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秸秆气化气净化工艺中的安全设计

摘要

能源是限制经济发展的主要因素，传统能源对环境的污染较大，治理污染代价过大。

生物质能源作为一种新型的清洁能源，具有很大的发展潜力。

随着现代农业技术发展，农作物秸秆作为可再生的生物质资源，其能源利用价值逐渐被认识，开发利用途径和领域不断拓宽。

化工事故频发，造成重大经济、生命财产损失，并且严重威胁生态环境。

化工安全问题日益严峻。

十万吨/年秸秆气化气净化工艺中的安全设计，提出秸秆气化的必要性和秸秆气化气净化的重要性。

秸秆气化气为氢气、甲烷、一氧化碳等可燃性气体，既可作为能源，又可作为化工生产的原料。

设计中选择定净化工艺路线为干湿法结合净化，分两级净化。

对整个生产过程中可能出现或潜在的安全问题，提出相应的解决办法。

并对物料安全、人员安全、生产管理和员工职责及教育，做出有针对性的设计。

选择危害较小的工艺路线，根据生产需求和安全生产原则，选定相应的生产设备。

对该工艺进行经济评价，讨论在经济上的可行性。

关键词：

秸秆气化；净化；安全设计

Abstract

Energyisthemainfactorrestrictingthedevelopmentofeconomy,thetraditionalenergytotheenvironmentpollutionisbigger,andthecostofpollutioncontrolistoolarge.Biomassenergy,asanewtypeofcleanenergy,hasgreatpotentialfordevelopment.Withthedevelopmentofmodernagriculturaltechnology,cropstrawasarenewablebiomassresource,thevalueofitsenergyusehasgraduallybeenrecognized;thedevelopmentandutilizationofwaysandfieldsareconstantlyexpanding.Frequentlychemicalaccidentsresultedinsignificanteconomicandpropertylosses,andaseriousthreattotheecologicalenvironment.Chemicalsafetyproblemisincreasinglysevere.

Onehundredthousandtons/yearstrawgasificationgaspurificationprocessinthesafetydesignputforwardthenecessityofstrawgasificationandtheimportanceofstrawgasificationgaspurification.Strawgasificationgasishydrogen,methane,carbonmonoxideandothercombustiblegases,whichcanbeusedasenergysources,andcanbeusedasrawmaterialsforchemicalproduction.Inthedesign,theprocessrouteischosenasthedrywetmethodcombinedwithpurification,whichisdividedintotwostages.Fortheentireproductionprocessmayappearorpotentialsafetyproblemsputforwardthecorrespondingsolution.Andthematerialsafety,personnelsafety,productionmanagementandstaffresponsibilityandeducation,makeatargeteddesign.Selectthelesshazardousprocessroute,accordingtotheproductionrequirementsandsafetyproductionprinciples,selecttheappropriateproductionequipment.Economicevaluationoftheprocessisdiscussed,andthefeasibilityoftheprocessisdiscussed.

Keywords:

