烟气惰性气体品质监控设计-轮机工程专业毕业设计-毕业论文.doc

目录中文摘要1英文摘要21 前言31.1 选题背景与意义32 烟气惰性气体的概述32.1 烟气惰性气体的防爆原理探究32.2烟气惰性气体发生装置的优点及缺点分析53 不合格烟气惰性气体充注油舱产生的危害分析53.1 烟气惰性气体品质要求53.2 各参数超过标准造成危害分析64 保证烟气惰性气体品质的方法74.1 目前烟气惰性气体处理方法介绍74.2 不合格惰性气体的二次处理74.3 烟气惰性气体处理存在的缺陷75烟气惰性气体品质监控方法设计85.1 增设二氧化硫处理层95.2 灰分浓度控制95.3 温度监控105.4 二氧化硫监控105.5 含水量监控105.6 氧气浓度监控10小结11致谢11参 考 文 献12【摘要】 由于油船其装载的原油的易燃性，易爆性，一旦发生爆炸，将对船舶财产、船上人员及环境造成不可想象的损失与危害。在油船加装、运输、卸油、原油洗舱过程中，石油气挥发形成油气，当油气与空气达到一定的比例后，形成了可燃混合气体，一旦遇到火源，将会发生爆炸。为了保证油船的安全营运，国际海上人命安全公约中要求对油舱进行有效地保护。将惰性气体充入油舱，能降低货油舱的氧气含量，使其降低至爆炸下限以下，从而达到防爆的目的。本文将论了述惰性气体防爆原理，介绍了烟气惰性气体作为一种普遍使用的一种惰性气体，它的优势所在及缺陷，研究了为保证烟气惰性气体品质而采用的处理方法，指出了其中的缺陷，并对其进行合理化的改进，提出了对烟气处理效果进行监控的方法。 通过以上优化与改进，使得烟气惰性气体符合标准，在达到防爆的目的的前提下，对油舱原油没有造成污染。【关键词】 防爆 烟气惰性气体 品质 监控 设计The design of monitoring and controling on the quality of exhaust inert gas 【Abstract】 Because of flammable, explosive crude oil in tankers, in the event of an explosion, it will produce unimaginable loss and danger to the property ,the life of persons on board and the environment. To ensure the safe operation of oil tankers, the International Convention for the Safety of Life at Sea require the effective protection of the tanker. In process of filling, transporting, unloading, washing with crude oil, crude oil volatiles to gas of oil.when it reache a certain proportion with air, it forms combustible gas mixture. there will be an explosion in the event of fire. The inert gas is used to fill into the tanks to reduce oxygen content.And when the oxygen content is under the explosive limit ,the purpose of explosion-proof is achieved. This paper discussesed the principle of explosion-proof of inert gas. As a kind of the most widely used inert gas, the paper introduced advantages and shortcomings of exhaust inert gas.This paper also studyed the methods of treatment which is used to ensure the quality of exhaust