净化黄磷尾气燃气发电系统设计(共27页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上5000Nm 3/h净化黄磷尾气燃气发电系统设计课程设计报告 The design of 5000Nm3/h yellow phosphorus exhaust gas purification power system目 录 摘要:黄磷尾气富含一氧化碳,且含有硫、磷、砷、氟、氰化物和原料粉尘等杂质,它的排放既污染了环境又造成资源浪费。为了改善黄磷尾气的综合利用现状,本文对黄磷尾气净化发电进行了介绍。主要针对发电系统中燃气轮机燃烧室进行了概述,综述圆筒型燃烧室的原理、结构及其性能,并进行各部分设计计算,绘制了其结构图。关键词:黄磷尾气 发电 燃气轮机 燃烧室 Abst
2、ract: Carbon monoxide emission, and rich in yellow phosphorus containing sulphur, phosphorus, arsenic and fluorine, cyanide and raw materials, its impurities such as dust emission is the environment and resource waste. In order to improve the comprehensive utilization yellow phosphorus exhaust emiss
3、ion of China, this paper introduces the purification power. Mainly aimed at generating system for gas turbines in the combustion chamber, this paper summarized the principle of cylinder combustion, structure and properties, and the design calculation, each part drawing for its structure.Keywords: ye
4、llow phosphorus exhaust generating gas turbine chamber1 综述1.1课题研究背景1.1.1国内外黄磷产业现状 黄磷是重要的基本化工原料之一,用途十分广泛。其生产方法有高炉法和电炉法两种,因高炉法的技术经济指标差等原因,国内外都用电炉法生产。近十年来,随着世界各国能源供应日益紧张,电价逐渐上涨,环保要求不断提高,国外黄磷生产规模和产量逐年下降,磷化工格局已开始发生变化,其中心逐步移向我国。与国外对比,我国黄磷工业的特点是:国产化小型制磷电炉多,原料加工简单化,自动化水平低,产品单一,污染较严重;一些引进装置用的磷矿通过预处理,人炉的炉料质量好
5、,磷炉的电耗较低(1300013500 kWht,P 计),自动化水平较高,操作环境较好、污染较少,但生产成本仍较高,电炉开工率较低。产品单一、结构不合理、劳动生产率低、经济效益较差,环境污染较严重是我国黄磷生产普遍存在的问题。目前,全世界黄磷生产能力2200 kta以上,我国黄磷生产能力约1750kta,约占全球黄磷生产总能力的77。2006年我国黄磷产量为830.7 kt,其中出口79 kt,创汇.60万美元。我国已是世界上黄磷生产和出口大国,但不是强国。1.1.2 黄磷尾气的综合利用现状 1. 多数低附加值利用和放空燃烧目前,中国多数黄磷生产厂家将未净化尾气代替煤作燃料,用于干燥生产黄磷
