造氣工藝調(diào)整參數(shù)理論計(jì)算

1、造氣工藝調(diào)整參數(shù)理論數(shù)據(jù)造氣工藝調(diào)整參數(shù)的資料收集和計(jì)算主要從以下幾個(gè)方面來(lái)展開(kāi)：蒸汽分解率與時(shí)間的關(guān)系，蒸汽分解率與溫度的關(guān)系，達(dá)到設(shè)定爐溫所需的風(fēng)量和加風(fēng)時(shí)間，焦炭的活性和溫度的關(guān)系。一、蒸汽分解率與時(shí)間的關(guān)系C+H2O=CO+H2 -118.821KJ/mol1、資料收集與計(jì)算目的：通過(guò)蒸汽分解率與時(shí)間關(guān)系的計(jì)算和資料收集以確定蒸汽的壓力、送氣時(shí)間。2、停留時(shí)間的計(jì)算計(jì)算條件：床層高度h=2.2m，煤氣流量q0=3580Nm3/h，爐徑D=2.4m，床層孔隙率=55%，煤氣壓力P0（表壓）=6.5kPa，煤氣溫度T0=260，折標(biāo)系數(shù)k=標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓力/標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度=101/273=0.3

2、70kPa/K，計(jì)算公式：停留時(shí)間=床層高度/流速=床層高度/(流量/（爐截面積*床層空隙率）計(jì)算結(jié)果：停留時(shí)間=2.8s。3、蒸汽壓力的計(jì)算計(jì)算條件：根據(jù)停留時(shí)間=2.8s，取氣化層溫度為1200，查蒸汽分解率與分解時(shí)間關(guān)系圖，見(jiàn)圖1，得蒸汽分解率=48%，圖1 蒸汽分解率與溫度、反應(yīng)時(shí)間和炭性質(zhì)的關(guān)系入爐蒸汽溫度t1=160，入爐蒸汽壓力p1（表壓）=7 kPa，入爐前蒸汽管徑D1=0.8m，送蒸汽管管徑D2=0.2m，根據(jù)入爐前溫度160，查飽和水蒸氣表（取1.5個(gè)大氣壓下數(shù)據(jù)），見(jiàn)表1,得入爐前溫度下蒸汽密度= 0.744 kg/m3，表1 過(guò)熱蒸氣性質(zhì)表計(jì)算蒸汽流量公式：蒸汽流量=煤

3、氣流量/（1+蒸汽分解率）計(jì)算結(jié)果：標(biāo)準(zhǔn)狀況下蒸汽流量q=2601 Nm3/h。計(jì)算工況下蒸汽流量公式：工況下蒸汽流量=標(biāo)準(zhǔn)態(tài)蒸汽流量*折標(biāo)系數(shù)*（工況下蒸汽溫度+273）/（工況下蒸汽表壓+101）計(jì)算結(jié)果：工況下蒸汽流量q1=3859 m3/h。計(jì)算入爐前蒸汽管蒸汽流速公式：蒸汽流速=工況下蒸汽流量/蒸汽管截面積計(jì)算結(jié)果：入爐前管道內(nèi)蒸汽流速u1=2m/s?？紤]了管道阻力與蒸汽的粘度系數(shù)等因素的影響。根據(jù)質(zhì)量守恒定律計(jì)算送蒸汽管流速公式：入爐前蒸汽管流速*入爐前蒸汽管截面積=送蒸汽管蒸汽流速*送蒸汽管截面積計(jì)算結(jié)果：蒸汽自調(diào)減壓閥后送蒸汽管蒸汽流速u2=34m/s。計(jì)算送蒸汽管蒸汽壓力p2

