Расчет и подбор вспомогательного оборудования

Конструкция газификатора сама по себе достаточно проста, однако вся система, предназначенная для газификации биомассы, включает самое разнообразное и относительно сложное оборудование. При проектировании полупромышленных, опытных и демонстрационных установок по газификации возникают трудности в связи с отсутствием соответствующего оборудования, которое часто обусловлено несоответствием проектных данных конструкции требованиям, предъявляемым к переработке неоднородного сырья. Предпринимались попытки использования для газификации биомассы выпускаемых промышленностью воздуходувок, насосов, компрессоров, теплообменников, сушилок, транспортеров, контрольноизмерительных приборов, но опыт показал, что более подходящим является специально спроектированное оборудование. К такому оборудованию относятся:

• • устройства для приема, погрузки, разгрузки, транспортировки и хранения сырья;
• • устройство для подачи сырья;
• • устройство для подачи водяного пара;
• • устройство для сбрасывания, разгрузки опрокидыванием, охлаждения, хранения и удаления золы и углистого вещества;
• • контрольно-измерительные приборы.

Если газификатор используется в качестве источника заменителя топлива, могут потребоваться:

• — системы охлаждения и очистки газа;
• — устройства для снабжения водой, распределения и очистки воды;
• — устройства для снабжения дополнительным количеством жидкого топлива, его распределения и применения;
• — система предотвращения загрязнения окружающей среды;
• — устройства для обращения с топливной жидкостью, газом и углистым веществом.

Расчет толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции газификатора 8_И, м, находим из равенства удельных тепловых потоков при переносе тепла через стенку [16]:

(4.13)

^аАг2-0 =

где а_в — коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности теплоизоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м²К) (по рекомендациям в 117] принимаем а_в = 11,6 Вт/(м²К)); ^_ст2 — температура поверхности аппарата со стороны воздуха (принимаем /_ст2 = 40°С); Г_ст1 — температура аппарата со стороны внутренней стенки (принимаем /_ст1 = 800°С); /_в — температура окружающей среды (/_в = 20°С); 8, — толщины каждого из слоев стенки, м; Х₁ — соответствующие коэффициенты теплопроводности материала слоя.

Величина суммы в формуле (4.13) представляет собой общее термическое сопротивление многослойной стенки.

Корпус газогенератора изготавливается сварным из листовой углеродистой стали толщиной 8_СТ = 4 мм, теплопроводность стали, согласно справочным таблицам [4], Х_ст = 25,5 Вт/(мК). Изнутри корпус футерован шамотным кирпичом толщиной 8_Ш = 100 мм, теплопроводность шамота А,_ш = 0,6 Вт/(мК). Снаружи на корпус накладывается слой теплоизоляции из совелита, толщину этого слоя необходимо определить, используя теплобалансовое уравнение

(4.13). Коэффициент теплопроводности совелита Х_с = 0,09 Вт/(м-К). Тогда

(4.14)

Переписав предварительно уравнение (4.13) в виде

5... 5

^ш ~ ^ст _|__С_ _

Сі Сз

X X X а (/ , — / )

ш ст с в ' ст2 в'

находим толщину слоя теплоизоляции из совелита

§с =

вОст2

800-40

8

ст

X

ст

•0,09 = 0,279

с

м.

С некоторым запасом (порядка 7%) принимаем толщину слоя совелита 8_С = 0,3 м.

Расчет трубопровода для пара

Для протекания реакции, в результате которой получаются горючие газы, окись углерода и водород по схеме

С + Н₂О^СО + Н₂, (4.15)

14 г 18 г ЗОг 2г

в соответствующую зону реактора вдувается водяной пар. Рассчитаем расход пара на такое дутье. Учитывая, что в генераторном газе содержится водорода 6,3%, а его расход составляет 5,11 кг/с, то необходимый расход водорода будет М_н = 0,063-5,11 = 0,322 кг/с. Ориентируясь на стехиометрические соотношения для реакции (4.15), составляем пропорцию

2 —> 18 0,322 —» X.

Отсюда находим необходимый расход пара

• 0,322-18
• 2

= 2,9 кг/с.

Принимаем скорость пара в патрубке н>_п = 10 м/с, а плотность пара р = 1,2 кг/м³. Тогда площадь поперечного сечения патрубка составит

^.Рп

• 2,9
• 10-1,2

= 0,24 м²,

а его диаметр —

• 4-0,24
• 3,1416

= 0,307 м.

