合成气喷雾激冷对火管式废热锅炉传热过程影响
发布时间：2021-07-11 08:01
气态烃非催化部分氧化广泛应用于天然气、焦炉气、荒煤气的清洁高效转化,火管式废热锅炉是气态烃非催化转化过程的核心设备,工程中火管废锅经常出现超温和烧管等问题。为解决这些问题,本文提出了在高温合成气进入废热锅炉前对其进行喷雾冷却的炉前降温方案,并进行了过程分析与模拟研究。主要内容如下:（1）建立了高温气流下液滴蒸发模型,探究了液滴尺寸、液滴温度、液滴速度和环境温度对蒸发时间的影响,确定不同条件下液滴蒸发的时间,保证在有限的空间和时间内液滴能够完全蒸发,为后面管内喷雾冷却方案奠定基础。（2）基于工业装置运行参数,采用计算流体力学方法,对管内高温合成气喷雾激冷过程进行了系统性研究。通过冷态模拟得到管内流场分布,通过热态模拟得到管内温度场分布,对比不同喷嘴参数和冷却水流量下的流场分布和温度场分布,确定了解决问题的最佳方案。（3）建立火管式废热锅炉内管板冷却室流动传热模型,对比喷雾降温前后管板冷却室内管壁温度分布,说明喷雾激冷炉前降温方案具有明显降温效果。采用热应力分析方法,计算火管入口处管壁最大热应力分布,合成气降温后的管壁最大热应力满足校核标准,验证喷雾冷却方案的可行性,从源头上消除高温带来的...
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１课题研究思路??Ｆｉｇ．?１．１?Ｒｅｓｅａｒｃｈ?ｃｌｕｅｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｕｂｊｅｃｔ??
华东理工大学硕士学位论文?第５页??髙，蒸汽消耗量大，设备占地面积大，投资高［５］。??２．１．２．２非催化部分氧化??非催化部分氧化（Ｎｏｎ－ｃａｔａｌｙｔｉｃ?Ｐａｒｔｉａｌ?Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ，简称ＮＣ－ＰＯＸ）是以甲焼和氧气的??混合气为原料通过烧嘴喷入高温高压转化炉内，在无催化剂条件下通过部分氧化反应把??天然气转化为合成气。甲烷经非催化部分氧化生成的合成气Ｈ２：ＣＯ接近２：１，主要用于??Ｈｓｃｈｅｒ－Ｔｒｏｐｓｃｈ合成和甲醇、二甲醚等化学品合成。转化炉结构示意图见图２．１，根据炉??内不同区域的流场形式分为射流区、回流区和管流区。射流区内主要发生燃烧反应，产??生大量热量，是转化反应吸热的主要来源；管流区内主要发生转化反应；回流区内既有??燃烧反应也有转化反应。??ｒｈ??Ｐｍ??！！／／?ｉ＇Ｕ！??Ｗ?＼?Ｗ??７｜＼??｜?３??１：射流Ｒ：?２：回流Ｐ：?３：管流Ｒ??图２．１非催化部分氧化炉内流场形式Ｗ??Ｆｉｇ．?２．１?Ｆｌｏｗ?ｐａｔｔｅｒｎｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ＮＣ－ＰＯＸ?ｇａｓｉｆｅｒ??非催化氧化工艺中反应转化温度－？般在１２００￣１５００°Ｃ，原料中的各种有机硫、氮等??污染物均完全转化，因此对原料的硫含量无限制，入炉前也不需要进行脱硫处理。但是??此类工艺反应温度相对较高，产生的反应余热需要单独的热回收装置进行回收，对反应??器材和热回收装置在高温条件下的耐热性能有较高要求ｔ｜３］。??２．１．２．３二氧化碳重整??二氧化碳重整又被称为干转化（Ｄｒｙ?Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ，简称ＤＲ）技术，是指甲烷与二氧??化碳在催化剂作用下生成富含一氧化碳的合成气的过程。该技术不仅减低了二
）。自热式转化工艺中的甲烧部??分氧化反应可分为两个阶段进行：第一阶段为焦炉气的氧化过程，主要发生燃烧反应；??第二阶段为水汽变化反应和甲烷的水蒸汽反应［１５］。??根据自热反应的特点，存在两种ＡＴＲ的反应体系：一是用于燃料电池的单床层结??构。在这个结构当中，仅有一段催化剂床层，床层内同时进行燃烧反应和水蒸汽转化反??应。第二种是两段式反应器结构。第一段是位于反应器上部的燃烧炉膛，主要用于进行??非催化的氧化反应；第二段是下部的催化剂床层，主要用于完成甲烷的水蒸汽转化和变??换，图２．２是二段式自热转化炉结构示意图。??Ｏｘ＞ｉｅｎ／ａｉｒ??？?ｆｏｒ?ｅｎｒｉｃｈｅｄ??Ｆｒｃｄｓｔｍｃｋ??ａｎｄ?ａｌａｉｉｎ??ｙ＼?Ｋ?Ｃａｍｂｕｓｔｉｏａｉ??ｌｌｌｌｌｌｉｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌ?Ｃｎｉａｌｒｄ??Ｓｕｒ??■?ＳｙｎＯｉｔＯｉ??▼?１Ｃ－??图２．２自热转化炉结构示意图??