1、完整版年产30万吨合成氨造气工段工艺设计毕业论文 年产30万吨合成氨造气工段工艺设计TheDesignofProducingCoalGasaboutSynthesisofAmmonia300000t/a 摘要 Abstract 年产30万吨合成氨造气工段工艺设计摘要：本设计是年产能力为30万吨合成氨造气工段（半水煤气）的工艺设计，造气工段是获得合成气的首要工段。本设计首先简单介绍了合成氨工业，阐述了煤气化的发展历程和方法。介绍了半水煤气的定义和制气原理，以及常见的生产方法和工艺流程。结合我国合成氨现状及生产成本综合考虑，本设计采用常压固定床间歇制气法, 块煤送入造气炉制气，工艺流程选择利用吹风
2、气持有热和上行煤气显热的流程。通过查阅相关文献和设计资料对工艺环节进行了相关计算，先对煤气发生炉的的吹风阶段、制气阶段和总过程进行了物料衡算和热量衡算，从而确定了煤气炉的型号，并对废热锅炉和鼓风机进行了相关计算和选型。关键词：合成氨；半水煤气；工艺设计 TheDesignofProducingCoalGasabout SynthesisofAmmonia300000t/asynthetic ammonia syngas production (semi-water gas) process design, syngas production is the primary section to
3、obtain syngas. First, a brief introduction to the design of synthetic ammonia industry, describes the history and development of coal gasification methods. Introduces the definition and principles of semi-water gas gas, as well as common production methods and processes. Considering the current situ
4、ation of our country and costs of ammonia production, atmospheric fixed bed intermittent method is used in this design, lump coal into gas furnace gas, rocess Blown holders the option of using heat and sensible heat of the gas flow upstream. The gasification process of the design has been calculated
5、 through accessing to relevant documents and design information, first , material balance and heat balance has been calculated for gas furnace blower stage gas phase and the total process in order to determine the gas stove models, and waste heat boilers and blowers for the relevant calculation and
