临界装置论文（通用7篇）
临界装置论文 篇1
摘要：介绍了超临界流体萃取技术原理、应用特点及其工艺流程,综述了超临界流体萃取技术近些年国内外应用情况及超临界流体萃取工业化装置研究情况,为今后更好地研究这一技术提供参考。
关键词：超临界流体,超临界流体萃取技术,超临界流体萃取装置
超临界流体萃取技术(Supercritical Fluid Extraction,SFE)是近些年发展起来的一种新的分离技术,该技术不仅在化学、化工领域得到了广泛的发展,而且在中药现代化、生物制药、食品添加、分析等领域取得了新的进展。
近20多年来国内的各高科技企业研究了小规模、中试等具有一定自动化程度的超临界流体萃取装置。但是,目前我国的超临界萃取装置的发展状况还远远赶不上国际领先水平,特别是大规模、工业化生产所需的超临界流体萃取装置的研制。国内的大部分研究集中在超临界试验装置和中试装置上,针对如何解决超临界流体相平衡的理论与萃取装置相关的压力平衡、流体运动的控制、物料装填连续萃取等相关的问题而研发出适合工业化规模生产的超临界萃取装置显得尤为重要。
1 超临界流体萃取技术
1.1 超临界流体萃取的原理
超临界流体萃取(SFE)的原理是利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系,即利用压力和温度对超临界流体溶解能力的影响而进行的。在超临界状态下,将超临界流体与待分离的物质接触,使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来。
当然,对应各压力范围所得到的萃取物不可能是单一的,但可以控制条件得到最佳比例的混合成分,然后借助减压、升温的方法使超临界流体变成普通气体,被萃取物质则完全或基本析出,从而达到分离提纯的目的,所以超临界流体萃取过程是由萃取和分离过程组合而成的。
1.2 超临界流体及其特殊物理化学性质
超临界流体在临界点附近,温度和压力的微小变化可对流体的密度、扩散系数、黏度等产生明显的影响,正是超临界流体的这些特殊性质使其成为良好萃取分离介质,但实际上由于某些原因,需要考虑溶解度、选择性、临界点数据及化学反应的可能性等一系列因素,因此可用作超临界萃取溶剂的物质并不多,表1是一些常用作超临界萃取溶剂的流体的临界性质[1]。
从表1中可以看出,多数烃类物质的临界压力在4 MPa左右,同系物的临界温度随摩尔质量的增大而升高。
表1所列的物质中,相对于其他几种溶剂,CO2超临界流体的密度大,溶解能力强,传递速率高,临界压力适中,临界温度为31.06℃,分离过程可在室温条件下进行。同时CO2具有廉价易得、安全性好、易从萃取产物中分离出来等优点,其作为超临界萃取技术中最常用的溶剂,主要是因为CO2具有如下一些优点:
(1)二氧化碳的临界温度为31.06℃,是超临界溶剂中临界温度较接近室温的,可在室温附近实现超临界流体萃取操作,能耗较低;临界压力为7.39 MPa,比较适中,对设备的要求相对较低,而其临界密度为0.448 g/cm3,是常用超临界溶剂中最高的,根据超临界流体的溶解能力一般随流体密度的增加而增高的规律,可知CO2流体是最适合作为超临界溶剂的。
(2)由于CO2的临界温度较低,同时CO2是惰性气体,对一些热敏性物质无降解变质作用;萃取过程中不易发生化学反应,被萃取物质不会因氧化而变质;CO2具有灭菌和保鲜的作用,有利于保证和提高产品的质量。
(3)萃取能力的大小取决于超临界流体的密度,CO2的密度在超临界点附近随温度和压力的微小变化而具有较大的变化,改变其中之一或同时改变,都可改变溶解度,可有选择地进行多种物质的分离,从而减少杂质,使有效成分高度富集,便于控制产品质量。
(4)CO2气体在临界点以下与大部分物质均不相溶,很容易与被萃取物质分离,因此萃取物几乎无溶剂残留,避免了溶剂对人体的毒害和对环境的污染;同时,由于CO2易于从被萃取物中分离出来,不需要复杂的脱除过程,在分离过程中不需消耗能量,是一种可以达到节能目的的萃取分离介质。
(5)水在CO2相中的溶解度很小,这有利于用近临界或超临界CO2来萃取分离有机水溶液。
(6)CO2无味、无毒,价格便宜,纯度高,容易取得,而且可以循环使用,与有机溶剂相比,可降低萃取操作的成本。
(7)CO2不可燃,与易燃易爆的有机溶剂相比,采用CO2作为超临界萃取溶剂相对较安全。
此外,超临界CO2作为萃取溶剂也具有不足之处,二氧化碳的分子结构决定了它是一种典型的非极性物质,适宜萃取脂溶性、非极性物质,不适于萃取水溶性、极性较强的物质。针对这个问题,需加大萃取压力或使用夹带剂来实现萃取。在超临界CO2流体中加入少量的夹带剂,可以改变超临界CO2流体的极性,从而改善对强极性有机化合物的萃取能力。常用的夹带剂有水、乙醇等。
1.3 超临界流体萃取的特点
超临界流体萃取技术作为一种新型的物质分离技术,与传统的液—液萃取相比,具有以下一些特点:
(1)超临界流体萃取可在常温或接近常温的条件下溶解挥发性小的物质而形成一个负载的超临界流体相,在萃取后,溶质和超临界溶剂间的分离可用等温减压或等压升温的方法,故特别适合于热敏性物质的提取,如从各种植物中提取生理活性物质[2,3,4,5]。分离温度一般不超过60℃,并且整个萃取过程处于密闭状态,排除了药物氧化和见光分解的可能性;而传统上常用的液—液萃取需将溶剂加到要分离的混合物中,形成液体混合物,对萃取后的液体混合物通常用蒸馏方法把溶剂和溶质分开,这往往对热敏性物质的处理不利。
(2)超临界流体的萃取能力主要与其密度有关,而超临界流体的密度可在相当宽的范围内随其压力和温度的改变而改变,选用适当的压力和温度可对其萃取和分离过程进行方便的控制。而溶剂萃取能力往往取决于温度和混合溶剂的组成,与压力的关系不大。
(3)超临界流体萃取溶质后,只需降压或升温即可将溶剂完全回收并循环使用,一方面因为可以不必像液—液萃取那样蒸馏处理回收溶剂,从而节约大量能源。另一方面,由于溶剂完全从溶质中脱出,溶质中没有溶剂残留,使被萃取物质不会被有毒的有机溶剂所污染。因此,超临界流体萃取特别适用于食品[6]、天然香料[7]、医药[8]及生物工程中各种物质的萃取和精制,是一种绿色、可持续发展的萃取技术。
(4)由于超临界流体物性的优越性,提高了溶质的传质速率和传质能力,大大缩短了萃取的操作时间,同时得到较高的萃取率。
(5)超临界流体萃取的原料不需要繁复的预处理,可同时进行萃取和分离操作。与传统的液—液萃取相比,超临界流体萃取流程简单,步骤少。
