·oC)==1.084kJ/(kg·oC)(6)管內(nèi)傳熱系數(shù)Pr===0.605又μ=3.1×10-5Pa·s<1.0050×10-3Pa·s（1.0050×10-3Pa·s為20oC下水的黏度）即氣體屬低黏度流體，且氣體在管內(nèi)呈湍流狀態(tài)，Re>10000，0.7<Pr<120,流體被冷卻，則n=0.6。===139.85W/(m2·oC)由于輻射傳熱系數(shù)<<所以==139.85kcal/(m2·h·oC)管外傳熱系數(shù)的計(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(duì)），atm（1atm=0.098MPa）鍋爐熱負(fù)荷Q=進(jìn)口吹風(fēng)氣焓-出口吹風(fēng)氣焓=36410713－（13954348+1608780.12）=20847585kJ/h假設(shè)鍋爐傳熱面積為136q==6868kcal/(m2·h)==1716kcal/(m2·h·oC)=7185kJ/(m2·hoC)總傳熱系數(shù)的計(jì)算管道污垢熱阻R=R內(nèi)+R外=（0.002+0.001）/4.1868=5.016×10-4(m2·h·oC)/kJ管子厚度δ=0.00K===132.87kJ/(m2·h·oC)換熱面積的校驗(yàn)(1)平均溫差ΔtmΔtm==217oC133.4—1.05kgf/cm2下飽和蒸汽的溫度(2)換熱面積換熱面積A===723.1m2誤差×100%=0.21%與假設(shè)接近，可行。換熱面積的計(jì)算應(yīng)先假定一個(gè)值，然后按照上面的方法進(jìn)行校驗(yàn)，若誤差較大，則重新假定，直至誤差在允許范圍內(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的假設(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136m爐管高度H==6.77m（取7m鍋爐規(guī)格為：爐體內(nèi)徑：φ2700爐管：φ76×3.5，494根有效高度：73.6洗氣箱的設(shè)計(jì)3.6.1洗氣箱的作用及設(shè)計(jì)原則上行煤氣和下行煤氣經(jīng)初步處理后來(lái)到洗氣箱，此時(shí)溫度分別大約是230oC、200oC，還應(yīng)進(jìn)行降溫；另仍帶有不少的灰塵，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步除塵。洗氣箱的水位必須對(duì)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的蒸發(fā)降低煤氣的溫度，出洗氣箱的煤氣溫度為75oC。另洗氣箱的存在可以提高煤氣在洗滌塔中的洗滌效果，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。洗氣箱的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于洗滌水的加入量和蒸發(fā)水的確定，即為加入的洗滌水量必須大于蒸發(fā)水量，防止洗氣箱水位的不斷下降，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)，能保證正常的溢流即可。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：φ720×6進(jìn)氣管液封高度：100上行煤氣流量：12571Nm3/h下行煤氣流量：8015Nm3/h洗滌水用量：153.6.3洗氣箱直徑的確定式中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=9.8kPa）；即D=2.35m（取洗氣箱直徑為23.6.4洗滌水用量的確定由于煤氣發(fā)生爐是間歇操作，則通過洗氣箱的氣量隨制氣循環(huán)中各階段的不同而變化，為保證冷卻效果，應(yīng)以最大氣體流量進(jìn)行計(jì)算，而上吹制氣階段的氣體流量最大，故用上吹制氣過程的參數(shù)計(jì)算。另用下行煤氣參數(shù)校驗(yàn)即可。上行煤氣流量12571Nm3/h=561.21kmol/h上行煤氣中水汽流量12571×0.26=3268.46取冷卻水用量為上行煤氣參數(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煤氣中各組分的熱容如下表（kcal/(m3·oC)成分H2COCO2CH4O2H2Skcal/(m3·oC)0.3110.3130.4370.4500.6230.685cp==0.5530×0.611+0.3574×0.613+0.041×0.437+0.0098×0.450+0.001×0.623+0.0008×0.685=0.624kcal/(m3·oC)Q1=12571×230×1.348=3897513kJb.干上行煤氣中水汽焓Q2=3268.46×2937.6=9601428kJc.冷卻水焓Q3=30×1500×4.187=188406kJ合計(jì)13687347kJ（2）出洗氣箱上行煤氣熱焓a.干上行煤氣熱焓75oC煤氣中各組分的熱容如下表（kcal/(m3·oC)）成分H2COCO2CH4O2H2Skcal/(m3·oC)0.3100.3110.4000.3830.3150.373cp==0.5530×0.610+0.3574×0.611+0.074×0.400+0.0098×0.683+0.005×0.615+0.0008×0.673=0.619kcal/(m3·oC)Q1=12571×75×1.331=1254900kJ/hb.干上行煤氣中水汽焓Q2=（3268.46+W）×2633.5=(8607489+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×（1500-W）×4.1868=314010－209.35WkJ/h合計(jì)(10176399+2424.15W)kJ/h平衡：13687437=10176399+2424.15WW=1448.3kg/h=64.66因?yàn)橄礆庀涫抢盟恼舭l(fā)而帶走熱量的，蒸發(fā)的水量應(yīng)該少于洗滌水的加入量，故假設(shè)洗滌水用量為1500(3)出洗氣箱上行煤氣量出洗氣箱氣體中水汽含量：1448.3+3268.46=4716.76出洗氣箱上行煤氣流量：12571+=18440.75Nm3/h根據(jù)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：8015Nm3/h=357.81kmol/h水汽：8015×0.5=4007.5kg/h=(1)進(jìn)洗氣箱下行煤氣熱焓a.煤氣顯熱200oC煤氣中各組分的熱容如下表（kcal/(m3·oC)成分H2COCO2CH4O2H2Skcal/(m3·oC)0.3110.3130.4340.4200.3220.378cp==0.5530×0.311+0.3574×0.313+0.074×0.434+0.0098×0.420+0.005×0.322+0.0008×0.378=0.624kcal/(m3·oC)Q1=8015×200×0.322×4.1868=2161083.81kJ/hb.水汽熱焓Q2=4007.5×686.6×4.1868=11520187.45kJ/h式中686.6—200oC過熱蒸汽熱焓，kcal/kgc.冷卻水焓Q3=30×1500×4.1868=188406kJ/h合計(jì)