6、selection.Key words：synthesis ammonia; semi-water gas; technology design引 言本设计说明书是年产30万吨合成氨厂造气工段的初步设计。氨在国民经济中占有重要地位，它是一种重要的化工原料，现在约有80%的氨用来制造化学肥料，其余作为生产其他化工产品的原料。合成氨工业是氮肥工业的基础，随着世界人口的不断增加，用于制造尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵以及其他化工产品的氨用量也在增长，在化学工业中合成氨工业已成为重要的支柱产业1。为了生产合成氨，首先必须提供原料氮和氢。传统的制氮方法是在低温下将开启液化、分离，以及水电解制氢。由于电解制
7、氢法耗能大，成本高，所以大都还是采用高温下将各种燃料与水蒸气反应制氨。因此合成氨生产的初始原料是焦炭、煤、焦炉气、天然气、石脑油、重油等。除电解水方法以外，不管用什么原料得到的粗原料气中都含有硫化合物、一氧化碳、二氧化碳等。因此，在把粗原料气送去氨合成以前需将这些杂质彻底除去。这样，合成氨生产的原料气过程就包括下述主要步骤2：一是造气，即制备含H2和CO等组分的煤气；二是净化，即采用各种净化方法，除去气体中的灰尘、H2S、有机硫化物、CO、CO2等有害杂质，以获得符合氨合成要求的洁净的1：3的氮氢混合气；三是压缩和合成，即将氮氢混合气经过压缩至15Mpa以上，借助催化剂合成氨。我国合成氨工业原
8、料路线实行煤、气、油并举的方针，但由于过去的中小型厂多采用煤为原料，全国现有1000多家大中小型以煤为原料的合成氨厂3。中国煤炭煤炭资源占很大比重现已探明的可采储量为8000多亿吨，产量居世界第一。又随着油价的不断上涨，今后将停止以油为原料的新设备建设，并要求进行以煤代油的技术改造，所以在短时期内中国仍不会改变以煤和焦炭为主的原料路线。合成氨造气，是以煤或焦碳为原料，用氧气（空气、富氧或纯氧）水蒸汽或氢气等作为气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过化学反应将煤或焦碳中的可燃部分转化为气体燃料的过程。煤炭气化包括煤的热解、气化和燃烧三部分。煤炭气化时所得的可燃气体称气化煤气。气化煤气可用于城市
9、煤气、工业燃气和化工原料气及联合循环发电等。煤气化在各方面的应用都依赖于煤气化技术的发展，这主要因为煤气化环节往往在总投资及生产成本中占相当大的比重。总之，由于各国自然资源和社会条件的不同，具体的能源政策也各不相同，但可以预料在21世纪煤炭仍将成为世界的主要能源之一。对于我国来说，随着国民经济的不断发展及人民生活水平的不断提高，应积极进行煤气化的研究，掌握和运用国内外的先进煤气化及其应用技术，对加快我国实现四个现代化有着重要的意义。第一章 绪论1.1煤气化发展史煤炭气化，是以煤或焦碳为原料，用氧气（空气、富氧或纯氧）水蒸汽或氢气等作为气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过化学反应将煤或焦碳中
10、的可燃部分转化为气体燃料的过程。煤炭气化包括煤的热解、气化和燃烧3部分。煤炭气化时所得的可燃气体的过程称气化。煤炭气化至今已有150多年的历史，19世纪50年代第一台阶梯式炉篦的西门子煤气化发生炉正式诞生，20世纪20年代研制成功沸腾床气化炉（1926年温克勒气化炉），30年代出现了加压气化技术，50年代出现了气流夹带床粉煤气化技术。这些早期的煤气化技术大都使用块煤和小粒煤为原料制合成气，如各种常压移动床气化炉、温克勒气化炉和K-T炉气化炉等气化方法，通称为第一代煤气化工艺。进入20世50年代后期，由于石油、天然气工业的兴起，煤制气技术的开发研究工作受到冲击。70年代初，世界范围内发生了“石油
