净化黄磷尾气燃气发电系统设计

课程设计报告Thedesignof5000Nm3/hyellowphosphorusexhaustgaspurificationpowersystem目录1综述4课题研究背景4国内外黄磷产业现状41.1.2黄磷尾气的综合利用现状41.2燃气发电意义及发展趋势51.3燃气轮机简介51.3.1燃气轮机的工作原理51.3.2燃气轮机的结构61.4燃烧室71.4.1燃烧室的基本概念71.4.2燃烧室的结构71.4.3燃烧室的基本性能指标81.4.3燃烧室气流的组织82燃烧室的热力过程92.1混合气完全燃烧的理论空气量92.2过量空气系数102.2.1过量空气系数的影响102.2.2过量空气系数的计算112.3混合气完全燃烧产物的组分122.4燃气热值计算133燃烧室设计133.1燃烧室基本尺寸的确定13火焰筒直径和长度133.1.2燃烧室长度和直径的计算143.1.3隔热套直径的计算153.1.4燃烧区与掺冷区长度计算163.2燃烧室部件设计163.2.1一次配气机构163.2.2燃气的混合机构173.2.3火焰筒壁的冷却机构183.2.4点火机构183.3燃烧室测量系统183.4外壳设计203.4.1材料的选取203.4.2壳体厚度213.4.3壳体质量213.5封头设计223.6法兰的选型223.7水压试验233.8含氧报警仪234设计总结表244.1基本情况表244.2技术特性表245收获与体会256致谢25参考文献26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Abstract:Carbonmonoxideemission,andrichinyellowphosphoruscontainingsulphur,phosphorus,arsenicandfluorine,cyanideandrawmaterials,itsimpuritiessuchasdustemissionistheenvironmentandresourcewaste.InordertoimprovethecomprehensiveutilizationyellowphosphorusexhaustemissionofChina,thispaperintroducesthepurificationpower.Mainlyaimedatgeneratingsystemforgasturbinesinthecombustionchamber,thispapersummarizedtheprincipleofcylindercombustion,structureandproperties,andthedesigncalculation,eachpartdrawingforitsstructure.Keywords:yellowphosphorusexhaustgeneratinggasturbinechamber1综述课题研究背景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，磷炉的电耗较低(13000～13500kW·h／t，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2200kt／a以上，我国黄磷生产能力约1750kt／a，约占全球黄磷生产总能力的77％。2006年我国黄磷产量为830.7kt，其中出口79kt，创汇131325.60万美元。我国已是世界上黄磷生产和出口大国，但不是强国。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。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～MPa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。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10～300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。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mm~3mm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/d≈1~3各段圆筒用3个径向销定位，支在外壳中并能维持同心膨胀。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15~25m/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90～99％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3～6％；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35～190；7.点火性能好；8.