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ?ｒｅｆｏｒｍｅｒ??２．１．２．５催化部分氧化??催化部分氧化（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ?Ｐａｒｔｉａｌ?Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ，简称ＣＰＯＸ）是在催化剂作用下，发生??包括甲烷的不完全燃烧，完全燃烧，氢气和一氧化碳的燃烧和水蒸汽变化反应的过程。??生成的氢气和二氧化碳之比为２：１，是用于费托合成及制甲醇较为理想的氢气和二氧化??碳比。该过程反应条件温和，可在较低温度（７５０？８００°Ｃ）下达到较高的转化率，且反应??停留时间短，设备投资相对于水蒸汽转化要少，占地面积减少。但是在实际生产操作中，??催化剂床层中温度梯度过大极易引起催化剂结焦失活
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于大功率激光治疗的瞬态喷雾冷却系统[J]. 徐建根,崔锦江,董宁宁,曹莉. 光学精密工程. 2019(06)
[2]废热锅炉在余热回收领域的应用研究[J]. 曹蕾,周松锐,臧平伟,孙登科. 节能技术. 2019(02)
[3]防爆柴油机喷雾降温系统及其性能研究[J]. 张顺凯,顾文钰,邬斌扬,苏万华. 内燃机工程. 2019(01)
[4]硫磺回收装置余热锅炉泄漏原因分析及设计改进[J]. 钟小萍,张明会. 石油化工设备. 2018(05)
[5]辐射激冷流程气化辐射废锅鳍片结构模拟研究[J]. 王蕾,郭庆华,许建良,邱剑勇,于广锁. 煤炭转化. 2018(05)
[6]序[J]. 陈伟球,王骥,高存法. 力学学报. 2018(03)
[7]火管式废热锅炉管板冷却室内流动、传热与热应力研究[J]. 方浩,代正华,许建良,梁钦锋,于广锁,王辅臣. 高校化学工程学报. 2018(01)
[8]高温高压环境下煤油液滴蒸发过程实验研究[J]. 刘松,聂万胜,苏凌宇,石天一,刘瑜. 火箭推进. 2017(02)
[9]火管式余热锅炉管板冷却室内流动传热研究[J]. 李超,黄波,代正华,杨骥,于广锁,王辅臣. 中国电机工程学报. 2015(17)
[10]非催化部分氧化（POX）过程废热锅炉设计探讨[J]. 刘磊. 天然气化工（C1化学与化工）. 2015(04)
博士论文
[1]天然气非催化部分氧化转化炉内燃烧特性研究[D]. 李新宇.华东理工大学 2017
[2]多喷嘴喷雾冷却实验研究与数值模拟[D]. 侯燕.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2014
硕士论文
[1]多组分液滴对流蒸发过程的实验研究[D]. 邵冰.重庆大学 2016
本文编号：3277685
【文章来源】：华东理工大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１课题研究思路??Ｆｉｇ．?１．１?Ｒｅｓｅａｒｃｈ?ｃｌｕｅｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｕｂｊｅｃｔ??
华东理工大学硕士学位论文?第５页??髙，蒸汽消耗量大，设备占地面积大，投资高［５］。??２．１．２．２非催化部分氧化??非催化部分氧化（Ｎｏｎ－ｃａｔａｌｙｔｉｃ?Ｐａｒｔｉａｌ?Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ，简称ＮＣ－ＰＯＸ）是以甲焼和氧气的??混合气为原料通过烧嘴喷入高温高压转化炉内，在无催化剂条件下通过部分氧化反应把??天然气转化为合成气。甲烷经非催化部分氧化生成的合成气Ｈ２：ＣＯ接近２：１，主要用于??Ｈｓｃｈｅｒ－Ｔｒｏｐｓｃｈ合成和甲醇、二甲醚等化学品合成。转化炉结构示意图见图２．１，根据炉??内不同区域的流场形式分为射流区、回流区和管流区。射流区内主要发生燃烧反应，产??生大量热量，是转化反应吸热的主要来源；管流区内主要发生转化反应；回流区内既有??燃烧反应也有转化反应。??ｒｈ??Ｐｍ??！！／／?ｉ＇Ｕ！??Ｗ?＼?Ｗ??７｜＼??｜?３??１：射流Ｒ：?２：回流Ｐ：?３：管流Ｒ??图２．１非催化部分氧化炉内流场形式Ｗ??Ｆｉｇ．?２．１?Ｆｌｏｗ?ｐａｔｔｅｒｎｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ＮＣ－ＰＯＸ?ｇａｓｉｆｅｒ??非催化氧化工艺中反应转化温度－？般在１２００￣１５００°Ｃ，原料中的各种有机硫、氮等??污染物均完全转化，因此对原料的硫含量无限制，入炉前也不需要进行脱硫处理。但是??此类工艺反应温度相对较高，产生的反应余热需要单独的热回收装置进行回收，对反应??器材和热回收装置在高温条件下的耐热性能有较高要求ｔ｜３］。??２．１．２．３二氧化碳重整??二氧化碳重整又被称为干转化（Ｄｒｙ?Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ，简称ＤＲ）技术，是指甲烷与二氧??化碳在催化剂作用下生成富含一氧化碳的合成气的过程。该技术不仅减低了二