inert gas.It aslo pointed out the defects and inproved these methods reasonablely.Last but not least,it proposed some methods of monitoring of the effects of treatment of inert gas. Through the optimization and improvement mentioned above, which make the exhaust inert gas meet the standard,the inert gas dont pollute the crude oil in the tank.,under the condition achieving the purpose of explosion-proof.【Keyword】 explosion-proof exhaust gas inert gas quality monitor control design 烟气惰性气体品质监控设计1 前言1.1 选题背景与意义由于油船其装载的原油的易燃性，易爆性，一旦发生爆炸，将造成不可想象的损失与危害：（一）人员伤亡和财产损失 （二）对水域环境造成严重污染，如果油船发生燃烧爆炸，除了会造成财产和生命的损失外，船舶沉没或破损时外溢的燃油或化学品会对事故地造成严重污染，漂浮江面的燃油发生燃烧，还会危及过往船舶及码头的安全。 在油船加装、运输、卸油、原油洗舱过程中，石油气挥发形成油气，当油气与空气达到一定的比例后，形成了可燃混合气体，一旦遇到火源，将会发生爆炸。为了保证油船的安全营运，国际海上人命安全公约中要求对油舱进行有效地保护。1.2 烟气惰性气体的介绍烟气惰性气体是指取自锅炉的含氧量很低不足于维持碳氢气体燃烧化学性质非常稳定的废气作为惰性气体。 烟气惰性气体系统一般应用于运载原油的船舶中，不适合用于天然气船。装有惰性气体系统将惰性气体充入油轮的油舱以避免油舱爆炸。它的主要功能是降低货油舱的氧气含量，使其降低至爆炸下限以下，从而达到防爆的目的。本文将研究分析烟气作为惰性气体在传播防爆中的应用。2 烟气惰性气体的概述2.1 烟气惰性气体的防爆原理探究由于石油气的挥发形成油气，当油气与空气达到一定的比例后，形成了可燃混合气体，一旦遇到明火、冲击或摩擦过热起火、电气火花、静电火花、雷击火花，发生爆炸将是不可避免的。所以油船防爆技术的创新与发展是非常有必要的。油船防爆的思路来自于引起爆炸的三大要素：火源、可燃气体和氧气。只要排除其中任一因素，就能达到防爆的目的。以此防止油气爆炸的方法就有三种：1）控制火源；2）控制可燃气体浓度；3）控制氧气浓度；这三种方法理论上可以实现，但前两种在实际操作中前两种却很难实现。首先控制火源，虽然明火可以控制，但由于冲击或摩擦过热起火、静电火花、雷击火花却是很难避免的。其次控制可燃气体。如能控制可燃气浓度处于爆炸上限以上，或者 可燃气浓度处于爆炸下限以下的，就不会产生燃烧爆炸。实际上，要控制油舱内可燃气浓度，始终处于爆炸范围内是很困难的。因为油舱要装载原油，而原油又不可能完全装满，无法避免从原油中挥发出的可燃气体，且由于油品、环境温度和装卸方式的不同，油舱液面上方产生的可燃气体浓度也无法控制。控制氧气浓度使舱内气体状态处于缺氧区，这样无论可燃气浓度处于何种状态，有火源也不会产生燃烧爆炸，这是最简单也最容易实现的办法，就是向油舱内充注氧气含量很少的所谓“惰性气体”，使油舱内氧气含量降低到足够低。目前综合考虑经济性，安全性，连续供应能力等因素，惰性气体主要来源为船上主、辅锅炉排出的烟气。通过科学实验，并经过实践的检验绘制出了碳氢可燃气体和空气混合气体的可燃极限图:图3-1 碳氢气体与空气混合气体的可燃极限图Fig 3-1 the flammable limit diagram of Hydrocarbon gas and air mixture由图可知纵坐标为碳氢气体体积含量，横坐标为氧气体积含量。图中共分三个区域：惰性区、可燃可爆区、不可燃区。（1）当碳氢可燃气体的容积浓度在1%10%之间时，碳氢气体与空气混合气体处可燃可爆区域，1%为可燃下极限，10%为可燃的上极限，而碳氢气体容积浓度小于1%或大于10% 均为不可燃区。