4、，根據(jù)機(jī)械能守恒定律計(jì)算送蒸汽管蒸汽壓力公式（考慮管徑突然增大導(dǎo)致的局部阻力損失）：p1/+（u1*u1）/2+hf=p2/+（u2*u2）/2hf=(1-A2/A1)*(1-A2/A1)*u2*u2/2計(jì)算結(jié)果：送蒸汽管蒸汽壓力p2=69.1kPa。4、改變計(jì)算條件重復(fù)以上計(jì)算過(guò)程獲得計(jì)算結(jié)果匯總<1>2.4m爐的情況（直管阻力損失取局部阻力損失0.2倍）（1）、停留時(shí)間，表1-1空層高度（m）2.22.01.8停留時(shí)間（s）2.32.52.8（2）送蒸汽壓力停留時(shí)間為2.8s時(shí)，表1-2床層阻力蒸汽壓力蒸汽溫度7.0kPa7.5kPa8.0kPa16069.169.069.01

5、9072.872.772.620074.674.574.421076.075.975.7圖1-1<2>、2.8m爐的情況（直管阻力損失取局部阻力損失0.1倍）煤氣流量q0=5700Nm3/h（1）、停留時(shí)間，表1-3空層高度（m）2.22.01.8停留時(shí)間（s）2.12.32.6（2）送蒸汽壓力停留時(shí)間為2.6s時(shí)，表1-4床層阻力蒸汽壓力蒸汽溫度7.0kPa7.5kPa8.0kPa16055.555.555.619058.758.758.820059.859.859.821060.960.960.9圖1-2二、蒸汽分解率與爐溫的關(guān)系1、資料收集與計(jì)算目的：以明確還原層溫度控制，蒸

6、汽溫度的控制，蒸汽分解過(guò)程中吸熱導(dǎo)致?tīng)t溫下降對(duì)分解率的影響。 2、碳與水蒸汽的非均相氣化反應(yīng)的化學(xué)平衡在造氣爐中存在著一系列的化學(xué)平衡，主要有碳的氧化燃燒反應(yīng)，CO2與碳的還原反應(yīng)。碳與水蒸汽的非均相氣化反應(yīng)，CO與水蒸汽的變換反應(yīng)，還有甲烷的生成與轉(zhuǎn)化反應(yīng)等。在此次計(jì)算中，只討論碳與水蒸汽的非均相氣化反應(yīng)，以探討蒸汽分解率與造氣爐溫的關(guān)系。在此假定在不采用上吹加氮或上下吹加氮的造氣爐制氣階段，造氣爐內(nèi)同時(shí)存在C+H2O=CO+H2和C+2H2O=CO2+2H2兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)，略去CO2還原和CH4的生成等反應(yīng)。設(shè)入爐蒸汽量為l kmol，其中akmol水蒸汽與碳反應(yīng)生成akmolCO和akmo

7、l H2，bkmol水蒸汽與碳反應(yīng)生成b/2kmolCO2和b kmolH2，未分解蒸汽為(1-a-b)kmol。并設(shè)在生成物中CH4等其它氣體含量為c kmol/kmol蒸汽。反應(yīng)后氣體總量為(1+a+b/2+c)kmol，其中YCO=a/(1+a+b/2+c)，YCO2=0.5b/(1+a+b/2+c),=(a+b)/(1+a+b/2+c),YH2O=(1-a-b)/(1+a+b/2+c)。將各氣體成分分別帶入兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)式：Kp1=PCO*PH2/PH2O=P*YCO*YH2/YH2O=P* Kp2=PCO*PH22/PH2O2=P*YCO*YH22/YH2O2=P*在特定爐溫

8、和氣化壓力下，Kp1和Kp2為定值，解此二元方程組，即可得到a和b，進(jìn)而求出蒸汽分解率。常壓制氣造氣爐中，壓力P取作latm。不加氮制氣階段的純水煤氣中CH4、N2、O2等氣體含量極少，為簡(jiǎn)化計(jì)算取c=0。上面的兩式簡(jiǎn)化為： Kp1= Kp2=兩式相除，可得Kp3=Kp2/Kp1=0.5b*(a+b)/a*(1-a-b)，式中Kp3即為CO的變換反應(yīng)CO+H2O=CO2+H2的平衡常數(shù)。聯(lián)解l、3兩方程即得a和b。計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)下表22。 3、碳與水蒸汽的非均相氣化反應(yīng)的平衡常數(shù) 對(duì)碳?xì)饣磻?yīng)的平衡常數(shù)Kp1和變換反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp3研究的已比較透徹，各資料均有介紹，但按不同表達(dá)式所計(jì)算的各溫度下