6、的原料(磷矿、焦炭和硅石)、蒸馏“泥磷”回收磷和烧热水等,若以利用部分的有效热量计,尾气有效利用率20 ,80属浪费型燃烧或放空燃烧。从国外引进的黄磷生产装置其黄磷尾气主要用于烧结磷矿,有效利用率较高。 2. 少量用作清洁燃料有些黄磷和磷酸盐生产企业将尾气多次水洗除去原料粉尘和部分化学杂质硫化物、磷化物等,以净化尾气代替煤气作燃料,用于磷酸盐生产过程的干燥和脱水工序(如三聚磷酸钠),尾气利用价值和利用率较高,但中国具备此类使用条件的企业不多。3. 少量用作高附加值产品的原料以净化尾气作原料生产甲酸钠及其下游产品甲酸、草酸等的企业目前有6家,因其黄磷产能小,所以尾气利用量占中国排放总量的比例小。
7、1.2 燃气发电意义及发展趋势黄磷尾气主要成分是CO,另外还有氮气、氢气、二氧化碳、磷化氢、硫化氢、二氧化硫、砷化氢、氟化硅等杂质。它是一种易燃、易爆、有毒气体,因此如何回收综合利用黄磷尾气从资源,以及环境保护的角度都是令人关注的问题。目前,利用其净化后气体燃气发电已成为一种有效途径。通常燃气发电方式有3种:1.作为蒸汽锅炉的燃料燃烧 ,生产蒸汽带动蒸汽轮机发电;2.在燃气轮机内燃烧带动发电机发电 ,其特点是要求燃气压力在 0.0982.92MPa 之间,气化气也不需要冷却,但有灰尘、杂质等污染问题;3.在内燃机内燃烧带动发电机发电,这种方式应用广泛,而且效率较高,但对气体要求严格,气化气必须
8、经净化及冷却。 现今都在向燃气蒸汽联合循环发电方向发展。1.3 燃气轮机简介1.3.1 燃气轮机的工作原理燃气轮机是以空气为介质靠高温燃起推动涡轮(透平)机械连续做工的大功率、高性能动力机械。它主要是由压气机、燃烧室和透平三大部件组成,再配以进气、排气、控制、传动和其他辅助系统。当机组启动成功后,压气机连续不断地从外界大气中吸入空气并增压,不断喷入燃烧室的燃料与空气混合后点火、燃烧,高位高压燃气在透平中做功,降压降温的气体经喷管或排气装置直接排入大气,或引入废热锅炉,回收部分余热后再排入大气。燃气在透平中所做的机械功,2/3左右被用来代动压气机,消耗在压缩空气上;剩余的那部分功,则通过机组的输
9、出轴带动外界的各种负荷,使发电机发电。上述过程就是燃气轮机将燃料化学能转化为机械功的工作原理。1.3.2 燃气轮机的结构燃气轮机主体结构主要有三部分:(1)压气机(空气压缩机);(2)燃烧室;(3)透平段(动力涡轮)。燃烧室和透平段不仅工作温度高,而且还承受燃气轮机在起动和停机时,因温度剧烈变化而引起的热冲击,工作条件非常恶劣,故它们是决定燃气轮机寿命的关键部件。为确保有足够的运行寿命,这两大部件中工作条件最差的零部件如火焰筒和透平叶片等,须用镍基和钴基合金等高温材料外加耐温涂层来实现,同时还必须用空气冷却技术来降低工作部件表面的温度。图以为燃气轮机的循环过程:图一 燃气轮机循环1.4 燃烧室
10、1.4.1 燃烧室的基本概念 燃气轮机燃烧室是指使喷入的燃料与从压气机来的高压空气混合燃烧从而形成高温燃气的设备。它能在近乎等压的条件下把燃料中的能量释放出来,直接加热工质 (空气)以提高其做功能力。通常,它是用钢板和高温合金板料制成的。燃烧过程为了适应燃气轮机轻小的特点,燃烧室的尺寸都必须设计得比较紧凑,一般它在单位时间和单位体积内能够燃烧释放出比常压锅炉大10300倍的热量,因而燃烧过程是在高热强度、高速流动的连续气流中进行的。此外,由于进入燃气透平的燃气初温的限制,供给燃烧室的空气流量与燃料流量的比值总是比理论燃烧条件下的配比关系大得多,而且气流的温度、压力和流速都随燃气轮机负荷的改变而
11、发生较大幅度的变化,有时还要求同一个燃烧室能够兼烧多种燃料。这些特点使得燃烧过程甚难组织,为此必须采取特殊措施。否则,燃烧室会被烧坏,火焰容易被吹灭,燃料不能完全燃烧,火焰会伸得过长而烧毁燃气透平。通常,燃烧室有圆筒型、分管型、环管型和环型之分。1.4.2 燃烧室的结构1.外壳 燃烧室外壳是由耐热钢板焊件制成的圆筒,外壳的支撑与联接常常用波纹管、导销、套管火弹簧支座,保证自有膨胀补偿和对中。有时在外壳内壁还衬有一层隔热屏,以降低温度,增加燃烧区的温度。 2.火焰筒 是用1.5mm3mm厚的耐热合金板料碾压、焊接拼成的几段圆筒,总的长径比1/d13各段圆筒用3个径向销定位,支在外壳中并能维持同心