（2）当氧气浓度在11%21%之间时，碳氢气体与空气混合气体处于可燃可爆区；随着氧气浓度的减小，可燃可爆区域也逐步缩小；当氧气浓度为11%时，上、下极限交于B点；若低于11%,则不管碳氢气体浓度为多少，均不会发生燃烧、爆炸，即为图中惰性区。据上述可得，为达到油船防燃防爆的目的，应该创造两个条件：要么将氧气浓度控制在11%以下，要么将碳氢可燃气体容积浓度控制在小于可燃下极限或大于可燃上极限。然而要完全准确地控制碳氢可燃气体的容积浓度在现实中极难实现，而控制油舱中氧气浓度使之在11%以下（SOLAS公约规定为8%以下）都是可行的。方法就是向装油品的舱中充填惰性气体（惰性气体中的氧含量在5%以下），这样使舱室空间中氧气含量始终保持在8%以下，从而达到防燃防爆的目的。2.2烟气惰性气体发生装置的优点及缺点分析优点：原理简单，价格便宜，易得。主要缺点： 装置占用空间很大，安装的空间位置要求很特殊，而且对安装和维护要求更高，否则达不到最佳运行状态，甚至不能可靠运行。比如，由于烟气温度高，灰尘较重，水份和脏物沉积多，装置中的蝶阀和烟道阀很容易失灵，通常会出现咬死现象，造成整机不能工作。 氮气品质欠佳，当风油比在正常情况下燃料油在锅炉内燃烧所产生的废气，其成分：N2为77 ，CO2为13 ，H2O为5 ，O2为3 4，SO2为0.3 ，其余为一些固体微粒，因此装置的可靠性难以满足化学品船和液化气船的高要求；船的摆动对产氮效果影响大。洗涤塔内冷却水使用的是海水，再则，生成的氮气中含有SO2 ，对设备的腐蚀性很强，因而，对管道材料有特殊要求。另外，洗涤塔中的滤网容易凝结，影响降温除尘的效果。 日常维护非常繁琐，氮气风机每次工作完毕需及时用淡水冲洗，很容易导致电机和各参数分析仪的损坏，加上腐蚀和机械的原因，易出现振动。 对甲板水封的水位和管道敷设的要求严格。 对操作和维护人员的要求很高。3 不合格烟气惰性气体充注油舱产生的危害分析3.1 烟气惰性气体品质要求表3-1 烟气惰性气体品质要求Tab3-1 the quality requirements of exhaust inert gas温度含水量灰分化学成分供气能力和供气压力比冷却水温度高5少于1g/kg惰气除去率9599%O2：35%CO2：14%CO：SO2：50ppm其余为N2200022500Nm2/h0.120.2 105Pa3.2 各参数超过标准造成危害分析一、水分含量超过标准危害(1)有水分存在时，燃料氧化速度加快，其胶质生成量也加大。如轻质燃料油中含有水分，不但使设备增加腐蚀和降低效率，而且由于较多的含水，则使冰点升高，低温流动性能变坏，严重时会造成熄火，甚至发生机械爆炸的危险；(2)油品含水，在船舶不断晃动及货油泵离心叶轮的搅动过程中，则会造成油品乳化，油品品质下降。例如润滑油中含水将破坏油膜，降低润滑效果而增加磨损，同时还能腐蚀机件，加速润滑油的变质和劣化，特别是对含有添加剂较多的润滑油。(3)油品含水会导致金属油舱内壁生锈。（4）水分对大多数添加剂都起不良作用，能使其发生水解，产生乳化、凝聚和分离。这些坏现象致使添加剂失去效用，产生腐蚀性物质或乳化性物质，直至油品报废不能使用。二、温度超过标准危害分析当高温烟气惰性气体进入油舱，将使局部油温升高，使蒸发量增加，使得油气浓度升高，当压力升高到一定值，油气从油舱呼吸阀排出，造成一定的损失和污染；另一方面高温下，油品的氧化加速，使得油品品质下降。三、灰分超过标准造成的危害分析灰分指的是为各种矿物元素的氧化物。主要元素有Ca、Mg、K、Na、Si、P、S、Fe、Al等，此外，尚有微量元素。灰分进入原油中后可能形成沉淀，并影响原油炼化。四、二氧化硫超过标准造成的危害分析烟气中含有的SO2在高温的管道中会发生化学反应, 生成稀硫酸蒸汽, 硫酸蒸汽到达温度在120 以下的管道时, 会液化成稀硫酸, 滞留在管道及设备的内表面，腐蚀这些管路及设备。当产生的硫酸进入油舱，对原油将造成污染并腐蚀油舱。五、氧浓度超过标准造成的危害分析：由于烟气惰性气体的作用就是将油舱的氧气含量降低到8%,如果烟气含氧量超过5%，那么将需要大量的烟气，效率下降，而且烟气对油品的污染程度大大提高。当烟气含氧量超过8%，烟气惰性气体完全达不到防燃防爆的目的。