高温元件冷却良好，严防烧坏或发生翘曲变形，火焰筒的最高壁温一般不超过700～750℃；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，形成所要求的燃气温度场。火焰管内外的压差约为10.1325~20.265kPa，二次空气流经开孔是时速度约为80~100m/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.1Compositionfractionofyellowphosphorictailgas体积分数/%COCO2CH4H2O2N285~952~41~40.30.1~0.51~8燃烧过程中，CO2、N2不参与反应，CO体积分数为90%，CH4取为%，O2为0.5%，H2为0.3%，燃烧反应为：2CO+O2→2CO2CH4+2O2→CO2+2H2O2H2+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：㎏过量空气系数.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。实验结果表明，在不同过量空气系数条件下，燃烧室中心温度达到最高点的位置是不同的。随着过量空气系数的增加，最高点的位置逐渐增高。这是因为当过量空气系数增加时，完全燃烧的程度增强，使得火焰高度增加。但是，过量空气系数过大会导致理论温度的降低。图不同过量空气系数下燃烧室中心温度的分布为进一步了解过量空气系数对燃烧室径向温度分布的影响，以测点为例，燃烧室径向温度的变化如图所示。从图中可以看出，在同一过量空气系数条件下，燃烧室径向温度随着距燃烧室中心距离的增加呈逐渐降低的趋势，且温度变化梯度降低的趋势逐渐减缓。这表明在燃烧室中心处温度达到最高，且越接近燃烧室壁面，温度变化越趋于缓和，下降越不明显。图的实验曲线还表明，在不同过量空气系数条件下，温度最高点基本都保持在距炉膛中心的位置，说明该处气体燃烧所需的空气量较多。当过量空气系数时，由于燃烧程度增加，使得此时温度水平达到最大值。图不同过量空气系数下燃烧室径向温度的分布.2过量空气系数的计算表2燃烧室热力计算的已知条件Tab.2Theknownconditionofthermalcalculation燃烧室入口燃烧室出口燃烧效率温度t2/℃温度t3/℃/%98通过燃烧室出口温度℃，查图可确定出燃烧室燃气系数.过量空气系数式中，为燃气与空气的质量比值（燃空比）；为1㎏燃料的理论空气量；燃气密度㎏，则：㎏（空气）㎏（燃气）因此，㎏㎏由于喷入燃烧室的燃料量㎏因此空气的流量㎏2.3混合气完全燃烧产物的组分在的情况下，完全燃烧的混合气燃料后，所能获得的CO2、H2O、O2、N2气体体积分别为：所以，燃烧产物总体积为：燃气热值计算表3各气体成分的低热值Tab.3LowcalorificvalueofcompositionfractionCOCH4H2126283582010786燃气的低热值3燃烧室设计3.1基本尺寸的确定火焰筒直径和长度燃烧室比热容强度定义为：式中，，为火焰筒体积。一般重型燃烧室，比热容强度取，选取，火焰筒直径式中，——喷入燃烧室的燃料量，㎏；——燃料气的低热值，；——燃烧室的效率；——燃气入口压力，.㎏；；燃气在燃气轮机内燃烧带动发电机发电,必须要求燃气压力在～MPa之间，因此取，即，满足条件，则：火焰筒总的长径比，在这取，则：火焰筒直径火焰筒长度燃烧室长度和直径的计算参考小型及微型燃气轮机燃烧室设计经验，燃烧室长度一般取倍火焰筒长度，这里取，则：由于过量空气系数，通过查不同燃烧室长度的燃烧性能表可知：燃烧室最佳长径比为：，因此，燃烧室直径查手册并圆整，得该燃烧室的公称直径。隔热套直径的计算燃气在燃烧过程中温度较高，在外壳内壁还衬有一个隔热罩，以降低温度，增加燃烧区的温度。火焰筒的横截面积，指燃烧室的最大横截面积；只要确定出经验系数的取值，则可求得，而该经验系数的确定则要根据原型机的反设计计算确定；同时要校核比面积热强度。比面积热强度，其值一般为；由上述计算的值可求得该燃烧室的为：其值在规定范围内，则的值有效。按总压恢复系数求：其中，为总压恢复系数，其值为；为流阻系数，取，在此取；则：由于，在之间，因此，经验系数取，的值有效。隔热罩的直径：燃烧区与掺冷区长度计算燃烧区的长度：，取，则；掺冷区的长度：，取，则3.2燃烧室部件设计3.2.1一次配气机构一次配气机构是配合燃气供应机构（喷燃嘴）形成燃烧得以发生和连续进行的基本环境，它使燃气在燃烧过程中能够获得所必需的空气量，以保证燃烧过程合理地延续与发展，以及在燃烧区形成一个合适的流场，为稳定火焰、强化燃烧过程提供条件。一次空气分别由旋流器（火焰稳定机构）和火焰筒前段上的一次空气射流孔分阶段地供入燃烧区。将火焰筒上的一次空气射流孔设置成四排，每排四个：第一排离旋流器出口距离火焰筒直径第一排离旋流器出口距离火焰筒直径旋流器位于燃料喷嘴外侧，其结构如下：图4径向旋流器的结构图旋流器；2—燃料喷嘴；3—火焰筒过渡锥顶3.2.2燃气的混合机构它是由一定数量的，插入到燃烧室中心部位附近的椭圆型或圆型喷管所组成。