Принимаем стандартный размер трубопровода для пара с!_п = 300 мм.

Расчет охладителя генераторного газа

Охлаждение генераторного газа производится в целях использования его тепла, а также конденсации паров воды и смол. Охлаждение осуществляется в кожухотрубчатом теплообменнике. Нагретая вода направляется на использование для собственных нужд предприятия, а охлажденный до 70—80°С генераторный газ — на сепарацию, а затем в котельные агрегаты.

Требуемая поверхность теплообмена охладителя м² рассчитывается по формуле

Р=-^—,

(4.16)

kAt_cn

ср

где (9 — передаваемая тепловая нагрузка, Вт; к — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²-К); Д/_ср — среднелогарифмический температурный напор, К.

Теплота (9, отдаваемая генераторным газом в охладителе, определяется по величине массового расхода М, кг/с, теплоемкости с_рг, кДж/(кг-К), и разности температур газа на входе /_вх и выходе из охладителя /_вых:

<2 = Мс^_н - ?_к). (4.17)

Зная состав генераторного газа и удельные теплоемкости его отдельных компонентов, на основании свойства аддитивности рассчитаем его удельную теплоемкость

^срт ⁼ ?С0^срС0 ⁺ &Н^СрН ⁺ ?сН4^срСН4 ⁺ ?С02^СрС02 ⁺ ?02^Ср02 ⁺ ?Ы2^Ср^>

где g_i — массовая доля /-й компоненты смеси; с_р/ —удельная теплоемкость /-й компоненты смеси, кДж/(кг-К).

Учитывая справочные данные о теплоемкостях газов [4], рассчитываем

с_рт = 0,198 • 1,05 + 0,182 • 14,8 + 0,0073 • 2,09 + 0,14 • 0,856 + +0,002 • 0,91 + 0,469 • 1,05 + 0,0017 = 1,48 кДж/(кг-К).

Определим количество тепла по формуле (4.17)

о = 5,11 • 1,48 • (800 - 75) = 5480 кВт.

Тогда массовый расход охлаждающей воды, кг/с, через теплообменник

(4.18)

где с_в — удельная теплоемкость воды, кДж/(кг-К) (с_в = 4,187 кДж/ (кг-К)); ?_ввых и /_{в вх} — температуры охлаждающей воды на выходе и входе в охладитель, °С (принимаем Г_{в вых} = 90°С и Г_{в вх} = 10°С). Тогда величина расхода будет

• 5480
• 4,187 - (90 — 10)
• 16,4 кг/с.

Рассчитаем среднелогарифмический температурный напор для противоточной схемы движения теплоносителей (см. рис. 3.10)

где Д/_б и Д/_м — большая и меньшая разность температур теплоносителей, °С. Принимая противоточную схему движения теплоносителей, определяем разности температур между ними:

Д/_б = 800 — 90 = 710°С;

Д/_м = 75 - 10 = 65°С.

Тогда по формуле (4.19)

• 710-65 1п(710/65)
• 269,8°С.

Согласно [18] ориентировочное значение коэффициента теплопередачи примем к = 60 Вт/(м²-К). Тогда по формуле (4.16)

= 338,5 м².

5480-10³ 60-269,8

Выбираем четырехходовой кожухотрубчатый холодильник по ГОСТ 14246—79, имеющий поверхность теплообмена 378 м² и диаметр кожуха 1000 мм [17].

Площадь сечения трубопроводов для подвода и отвода охлаждающей ВОДЫ при ее скорости XV = 1 м/с будет

К

• 16,4
• 1-990

= 0,0165 м²,

а диаметр трубопровода

• 4-0,0165
• 3,1416

= 0,14 м.

Принимаем трубопроводы из труб размером 159 х 4,5 мм.

Подбор адсорбера

Твердые и жидкие вещества, соприкасающиеся с газовой средой, концентрируют ее компоненты на поверхности раздела фаз. Это явление, называемое сорбцией, широко используется в технике для извлечения из газовых потоков ценных или загрязняющих парогазовых примесей.

Адсорбция — процесс избирательного поглощения одного или нескольких компонентов из газовой среды и жидкостей с помощью твердых материалов с большой удельной поверхностью.

Для подбора адсорбера требуется определить его размеры и период защитного действия при улавливании паров смол и других примесей, удаляемых местным отсосом из газификапионной установки при условии ее непрерывной работы. Поглощение происходит при температуре 70°С и небольшом избыточном давлении, создаваемом дымососом.