Strawgasification;Purification;Safetydesign

第1章引言

中国作为世界粮食、油料、棉花生产大国，作物秸秆资源相当丰富。

据专家测算，每生产1吨玉米可产2吨秸秆，每生产1吨稻谷和小麦可产1吨秸秆。

按照这个标准计算，我国每年可生产农作物秸秆6亿多吨[1]。

长期以来，人们一直把秸秆看作是农业的副产品，存在重粮食利用、轻秸秆利用的传统观念。

随着农业生产和农村能源事业的发展，农作物秸秆资源出现了大量的剩余。

这些秸秆除了烧火做饭、饲养牲畜、盖房、取暖和肥田等外，堆积在村头路边，房前屋后，不仅浪费了宝贵的自然资源，而且侵占耕地、妨碍交通、污染环境。

另外，中国耕地和淡水资源短缺，农作物秸秆尤为珍贵。

因此，加强农作物秸秆综合利用，是中国新阶段农业和农村经济发展的一项重大课题。

目前，农作物秸秆综合利用的途径主要集中在能源、饲料和肥料三个方面[2]。

这是秸秆资源利用的普遍趋势。

而利用农作物秸秆直接制备沼气，或者利用秸秆饲喂畜禽，然后利用畜禽粪污制备沼气，不仅可以缓解一些农村地区的能源紧张状况，而且发酵后的沼液、沼渣可以作为生产有机蔬菜、有机水果的肥料，兼备能源、肥料两个方面，是农作物秸秆综合利用的一种有效途径，更是提高农业综合生产能力、扩大农村就业、增加农民收入的重要途径，是改善和提高国家农业资源利用效率的重大举措[3]。

秸秆气化工程的推广使用对提高农民生活质量乃至实现农村现代化具有重要意义。

秸秆是由碳、氢、氧等元素组成，其中含有一定量的水分。

当秸秆被燃烧后，随着温度的升高，燃烧产生的气体通过还原区的赤热的炭层反应，转换成含一氧化碳、氢气、甲烷等组分的可燃气体[4]。

所得到气体可作为生产其他产物的原料，如：

用一氧化碳制备草酸、用一氧化碳和氢气制备乙二醇等，这些气体不仅仅可作为燃气还可作为化工生产中的原料，解决原料来源和降低原料成本。

这种做法节约资源，符合循环经济。

但该气体中还含有焦油、灰尘、硫化氢等主要杂质。

这些杂质的存在不仅降低秸秆气化气的气量，还影响秸秆气化气的气质。

由于杂质的存在降低秸秆气化气的利用率，影响下游产品的品质，还有可能堵塞、腐蚀设备，造成极大的损失和不便，严重影响秸秆气化技术的推广应用，浪费资源，污染环境。

因此秸秆气化气的净化十分必要。

安全问题时刻不能忽视，尤其是化工行业更加时时警惕。

化学工业的重大工业事故相继发生，1957年9月11日，吉林省吉林化学工业公司化肥厂发生爆炸事故；2015年天津港“8.12”爆炸事件，造成重大人员伤亡、财产损失和环境污染，给人民的正常生产生活带来巨大的不便，严重影响经济发展。

净化过程中的安全设计旨在消除或降低危险发生的几率，安全合理的处理“三废”问题。

在秸秆气化气的净化过程中，秸秆气化所得到产物中有一氧化碳、氢气、甲烷等有毒、易燃易爆气体。

一氧化碳有毒性，其对血红蛋白的亲和力比氧气高出250倍，它能够阻碍人体血液中氧气的输送，引起头痛、虚脱、神志不清等症状和肌肉调节障碍等，空气中含一氧化碳4000PPM以上时，1小时内会使人死亡；一氧化碳、氢气、甲烷都可燃，一定浓度范围内会引起爆炸事故，对生命财产存在很大威胁[5]。

气化气中的一些杂质，如果不做特殊处理会腐蚀净化设备，对环境造成污染，给工厂的经济效应带来负面影响。

因此在净化过程中的安全设计不仅不可缺少，而且还要合理有效地解决这一重大课题。

第2章净化工艺路线论证和安全措施

2.1.净化工艺路线论证

秸秆气化气的净化一般采用：

干法净化、干湿法结合净化、湿法净化三种方法[6]。

2.1.1.干法净化法

干法净化，是利用旋风除尘器和扩散锥体除尘器及滤料除尘器进行净化。

这种方法运行较短时间，管道就被焦油堵塞。

由于净化是热运行，焦油呈气态，去除率低。

净化器冷热交变，扭曲变形裂纹，使空气进入，增加了含氧量，引入了不安全因素。

由于焦油沉积且粘附在滤料上，难以处理，滤料需要经常更换。

在实际使用过程中，这种方法多与其它净化装置联合使用。

另外一种干法除焦方法就是用静电除焦，它和煤炭气化过程中的电捕焦油器原理相同，除焦效率高，但是要求入口焦油含量低于59mg/m3，而且焦油和灰尘容易粘在电除尘设备上[7]。