11、危机”，一些工业发达国家又重新重视煤炭转化技术，各种新型的气化方法和气化炉型应运而生。80年代后，煤气化技术取得了重大成果并进行了商业化运行。采用先进的气流床反应器，以干粉煤或水煤浆为原料，加压气化，如Texaco法、Shell法和液态排渣鲁奇炉气化等，通称为第二代煤气化工艺46。目前成熟工业化的气化技术主要有三个：首先是固定床煤气化技术，可分为常压与加压两种。固定床气化典型工艺有常压UGI炉，加压Lurgi炉等几种。Lurgi加压煤气化技术成熟可靠，适合处理灰分高、水分高的块状褐煤，主要用于城市煤气的生产。其次是流化床气化技术，气化过程中，燃料与气化剂逆流接触，当气流速度达到一定程度时，床层
12、膨胀，颗粒被气流悬浮起来。与固定床相比，流化床气化技术具有入炉煤加工要求低、气化原料粒度小，床内混合剧烈，炉内脱硫，气化效率和气化强度高等优点。流化床煤气化可以直接利用碎粉煤，不用加工成形，备煤加工费最低，正符合煤炭机械化开采水平提高后粉煤率增加的特点。流化床内物料、温度均匀，便于操作控制，炉内存在的大量可燃物可保证生产的安全性，并且炉内温度足以裂解煤热解中产生的高烃类物质，简化了煤气净化及污水处理工艺，对煤的灰含量敏感性不大，适合于高灰劣质煤的利用。最后是气流床气化技术，气流床是指在固体燃料气化过程中，气化剂将煤粉夹带进入气化炉，进行并流式燃烧和气化反应。受反应区空间的限制，气化反应必须在数
13、秒完成。煤和气化剂的相对速度很低，气化反应朝着反应物浓度降低的方向进行。气流床气化采用粉煤气化使煤的比表面积比大大增加，对提高热、质传递速率，气化压力为数十大气压，床内煤粉体积仅占2%左右，煤粒各自被气流隔开，在固定床、流化床中有重要影响的自由膨胀系数等煤的物理性质差异对气化过程已没有影响7。已工业化的气流床炉型有：常压气流床粉煤气化；粉煤加压气化（Shell煤气化）等，并且煤粉进料的Shell气化炉则占工业化装置的20%左右。1.2国内外发展现状近年来国内外大力发展先进煤气化技术，煤气化将来发展的总趋势可归纳以下几点：1、提高煤气化操作压力和操作温度，几乎各种类型的新开发的气化炉都采用加压气
14、化的工艺。2、拓宽煤种适应性，气化原料煤种向多样化、固态排渣向液态排渣发展。3、气化向大型化方向发展，因为大型化可以提高单位设备的生产能力。但由于受制造、运输、安装等客观因素的限制，必须在有限的设备尺寸上，通过提高单位时间单位体积的处理能力和处理效率实现大规模高效，其途径只能是：提高温度、增加压力、强化混合。因此大规模高效煤气化过程必须在极为苛刻的高温（13001700 ）、高压（3.08.5 MPa）和多相流动条件下进行，由此产生了一系列需要解决的技术问题。 4、实现能量的高效转化与合理回收 回收煤气显热的技术有两种，即激冷工艺和废热锅炉工艺，前者特别适合于煤基化学品的生产，后者更适合于IG
15、CC发电8。激冷工艺设备简单，投资省，但能量回收效率低。废热锅炉热量回收效率高，但设备庞大，投资巨大，以Shell技术为例，日处理1000 t煤气化炉废热锅炉高达50余米，投资1.5亿元以上，因此开发新的热量回收技术势在必行。总之，由于各国自然资源和社会条件的不同，具体的能源政策也各不相同，但可以预料在21世纪煤炭仍将成为世界的主要能源之一。对于我国经过长期的开发、引进、消化和吸收，我国煤气化技术的研究开发也取得了重要进展，然而由于诸多主客观因素的限制，国际上先进的煤气化技术多为国外公司所垄断，随着国民经济的不断发展及人民生活水平的不断提高，应积极进行煤气化的研究，开发高效率的煤气化技术，掌握
16、和运用国内外的先进煤气化及其应用技术，提高行业竞争力和保障国家的能源安全，以满足国民经济发展对煤炭清洁利用的迫切需求。第二章 生产方法的选择2.1生产方法的介绍煤气化法按不同的分类有多种，分叙如下9：1.按制取煤气的热值分类为（1）制取低热值煤气方法，煤气热值低于8347kJ/m3；（2）制取中热值煤气方法，煤气热值1674733494kJ/m3；（3）制取高热值煤气方法，煤气热值高于33494kJ/m3。2.按供热方式分类，气化过程的供热方式有（1）蓄热法；（2）富氧空气气化法；（3）外热法。3.按反应器的形式分类，气化方法有（1）移动床（固定床）；（2）流化床；（3）气流床。本设计按反应器