(6)在大多数情况下,溶质在超临界流体相中的浓度很小,超临界相组成接近于纯的超临界相;而液—液萃取的萃出相为液相,溶质的浓度可以相当大。
(7)超临界流体萃取一般在高压条件下进行,根据萃取物的不同,其最佳萃取压力从9 MPa到40 MPa以上,设备的一次性投资较大,同时萃取釜一般无法连续操作;而液—液萃取往往在常压下操作。
2 超临界CO2流体萃取工艺流程及装置
2.1 超临界流体萃取主要工艺流程
超临界二氧化碳流体萃取基本流程包括萃取和分离两个阶段。萃取阶段系指溶质由药材转移至二氧化碳流体中的过程。当温度、压力调节到超过二氧化碳临界状态以上时,其对药材中的某些特定溶质具有足够高的溶解度而进行溶解;分离阶段系指溶质与二氧化碳分离及不同溶质间的分离。溶解有溶质的二氧化碳流体进行节流减压,其后在热交换器中通过调节温度变为气体,对溶质的溶解度降低,使溶质析出,当析出的溶质和气体一同进入分离釜后,溶质与气体分离而沉降于分离釜底部,气体进入冷凝器冷凝液化,然后经高压泵升压(使其压力超过临界压力),在流经换热器时被加热(使其温度超过临界温度),重新达到超临界状态,进入萃取釜中再次进行提取。萃取工艺流程示意如图1。
根据文献归纳超临界流体萃取工艺主要可以分为3种基本工艺方法——等温法、等压法与吸附法,如图2所示。
等温法萃取过程的特点是萃取釜和分离釜等温,萃取釜压力高于分离釜压力。利用高压下的CO2对溶质的溶解度大大高于低压的溶解度这一特性,将萃取釜中CO2选择性溶解的目标组分在分离釜中析出成为产品。降压过程采用减压阀,降压后的CO2流体通过制冷为液态,压缩机或高压泵将其打回到萃取釜中循环使用。
等压法萃取过程的特点是萃取釜和分离釜处于相同的压力,利用二者温度不同时CO2流体对物质溶解度的差别来达到分离的目的。
吸附法一般在超临界萃取中很少应用,它是在萃取釜压力与分离釜压力相同、萃取釜和分离釜等温的状态下,利用分离釜中填充特定吸附剂将CO2流体中分离目标组分选择性吸附除去,然后定期再生吸附剂即可达到分离目的。
在超临界萃取中一般采用等温法,因为温度变化对CO2流体的溶解度影响远小于压力变化的影响,而通过改变温度的等压法工艺过程,虽然可节省压缩能耗,但是实际分离性能受到很多限制,使用价值较低。因此通常超临界CO2萃取过程大多采用改变压力的等温法。
超临界CO2流体萃取工艺参数主要包括:萃取压力、萃取温度、二氧化碳流量、萃取时间、药材粉碎度、夹带剂种类及用量等。萃取工艺是以充分利用CO2流体溶解度的差别为主要控制指标。萃取釜压力提高,有利于溶解度的增加,但压力过高将增加设备的投入和增加能耗,从经济的指标考虑,通常工业化应用的萃取过程都选低于32 MPa的压力。分离釜是产品分离和CO2流体循环的组成部分。分离压力越低,萃取和分离解析的溶解度差值越大,越有利于分离过程效率的提高。这对一般中、小型装置较为适用,对于工业化装置来讲,由于工业化装置的CO2流体需冷却液化后循环使用,不能选用过低的压力,在大型装置中的分离压力一般都在5.5~6 MPa,个别装置分离压力在10 MPa左右。
2.2 超临界CO2流体萃取装置研究现状
目前国外对超临界流体萃取装置的研究仍处领先地位,近几十年来,国内的超临界萃取技术、工艺和装置的研究飞速发展,取得了巨大进步。我国多家公司相继研发生产出各种具有自主知识产权的小试、中试和工业化生产装置。南通华安超临界萃取有限公司生产的超临界萃取装置萃取釜分别为0.5 L、1 L、2 L、5 L/50 MPa;10 L、24 L/40 MPa;50~200 L/32 MPa;北京新特科技发展公司研发出超临界萃取设备,萃取釜1~1 000 L(25~35 MPa),同时采用快开式的萃取结构,提高了生产效率及产品质量,解决了该技术设备在工业放大中的关键问题。沈阳天诚生产的超临界萃取设备具有大型化、工业化特点,容积从0.5~2 000 L,基本能满足各行业对大型超临界萃取设备的需求。大连卓尔高科技有限公司具有超过24年的超临界流体萃取科研、设备制造经验,研发生产的超临界萃取设备具有全新的快开结构,自控水平高,安全性好,并且可按照GMP标准进行设计,小试装置1~5 L的有效容积、中试设备10~50 L,工业化装置可实现100~2 000 L的有效容积。随着超临界萃取装置的不断更新进步,超临界萃取技术在我国的发展也必将达到新的高度。
2.3 超临界CO2萃取装置结构组成
超临界流体萃取过程的主要设备是由萃取器、分离器、精镏柱、CO2高压泵、副泵、制冷系统、CO2贮罐、换热系统、净化系统、流量计、温度、压力控制(保护)系统以及连接这些设备的管道、阀门和接头等构成。此外,因控制和测量的需要,还有数据采集、处理系统和控制系统。
在超临界流体萃取技术中萃取装置是关键,超临界CO2萃取装置集合了多项技术,它包括机械结构、压力容器、管道阀门、仪器仪表、电气控制、化工工艺等专业技术。在中小型萃取设备中装置的结构简单、体积小,便于操作与使用。对于一般科研机构,只要求萃取器开启方便,装料、卸料省力,有简单控制即可。所以实验室设备的设计、制作较为容易。而大型工业化装置的设计就复杂得多,工业化装置要求能连续装填物料,具有连续萃取的功能,在溶剂的使用方面还要求能回收CO2气体进行循环使用,这在中小型装置萃取中是不可能实现的,因此在设计大型工业化萃取装置中也无法借鉴小型装置的结构。正是如此,大型工业化萃取装置的研发和应用显得更为重要和困难。目前对于解决大型工业化装置要求的连续装填物料,连续萃取以及高压容器快开机构等方面的研究取得了一定的成绩。特别是近年来,国内已解决了许多有关超临界方面的技术难题如超临界流体萃取装置的工艺流程问题、超临界流体萃取釜、分离釜结构及寿命问题、快开机构与密封件的材料耐用度的问题等,超临界技术的应用在我国得到了迅速发展。
2.3.1 快开装置、密封结构的研究
根据国内外有关资料和产品介绍了解到,目前国内外使用的快开装置主要有卡箍式、楔块式、单螺旋柱式三种。超临界萃取多为间歇操作,即萃取釜必须经常打开和关闭。为便于操作,缩短间歇操作时间,提高设备的利用率,萃取釜应采用快开盖结构。工业化装置萃取釜快开结构一般采用的有卡箍式快开机构和滑块伸缩式快开密封机构。卡箍式快开机构具有强度高、密封性好、运行可靠、操作维护方便等特点,但缺点是开盖机构复杂,占地面积较大。陈平等[9]研究了一种超临界萃取装置新型高压快开自紧密封结构,这种密封结构采用D形螺栓连接和C形环等密封元件的密封结构可应用于超临界萃取装置,具有结构轻巧、装拆方便,能适用于各种尺寸及压力场合等特点,图3为D形螺栓结构及连接原理局部示意图。