静电除焦设备都比较昂贵，一般在生物质燃气净化系统中很少使用。

2.1.2.干湿法结合净化法

干湿结合净化法分两级，第一级采用干式除尘器，第二级采用水喷淋器，然后通过水气分离净化秸秆燃气。

喷淋水洗是将含有焦油及灰尘的燃气从喷淋塔里经过，利用水滴和颗粒的惯性碰撞将可燃气中的部分焦油和灰尘带走，加入少量的碱可以使净化效果有所提高。

干湿法结合净化除焦的技术关键是选用合适的气流速度、适度的水量和喷水方式。

另外还需要有配套的废水处理装置。

湿法除焦操作简单，成本较低，能够满足燃气净化的基本要求。

但净化装置复杂，投资较大，需要较多的水资源。

2.1.3.湿法净化法

湿法净化是利用水净化秸秆气，这种方法有喷淋、水膜等，将燃气中的杂质、焦油去除，效果较好。

但湿法净化的缺点也非常明显：

（1）设备庞大复杂，占地面积大，造价很高，建设运行费用高，操作维护难度大；

（2）用水除焦会浪费大量的水资源，而且含焦油的废水易造成二次水污染；

（3）大量焦油不能利用，造成能源损失；

（4）实际的净化效果并不完全彻底。

对上述几种净化方法作比较，干湿法结合净化，较干法净化的净化效果更好，设备更好维护。

虽然干湿法结合净化需要进行污水处理，但污水可以循环利用；干湿法结合净化，净化效果较湿法净化净化效果差，但湿法净化的成本高且资源浪费严重，大量焦油不能利用，对环境造成污染。

综合考虑各方面因素，干湿法结合净化法更加适合用于秸秆气化气净化生产。

2.2.安全措施

秸秆气化气中，CO、H2、CH4是易燃气体，在一定浓度范围内燃烧会发生爆炸；其中CO属于窒息性气体，能够结合血红蛋白生成碳氧血红蛋白。

碳氧血红蛋白无携氧能力，又不易解离。

并且碳氧血红蛋白阻止氧和血红蛋白向组织释放氧，造成全身各组织缺氧。

年迈体弱伴有冠心病或贫血者易中毒。

高温、高湿或现场同时存在其他有毒气体（氮氧化合物、氰化氢、苯）时，中毒迅速，后果严重。

所以在生产现场要严格监控危险气体含量，防止泄漏，做好安全生产管理。

另外秸秆气化气中还有焦油，焦油中主要含有：

苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、苯酚和茚等物质。

焦油在低温下凝结成液体，容易和水、炭粒等结合在一起，堵塞输气管道，卡住阀门、抽风机转子，腐蚀金属。

焦油难以完全燃烧，并产生炭黑等颗粒，对燃气利用设备如内燃机、燃气轮机等损害相当严重，且焦油及其燃烧后产生的气味对人体是有害的[8]。

焦油具有相当大的危害性，必须尽量将其清除干净。

2.2.1.防爆炸

（1）工厂定位和布局

考虑工厂定位的基本原则：

有原料、燃料供应和产品销售的良好流通条件；有贮运、公用工程和生活设施等方面良好的协作环境；靠近水量充足、水质优良的水源、有便利的交通条件；避开人口密集、公共基础设施附近以及易发生自然灾害地区。