12、膨胀。火焰筒壁上设计有许多气孔或气缝,火焰筒前部有空气扩压段。火焰筒把进气空气分配成几股,以保证适当的燃烧混合比。 3.火焰稳定器 位于燃烧区的前端,大都为环状,围绕喷燃嘴安装,用来降低燃烧区局部流速(小于1525m/s)和形成回流,使空气与燃料增加接触,并使熄火。火焰稳定器的形式主要有旋流片和碗式两类,可单个是用,也可以多个并列或同心组合应用,以改善燃烧过程。 4. 燃料喷嘴 由燃料系统供应的燃料,通过燃料喷嘴按所需要的流量、匀细度及方向喷出,以便同第一股空气混合燃烧。 5. 点火设备 启动时应用电火花塞、炽体或小喷嘴火炬点火。几个燃烧室并联时,只需其中一两个燃烧室有点火设备,其余的可用贯通
13、燃烧区的传焰管(联焰管)传递火焰着火。点火设备要位于气流速度较低处,并且要提供足够的能量才能点着。 6. 观察孔 燃烧室上有若干个观察孔,人眼或光电管可透过观察孔玻璃以便监视火焰状况。1.4.3 燃烧室的基本性能指标1.燃烧稳定性好,在任何运行情况下都不会发生熄火或强烈的火焰脉动现象;2.燃烧效率高,通常要求在9099之间变化;3.燃烧火焰短,不致伸入燃气透平;4.出口的燃气温度场均匀,或者按设计所要求的温度场规律分布;5.流阻损失小,相对总压降大约为36;6.结构紧凑、轻小,单位时间内能在单位容积的燃烧空间中燃烬更多的燃料,燃烧热强度大约是 35190;7.点火性能好;8.高温元件冷却良好,
14、严防烧坏或发生翘曲变形,火焰筒的最高壁温一般不超过700750;9.火焰筒应有数千到上万小时的使用寿命;10.排气中污染物的含量符合环境保护条例的规定。1.4.3 燃烧室气流的组织 为了在大的空气系数和高速气流条件下,在燃烧室内完成高热容强度的燃烧,火焰管内部的气流必须妥善组织。火焰管内大体上可分成前段的燃烧区和后段的掺冷区。 1)一次空气 约占空气总流量的15%30% ,先经过燃烧室进口火焰筒之前的扩压段,降低流速,在流经旋流器后在火焰管中形成螺旋运动。2)二次空气 沿火焰管外围流动,起着气膜冷却并保护火焰管的作用。它连续通过火焰筒上的各排射流孔,进入火焰筒内部。掺冷燃烧区来的高温燃气,形成
15、所要求的燃气温度场。火焰管内外的压差约为10.132520.265kPa,二次空气流经开孔是时速度约为80100m/s。二次空气的射流可以穿插到燃气流的纵深,是掺混均匀。火焰筒开孔愈大,二次空气流经开孔时的速度越高、火焰筒中的主流速度越小、火焰筒外二次空气流速越小,则二次空气射流穿插就越深,掺混就越均匀。2 燃烧室的热力过程2.1 混合气完全燃烧的理论空气量表1 计算所用的黄磷尾气成分Tab.1 Composition fraction of yellow phosphoric tail gas 体积分数/ %CO CO2 CH4 H2 O2 N28595 24 14 0.3 0.10.5 1
16、8燃烧过程中,CO2、N2不参与反应,CO体积分数为90%,CH4取为2.5%,O2为0.5%,H2为0.3%,燃烧反应为: 2CO + O2 2CO2 CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O 2H2 + O2 2H2O 完全燃烧1的气体燃料所需理论空气量为: 完全燃烧1的气体燃料所需理论空气的质量为: 2.2 过量空气系数2.2.1 过量空气系数的影响图为不同过量空气系数条件下燃烧室中心温度的变化。从图中可以看出,在相同的过量空气系数条件下,燃烧室中心温度随着炉膛高度的增加呈先急剧升高后缓慢降低的趋势,且在间温度达到最高。这是由气体燃烧的火焰高度所决定的,燃烧基本集中在燃烧室下部。实验结果
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