9、的Kp值有較大出入，此處取小氮肥廠工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)給出的1.1.14和4.1.3進(jìn)行計(jì)算。非均相水煤氣反應(yīng)：C+H2O=CO+H2lgKpl=-4825.986/T+14.51576lgT-5.671122*10-3T+0.825548*10-6T2-33.45778CO的變換反應(yīng)：CO+H2O=CO2+H2lgKp3=3994.704/T+12220277719T-0004462408T+0671814*10-6T2-36.72508不同爐溫下的平衡常數(shù)見(jiàn)表21表21攝氏溫度()絕對(duì)溫度KlgKpllgKp3KplKp3300573-4.82191.61550.0000241.258500773

10、-1.66730.6891 0.0224.887600873-0.61650.40710.2422.553700973 0.22060.19011.6621.54990011731.4649-0.121929.160.755110013732.3428-0.3328220.20.465 3、蒸汽分解率隨爐溫升高而升高將不同溫度下的Kpl和Kp3代入兩個(gè)方程式，聯(lián)立解二元二次方程組(試差)可得：表22攝氏溫度()ab干基CO()干基CO2()干基H2()蒸汽分解率()3000.00010.10180.0933.2766.6410.195000.03340.40994.9130.0665.0344

11、.346000.17910.477716.6722.2261.1165.697000.53000.310834.7310.1855.0984.099000.95920.024449.060.6250.3l98.3611000.99580.001949.930.0550.0299.77圖21 煤氣爐蒸汽分解率與爐溫的關(guān)系圖 從圖21和表2-2容易看出，隨著造氣爐溫的升高，蒸汽分解率迅速提高，水煤氣中的CO含量升高，CO2含量下降。固定床間歇造氣爐的蒸汽分解率測(cè)定值一般為50左右，達(dá)到60算比較高，50-60%的分解率相當(dāng)于平衡溫度為527附近的蒸汽分解率，這表明造氣爐內(nèi)的各種反應(yīng)遠(yuǎn)未達(dá)到平衡，一

12、般很少有人研究造氣爐內(nèi)的平衡問(wèn)題，也就沒(méi)有諸如變換爐、氨合成塔中的“平衡溫距”等概念。由于在造氣爐的工況下，反應(yīng)是遠(yuǎn)離平衡的，水蒸氣和碳不可能達(dá)到充分混合均勻，水蒸氣的分解率不可能達(dá)到100%。本表所給的數(shù)據(jù)僅能作為變化趨勢(shì)來(lái)看待。4、還原層溫度控制根據(jù)文獻(xiàn)合成氨工學(xué)的分析，還原層的溫度不能超過(guò)原料的灰熔點(diǎn)溫度。如果某處燃料層的溫度過(guò)高，將在此處產(chǎn)生熔渣，從而使氣化劑在爐膛截面分布不均勻，導(dǎo)致煤氣爐發(fā)氣量和氣體質(zhì)量下降；嚴(yán)重時(shí)，由于熔渣周圍的溫度越來(lái)越高，渣塊不斷結(jié)大，不能從爐內(nèi)排出，導(dǎo)致煤氣爐無(wú)法生產(chǎn)。燃料層溫度過(guò)高，出氣溫度會(huì)增高，帶走的顯熱多，導(dǎo)致熱效率下降。一般燃料層的溫度根據(jù)燃料性質(zhì)