可将工厂定位在，地势平坦开阔靠近水源的城市郊区[9]。

首先，工厂发生爆炸或泄漏等危险事故后对周围生命的伤害最小，火灾容易控制不会蔓延。

其次，郊区处于农村和城市地理位置的中间，农村有大量的农作物秸秆可作原料，净化后的秸秆气可作燃料气供给居民日常生活所用。

因秸秆气燃气比重比空气略轻，宜采用全部或局部轻质屋盖，作为泄压设施。

顶棚应尽量平整避免死角，厂房上部空间要通风良好，宜开设天窗[10]。

此外，为了保持良好的自然通风和防爆泄压及人员疏散的需要，可以建立敞开式的厂房。

加工单元可能是工厂中最危险的区域，应该将加工单元集中分布在离开工厂边界一定距离的区域，集中分布的同时，各单元之间也要保证一定的安全距离。

严格控制储气柜与储气柜，储气柜与其他装置的间距，避免发生火灾或爆炸后的火势蔓延或连锁爆炸。

（2）设备和管道

电气设备所引起的火灾爆炸事故，多由电弧、电火花、电热或漏电造成。

在爆炸危险场所，尽量使用防爆设备。

也可根据实际情况，在不至于引起运行上特殊困难的条件下，首先考虑把电气设备安装在危险场所以外或另室隔离。

在火灾爆炸危险场所，应尽量少用携带式电气设备，人员出入应穿戴防静电服装和鞋帽。

安装检测仪器，检测空气中可燃气体浓度。

安装火灾自动报警仪器。

在火灾爆炸危险场所选用电气设备时，应该根据危险场所的类别、等级和电火花形成的条件，并结合物料的危险性，选择相应的电气设备。

一般是根据爆炸混合物的等级选用电气设备的。

防爆电器设备所适用的级别和组别应不低于场所内爆炸性混合物的级别和组别。

当场所内存在两种或两种以上的爆炸性混合物时，应按照危险程度较高的级别和组别选用电气设备。

按国家《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058（2014）中的规定，CH4属ⅡA级T1组，CO属ⅡA级T1组，H2属Ⅱc级T1组,秸秆气化气应属ⅡA级T1组[11]。

电机防爆结构的造型应选择隔爆型（d）、正压型（P）、增安型（e）。

电器开关和控制器类防爆结构和造型应为隔爆型（d）、充油型（o）、木质安全型（IA，IB），灯具应选用隔爆型（d）、增安型。

其他电气器件亦应采用相应的防爆型。

电气线路铺设，应避开易受机械损伤、振动、腐蚀、高温等场所，宜在较低处铺设或电缆沟铺设，严禁明铺绝缘导线，并应穿镀锌焊接钢管铺设保护。

电气线路不应有中间接头，在特殊情况下，线路设中间接头时，必须在相应的防爆型接线盒内连接。

电气线路应设有当发生过载、短路、漏电、接地、断线等情况下自动报警或切断电源的保护装置。

室外低压燃气管道地上部分应采用钢管，地下可采用钢管、铸管或中高度聚乙烯管。

地下燃气管道的干管不得从建筑物或地下构筑物的下面穿越，地下燃气管道不得在堆积易燃易爆物和具有腐蚀性液体的场地下面穿越，与建筑物、构筑物基础或相邻管道之间的水平和垂直净距应符合《城镇燃气设计规范》GB50028（2007）第5．3．2条规定[12]。

燃气引入管穿越建筑物基础、墙或管沟时，均应设置在套管中。

室内管道和电气设备、相邻管道之间的净距，按《城镇燃气设计规范》GB50028（2007）第7．2．26条规定执行。

管道连接处可以加铝片，释放静电。

在与空气直接导通的管道末端加阻火器，防止外部火焰窜入，阻止内部火焰向外蔓延。

按《建筑防雷设计规范》GB50057（2010），秸秆气化，贮气柜、气化车间的防雷要求属第一类防雷建筑物。

应设置独立避雷针，其接地电阻应小于10Ω。

应有防止雷电感应和电磁感应的措施。

2.2.2.防中毒

秸秆气化气中的CO能让人窒息，严重时可能死亡。

杂质焦油的气味十分难闻，焦油的主要成分是有毒有害的有机物，其中苯属于有机致癌物。

苯对类脂质的神经细胞具有特殊的亲和力，可引起大脑皮质和植物神经系统的功能紊乱，而出现神经衰弱症候群。

长期接触一定浓度的苯蒸汽，可引起慢性苯中毒，苯氧化后的酚类转化物，抑制细胞核分裂，造成增生低下，临床上有不同程度的贫血症；短时间内吸入大量高浓度苯蒸汽，若直接影响神经系统，可引起闪电式死亡。