）。自热式转化工艺中的甲烧部??分氧化反应可分为两个阶段进行：第一阶段为焦炉气的氧化过程，主要发生燃烧反应；??第二阶段为水汽变化反应和甲烷的水蒸汽反应［１５］。??根据自热反应的特点，存在两种ＡＴＲ的反应体系：一是用于燃料电池的单床层结??构。在这个结构当中，仅有一段催化剂床层，床层内同时进行燃烧反应和水蒸汽转化反??应。第二种是两段式反应器结构。第一段是位于反应器上部的燃烧炉膛，主要用于进行??非催化的氧化反应；第二段是下部的催化剂床层，主要用于完成甲烷的水蒸汽转化和变??换，图２．２是二段式自热转化炉结构示意图。??Ｏｘ＞ｉｅｎ／ａｉｒ??？?ｆｏｒ?ｅｎｒｉｃｈｅｄ??Ｆｒｃｄｓｔｍｃｋ??ａｎｄ?ａｌａｉｉｎ??ｙ＼?Ｋ?Ｃａｍｂｕｓｔｉｏａｉ??ｌｌｌｌｌｌｉｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌ?Ｃｎｉａｌｒｄ??Ｓｕｒ??■?ＳｙｎＯｉｔＯｉ??▼?１Ｃ－??图２．２自热转化炉结构示意图??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ?ｒｅｆｏｒｍｅｒ??２．１．２．５催化部分氧化??催化部分氧化（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ?Ｐａｒｔｉａｌ?Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ，简称ＣＰＯＸ）是在催化剂作用下，发生??包括甲烷的不完全燃烧，完全燃烧，氢气和一氧化碳的燃烧和水蒸汽变化反应的过程。??生成的氢气和二氧化碳之比为２：１，是用于费托合成及制甲醇较为理想的氢气和二氧化??碳比。该过程反应条件温和，可在较低温度（７５０？８００°Ｃ）下达到较高的转化率，且反应??停留时间短，设备投资相对于水蒸汽转化要少，占地面积减少。但是在实际生产操作中，??催化剂床层中温度梯度过大极易引起催化剂结焦失活
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于大功率激光治疗的瞬态喷雾冷却系统[J]. 徐建根,崔锦江,董宁宁,曹莉. 光学精密工程. 2019(06)
[2]废热锅炉在余热回收领域的应用研究[J]. 曹蕾,周松锐,臧平伟,孙登科. 节能技术. 2019(02)
[3]防爆柴油机喷雾降温系统及其性能研究[J]. 张顺凯,顾文钰,邬斌扬,苏万华. 内燃机工程. 2019(01)
[4]硫磺回收装置余热锅炉泄漏原因分析及设计改进[J]. 钟小萍,张明会. 石油化工设备. 2018(05)
[5]辐射激冷流程气化辐射废锅鳍片结构模拟研究[J]. 王蕾,郭庆华,许建良,邱剑勇,于广锁. 煤炭转化. 2018(05)
[6]序[J]. 陈伟球,王骥,高存法. 力学学报. 2018(03)
[7]火管式废热锅炉管板冷却室内流动、传热与热应力研究[J]. 方浩,代正华,许建良,梁钦锋,于广锁,王辅臣. 高校化学工程学报. 2018(01)
[8]高温高压环境下煤油液滴蒸发过程实验研究[J]. 刘松,聂万胜,苏凌宇,石天一,刘瑜. 火箭推进. 2017(02)
[9]火管式余热锅炉管板冷却室内流动传热研究[J]. 李超,黄波,代正华,杨骥,于广锁,王辅臣. 中国电机工程学报. 2015(17)
[10]非催化部分氧化（POX）过程废热锅炉设计探讨[J]. 刘磊. 天然气化工（C1化学与化工）. 2015(04)
博士论文
[1]天然气非催化部分氧化转化炉内燃烧特性研究[D]. 李新宇.华东理工大学 2017
[2]多喷嘴喷雾冷却实验研究与数值模拟[D]. 侯燕.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2014
硕士论文
[1]多组分液滴对流蒸发过程的实验研究[D]. 邵冰.重庆大学 2016
本文编号：3277685
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/3277685.html