4 保证烟气惰性气体品质的方法研究4.1 目前烟气惰性气体处理方法介绍图3.1洗涤塔Fig.3-1 Scrubber1气体出口; 2冷却水入口; 3除雾层; 4除湿层; 5过滤层;6烟气进口; 7排水口烟气的脱硫、除尘与冷却安排在洗涤塔装置中完成(见图3.1 )，如图采用湿式洗涤法, 塔内设有两段聚丙稀过滤器5，当冷却水从上方喷下来通过下面的过滤器, 烟气从塔底进入下面的过滤器时, 烟气与大量的水接触, 从而被冷却、脱硫和除尘。经过这样处理,除尘率可达85% , 脱硫率可达90%以上。洗涤塔内的上方的除雾器, 吸附气体中的水, 保证了输出的惰性气体干燥。4.2 不合格惰性气体的二次处理从风机出口引一支管到洗涤塔进口作为再循环管, 管上设有再循环阀1油轮在不同的营运作业中,对惰性气体的气压、流量有不同的要求增设循环管道, 能最大限度地稳定气体流量, 避免因负荷的波动而引起风机喘振。这套装置还有助于保证除硫除尘率的稳定, 如产生不合格的惰性气体, 可以通过再循环管将不合格气体重新送回洗涤塔进行二次处理。4.3 烟气惰性气体处理存在的缺陷 采用洗涤塔湿式洗涤法经济、操作管理简单、维修方便。当烟气处理效果不佳，烟气通过再循环管重新进入洗涤塔。但存在着一些缺陷：（1） 烟气处理后只对于氧气浓度进行了监测，灰分、温度、二氧化硫、水含量等参数没有进行监测，是否达到符合要求不能确定。（2） 冷却水采用的是海水，海水的腐蚀性将会对设备造成损害，破坏过滤层，从而影响对烟气的过滤效果。（3） 洗涤塔内除去二氧化硫的方法为烟气自下往上流动，冷却水从上往下喷洒，使冷却水与烟气接触的方式，除去二氧化硫效果较差。（4） 洗涤塔长期使用后，洗涤塔内的除湿层、除雾层的吸水材料吸水达到饱和，过滤层堵塞，烟气处理效果下降。何时更换吸水材料和过滤层不确定。5烟气惰性气体品质监控方法设计针对以上发现问题，作出以下改进：图 3-1烟气惰性气体处理装置改进设计Fig.3-1 the improvement design of the device purifying exhaust inert gas 1-除雾层 2-除湿层 3-碱性冷却水进口 4-冷却水进口5-过滤层6-排水口7-灰分监控元件8-温度监控元件9-紫外荧光二氧化硫分析仪10-烟气水分仪11-氧气分析仪12-电磁阀13-烟气进口上图在原有洗涤塔的基础上，增设一层二氧化硫处理层（图中第三层），在洗涤塔出口增设灰分监控元件7，一旦灰分浓度过高，切断烟气输送，回到洗涤塔第一层重新处理；增设温度监控元件8，温度过高，发出报警并切断烟气输送，将烟气送回到洗涤塔第二层重新处理；增设紫外荧光二氧化硫分析仪9，二氧化硫浓度过高，发出报警并切断烟气输送，将烟气送回到洗涤塔第三层重新处理；增设烟气水分仪10，当含水量超过标准，发出报警并切断烟气输送，将烟气送回到洗涤塔第四层重新处理。5.1 增设二氧化硫处理层在原有洗涤塔的基础上增设一层二氧化硫处理层（图中第三层），该层顶部铺设一套管路，向下喷射碱性淡水冷却水，通过碱性冷却水水雾与烟气接触，不仅提高吸收二氧化硫效率，而且加强了冷却效果。该层中的碱性淡水冷却水收集后返回独立的水箱，循环使用，定期向其中投药，保持其碱性。5.2 灰分浓度控制 考虑使用主机烟气烟度传感器作为测量设备，烟度传感器检测排放气体中形成的碳烟和未燃烧的碳粒，并把表示碳烟存在的电信号输入ECU（电子控制单元），ECU根据烟度信号来控制是否对烟气进行再次处理，以达到惰气品质标准。该传感器头是由绝缘材料和两个贵金属电极组成，暴露在烟气中的电极周围涂有强化催化剂材料，使沉积在电极上的碳能迅速被氧化，保持电极清洁，满足连续测量的要求。图5-2烟度传感器工作原理图Fig 5-2 the operating principle of smoke intensity sensor1-绝缘体2-电极3-催化剂4-烟气进口上图是这种传感器的工作原理图（见图5-2），传感器的感应头由绝缘体1、电极2和催化剂3组成。绝缘体中埋有两个电极，电极下端伸出绝缘体，两电极之间保持很小的缝隙，并涂有绝缘强催化剂，电极上端连接直流电源，电压为12V或24V，图中A为电流表，表盘上标有对应的烟度值，在电子控制系统中，A1、A2与ECU相连。当感应头连接到电路中时，由于电极之间的电阻很大，电流表A无电流指示或指示很微小的电流，当感应头插入洗涤塔管道中时，缝隙中充满了碳烟，形成碳桥，电极之间的电阻就发生变化，碳烟少电阻大，碳烟多电阻小，电流表的读数随碳烟的多少相应变化。所以，在ECU系统中，ECU输出的电信号也随碳烟的多少作相应变化。