(惠生工程(中國)有限公司 ， 河南 鄭州 450046)

?設(shè)計與計算?

CO變換爐與汽包的設(shè)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(shè)備布置位差能否滿足鍋爐給水自循環(huán)，以達(dá)到優(yōu)化工藝，減少循環(huán)泵的目的；優(yōu)化管線布置，滿足應(yīng)力條件的同時使流體流動均勻，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

CO變換爐 ； 汽包 ； 自然循環(huán) ； 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(jìn)行變換反應(yīng)，調(diào)節(jié)氣化爐產(chǎn)出粗煤氣的氫碳比，以滿足后續(xù)合成工段的需要。其反應(yīng)式如下：

通過上述反應(yīng)，既能把CO轉(zhuǎn)化為易于脫出的CO2，又可以制得與反應(yīng)CO等物質(zhì)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(huán)來帶走反應(yīng)熱量。CO變換爐與汽包之間實(shí)現(xiàn)水和水汽自然循環(huán)的依據(jù)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(jīng)下降管進(jìn)入變換爐，進(jìn)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(yùn)動并沖破液面進(jìn)入汽包，夾帶了液滴的蒸汽在汽包中進(jìn)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(huán)的推動力來克服整個循環(huán)回路的壓力降，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐給水的自然循環(huán)。

通過計算，按照一定位差，合理布置CO變換爐與汽包，使系統(tǒng)的鍋爐給水采用自然循環(huán)，可以簡化工藝流程，減少循環(huán)泵；均勻布置鍋爐給水管線，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，更好地回收反應(yīng)熱量。

1 設(shè)計計算

實(shí)現(xiàn)自循環(huán)條件：自然循環(huán)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(huán)總推動力

變換爐與汽包之間的自然循環(huán)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(huán)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(nèi)流體狀態(tài)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(shù)；(L+Le)為下降管的直管總長度和管件當(dāng)量長度之和，m；d為管道內(nèi)徑，m；u為管內(nèi)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(nèi)的流體狀態(tài)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(fù)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(jìn)行模擬計算得出。

2 設(shè)計計算實(shí)例

某項目CO變換爐與汽包間的鍋爐給水采用自然循環(huán)，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(shè)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(huán)倍率=30，上升管內(nèi)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(nèi)徑d1=0.2 m，下降管內(nèi)徑d2=0.3 m，下降管摩擦系數(shù)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(shù)ξ=1.15。

2.2下降管總摩擦阻力降計算

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

其中：ξ=1.15，λ=0.019，d1=0.2 m，ρL=882.566 kg/m3，L=18.5 m，Le=31.5 m

=0.57 m/s

代入范寧公式：ΔPf下降管=0.783 kPa。

2.3上升管總摩擦阻力降

上升管內(nèi)流體為氣液兩相流，采用Inplant 4.2軟件進(jìn)行壓力降計算，結(jié)果如下：

ΔPf上升管=5.15 kPa

2.4CO變換爐的殼程壓力降

鍋爐給水進(jìn)入變換爐殼程之后進(jìn)行移熱，開始汽化，殼程為氣液兩相流，計算方法同上升管總摩擦壓力降的計算：

ΔP變換爐=15.5 kPa2.5自然循環(huán)回路的總壓力降計算

ΔPL=ΔPf上升管+ΔPf下降管+ΔP變換爐=21.433 kPa

2.6自然循環(huán)回路總推力計算

氣液混合物的平均密度：

截面含氣率：

解得：Φ=0.844

根據(jù)管線模型可知：H=4.577 m

自然循環(huán)回路總推力：

PT=H×g×(ρL-ρGL)×Φ×10-3=28.03 kPa

由以上計算可知：PT>ΔPL。

所以在當(dāng)前汽包安裝布置條件下，CO變換爐與汽包整個系統(tǒng)能夠正常自然循環(huán)運(yùn)行。

3 總結(jié)

①在考慮CO變換爐與汽包的設(shè)備布置時，經(jīng)過計算，按照一定的位差，CO變換爐與汽包整個系統(tǒng)能夠自然循環(huán)，省去了循環(huán)泵，有一定的經(jīng)濟(jì)效益；②為了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，鍋爐給水管線首先應(yīng)對稱布置，使變換爐和汽包內(nèi)流體流動均勻；其次也要滿足應(yīng)力要求，緊湊合理，支架便于支撐。

TQ051

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1003-3467(2017)09-0050-02

2017-04-26

張 超(1981-)，男，工程師，從事化工配管設(shè)計工作，電話：15838376817，E-mail：zhangchao@wison.com。