赵利剑等[10]以超临界萃取装置高压快开结构为主,高压密封装置为辅,重点研究了高压快开装置的发展过程和发展状况,并按照不同类型进行了分类比较,指出了各种装置的优缺点及其适用条件,为企业在超临界萃取装置的设备选型和同类研究提供了参考。孙太林等[11]发明了一种超临界萃取高压容器快开结构,该机构由置于高压容器桶体上端的密封压盖、两个对称的卡箍式容器盖、旋转轴、螺旋升降器及底座组成,两对称的卡箍式容器盖带有旋转支耳,其支耳上所设置的圆孔套装于旋转轴上,使卡箍式容器盖可绕放置轴旋转,螺纹升降器中的丝杆穿过卡箍式容器盖与密封压盖固定连接。旋转卡箍式容器盖至一定角度后,就可由螺旋升降器的提升丝杆将密封压盖提起,达到快速开启的目的。该设计适合用作医药、化工、食品方面的200 L以下工业化超临界流体萃取装置的容器快速开启机构。
2.3.2 进卸料装置连续萃取器
目前,液体原料可以通过进卸料计量泵直接泵入萃取罐中,但是没有一种固相物料进卸料装置能较好地实现超临界萃取固相物料的连续化生产,因此,解决高压条件下超临界流体萃取固体物料进卸料系统的设计问题是有必要的。连续化操作既可以避免生产中大量的能量散失,提高萃取率,从而降低生产成本,也可以尽可能消除由于快开结构失灵等而带来的不安全因素。崔玉良等[12]概括了超临界流体萃取技术和包括连续式操作在内的超临界流体萃取装置的研究现状,提出了一种通过球形进、卸料器完成固相物料超临界流体萃取连续化进卸料的装置,介绍了该装置的结构和工作原理,结构如图4所示,该装置由进料筒体、萃取筒体、卸料筒体和换热器构成,进料筒体与萃取筒体、卸料筒体用焊接或机械方式固定连接为一体。研究结果表明该结构简单可靠,便于实现工业化,制造成本比较低廉,进、卸料器采用具有自紧性的密封结构,密封可靠,摩擦力小,可机械传动,降低了劳动强度,消除了频繁开关萃取器快开结构而存在的自锁失灵等不安全因素和引起的能量损失,节约了能源,减少了环境污染。孙云鹏等[13]研究发明了一种大容量连续超临界萃取设备中的卸料器,在后序工艺上装有卸料器,卸料器的上部装有进料阀、压力表和卸压阀,下部装有出料阀,从而将间歇式萃取器转变为大容量的连续萃取器。此萃取器可与微机连接线自动化操作,同时也可大大降低萃取剂和改性剂的用量,设备操作稳定,安全可靠。
2.3.3 超声强化超临界萃取装置
由于超临界流体萃取存在着萃取压力高,萃取时间长,对各种固体物料的萃取效率低,萃取时往往需要较多的循环次数等问题,从而限制了其大规模工业化应用。针对这些问题胡爱军等[14]根据超临界系统设备的特点,设计了可用于强化超临界流体萃取过程的超声波强化装置,将超声技术与SFE技术结合。该装置具有单板输出功率大,过载自动保护,功率可调且自动跟踪,采用变压器进行输出隔离,安全可靠,方便易控等优点。超声强化超临界流体萃取过程降低了萃取系统的压力、萃取温度,减少了夹带剂用量、超临界流体流量和萃取时间,萃取效率明显提高,提取实验研究表明超声强化处理不改变提取物质的成分与结构。丘泰球等[15]针对超临界流体萃取系统设备的特点,设计了可用于强化SFE过程的双频超声波交替强化装置。该装置进行了低频超声和高频超声协同强化超临界流体萃取的影响因素及超声强化的效果的研究,并且以香椿叶中黄酮类化合物为提取对象,对超声强化SFE过程的影响因素及强化效果进行了实验研究,结果表明低频超声利于提取,频率为20 k Hz的超声强化的萃取率最大,38 k Hz的超声最小,两者交替的居于中间。由此得出该装置具有单板输出功率大,过载自动保护,功率可调、频率自动跟踪,采用变压器进行输出功率隔离,安全可靠等优点。
3 超临界萃取技术在医药领域的应用及发展
近年来中药现代化的快速发展,促进了超临界流体萃取技术及装备的进步,超临界流体萃取装置的研究也逐渐由小型手动实验型装置到中试装置发展到大型工业化生产装置。超临界流体萃取技术的发展与应用也日趋广泛。在医药领域,由于超临界流体萃取技术具有优于传统分离技术的诸多优点而备受关注,特别是在中草药有效成分提取分离中具有非常广泛的应用,此外,超临界萃取技术与其他分析技术相结合在药物分析领域的应用也逐渐成为超临界流体萃取技术的研究热点和难点。
3.1 在中草药有效成分提取分离中的应用
从动植物中提取有效药物成分仍是目前超临界流体萃取在医药工业中应用较多的一个方面,其中从中草药中提取挥发油与精油的研究最为广泛[16,17],挥发油是芳香性药材药效的物质基础,传统提取挥发油的方法多用水蒸气蒸馏法,不仅加热时间长、耗能大,而且很多挥发油含有热敏性成分,易受热分解变质,而二氧化碳超临界萃取法可在较低的温度下进行,可保留植物原有的品质,因此该方法用于挥发油的提取有着独特的优势。此外还有对生物碱的提取应用,生物碱的提取传统上多以水和有机溶剂为溶媒,常采用醇提水沉、水提醇沉等方法,但各种方法普遍存在着工艺复杂、污染产品、有效成分损失较多且易受破坏等缺点。同时生物碱在中草药中的含量较低,一般提取率低、提取时间长,而采用超临界萃取技术大大改善了上述缺点。此外超临界萃取技术还应用于香豆素与木脂素、脂肪酸、黄酮类化合物、醌及其衍生物、糖及其苷类等近百个品种的研究。超临界流体萃取技术在中药有效成分提取和研究方面的巨大优越性,将会使该技术在中药有效成分的提取及质量研究方面得到更广泛的应用。
3.2 在药物分析中的应用
超临界流体萃取在药物分析中的应用是近期形成的一门新技术,随着超临界流体萃取分离技术的发展,超临界萃取技术与其他分析技术的联用也日益广泛,并形成同时具有GC和HPLC优点的新一代色谱法——超临界流体色谱法(SFC)。它克服了GC有时要作衍生物的缺点,同时SFC除了可采用HPLC常用的UV检测器外,还可以使用GC中的FID·MS·IR等通用检测器,大大提高分析的灵敏度和应用范围,特别是毛细管SFC/MS联用,为分析热不稳定和高分子量的化合物提供了重要的分析手段。
随着分析技术的提高,近些年,SFE-HPLC联用,SFE-TLC联用,SFE-GC联用,SFE与超临界流体色谱(SFC)的联用等技术在药物分析领域的应用得到了迅速发展。
从近年来的文献和专利研究可以看出,超临界萃取技术的应用在未来具有极其广阔的发展前景。
临界装置论文 篇2