选择安全的危害性小的工艺代替危害性较大的工艺，是防止毒害物的带有根本性的措施。

干湿法结合净化是相比之下危害性较小的工艺，对焦油净化的效果相对较好。

敞开式加料、出料、取样等等，均会造成有毒物质的散发、外逸。

为了控制有毒物质，使其不在生产过程中散发出来造成危害，可以提高生产过程中设备的密闭性。

在生产设备周围安装CO浓度检测仪和有毒气体浓度检测仪，提高生产设备的自动化程度。

用机械和自动化设备代替人工，减少人员在生产车间的出入，降低人员中毒和意外伤害的几率。

在化工生产过程中，由于长期接触化学物质而引起机体、组织、系统的损坏和病变从而产生职业中毒。

定期对员工进行体检，特殊岗位职工提高体检频率或定期换岗，预防职业中毒。

定期对员工进行安全教育考核和职业中毒现场抢救教育。

第3章设备选型

1.

2.

3.

3.1.旋风分离器的选型

旋风分离器类型较多，按结构分为圆筒式、旁通式和扩散式。

圆筒式结构简单，阻力小，但焦油去除率低，对于粒径为100μm左右的颗粒分离效率小于60%-70%，一般用于捕集密度和粒径大的颗粒。

旁通式是在圆筒体上设螺旋形的灰尘隔离室并与锥体连通，在隔离室的上端和下端设分离口，分别分离细颗粒和粗颗粒，分离效果高于圆筒式。

扩散式是采用180°蜗壳式入口，圆筒体较短，下接倒锥体，倒锥体底部设反射屏，用于捕集粒在10μm以下的颗粒[13]。

实践证明，采用圆筒式和扩散式分离器联合脱除焦油，效果较为理想。

旋风分离器的运行条件也是分离效果的重要影响因素之一。

一般说来,秸秆气进入分离器的流速为18-20m/s。

圆周速度为13-15m/s,在引出管处流速度为4-8m/s，因此秸秆气进入分离器流速大，虽然分离效果好，但阻力会增大，从而增加鼓风机电耗[14]。

3.2.旋风分离器的设计

本设计选用标准型旋风除尘器分离燃气经热交换器降温后的焦油尘粒。

旋风分离器具有以下特点：

（1）结构简单、加工制作容易、造价低；

（2）除尘器本身无运动部件，有效、运行管理及维护检修方便；

（3）对粉尘的物理性能无特殊要求，对粉尘负荷的适应性较强；

（4）可用于高温含尘气体的净化；

（5）属于干法收尘，可用它回收有价值的灰尘；

（6）设备阻力适中，除尘效率较高。

涡壳型切向进入式除尘器的入口连接导管的内壁与除尘器外筒体相切，接导管的外壁延伸为半圆周或全圆周的涡壳形。

这种入口方式，具有可以避免筒体内气流之间的相互干扰，对减小除尘器的阻力，提高处理风量和除尘效率有利等特点，所以当进风口的总面积相同时，可以改变进口的高度，使进口的宽度减薄，含尘气流进入除尘器时离轴心的距离增加了，也就是缩短了尘粒移向筒壁的距离，从而有利于除尘效率的提高。

旋风分离器是利用惯性离心力的作用从气流中分离出经热交换器冷凝后的燃气中所含的焦油尘粒的设备。

主体上部为圆筒形，下部为圆锥形。

含尘气体由圆筒上部的进气管沿切向进入，受器壁约束而旋转向下作螺旋形运动。

在惯性离心力的作用下，颗粒被甩向器壁与气流分离，再沿壁面落至锥底的排灰巨。

经净化后的气流在中心轴附近范围内由下而上作旋转运动，最后由顶部排气管排出[15]。

3.2.1.临界粒径

所谓临界粒径，是指在旋风分离器中被完全分离下来的最小颗粒直径。

它是判断分离效率高低的重要依据。

临界粒径的计算公式为：

（3-1）

式中:

—临界粒径

；

—气体粘度，

；

—分离器气体入口宽度，

；

—气流的有效旋转圈数，一般取为5；

—气体入口流速，

；

—气体的密度，

。

由于气体出口宽度还未确定，无法从上式算出所需的临界粒径。

但一般旋风分离器对于直径在5μm以下的微粒扑集效率已经不高，故选临界粒径为10μm。

3.2.2.旋风分离器的压力损失

气体流经旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力、气体流动时的局部阻力及气体旋转运动所产生动能损失都会造成气体的压强降。

其值与进口气体动压成正比，即：

（3-2）

式中:

—气体压强降，

;

—比例系数（阻力系数），

；

—气体密度，

；

—气体入口速度，

旋风分离器的压强降，一般为500~2000Pa，为避免涡流加剧及系统的正常运行，取压强降

为1000Pa[16]。

3.2.3.分离效率

分离效率指进入旋风分离器的全部颗粒中被分离出来的质量百分率。

即:

（3-3）

式中:

-旋风分离器进口气体含尘浓度，

；

-旋风分离器出口气体含尘浓度，

；

为使燃气成分焦油含量达到标准，取分离效率大于90%。

3.2.4.旋风分离器尺寸的确定

（1）计算流速[17]

（3-4）

流速界于12-20m/s之间，符合规定。

（2）计算进气口管宽度

（3-5）

由标准型旋风分离器尺寸确定原则可计算出其它尺寸，如图3—1所示

图3-1标准型旋风分离器结构简图

因此：

3.2.5.核算临界粒径及压强降

（1）压强降

含尘气体在操作状况下的总流量为：

（3-6）

和规范化式中：

燃气流量，

℃

气体流速：

（3-7）

压强降：

（3-8）

（2）临界粒径

（3-9）

3.3.换热器的类型

管壳式换热器是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。

一种流体在管内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。

管束的壁面即为传热面。

其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。

为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。

折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。

列管式换热器中，由于两流体的温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此它们的热膨胀程度也有差别。

若两流体温差较大（50℃以上）时，就可能由于热应力而引起设备的变形，甚至弯曲或破裂，因此必须考虑这种热膨胀的影响。

3.4.管壳式换热器的选型

管壳式换热器有三种类型，分别为固定管板式换热器、浮头式换热器、U形管式换热器和填料函式换热器[18]。

1.

2.

3.

3.1.

3.2.

3.3.

3.4.

3.4.1.固定管板式   

固定管板式换热器主要有外壳、管板、管束、封头压盖等部件组成。

固定管板式换热器的结构特点是在壳体中设置有管束，管束两端用焊接或胀接的方法将管子固定在管板上，两端管板直接和壳体焊接在一起，壳程的进出口管直接焊在壳体上，管板外圆周和封头法兰用螺栓紧固，管程的进出口管直接和封头焊在一起，管束内根据换热管的长度设置了若干块折流板。

这种换热器管程可以用隔板分成任何程数。

图3-2固定管板式换热器

固定管板式换热器结构简单，制造成本低，管程清洗方便，管程可以分成多程，壳程也可以分成双程，规格范围广，故在工程上广泛应用。

壳程清洗困难，对于较脏或有腐蚀性的介质不宜采用。

当膨胀之差较大时，可在壳体上设置膨胀节，以减少因管、壳程温差而产生的热应力。

固定管板式换热器的特点是：

旁路渗流较小；造价低；无内漏。

在相同的壳体直径内，排管较多，比较紧凑；壳侧层清洗困难，加上膨胀节的方法不能照到管子的相对移动。

比较适合温差不大或温差大而壳