17、的分类方法来分别简要介绍各种方法。2.1.1 固定床气化法 煤的固定床气化是以块煤为原料，煤由气化炉顶部间歇加入，气化剂由炉底送入，气化剂与煤逆流接触，气化过程进行得很完全，灰渣中残碳少，产物气体的显热中的相当部分供给煤气化前的干燥和干馏，煤气出口温度低，而且灰渣的显热又预热了入炉的气化剂，因此气化剂效率高，这是一种理想的完全气化方式。（1）固定床常压气化 此方法比较简单，但对煤的类型有一定要求，即要求用块煤，低灰熔点的煤难以使用常压方法用空气或空气-水蒸汽作为气化剂，制得低热值煤气。（2）固定床加压气化固定床加压气化最成熟的炉型是鲁奇炉。它和常压移动床一样，也是自热式逆流反应床。所不同的是采
18、用氧气-水蒸汽或空气-水蒸汽为气化剂，在2.0-3.0Mpa和9001100的湿度条件下连续气化方法。2.1.2 流化床气化流化床气化又称沸腾床气化，它是以小颗粒煤为原料，将气化剂（蒸汽和富氧或氧气）送入炉内，是煤颗粒的炉内呈沸腾状态进行气化反应。它是一种介于逆流操作和顺流操作这两种情况之间的操作。（1）温克勒法温克勒法是最早开发的流化方法，在常压下，把煤粒度为0-8mm的褐煤、弱粘结性烟煤或焦碳经给煤机加入到气化炉内。在炉底部通入空气或氧气作介质，没与经过预热的气化剂发生反应。（2）高温温克勒法将含水分5%12%的褐煤输入到充压至0.98Mpa的密闭料锁系统后，经给煤机加入气化炉内。白云石、
19、石灰石或石灰经给料机输入炉内。煤与白云石类添加物在炉内与经过预热的气化剂（氧气/蒸汽或空气/蒸汽）发生气化反应。粗煤气由气化炉上方逸出进入第一旋风分离器，在此分离出的较粗颗粒、灰粒循环返回气化炉。粗煤气再进入第二旋风分离器，在此分离出的细颗粒通过密闭的灰锁系统将灰渣排出，除去煤尘。煤气经废热锅炉生产水蒸气以回收余热，然后经水洗塔进一步冷却和除去。（3）灰团聚气化法它是在流化床中导入氧化性高速气流，使煤灰在软化而未熔融的状态下在锥形床层中相互熔聚而粘结成含碳量低的球状灰渣，有选择性地排出炉内。它与固态排渣相比，降低了灰渣的碳损失。（4）加氢气化法所谓加氢气化就是在煤气化过程中直接用氢或富含H2的
20、气体作为气化剂，生成富含CH4的煤气化方法，其总反应方程式可表示为：煤H2CH4焦2.1.3 气流床气化它是一种并流气化，用气化剂将粒度为100um以下的煤粉带入气化炉内，也可将煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。它有以下两种方法：（1）KT法此法是最早工业化的气流床气化方法，它采用干法进料技术，因在常压下操作，存在问题较多。它是1948年德国海因里希-柯柏斯和托切克博士提出的一种气流床气化粉煤的方法。（2）德士古法它是一种湿法（水煤浆）进料的加压气化工艺，气化炉是由美国德士古石油公司所属德士古开发公司开发
21、的气流床气化炉。2.2 生产方案的选择及论证与固定床气化相比其它气化方法的优点是：（1）气化能力大；（2）气化用煤广；（3）生产灵活性强，开停车容易；（4）碳转化率高；（5）环境污染小。但是如果采用这些方法不但其主体设备及相关必要设备的投资就将大大增加而且能耗也将大大增大，这对我国氨需求量大而技术又相对落后而且资金短缺这一基本国情是不相符的。所以，虽然固定床其工艺较其它气化工艺有其不足之处且工艺较为落后，但其气化工艺较之其它工艺更成熟。根据我国基本国情及合成氨现状，本设计采用常压固定床间歇气化法。第三章 常压固定床间歇气化法3.1 固定床气化法的特点固定床间歇法制气是指，以无烟煤、焦炭或各种煤