Выбираем в качестве поглотителя активированный уголь с диаметром гранул 3 мм и средней длиной гранул 5 мм. Насыпная плотность сорбента р = 650 кг/м³; поглотительная способность с₀= 12 г/м³.

Для условий в адсорбере Г_р = 70°С и р = 0,98 МПа, принимаем вязкость воздуха V = 0,15 • 10^-4 м²/с. По изотерме адсорбции и заданной величине с₀ находим статистическую емкость сорбента а₀= 138 г/кг или в системе СИ [17]:

^-•650 = 90 кг/м³ 1000 '

Определяем массу сорбента, кг, по формуле [4]:

Л/_Гс₀т

(4.20)

где т — продолжительность сорбции, с; М_г — массовый расход газа, кг/с; к — коэффициент запаса (к = 1,1—1,2).

Подставляя значения параметров, находим

т_г =1,15

5,11-0,012-8-3600 90

= 22,6 кг/час.

Ориентируясь на фиктивную скорость паровоздушной смеси в адсорбере ы = 0,2 м/с, выбираем такой же скорость газа и определяем геометрические размеры адсорбера для выбранной конструктивной схемы (вертикальный аппарат). Рассчитываем диаметр, м, и высоту, м, адсорбционного слоя через известный расход М_г газа и принятую скорость его движения н>:

(4.21)

• 4-5,11
• 3,1416-1,2-0,2

= 5,2 м;

4 т_с т_си>

ТГРг^ М_х ’

• (4.22)
• 22,6-0,2
• 5,11
• — 0,88 м.

Подбор циклона

Выберем циклон ЦН-15, оптимальная скорость газа в котором и>_опт = 3,5 м/с [4].

Диаметр циклона определяем по формуле

• 4-4,19
• 3,14-3,5

(4.23)

Ближайшим стандартным сечением является сечение в 1200 мм.

Расчет объема газгольдера

В сухом газгольдере газ под давлением 200—400 мм вод. ст. (правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, распространяются на сосуды с избыточным давлением более 0,07 МПа), подаваемый под диск (поршень), поднимает его вверх до предельного положения. При выпуске, наоборот, поршень под своим весом вытесняет газ в трубопровод. Уплотнение между корпусом и поршнем обеспечивается затвором с газгольдерным маслом [32].

Вместимость сухого газгольдера, м³, определим по формуле

(4.24)

где В_Г — расход газа, кг/с; т — время возможного останова котла, с (принимаем т = 8 ч = 3600 • 8 = 28800 с); р — плотность газа, кг/м³ (р = 1,2 кг/м³); ср — коэффициент заполнения (принимаем Ф = 0,81).

Рассчитываем необходимую вместимость газгольдера:

5,11-28 800 1,22-0,81

= 150787 м³.

Принимаем решение установить два стандартных газгольдера, вместимостью 100 000 м³ каждый. Диаметр присоединительных патрубков — 1120 мм.

Расчет объема склада исходного топлива

Объем технологических запасов топлива на тепловых электростанциях и котельных является общим нормативным запасом топлива (ОНЗТ) и определяется по сумме объемов неснижаемого нормативного запаса топлива и нормативного эксплуатационного запаса основного или резервного видов топлива.

По особенностям определения годового запаса топлива электростанции и котельные подразделяются на три категории:

• • стандартные (типовая схема расчета);
• • с ограниченными (сезонными) сроками завоза топлива;
• • имевшие в предшествующий год критический уровень запасов топлива (менее 60% от ОНЗТ на 1 октября).

Объем ОНЗТ, м³, должен обеспечивать работу установки в течение семи суток при доставке топлива автотранспортом. Зная массовый расход щепы В_щ, кг, и ее насыпную плотность, легко находим этот объем:

ОНЗТ = В_щ • 3600 • 24 • 7/р, (4.25)

где р — насыпная плотность щепы, кг/м³ (р = 273 кг/м³) [17].

Тогда

ОНЗТ = 9,9 • 3600 • 24 • 7/273 = 21 932 м³.

Размеры склада должны быть не менее данного объема. Принимаем их 80 х 50 х 5,5 м и рассчитываем объем склада У_ск = 80 х 50 х х 5,5 = 22 000 м³.

