CO變換爐與汽包的設備布置研究

2017-10-18 06:22:51

河南化工 2017年9期

(惠生工程(中國)有限公司，河南鄭州 450046)

?設計與計算?

CO變換爐與汽包的設備布置研究

張超

(惠生工程(中國)有限公司，河南鄭州 450046)

通過計算檢查CO變換爐與汽包的設備布置位差能否滿足鍋爐給水自循環，以達到優化工藝，減少循環泵的目的；優化管線布置，滿足應力條件的同時使流體流動均勻，有利于系統穩定運行。

CO變換爐；汽包；自然循環；回路推動力

0 引言

在煤氣化配套裝置中，變換單元是通過一氧化碳與水蒸氣在催化劑作用下進行變換反應，調節氣化爐產出粗煤氣的氫碳比，以滿足后續合成工段的需要。其反應式如下：

通過上述反應，既能把CO轉化為易于脫出的CO2，又可以制得與反應CO等物質的量的氫氣，而消耗的僅是水蒸氣，使工藝氣體變換到希望的氣體組成。

CO變換爐與汽包間的鍋爐給水可采用自然循環來帶走反應熱量。CO變換爐與汽包之間實現水和水汽自然循環的依據是熱虹吸原理，具體地說是利用了下降管與上升管之間流體的重度差。如圖1所示。

圖1 變換爐與汽包簡圖

鍋爐給水經下降管進入變換爐，進行熱量換熱后，一部分鍋爐給水汽化變成蒸汽，由液相沸騰變成氣液混合物后其密度大幅降低，蒸汽泡向上運動并沖破液面進入汽包，夾帶了液滴的蒸汽在汽包中進行水汽分離，生成的蒸汽由汽包頂部排出成為飽和蒸汽。利用下降管與上升管之間流體的重度差作為自然循環的推動力來克服整個循環回路的壓力降，從而實現鍋爐給水的自然循環。

通過計算，按照一定位差，合理布置CO變換爐與汽包，使系統的鍋爐給水采用自然循環，可以簡化工藝流程，減少循環泵；均勻布置鍋爐給水管線，有利于系統穩定運行，更好地回收反應熱量。

1 設計計算

實現自循環條件：自然循環總推動力≥下降管總摩擦壓力降+上升管總摩擦壓力降+變換爐壓力降

即PT≥ΔPf下降管+ΔPf上升管+ΔP變換爐

1.1自然循環總推動力

變換爐與汽包之間的自然循環推動力是下降管與上升管之間的流體重度差，適用于公式：

PT=H×g×(ρL-ρGL)×Φ×10-3

式中：PT為自然循環推動力，kPa；H，推動力高度，m；ρL，液相密度，kg/m3；ρGL，氣液相混合物平均密度，kg/m3；Φ為截面含汽率。

1.2下降管總摩擦壓力降

下降管內流體狀態按單相流和湍流考慮，適用于范寧公式：

ΔPf下降管=ξ×λ×((L+Le))/d×(ρL×u2)/2×10-3

式中：λ為管路摩擦系數；(L+Le)為下降管的直管總長度和管件當量長度之和，m；d為管道內徑，m；u為管內流體流速，m/s。

1.3上升管總摩擦壓力降與變換爐壓力降

上升管內的流體狀態為氣液兩相流。適用于公式：

ΔPf上升管=ξ×ΔPk+ΔPH

式中：ΔPk，氣液兩相流直管段及局部摩擦壓力降，kPa；ΔPH，上升管氣液兩相流靜壓力降，kPa。

由于氣液兩相流的流動過程較為復雜，上升管總摩擦壓力降與變換爐壓力降可采用Inplant 4.2軟件進行模擬計算得出。

2 設計計算實例

某項目CO變換爐與汽包間的鍋爐給水采用自然循環，布置如圖2所示。變換爐與汽包之間管道模型如圖3所示。

圖2 變換爐與汽包設備布置

我們來核算一下汽包與變換爐相對位差是否合適。

2.1其中已知條件

蒸汽壓力1.0 MPa，蒸汽量WG=1 890 kg/h，循環倍率=30，上升管內液相流量WL=54 810 kg/h，

圖3 變換爐與汽包管道模型

氣相密度ρG=5.642 kg/m3，液相密度ρL=882.566 kg/m3，液相表面張力σL=0.041 3 N/m，氣相黏度μG=0.015 6cp=1.56×10-5Pa·s，液相黏度μL=0.145 87cp=1.46×10-4Pa·s，上升管內徑d1=0.2 m，下降管內徑d2=0.3 m，下降管摩擦系數λ=0.019 ，計算上升管和下降管阻力降時計入15%的安全裕量，取摩擦阻力損失系數ξ=1.15。

2.2下降管總摩擦阻力降計算

根據配管模型可知，下降管直管段長度L=18.5 m，下降管管件當量長度Le=31.5 m，根據范寧公式：