二次掺混空气由此导入高温燃气中去进行掺冷混合。本次设计采用径向喷管型混合机构，数量为4，圆型喷管。每个喷管插入深度为火焰筒半径的40%，即，二次空气射流速度取50m/s。径向喷管型混合机构如下图所示：图5径向喷管型的混合机构3.2.3火焰筒壁的冷却机构燃烧室中火焰筒在高温、高压的火焰和热燃气的作用下承受着高强度的热负荷和热冲击负荷。为保安全和燃烧室的工作寿命，就必须合理地组织火焰筒壁的冷却过程，使受热零件获得有效的冷却，使火焰筒壁温能比较均匀地保持在金属材料的强度允许范围内。常见的有斑孔型气膜冷却方案（二次膨胀式的气膜冷却机构）和双层壁多孔式气膜冷却方案，本设计采用双层壁多孔式气膜冷却方案。其中二次膨胀式的气膜冷却机构，如下图所示：图6二次膨胀式的气膜冷却结构3.2.4点火机构燃烧室的点火，是燃气轮机启动过程中一个重要问题。点火装置应布置在燃烧室的低速区，接近于发生强烈回流区域的上游，点火火花塞应安放在点火器燃烧空间内局部过量空气系数的地方。3.3燃烧室测量系统本系统主要包括温度测量、流量测量和燃烧产物测量。温度测量表4-1工业型热电偶及型号热电偶因其具有结构简单、制造容易、测量精度较高、使用方便等优点，在测量中得到广泛地应用。本实验系统中，鉴于燃烧室为绝热燃烧系统，选用分度号为K的镍铬一镍硅热电偶。热电偶共有8支，分别在燃烧室右侧的热电偶预留孔上，并且热电偶可以在燃烧室内径向移动，以不同半径方向的温度。它可以实现各热电偶和多温度记录仪相连，温度记录仪与计算机通过数据通讯线相接，将热电偶的测度值直接显示在电脑屏幕上，电脑上装有配套的软件，既可同时显示8支热的温度值，而且能够实现连续采集、储存实验数据和绘制实验曲线图。表4-2YBJL-810温度以技术参数2、流量测量流量测量主要是气体流量的测量。本实验采用质量流量控制器D07-7B和LZB-15型玻璃转子流量计进行实验燃气和空气的测量。其温度仪测试范围、精技术参数分别见表4-3、4-4。表4-3D07-7B质量流量控制器技术参数表4-4LZB-15型玻璃转子流量计技术参数3、烟气测量烟气测量主要由取样器探头和烟气分析仪构成。燃烧产生烟气由探头进入烟气分析仪，分析烟气中各成分含量。其测试原理、范围及精度见表4-5。表4-5烟气分析仪气体测试值范围及精度外壳设计.1材料的选取在设计制造化工容器和设备时，合理选材和正确使用材料很关键。选择压力容器用钢必须综合考虑：1.容器的操作条件--设计压力、设计温度、介质特性和操作特点等；2．材料的使用性能--力学性能、物理性能、化学性能（主要是防腐蚀性能）；3．材料的加工工艺性能--焊接性能、热处理性能、冷弯性能及其他冷热加工性能；本次设计装置燃烧室为二类压力容器，根据设计压力以及设计温度℃，可知该燃烧室为中压、高温容器，参照设计手册可采用高合金钢板中的0Cr18Ni9(304)耐热钢板。.2壳体厚度1）理论计算厚度其中，为设计压力；为筒体内径；为钢板在设计温度下的许用应力，查手册得；为焊缝系数，取。所以，2）设计厚度，为腐蚀裕量；根据知，；3）名义厚度根据：钢板厚度在之间，负偏差；所以，圆整后，取名义厚度。复验：，故最后取。所以该燃烧室壳体用厚的0Cr18Ni9钢板制作。.3壳体质量根据压力容器设计手册查得：厚的钢板质量为㎏，所以壳体质量㎏。3.5封头设计采用标准椭圆形封头，则：，封头的理论厚度；根据，查得负偏差故该标准椭圆形封头用厚的0Cr18Ni9钢板制作。曲面高度，直边高度。根据可知：该封头内表面积，容积，质量㎏。法兰的选型法兰的公称直径DN=350，公称压力PN取MPa。根据设计手册（JB/T700-2000）:选用乙型平焊法兰，材料：16MnR(环0Cr18Ni9)，D为490，H为185。采用榫槽型密封面，法兰质量为㎏；榫槽密封面衬环，衬环质量㎏。选用A型缠绕式垫片，0Cr18Ni9钢带与石棉充填带相间缠卷。选用螺柱规格为M20,数量：16个。水压试验式中：——试验压力，MPa；——设计压力，MPa；——容器材料在试验温度下的许用应力，MPa；——容器材料在设计温度下的许用应力，MPa。查手册可得：MPa压力试验应力校核：应满足：MPaMPa满足条件，所以水压试验强度足够。含氧报警仪型号:XY6-CYH25测量范围：0～25%误差：＜±3%报警方式：断续声、光报警响应时间：≤20秒外形尺寸：128×62×28mm重量：4设计总结表4.1基本情况表设计名称5000Nm3/h净化黄磷尾气燃气发电系统设计设计人詹树娇设计时间2010年5月28日反应器设计及容零部件容器名称规格容器尺寸主要工艺燃烧室圆筒型975×334mm催化氧化工艺主材辅材燃气轮机循环0Cr18Ni916MnR法兰密封名称材质尺寸mm乙型平焊法兰16MnRD-490H-185容器支座名称材质尺寸圆筒形裙座16MnR开孔补强名称补强面积进（出）气管圆型喷管四个进（出）水管容器附件序号名称类型尺寸数量备注1封头标准椭圆形350mm2个2隔板3筛网4热电偶温度计XY6-CYH255压力表100mm4.2技术特性表Ⅰ基本数据名称容器名称容器设计压力MPa容器类别二类压力容器最高工作压力MPa物料名称黄磷尾气（90%CO）设