在传感头的电极涂有强催化剂，加上烟气中有充足的氧气存在，沉积在电极上的碳烟能迅速氧化，不会因电极上的碳烟堆积而使测量失效，在烟气温度较高的情况下，连续测量结果可以反映烟气中碳烟量变化情况。在系统工作期间连续地监视灰分浓度，设置报警装置与之相连,一旦系统产生的惰气中灰分浓度达到或超过报警设定值,报警装置发出灯光和声音报警信号,并通过灰分监控元件电动控制切断电磁阀5中止不合格气体的输送，打开电磁阀1,将烟气送到烟气进口，送到洗涤塔第一层，进行二次处理。5.3 温度监控 对于烟气惰气温度的测量，可考虑使用柴油机，即采用热电偶方式，原理为将两种不同的金属丝组成回路，如果二种金属丝的两个接点有温度差，在回路内就会产生热电势，这就是热电效应，热电偶就是利用这一原理制成的一种温差测量传感器，置于被测温度场的接点称为工作端，另一接点称为冷端(也称自由端)。根据电势的大小就可知道温度是否符合要求。在系统工作期间连续地监视电势大小，设置报警装置与之相连,一旦系统产生的惰气中灰分浓度达到或超过报警设定值,报警装置发出灯光和声音报警信号,并通过温度监控元件电动控制自动切断电磁阀4,中止不合格气体的输送，打开电磁阀2，将不合格烟气送到洗涤塔第二层，进行二次处理。5.4 二氧化硫监控拟采用紫外荧光二氧化硫分析仪，该方法测量二氧化硫的原理是当附近的紫外光照射到二氧化硫气体后, 二氧化硫分子吸收紫外光的能量受激发从高能级返回基态时发出荧光, 荧光强度的大小反映出二氧化硫的浓度。当的紫外光强恒定时,通过测量荧光强度的大小即可求出被测气体介质中二氧化硫的含量。这种方法可长距离输送气体介质, 不用加热保温, 易于维护管理, 技术关键点是如何保证的紫外光强恒定。另外,防止微尘堵塞以及稀释比发生变化。如果报警装置持续报警，表明碱性冷却水碱性下降，需要投药。5.5 含水量监控烟气惰性气体装置中，洗涤塔内采用湿式洗涤法。当吸水材料吸水达到饱和或处理效果不佳，经过第五层的除湿层，第六层的除雾层后，烟气惰性气体中的含水量较大。为了解决这个问题在洗涤塔出口设置烟气水分仪，并设置报警装置与之相连,一旦系统产生的惰气中水含量达到或超过报警设定值,报警装置发出灯光和声音报警信号，并通过温度监控元件电动控制自动切断电磁阀5,中止不合格气体的输送，打开电磁阀4，将不合格烟气送到洗涤塔第二层，进行二次处理。如果报警装置持续报警，则表明第五层、第六层中的吸水材料吸水达到饱和，需要更换。5.6 氧气浓度监控 烟气惰性气体装置中,惰性气体是否合格,氧含量是一个非常重要的指标。当氧体积分数低于8%的混合气体,不会发生燃烧爆炸。考虑到惰气输送沿途可能有空气的渗入,故设定合格的惰性气体氧体积分数要小于8%。在流程设计中,在洗涤塔的出口处安设一氧浓度分析仪,在系统工作期间连续地监视氧含量,并设置报警装置与之相连,一旦系统产生的惰气中氧体积分数达到或超过报警设定值,报警装置发出灯光和声音报警信号,并通过电动或气动控制自动切断管路,中止不合格气体的输送。只有当硫含量、灰分浓度、温度、氧气浓度都符合要求的烟气才可作为惰性气体充入油舱。小结 通过以上改进，烟气品质得到了可靠的保证，从而降低了原油的污染。洗涤塔内吸水材料和过滤层的更换有了明确的标准。缺点在于增设对灰分、温度、二氧化硫、水分的监控设备，削弱了烟气惰性气体系统经济性的优势，并增加了对监控元件的管理，对其的维护修理难度较高。论文的写作是一个长期的过程，在此过程中我不断地进行精心地修改，不断地去研究各方面的文献，认真总结。历经了这么久的努力，终于完成了毕业论文。在这次毕业论文的写作的过程中，开拓了自己的思维，巩固了专业知识，提高了专业素养，收获颇丰。 参 考 文 献【1】 吴乃华；油船的惰性气体系统及其运用J；船舶工业技术经济信息；1998年03期.【2】 张松鹤, 张金富, 吴宇大型油船防爆方法和特点的分析J；造船技术；1995年02期.【3】 余晓琴,胡斌祥,徐巍,李厚明；油轮烟气惰性气体系统的主要流程设计J；湖北工学院学报；2000年02期.【4】 龚瑞昆，于江，唐瑞尹；紫外荧光差分法二氧化硫传感器的研究J；传感器世界；2001年06期.【5】 余晓琴，胡斌祥，徐巍，李厚明；油轮烟气惰性气体系统的主要流程设计J；湖北工业学报；2000年02期.【6】 余晓琴,傅凤岚；油轮惰性气体系统中的气体置换分析J；湖北工学院学报；1999年03期.