我国火电行业的能源利用率跟发达国家的平均水平相比,还具有较大的差距。发达国家平均每千瓦时供电煤耗为335克,我国2000年为392克,2005年是370克,2006年是366克。按照“十一五”规划,到2010年要降到355克[1]。火力发电行业要实现“十一五”规划纲要提出的节能降耗目标,就需要积极采用先进技术,加大技术改造力度,对现有设备进行节能、降耗与减排改造,推广使用高效节能的发电设备。超临界机组能大幅度提高循环热效率,降低发电煤耗,同时还具有良好的启动运行和调峰性能,是我国目前火电建设发展的重点。
超临界机组是指主蒸汽参数超过水、汽状态区分的临界点(即压力大于等于22.12MPa,温度高于374℃)的汽轮发电机组。超临界机组可以分为两种类型,一类是常规超临界参数机组,其主蒸汽压力一般为24MPa左右,主蒸汽和再热蒸汽温度为540℃~560℃;另一类是高效超临界机组,通常也称为超超临界机组或高参数超临界机组,其主蒸汽压力为25~35MPa及以上,主蒸汽和再热蒸汽温度为580℃及以上。常规超临界机组的效率可比亚临界机组高2%左右,而高效超临界机组效率可比常规超临界机组再提高4%左右[2]。常规超临界机组的总效率可达到43%,发电煤耗可降为300g/kWh以下;而超超临界机组的电厂总效率可达45%以上,发电煤耗可降到280g/kWh以下,相比全国平均水平降低了100g,即同样的煤量,可多发电1/4[3]。
直流锅炉不同于汽包炉,在直流锅炉蒸发受热面中,工质的流动不是依靠汽水密度差来推动,而是通过给水泵压头强制流动,工质一次通过各受热面,达到给定温度。为保证水冷壁的安全及水动力的稳定,直流锅炉开始启动时,就必须建立启动流量和启动压力,为此直流锅炉需增设一个专门的启动旁路系统。直流锅炉启动流量约为锅炉最大连续蒸发量(BMCR)的25%~35%。这部分工质经水冷壁逐渐加热,在直流运行之前,先处于过冷态,达到饱和后为汽水混合物。汽水混合流体通过启动旁路系统的汽水分离器产生蒸汽和疏水,蒸汽进入过热器,疏水则需另外处理。如果直接排放掉启动过程中产生的高温疏水,势必造成能量和工质的双重损失。以河南华润电力首阳山有限公司的600MW机组冷态启动时的运行工况[4]为例,冷态启动过程中启动分离器约排放4200t疏水,假设补给水的温度为20℃,则排放疏水所含的热量为5.5×109kJ,重油热值为42000kJ/kg,其相当于130t重油所含的热量。600MW机组每启动一次约排出2000~5000t疏水[5],大量的疏水排放,将导致化水车间制水紧张,造成水资源浪费和经济损失。由于这部分疏水既是工质,又含有大量可用的热量,所以对这部分疏水进行回收,在经济、环保、节能上都具有重要的意义。
1 超临界直流锅炉启动旁路系统
直流锅炉启动系统分为两大类:内置式和外置式。外置式的启动分离器在机组启动和停运过程中投入运行,而在正常运行时切除至系统之外。内置式的启动分离器在机组启动、正常运行、停运过程中均投入运行,所不同的是在锅炉启停期间,启动分离器处于湿态运行,起汽水分离作用,而在锅炉正常运行期间,汽水分离器仅相当于系统内的蒸汽通道[6]。
内置式启动系统一般分四种:大气扩容式启动系统、带启动疏水热交换器的启动系统、再循环泵式启动系统、凝汽器式启动系统。不同结构的启动系统,对启动疏水的处理及回收的方法也不同[7]。
大气扩容式启动系统,在机组启动过程中,汽水分离器中的疏水经大气式扩容器扩容二次汽排入大气,二次水经贮水箱、输送泵排至凝汽器。该启动系统初期投资较少,但分离后的蒸汽排入大气,造成较大的工质和热量损失。
带启动疏水热交换器的启动系统在锅炉启动过程中,汽水分离器所产生的饱和疏水与锅炉给水通过设置在省煤器入口的启动疏水热交换器进行热交换,提高给水温度。热交换后的疏水由于压力降低,可以较安全地排入除氧器。该系统将启动疏水的热量分级使用,提高热交换效率,不损失热量和工质,但系统结构复杂,投资成本高[8]。
再循环泵启动系统具有缩短启动时间,不损失工质和热量等诸多优点,但是辅助系统多,设备投资大,检修费用高,疏水在循环泵内存在汽蚀危险,需设置专门管路加大疏水过冷度[9,10,11]。
凝汽器式启动系统的结构是再循环泵式启动系统的简化,即去掉了再循环泵及相关辅助设备,而启动分离器所产生的疏水将全部排入凝汽器。该启动系统为闭式回收疏水,在启动过程中不损失工质,但损失大部分热量[12]。
经过分析总结各启动系统的特点,认为将启动疏水排入除氧器是一个较理想的方案。如果疏水经过减压处理后能够安全地排入除氧器,不仅锅炉汽水分离器启动疏水得到回收,而且疏水的热焓能够通过除氧器得以利用。
2 启动疏水回收方案
超临界锅炉启动过程中,将产生大量高温高压的启动疏水,将其输入除氧器,可同时实现工质和热量的回收,进一步提高机组运行经济性。但是,由于启动疏水为压力达80~90 bar的饱和水,将其降压至除氧器工作压力后,高温高压饱和水将变成干度约0.3的汽水混合物,体积急剧扩大。如果汽水混合物直接输入除氧器水箱,则饱和蒸汽夹带未汽化的饱和水以很大的动量冲击除氧器内元件,可能造成除氧器内件损坏。因此,应尽可能降低进入除氧器的启动疏水的汽化率,以减小汽水混合物的流速(动量),同时采取适当措施消除汽水混合物的动能。为保证超临界锅炉启动疏水在进入除氧器时不致引起除氧器内件的损坏和振动,开发了专用的内置疏水回收装置。
以往对于超临界机组锅炉启动疏水,采用外置式扩容器或直接排入环境,前者将增加电厂的设备投资并占用电厂宝贵的场地空间,后者将造成能耗的损失。而除氧器作为除氧设备同时具有贮水功能,有着巨大的扩容空间,但以往如高加疏水进入除氧器内部均采用挡板结构,该结构无法承受锅炉启动疏水这样的高压高温介质的冲击。为此,在除氧器中,增加一套锅炉启动疏水回收装置,以接收机组锅炉启动疏水,使锅炉启动时该路高温高压的高能疏水进入除氧器,经消能后进入系统,疏水的热焓通过除氧器被利用,避免了锅炉汽水分离器启动疏水热焓的浪费,又节省了部分锅炉启动用的加热蒸汽,大大提高了电厂的能源利用率。
在运行时,高温高压的疏水以一定的流速由回收装置喷口流出,将压力能转变为动能,形成高速引射流。同时,在压差作用下,除氧器内低温低压水不断地被吸来混合。高温高压疏水与除氧器内低温低压水混合后,温度明显降低。此时,高温高压疏水进入压力较低的除氧器时汽化率明显减小,汽水混合物的流速(动量)也明显减小。在该套装置中,单只回收装置的设计和多管组合均需经过严格的计算。同时,由于冲击力大需设置减震装置、吊架、托架等进行消震固定[13]。
3 结束语
TH系列超临界CO2萃取装置 篇3