22、球为原料，在常压煤气发生炉内，高温条件下，与空气（富氧空气）和水蒸气交替发生一系列化学反应，维持热量平衡，生成可燃气体，回收水煤气，并排出残渣的过程。固定床气化法其煤气发生炉的排渣和加料不是连续的，而是间断的排渣和加料，其致密的煤层在气化过程中是静止不动的，随着气化反应的进行，以温度化分的各区域将逐渐上移，必须经过间歇排渣和加炭后各区域才恢复到原来的位置10。3.2 半水煤气定义半水煤气是以水蒸气为主加入适量的空气为气化剂与赤热的炭反应，所生成的煤气称为半水煤气，它是合成氨的原料气，其成分中CO2+H2一般在68%左右，用于合成氨的半水煤气要求n(H2+CO)/n(N2)=3.13.2。3.3
23、 半水煤气制气原理3.3.1 煤气发生炉构造及气化反应的分区图3.1燃料层分区示意图蒸发至差不多后，在高温条件下，燃料便发生分解，放出挥发分，燃料本身也逐渐碳化，干馏层厚度小于干燥层。（3）还原层 气化剂从下面进入碳层氧化区中已含有各种气体成分，而在还原层里，主要进行CO的还原反应。气化剂从下面进入碳层氧化区中已含有各种气体成分，而在还原层里，主要进行CO的还原反应。（4）氧化层 在这层中，从下面来的空气与碳反应，生成碳的氧化物，因为氧化速度较快，故其厚度比还原层薄。如用水蒸汽作气化剂时，在该层中还进行碳与水蒸汽的氧化反应，一般将还原层和氧化层通称之为气化区。（5）灰渣层 氧化层下面就是灰渣层
24、，没有化学反应发生，起作用是能分布热空气和保护炉。必须指出，各层之间并没有严格的界限，即没有明显的分层，各层高度随燃料的种类性质和气化条件不同而异。3.3.2 制气原理固体燃料的气化过程实际上主要是碳与氧的反应和碳与蒸汽的反应，这两个反应称为固体燃料的气化反应。表3.1 以空气为气化剂主要反应方程序号反应方程式1CO2（3.76N2）=CO2（+3.76N2） 2CO2（3.76N2）=2CO（+3.76N2）3CCO2（3.76N2）=2CO（+3.76N=2）42C3.76N2O23.76N2=CO27.52N2表3.2 以水蒸汽为气化剂主要反应方程式序号反应方程式1CH2O（汽）=COH
25、22C2H2O（汽）=CO22H23CO2H2O（汽）=CO2H242H2O2=2H2O（汽）5CH2=CH46CO3H2=CH4H2O7CO24H2=CH42H2O（汽）间歇法制取水煤气生产中，由于料层温度不断发生变化，因此此水煤气组成也相应发生变化。在气化炉燃烧层中，炭与空气和水蒸汽的混合物相互作用时的产物称为半水煤气，其化学反应按下列方程式进行：2CO23.76N2=2CO23.76N2CH2O（汽）=COH2这种煤气的组成由上列两反应的热平衡条件决定。由于半水煤气是生产合成氨的原料气，因此，要求入炉蒸汽与空气（习惯上称为氮空气）比例恰当以满足半水煤气中（COH2）：N2=3要求，但是在
26、实际生产中要求半水煤气（COH2）：N23.213。3.4 生产半水煤气对固体原料性能的要求（1）水分燃料中水分含量过高，会影响煤气发生炉的气化效率，在气化过程中因水分蒸发吸热造成炉温下降使燃料消耗增加，降低打气量，增加烧渣中碳含量，炉子操作条件恶化，影响水煤气产量和质量。因此，要求入炉煤的水分含量小于5%。（2）挥发份 燃料中如果挥发份含量高，则制出的半水煤气中甲烷和焦油含量高。甲烷存在直接影响原料消耗定额和氨的合成能力。焦油含量高，煤粒相互粘结成焦拱，破坏透气性，增大床层阻力，妨碍气化剂均匀分布。焦油含量高，因易沉积在管道和罗茨鼓风机转子和机内壳上，更严重的会沉积在一段压缩机入口管道和活门
27、上，给生产带来极大不利。因此，要求燃料中挥发份小于6%。（3）灰份煤中含灰分其主要成份为二氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化钙和氧化镁等无机物质，这些物质的含量对灰份有决定性影响。灰份高的燃料，不仅增加运输费用和排灰设备磨损，而且降低煤气发生炉的生产能力，所以要求燃料中灰份小于15%。（4）硫份煤中的硫份在气化过程中转化为含硫气体，不仅对设备和系统管道有腐蚀作用，而且会使催化剂中毒。在合成氨生产系统中，根据流程特点，对含硫量有一定的要求，并应在净化过程中将其除去。（5）化学活性化学活性高的燃料，有利于气体物质和气化率的提高。至于对气化效率的影响，则因所选用的煤气发生炉炉型不同而有所差异。（6）机械强