13、控制在1200左右，最佳溫度控制在低于灰熔點(diǎn)50左右。焦炭的灰熔點(diǎn)在1320，還原層溫度應(yīng)控制在1250左右。5、蒸汽分解率對(duì)蒸汽用量的影響 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，合成1000kg氨約需33003400Nm3半水煤氣，其中H2含量約為43，需11401175kg水蒸汽分解。受造氣爐內(nèi)炭層高度、氣化層溫度及蒸汽品質(zhì)等條件限制，造氣蒸汽分解率僅4060。若計(jì)及上下吹變換時(shí)爐頂爐底未進(jìn)氣化層的部分蒸汽，則其實(shí)際分解率還要低一些。不同蒸汽分解率下噸氨耗蒸汽量如下：(kg/噸氨)圖2-2表23煤氣用量蒸汽(Nm3/tNH3)分解率()100 6055 50454033001140190020732280253

14、328503400117519582136235026112938作為二次能源的水蒸汽，lkg蒸汽需0.150.16kg煙煤制取。當(dāng)蒸汽分解率從50提高到55時(shí)，噸氨可節(jié)汽200kg，折燃料煤3032kg，節(jié)能潛力較大。三、達(dá)到設(shè)定爐溫所需要加風(fēng)的時(shí)間1、資料收集與計(jì)算目的：通過(guò)對(duì)不同爐溫和不同風(fēng)壓下空氣量的計(jì)算，理論上確定加風(fēng)時(shí)間。2、焦炭的燃燒反應(yīng)放出的熱量已知焦炭的平均比熱容為常溫為1.26 kJ/kg.，0.808kJ/kg.(100),1.465 kJ/kg.(1000),本地空氣里面的氧氣含量為21%，吹風(fēng)階段主反應(yīng)：C+O2=CO2 +393.8KJ/mol 2C+O2=2CO

15、+222.6KJ/mol根據(jù)資料的查找，吹風(fēng)階段放出的熱量可根據(jù)吹風(fēng)氣氣體成分做計(jì)算分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)正常情況兩個(gè)主反應(yīng)放熱比例為2.2-2.5，根據(jù)反應(yīng)方程式吹風(fēng)階段碳與氧氣反應(yīng)放出的熱量為337.3 KJ/mol。3、達(dá)到不同爐溫所需熱量的計(jì)算(1) 1噸焦炭從常溫15加熱到1300時(shí)所需的熱量計(jì)算：1000*（85*1.26+0.808*900+1.465*300）=1273800 KJ（2）1噸焦炭從常溫15加熱到1250時(shí)所需的熱量：1000*（85*1.26+0.808*900+1.465*250）=1200550 KJ（3）1噸焦炭從常溫15加熱到1200時(shí)所需的熱量：1000*

16、（85*1.26+0.808*900+1.465*200）=1127300 KJ4、不同爐溫和不同風(fēng)壓所需空氣量（1）達(dá)到1300時(shí)空氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀況）1273800/337.3*22.4/1000/0.21=403m3根據(jù)公式P1V1=PV，計(jì)算風(fēng)壓在15kpa（115mmHg），16.25kpa(125mmHg），17kpa(130mmHg）下的空氣用量分別為：351 m3，347 m3, 345 m3;（2）達(dá)到1250時(shí)空氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀況）1200550/337.3*22.4/1000/0.21=380m3根據(jù)公式P1V1=PV，計(jì)算風(fēng)壓在15kpa（115mmHg），16.25kpa(1

17、25mmHg），17kpa(130mmHg）下的空氣用量分別為：331m3，327 m3, 325 m3;（3）達(dá)到1200時(shí)空氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀況）1127300/337.3*22.4/1000/0.21=357m3根據(jù)公式P1V1=PV，計(jì)算風(fēng)壓在15kpa（115mmHg），16.25kpa(125mmHg），17kpa(130mmHg）下的空氣用量分別為：311m3，308 m3, 306 m3;5、不同爐溫和風(fēng)壓下的加風(fēng)時(shí)間計(jì)算加風(fēng)時(shí)間,經(jīng)過(guò)查資料可得數(shù)據(jù)，表壓力10-30kpa的空氣流速為20m/s。（1）風(fēng)管管徑設(shè)為DN800時(shí)，爐溫為1300時(shí)風(fēng)壓為15 kpa加風(fēng)時(shí)間為：351/(