超临界流体萃取 (简称SCFE或SFE) 技术是当今世界上正在兴起的、适用性很强的新型绿色分离技术。该分离技术在处理过程中一般不加入任何化学试剂, 所分离的物质不会受任何污染;还具有萃取效率高、产品质量高、分离温度低、能耗低、无污染的特点, 尤其适合于热敏性及生物活性物质的分离。
其特点:
(1) 设计有一个或多个萃取釜 (1～24 L、24～1 000 L) 、分离釜的不同组合方式;
(2) 萃取釜采用快开盖结构, 具有快速启闭、自锁、快速提升的功能。生产型装置萃取釜盖的开启、关闭均采用液压缸进行自动操作, 提高了工作效率;在快开盖机构中设置有安全联锁装置, 能满足连续工作、快速启闭的要求, 同时符合压力容器技术安全监察规定;
(3) 采用计算机系统对整个工艺流程进行过程控制, 根据工艺设定, 对装置的压力、温度、流量、时间等工艺参数进行自动控制、自动调节。各项工艺参数通过传感器传送至计算机并存储, 有历史记录可供查询;
(4) 生产型装置采用行车自动装料、自动出渣, 装料、出渣方便可靠;
(5) 各容器、泵出口等处均设置有安全阀、磁助电接点压力表控制;
(6) 方便快捷的装料及卸料机构, 物料筐采用快装快开结构, 并设计有专用卸料装置;
(7) 整套装置采用不锈钢制造, 能满足食品、医药行业对设备的要求;并附加有夹带剂工艺。
温州市成东药机有限公司 (温州市中制药机械设备厂)
厂址:温州市机场大道559号邮编:325024电话:0577-86371414总经理:王成东
临界装置论文 篇4
近20年来,由植物油制备生物柴油作为石油燃料的替代物,已引起了世界各国的广泛关注。且主要以实验手段为主,研究各种参数(温度、压力、催化剂等)对转化率的影响,故关于其工艺、原料和产品后处理方面的报道颇多[1,2,3,4]。由于超临界环境下反应的复杂性,关于数值模拟结果方面的报道很少。反应温度影响反应速率和时间,准确模拟反应装置中的传热过程极其重要。功能强大的CFD商业软件用在传热方面的研究效果显著[5,6],故采用CFD软件对一套高温高压间歇式反应装置进行了数值模拟,希望能进一步了解反应过程并为此类反应装置的设计、运行和改造提供参考信息。
1实验装置介绍
反应装置平面图如图1所示,锡池尺寸为50×138×50mm。该装置中根据反应的需要设定锡池的温度,反应釜和反应液处于同一温度(环境温度),以锡池加热反应釜和反应液。经过一段时间传热后,三者温度达到平衡,制备生物柴油的反应在恒温下进行。
2传热理论分析
对于本文研究的实验装置锡池为热源(热体),反应釜与反应液为热阱(冷体)。所涉及的传热方式主要为热传导。描述热传导的机理及数学模型为傅里叶(Fourier)定律。控制方程为三维不可压缩流动的连续性方程和Navier-Stokes动量及能量方程:
式(5)中,流体的比能E定义为单位质量流体的内能和动能之和,E=i+(u2+v2+w2)/2。对于不可压缩流体,内能i=CVT,CV是定容比热容, ᐁ·u=0。于是能量方程可以写成下面的温度方程:
FLUENT采用有限体积法(FVM)求解传热用的是如下形式的能量方程和N-S方程:
式中,keff=kt+k,为有效导热系数,Tref=298.15 K。
在两相交界面处引入耦合边界条件:
这里假设区域Ⅱ为流体,区域Ⅰ为固体。
3计算与模拟
3.1计算模型
为合理设置边界条件,简化计算过程,对传热过程的整体模型作以下假设:
(1)锡池整个外表面不对空气辐射传热,即没有热量损失;
(2)反应液充满反应釜的整个腔体,固-液接触表面没有间隙;
(3)各流体为不可压缩流体,即流体密度不随时间变化。
采用Fluent6.2软件求解传热过程温度场,以反应装置的实际尺寸作为计算的物理模型,选择锡池外表面包含的区域为计算域。由于实验中采用的是超临界甲醇法来制备生物柴油,所以在此以甲醇作为模拟反应釜内的升温过程的流体,模拟的最高温度为573 K。网格划分如图2,锡池的节点数为298 089个,反应釜的节点数为100 214个,反应液的节点数为36 432个。
采用SIMPLE算法求解压力—速度耦合方程,动能和能量的离散格式均采用一阶迎风差分格式,反应釜和各流体壁面均采用标准壁面函数方法处理,材料相关参数来自文献[7,8]。
3.2计算结果与讨论
由非稳态解可知,在经过大约89s时间的传热后,锡池、反应釜和反应液三者温度达到平衡,此时沿中心轴所在对称面得到的温度场分布云图如图3所示。由于前3s时间所求解不稳定,所以截取了3s以后各时刻的锡液传热速率随时间的变化,如图4所示。从锡液传热速率的变化曲线可以看出,前30s内明显高于后段传热时间的传热速率,随着锡池、反应釜和反应液三者温差的降低,传热速率降低,传热过程满足热力学第一定律。将模拟的温升曲线和试验测得的温升曲线进行了对比,如图5,模拟的升温过程和实验数据的误差在8%以内。
甲醇的超临界温度为512.6 K,着重考察了反应釜腔体内流体在512.6 K温度附近的温度场分布,且采取了强化传热的措施,将锡池设为流动状态,图2中的B表面为流体入口,A表面为出口,尺寸减小到40 mm×128 mm×40 mm,以节省锡的用量和减小反应装置的体积,对比了两种传热过程。两种情形反应装置温度场分布对比方图如图6,沿反应液中轴线X-Y图分别为图7及图8所示。其中X-Y图所取的中轴线分别处于X方向15—82 mm和10—77 mm从仿真结果可以得到以下结论。
(1)原来的传热方式在18 s左右使流体温度达到临界温度,温度分布在(516.39—534.7) K,而后者只须8 s左右,温度分布在(520.69—521.69) K,有效地缩短了传热时间和改善了温度分布的不均匀性。与有关文献[9,10]报道的流体在超临界温度下呈现温度不均匀分布的特点相符。
(2)观察图6可以知道反应釜腔体内的流体温度要比左边反应釜壁面温度低,这是因为金属吸热快的缘故。(a)图中流体温度低于反应釜密封端的温度,(b)图中流体温度高于反应釜密封端的温度。由于两种情形传热时间的差别,而反应釜密封端金属较多,前者经过时间较长,密封端吸收了足够多的热量,温度升高较流体快;后者经过时间短,密封端吸收热量较少,温度低于流体。这样可以减少反应釜吸收的热量,减少锡液温度的波动,有利于控制反应温度。
4结论
对某制备生物柴油反应装置传热进行了数值模拟,得出了固-液耦合相各时刻的温度场分布,模拟结果与实验结果的吻合度较高,验证了模型的适应性。着重分析了甲醇在超临界温度下的温度场,模拟结果表明此时反应釜腔体内流体温差较大,即温度场分布不均匀。为了改善这种温度场分布的不均匀性,对该装置采取了强化传热措施的升温过程进行了仿真。对比两种传热方式后发现,传热方式对反应釜腔体内的流体温度影响极大。强化传热可以有效地改善温度分布的不均匀性并缩短传热时间,进而减少了反应釜吸收的热量,可以更充分地利用能量。