28、度机械强度高，以免燃料在炉内或上料过程中受碰撞和挤压而发生碎裂，机械强度低会使炉内阻力和气体带出物增加，气化能力下降，消耗增高。（7）热稳定性热稳定性是指燃料在受高温后粉碎的程度。热稳定性差的燃料，不仅增加炭阻力和气体带出物，而且会堵塞炉膛和系统管道，增加动力消耗，影响制气产量。（8）粒度固体原料粒度大小和均匀性也是影响气化指标的重要指标的重要因素之一。粒度小，与气化剂接触面积大，气化效率和煤气质量好。但粒度太小，会增加床层阻力，不仅增加电耗，而且煤气带走灰渣也相应增多，使煤耗增大。粒度大，则气化不完全，灰渣中碳含量增加。所以，特别以2350mm的粒度最好。总之，对间歇式生产水煤气，若要使生产
29、取得良好的气化指标，应采用热稳定性好、机械强度高、不粘结、粒度均匀、水分较少、灰分和挥发分不高，灰分熔点较高的原料11，本设计采用无烟块煤。3.5 间歇式制半水煤气的工艺条件选择生产工艺条件时，要求气化效率高，炉子生产强度大，煤气质量好，气化效率指制得半水煤气所具有的热值与制气投入的热量之比。投入的热量包括气化所消耗的燃料热值和气化剂带入的热量（后者主要指蒸汽的潜热）。它是用来表示气化过程中的热能利用率。气化效率高，燃料利用率高，生产成本低。气化效率用X表示：X=Q半/(Q燃Q蒸)100%生产强度是指每平方米炉膛截面在每小时生产的煤气量，以煤标准状态下的立方米表示。煤气质量则根据生产要求以热值
30、或以指定成分要求来衡量16。为了达到以上的要求，气化过程的工艺条件有：（1）温度 反应温度沿着燃料层高度而变化，其中氧化层温度最高。操作温度一般主要是指氧化层的温度，简称炉温。炉温高，反应速度快，蒸汽分解率高，煤气产量高，质量好。但炉温高，吹风气中一氧化碳含量高，燃烧发热少，热损失大。此外，炉温还受燃料及灰渣熔点的限制，高温熔融将造成炉内结疤。故炉温通常应比灰熔点低50左右，工业上采用炉温范围1000120017。（2）吹风速度 提高炉温的主要手段是增加吹风速度和延长吹风时间，后者使制气时间缩短，不利于提高产量，而前者对制气时间无影响，通过提高吹风速度，迅速提高炉温，缩短二氧化碳在还原层的停留
31、时间，以降低吹风气中的一氧化碳含量，减少热损失。（3）蒸汽用量 蒸汽用量是改善煤气产量与质量的重要手段之一。蒸汽流量越大，制气时间愈长，则煤气产量愈大。但要受到燃料活性、炉温和热平衡的限制。当燃料活性好。炉温高时，加大蒸汽流量可加快气化反应，煤气产率和质量也得到提高。但同时因燃料层温下降快而应缩短吹入蒸汽的时间。但燃料活性较低时，宜采用较小的蒸汽流量和较长的送入时间。（4）燃料层高度 在制气阶段，较高的燃料层将使水蒸汽停留时间加长，而且燃料层温度较为稳定，有利于提高蒸汽分解率，但在吹风阶段，由于空气与燃料接触时间加长，吹风气中CO含量增加，更重要的是，过高的燃料层由于阻力增加，使输送空气的动力消耗增加。根据实践经验，对粒度较大、热稳定性较好的燃料，可采用较高的燃料层，但对颗粒小或热稳定性差的燃料，则燃料层不宜过高。（5）循环时间 制气过程一个循环时间包括五个阶段时间，各阶段的时间分配要根据燃料性质，气化剂配分比和煤气组成的要求而定，一个循环时间短时，炉温的波动小，煤气产量和质量也较稳定，故循环时间不宜长，但气化活化较低的燃料时，因反应速度慢，应采用较长的循环时间。（6）气体成分 主要调节半水煤气中（H2+CO）与N2比值。方法是改变加氮气，或改变空气吹净时间。在生产中还应经常注意保持半水煤气中低的氧含量（0.5%）18，否则将引起后序工段的困难，氧含量过高还有爆炸的危险。