Подбор дутьевого вентилятора и дымососа

Дутьевой вентилятор подает холодный воздух в воздухоподогреватель котельного агрегата, забирая его из помещения котельной. Температура холодного воздуха ?_хв (если не оговариваются особые условия) принимается равной 25°С.

Производительность дутьевого вентилятора, м³/с, определяется расходом воздуха, необходимым для горения топлива, с учетом коэффициента избытка воздуха в топке а_т, а также потерь Да_т, потерь через неплотности тракта а_нп, присосов по тракту котла а_вп [4]:

^дв = К - Ла_т “ ^анп ^{+ а}вп)> (4.26)

где В_р — расход воздуха, м³/с; — теоретический объем воздуха,

необходимый для полного сгорания 1 м³ газообразного топлива, (кубический метр воздуха на кубический метр горючего газа). Рассчитываем

К_дв = 9,9 • 3 • (0,5 - 0,05 - 0,04) • (28 + 273)/273 = 10,9 м³/с.

Указанной производительности удовлетворяет вентилятор ВЦ4-70-16К1 с электродвигателем АИР 16054 мощностью 15 кВт.

Объем газов, перекачиваемый дымососом, больше объема воздуха за счет более высокой температуры среды и заметных присосов воздуха на всасывающей части газового тракта. Производительность дымососа определим по рассчитанному расходу газов, равному 4,19 м³/с или 15 000 м³/ч. Указанному расходу удовлетворяет агрегат марки ДН-9.

Выбор разгрузочного устройства подачи топлива

Перед подачей в бункер древесную щепу необходимо измельчить до нужных размеров. Для этого выбираем стационарный дисковый измельчитель 5когрюп 250 Е, который предназначен для дробления ветвей диаметром до 250 мм. Он состоит из группы дисковых дробилок с приводом от электрического двигателя мощностью 30—40 кВт.

Полы в складе топлива выполнены из передвижных скребков, которые приводятся в действие с помощью гидроцилиндров, создавая эффект подвижных полов. При толкании поршня скребки более пологой стороной заходят под слой топлива, затем при возвратном движении поршня скребки захватывают топливо и сталкивают его в желоб приемного шнека. Прямой и обратный ход штока гидроцилиндра ограничен концевиками, служащими для автоматического переключения подачи. Скребковый (шнековый) конвейер служит для автоматической подачи топлива из приемного шнека в задний оперативный бункер (или одновременно в несколько бункеров). Склад топлива имеет блочно-модульную конструкцию и состоит из следующих основных узлов: скребковые линейки подачи топлива из помещения хранения топлива в приемный шнек, гидростанция с гидроразводкой и гидроцилиндрами, пульт управления автоматизированным складом топлива, приемный желоб, наклонный желоб, переход с приемного на наклонный желоб. Ленточный конвейер состоит из электродвигателя, клиноременной передачи, редуктора, цепной передачи, муфты предохранительной и ленты конвейера.

Рассчитаем мощность, потребляемую электродвигателем ленточного конвейера. Характеристики конвейера:

• • скорость ленты транспортера и> = 0,4 м/с;
• • диаметр тягового барабана /)_б = 300 мм;
• • максимальная окружная сила = 6,83 кН = 6830 Н;
• • ширина ленты Ь = 1000 мм;
• • длина ленты/ = 30 м;
• • срок службы 5 лет.

Потребляемая мощность, кВт, привода транспортера

ЛГ_вв = />/1000;

(4.27)

N_вв = 6830 • 0,4/1000 = 2,73 кВт.

Общий КПД привода

Лобщ ^— Лр ' Лз' Лц ' Лм1 ' Лм2 ’ Лпк> (4.28)

где г|_р = 0,955 — КПД клиноременной передачи; г|₃ = 0,971 — КПД закрытой зубчатой передачи; г|_ц = 0,915 — КПД цепной передачи; г|_м1 = 0,985 — КПД муфты 1; г|_м2 = 0,993 — КПД муфты 2; г|_пк = 0,985 — КПД одной пары подшипников качения.

Рассчитываем

Лобщ = 0,955 • 0,971 • 0,915 • 0,985 • 0,993 • 0,985 = 0,85.

Требуемая мощность электродвигателя (с коэффициентом запаса 1,2), кВт, определяем как

УУ_в=1,2УУ_вв/_Лобщ; (4.29)

7У_В = 1,2 • 2,73/0,852 = 3,84 кВт.

Выбираем электродвигатель 10082/8880 мощностью 4 кВт с синхронной частотой вращения 3000 об/мин.