超临界状态下的反应机理和传热过程十分复杂,要深入研究超临界状态反应过程中的传热还需要创立新的计算方法,手动编程来实现能够真实模拟考虑反应吸热和放热特性的计算机算法。因此将这种自主开发的传热模型的计算法与CFD软件相结合,进一步提高模型的精确性、通用性及仿真度,以得到更多模拟数据来指导此类装置的设计、运行和改造,并在揭示反应机理方面充当更重要的角色, 是今后工作的主要研究方向。
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临界装置论文 篇5
本文结合已设计的10 L连续进料中试CO2超临界装置带控制点的工艺流程图 (如图1所示) , 对该超临界装置萃取釜的温度、CO2压力和通入CO2流量、CO2冷却器温度、进入冷却器CO2流量和分离釜的温度及压力的控制方案进行了初步设计的研究, 并针对该装置过程中涉及的检测仪表及调节控制阀进行了选型设计。
1 10 L连续进料超临界CO2萃取装置控制方案设计
1.1萃取釜温度控制
控制方案:萃取釜的温度控制可采用简单控制系统, 即可通过直接控制进入萃取釜里的CO2的温度来控制萃取釜内的萃取温度或采用控制夹套内的循环热水的流量来控制萃取釜内的温度, 两种控制方案均可。
但由于上述方案简单, 加之有一定的延时, 所以控制效果不是很理想。另外, 萃取过程中可能伴有能量的变化, 萃取温度变化可能较大, 所以本装置采用串级控制系统。由于萃取釜内温度的检测较为困难, 所以不直接测量萃取釜内温度, 取而代之的是测量萃取釜的进出口温度。这样不但使得萃取釜的设计要求简化, 并且不会影响萃取釜的温度控制。另外, 在对进入萃取釜的CO2进行加热时, 对加热水的流量进行简单的控制就完成了整个萃取釜的温度控制[6]。控制方案如图2所示。
萃取釜温度串级控制的方块图如图3所示。
1.2 CO2流量及压力的控制
CO2流量的控制方案有3种: (1) 调节原动机的转速。这种方案适合用于以蒸汽机或汽轮机作原动机的场合, 但当用电动机作原动机的时候, 由于调速机构复杂, 故很少采用; (2) 改变冲程。计量泵常用改变冲程来进行流量的控制, 冲程的调节可在停泵时进行, 也有在运转状态下进行的。往复泵的出口管道上不允许安装控制阀, 这是因为往复泵活塞每往返一次, 总有一定体积的流量排出, 当在出口管道上节流时, 压力会大幅度增加。因此, 改变出口管道的阻力达不到控制流量的目的, 又极易导致泵体损坏。 (3) 控制阀的出口旁路。采用旁路调节来控制出口压力, 然后用直接调节阀来控制其流量。显然这两个控制回路在动态时是相关联的。为此, 在控制器参数调定时, 应把它们的振荡周期错开。一般可以使压力回路的操作频率低一些, 甚至整定成非周期的不震荡过程[7]。
综合上面的控制方案后, 结合萃取釜压力、流量的特点及两个控制回路在动态是相关联的, 所以选用第3种控制方案。控制系统如图4所示。
1.3冷却器的控制
冷却器的冷却温度要求并不是很高, 所以选用简单控制系统。简单控制系统方案如图5所示。
1.4进入冷却器的CO2流量的控制
进入冷却器的CO2流量必须进行严格的控制, 因为在萃取过程中为提高收率往往要加入夹带剂, 同时夹带剂与进入混合器的CO2 (与进入冷却器CO2的流量相等) 的流量根据萃取物料的不同有不同的比例。控制进入冷却器的CO2流量关系着萃取剂的萃取能力, 所以此步控制非常重要。对控制仪表的精度要求也较高。为方便控制, 此过程控制选用简单控制系统。
1.5夹带剂流量的控制
夹带剂的流量与CO2的流量成一定的比例, 根据萃取条件的要求, 比例不同, 过程控制可采用比值控制系统。控制系统如图6所示, 方块图如图7所示。
在过程控制过程中, 如果CO2的流量能够精确控制, 那么只要给定CO2的流量就可以知道夹带剂的流量, 也就是分别控制CO2的流量和夹带剂的流量, 这样就可以通过简单的控制系统完成控制要求了。缺点是:在控制过程中如果CO2的流量发生改变则此控制方案就不可行了, 如果CO2的流量不发生变化为一给定的值, 即可采用简单控制系统来代替比值控制系统了。
由于在超临界CO2萃取过程中, 为提高固定的萃取物料收率, CO2的流量要求为一定值, 所以就可用上面介绍的简单控制系统代替复杂的比值系统。
本萃取工艺最终采用简单的控制系统来完成控制需要。
1.6分离釜压力、温度的控制
分离釜的压力、温度控制也采用的是简单控制系统, 控制方案与前面的简单控制相似, 在此从略。
2 10 L连续进料超临界CO2萃取装置主要仪表选型设计
在整个装置中, 温度、压力及流量的控制应用最多, 本文针对各操作要求, 对各釜体相应温度、压力、流量检测仪表及控制调节阀的选项作初步设计。
2.1压力检测变送器的选型
针对萃取釜、一级及二级分离釜、精馏塔的压力检测变送器选型如表1所示。
2.2温度检测变送器的选型
温度控制以选择电阻式测温元件为主, 各釜体内操作温度检测变送器的各参数及级别如表2所示。
2.3流量计的选型
2.3.1流量计选型原则
流量计选型是指按照生产要求, 从仪表产品供应的实际情况出发, 综合地考虑测量的安全、准确和经济性, 并根据被测流体的性质及流动情况确定流量取样装置的方式和测量仪表的型式和规格。
流量测量的安全可靠首先是测量方式可靠, 即取样装置在运行中不会发生机械强度或电气回路故障而引起事故;二是测量仪表无论在正常生产或故障情况下都不致影响生产系统的安全。
在保证仪表安全运行的基础上, 力求提高仪表的准确性和节能性。为此, 不仅要选用满足准确度要求的显示仪表, 而且要根据被测介质的特点选择合理的测量方式。
为保证流量计使用寿命及准确性, 选型时还要注意仪表的防振要求。在湿热地区要选择湿热式仪表。
正确地选择仪表的规格, 也是保证仪表使用寿命和准确度的重要一环。应特别注意静压及耐温的选择。仪表的静压即耐压程度, 应稍大于被测介质的工作压力, 一般取1.25倍, 以保证不发生泄漏或意外。量程范围的选择, 主要是仪表刻度上限的选择。选小了, 易过载, 损坏仪表;选大了, 有碍于测量的准确性。一般选为实际运行中最大流量值的1.2～1.3倍。
安装在生产管道上长期运行的接触式仪表, 还应考虑流量测量元件所造成的能量损失。一般情况下, 在同一生产管道中不应选用多个压损较大的测量元件, 如节流元件等。