18、0.4*0.4*3.14*20)=35風(fēng)壓為16.25 kpa加風(fēng)時(shí)間為：347/(0.4*0.4*3.14*20)=34.5風(fēng)壓為17 kpa加風(fēng)時(shí)間為：345/(0.4*0.4*3.14*20)=34（2）風(fēng)管管徑設(shè)為DN800時(shí)，爐溫為1250時(shí)風(fēng)壓為15 kpa加風(fēng)時(shí)間為：331/(0.4*0.4*3.14*20)=33風(fēng)壓為16.25 kpa加風(fēng)時(shí)間為：327/(0.4*0.4*3.14*20)=32.5風(fēng)壓為17 kpa加風(fēng)時(shí)間為：325/(0.4*0.4*3.14*20)=32（3）風(fēng)管管徑設(shè)為DN800時(shí)，爐溫為1200時(shí)風(fēng)壓為15 kpa加風(fēng)時(shí)間為：311/(0.4*0.4*

19、3.14*20)=31風(fēng)壓為16.25 kpa加風(fēng)時(shí)間為：308/(0.4*0.4*3.14*20)=30.6風(fēng)壓為17 kpa加風(fēng)時(shí)間為：306/(0.4*0.4*3.14*20)=30.56、空氣密度和溫度及壓力關(guān)系的探討根據(jù)公式可以看出空氣密度和風(fēng)壓及溫度的關(guān)系，氣溫下降影響空氣的密度，空氣密度增加影響風(fēng)壓。在爐況調(diào)整時(shí)，氣溫下降，可適當(dāng)?shù)慕档惋L(fēng)壓或吹風(fēng)時(shí)間。7、計(jì)算結(jié)果圖標(biāo)統(tǒng)計(jì)：表3-1不同壓力下空氣量不同壓力加風(fēng)時(shí)間爐溫標(biāo)準(zhǔn)狀況15kpa16.25kpa17kpa15kpa16.25kpa17kpa13004033513473453534.5341250380331327325333

20、2.53212003573113083063130.630.5圖3-1圖3-2四、確定焦炭活性與溫度的關(guān)系圖4-1表4-1不同溫度下焦炭活性的測(cè)定表溫度()1#CO2(%)1#(%)2#CO2(%)2#(%)CO2(%)(%)102583.0 8.0 81.5 9.0 82.3 8.5 105075.5 13.0 76.5 13.0 76.0 13.0 107568.0 19.0 68.0 19.0 68.0 19.0 110057.0 27.0 58.0 25.5 57.5 26.3 112547.0 35.0 51.5 31.5 49.3 33.3 115040.0 42.5 42.0 40.5 41.0 41.5 117532.5 50.0 36.0 47.0 34.3 48.5 五、提高蒸汽分解率對(duì)系統(tǒng)的影響1、提高蒸汽分解率原料煤耗也要降低蒸汽分解率提高，意味著造氣在高爐溫下運(yùn)行。原料煤耗必然降低，對(duì)外排放的吹風(fēng)氣量和爐渣量均相應(yīng)減少。在此不再做定量計(jì)算。造氣所用蒸汽一般不超過(guò)220，而出爐氣體溫度多在270350，未分解蒸汽在爐內(nèi)被過(guò)熱后外排，加熱該蒸汽亦需消耗一定量的寶貴原料煤。當(dāng)向造氣供給的蒸汽品質(zhì)較差時(shí)(如低溫飽和蒸汽)，除蒸汽分解率不易提高外，原料煤消耗量也將更高。2、提高蒸汽分解率冷卻負(fù)荷相應(yīng)減輕蒸汽分