总之, 没有一种测量方式或流量计对各种流体及流动情况都能适应。不同的测量方式和结构, 要求不同的测量操作、使用方法和使用条件, 每种型式都有它特有的优缺点。因此, 应在对各种测量方式和仪表特性作全面比较的基础上, 选择适于生产要求的, 既安生可靠又经济耐用的最佳型式。
2.3.2流量计选型
流量计的型号及参数如表3所示。
2.4调节阀的选择
根据工艺变量、流体特征以及调节系统的要求、调节管道连接形式等方面进行综合考虑, 来选择调节阀类型。
2.4.1调节阀的一般选择原则
(1) 阀上压差变化小, 给定流量变化小, 工艺过程的主要变量的变化小, 以及S>0.75的控制对象, 宜采用直线流量特性; (2) 慢速的生产过程, 当S>0.4时, 宜采用直线流量特性; (3) 要求大的可调节范围, 管道系统压力损失大, 开度变化及阀上压差变化相对较大的场合, 宜采用等百分比流量特性; (5) 快速的生产过程, 当对系统的动态过程不大了解时, 宜选用等百分比流量特性。
一般情况下优先选用体积小, 流通能力大, 技术先进的直通单、双座调节阀和普通套阀。也可选用S值小的节能阀精小型调节阀。
2.4.2材料的选择原则
阀体耐压等级、使用温度范围和耐腐蚀性能及材料都不应低于工艺连接管道材质的要求, 并优先选择制造厂定型产品。一般应选用铸钢或锻钢材料组成的阀体。
水蒸气或含水较多的湿气体和易燃的流体, 不应选用铸铁阀体。
环境温度低于-20℃的场合, 阀门材料不应选用铸铁阀体。
阀门内部构件材料应选用能耐腐蚀、流体冲击以及耐流体经节流生产空化、闪蒸时, 阀内件的冲蚀损坏。
2.4.3调节阀的选型
ZJHP型精小型气动薄膜调节阀是新系列气动薄膜, 为直通单座调节阀, 采用顶导向结构, 配用多弹簧执行机构。具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、充体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。广泛应用于精确控制气体、液体等介质,
工艺参数如压力、流量、温度、液位保持在给定值。特别适用于允许泄漏量小, 阀前后压差不大的工作场合。该产品有标准型、调节切断型、波纹管密封型、夹套保温型等。产品公称压力等级有PN10、16、40、64;阀体口径范围DN20-200。适用流体温-200～560℃范围内多种档次。泄漏量标准有IV级或VI级。流量特性为线性或等百分比。多种多样的品种规格可供选择。
此系列的调节阀可用于CO2进入高压泵段的流量调节。
调节阀内部主要零件材料选择如下:阀体、阀盖:HT200, ZG230-450, ZG1Cr18Ni9Ti;阀芯、阀座:1Cr18Ni9Ti, 司太莱合金堆焊;软密封阀芯:增强聚四氟乙烯填料;填料:聚四氟乙烯、柔性石墨;波纹管:1Cr18Ni9Ti;垫片:橡胶石棉板、10、1Cr18Ni9Ti、石棉缠绕垫片;膜盖:A3;波纹膜片:丁腈橡胶夹增强涤纶织物;弹簧:60SIMN;阀杆、推杆:2Cr13、1Cr18Ni9Ti;衬套:2Cr13。
各工段调节阀的参数如表4所示。
萃取釜、分离釜、精馏塔的压力调节的调节阀选型如表5所示, 角阀的材料如表6所示。
3 结语
本文针对连续进料中试超临界萃取装置的控制系统进行了初步设计的研究, 给出了装置中各主要设备初步设计的控制方案、过程中主要的检测仪表选型及参数和各调节的型号参数, 为同类产品的研发提供可能的借鉴。
摘要：以连续进料中试CO2超临界装置的控制方案及仪表选型设计为主, 根据带控制点的工艺流程图, 初步设计了10L连续进料中试CO2超临界装置的控制方案以及仪表选型, 仅供参考。
关键词：超临界CO2萃取,连续进料,10L中试装置,仪表控制系统,设计研究
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临界装置论文 篇6
浙能乐清电厂二期机组采用上海汽轮机有限公司和德国SIEMENS公司联合设计制造的N660-25/600/600超超临界一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、反动凝汽式汽轮机每台机组凝汽器高、低压汽侧各配备2台水环式机械真空泵,1台运行,1台备用;真空泵密封水正常补水为闭冷水,备用为凝输水,密封水冷却水采用开式循环水。真空泵是汽轮机凝汽系统中重要的辅助设备,承担着汽轮机启动时建立真空和正常运行时抽吸漏入真空系统的空气和蒸汽凝结过程中残留的不凝结气体的任务,以维持凝汽器的正常真空。水环式真空泵系统简单、性能可靠,广泛应用于火力发电厂。
2水环式真空泵原理及问题
2.1水环式真空泵原理
水环式真空泵(图1)主要部件为叶轮和壳体。叶轮偏心地装在壳体上,随着叶轮的旋转,工作液体在壳体内形成运动的水环,水环内表面也与叶轮偏心,由于在壳体的适当位置开设有吸气口和排气口,水环泵就完成了吸气、压缩和排气这3个相互连续的过程,从而实现抽送气体的目的。
水环式真空泵冷却蒸汽的能力主要取决于冷却密封水温度及密封水流量,这2个参数的变化决定了水环式真空泵系统的工作效率,而冷却密封水温度又取决于冷却器的循环冷却水的温度与流量。从热力学角度可知,当水的温度达到其对应压力下的饱和温度时就会汽化。真空泵吸入压力下对应的饱和温度与进入泵体的密封水温度的差值为真空泵密封水的过冷度。真空泵抽气量相同时,密封水过冷度越大,抽吸真空越高; 抽吸真空度相同时,密封水过冷度越大,真空泵抽气量越大。 运行中真空泵吸气腔的真空比凝汽器真空要高些,而形成水环的密封水受到真空泵叶轮做功,温度也要升高4 ℃左右,所以在真空泵冷却器效果变差的情况下,密封水存在汽化的可能性。一旦真空泵密封水汽化,真空泵的出力将降低很多,影响机组正常运行。
2.2问题
水环式真空泵运行状况好坏直接影响凝汽器真空度水平, 真空泵出力不足会造成凝汽器真空下降,影响汽轮机的经济运行性能。实际运行过程中,特别是夏季工况下,循环水温度高, 且沿海电厂由于贝壳滋生导致真空泵冷却器堵塞,真空泵冷却器换热效果降低,密封水温度上升,从而使真空泵出力下降,这就会影响凝汽器真空。
3制冷装置的应用
3.1制冷装置原理
制冷装置由铁岭科尔克热机有限公司制造,如图2所示。 其冷却原理如下:制冷剂通过压缩机压缩,冷却器降温冷却,再通过储液室、干燥过滤器,最后经膨胀阀膨胀制冷剂温度进一步降低,用以冷却真空泵密封水。
1—压缩机 2—冷凝器 3—储液器 4—干燥过滤器5—电磁阀 6—膨胀阀 7—蒸发器 8—压控
3.2制冷装置系统布置
如图3所示,凝汽器低背压侧A、B真空泵为1个单元,配置1台压缩制冷装置。即1台压缩制冷装置可以分别为2台真空泵提供密封水冷却,但只能通过阀门切换采取一对一的冷却方式,不可以同时为2台真空泵提供密封水冷却。压缩制冷装置采取水冷方式,冷却水选用汽机房闭式冷却水。真空泵分离器密封水经过冷却器冷却后,再进入制冷装置进一步降温。 压缩制冷装置在运行中跳闸,真空泵会保持原有的运行方式, 主系统不会受到影响。
4运行方式与节能效果
#4机凝汽器A侧(低背压)真空泵密封水制冷装置投入前后参数变化如表1所示。通过数据对比可以发现,真空泵密封水温度从29℃下降至18℃,凝汽器A侧真空提高0.6kPa,排汽温度下降了3.6℃。根据运行经验,凝汽器平均真空每提高1kPa,可降低煤耗3.0g/kW·h;则单侧真空提高0.6kPa,可降低煤耗0.9g/kW·h。在夏季工况时,根据密封水温度上升情况,投入制冷装置。据现场经验,真空泵密封水温度高于28℃时,投入制冷装置效果比较明显。
5结语
临界装置论文 篇7
关键词：空气压缩,等离子无油点火,600MW超临界机组,应用,节油
1 机组概况
福建华电可门发电有限公司二期3#、4#锅炉为上海锅炉厂有限公司生产的超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉, 单炉膛, 一次再热, 采用四角切圆燃烧方式, 平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构Π型、露天布置燃煤锅炉。设计煤种是大同烟煤, 校核煤种是神府东胜煤 (表1) 。锅炉制粉系统采用ZGM113G中速磨煤机, 每台炉配6台磨煤机, 每台磨煤机带1层4台燃烧器。为了节约燃油, 在3、4号锅炉安装了徐州燃控科技股份有限公司的XPS-2型等离子煤粉无油点火装置。
2 等离子点火的基本原理
等离子体是固、液、气之外的物质第四态, 其定义为“等离子体是指被电离的气体, 它是电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体, 这个集合体正负电荷数量相等, 对内为良导体, 对外为中性”。这一技术被广泛应用于金属切割、化工合成、金属冶炼、表面处理等工业领域。等离子火炬能够直接点燃煤粉是因为等离子体具有高温效应、化学效应、电场效应, 风粉混合物通过等离子火炬, 煤粉的挥发份及煤中碳迅速逸出, 成为化学反应能力很强的可燃性气体, 然后再与其他未被等离子炬激活的煤粉进行热化学反应作用, 从而加速达到煤粉的实际着火温度, 实现小功率点火源点燃大量煤粉的目的。
3 燃烧系统改造
等离子煤粉燃烧器、等离子发生器以及它们之间的耦合问题是该项目成功的关键因素。
3.1 等离子发生器电极材料、结构形式及其寿命
等离子发生器电极材料选择是非常重要的, 应用于煤粉等离子点火的场合必须具备以下特点: (1) 高导电性; (2) 高导热性; (3) 不易氧化; (4) 氧化物导电; (5) 易获取、价格合理; (6) 具有一定的使用寿命。
为解决该项技术关键, 徐州燃控科技股份有限公司做了包括碳纤维、导电陶瓷等非金属材料, 钨、铪等金属材料以及铂银合金等多种合金材料, 结果均不理想, 且有些材料价格昂贵, 实际应用工程成本太高。经过较长时间的研究和反复试验, 徐州燃控科技股份有限公司发明了一种合金电极, 一种经过特种工艺方法制作的相对廉价的合金材料。在100 k W运行功率条件下, 无故障工作寿命阳极达到500 h以上、阴极达到200 h以上。
阴极有2种结构, XPG-1型采用的是棒形结构, XPG-2型采用的是空心柱形结构。棒形结构电子发射区为一个面积有限的点, 空心柱形结构是一个圆柱环形面, 很显然后者的寿命要比前者长得多。此外, 电极发射和接受区域的面积相对于整个电极而言是较小的, 我们将电极材料与普通有色金属相结合, 采取多种材料的复合结构, 将易烧损的部位能够方便地进行更换, 降低了制造和使用成本。
为适用这种后部弯头插入形式的煤粉燃烧器, 研制了XPG-2L-100空气压缩加长型等离子发生器 (图1) 。这种等离子发生器无电磁压缩线圈, 无需输弧套等耦合部件, 即可将等离子电弧直接送入煤粉点火区域, 避免了耦合部件的烧损, 增加了燃烧器运行的安全可靠性。
XPG-2型基于空气压缩等离子发生器的特点:采用空气压缩方式, 电热转换效率提高了10%;阴极寿命长, 由于采用了电子发射区位置可控的柱面空心电极、烧蚀面积大、寿命长, 测试寿命可达200 h;有效解决了等离子发生器与等离子燃烧器的耦合问题;阴阳极采用固定间隙, 结构简单, 外形尺寸小。
3.2 等离子发生器与等离子燃烧器耦合方式
等离子发生器与煤粉燃烧器必须科学合理地耦合为一个整体, 并能最大限度地利用等离子火炬的有限能量与风粉混合物实现充分的热交换, 而且在工程上便于安装、检修和维护, 才能最终应用于工程。
根据可门电厂3#、4#锅炉燃烧器的特点, 将锅炉A磨对应的A层4只煤粉燃烧器改造为等离子点火煤粉燃烧器 (图2) , 等离子发生器安装在煤粉燃烧器后部的弯头处, 从后部的导管插入。弯头上还开有观察孔, 以便观察和检修。
3.3 起磨热风制备系统
等离子无油点火装置的应用, 首先需要在冷炉状态下为磨煤机提供启磨热风。在A磨入口入磨热风管道上并联安装启磨热风制备系统 (图3) , 在锅炉冷态启动时利用暖风器将磨煤机入口风温加热到制粉需要的温度, 满足起磨制粉的要求。
为了实时调整燃烧状况, 确保燃烧器的安全运行, 在改造层4根一次风管上加装防堵耐磨型风速测量装置。
4 热态运行参数
在3#锅炉点火吹管期间, 等离子燃烧器2次成功点火和投粉的实际运行参数如表2所示, 据此可作为类似机组利用等离子点火起动和运行的参考。
5 结语
可门电厂3#、4#等离子点火装置经过冷、热态调整, 能够在不投油枪的情况下 (利用暖风器暖磨) , 直接点燃烟煤, 实现冷炉无油点火起动。等离子点火装置点燃煤粉后, 燃烧稳定, 燃尽度较高, 火焰明亮, 燃烧器运行可靠, 基于空气压缩的等离子点火装置获得成功。该项目获得2009年度中国华电集团公司科技进步二等奖。
参考文献
[1]过增元, 赵文华著.电弧和热等离子体[M].科学出版社, 1986
[2]DL/T435电站煤粉锅炉炉膛防爆规程[S]