年产30万吨合成氨造气工段工艺设计毕业论文(编辑修改稿)

年产30万吨合成氨造气工段工艺设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 所不同的是采用氧气 水蒸汽或空气 水蒸汽为气化剂，在 和 900~1100℃的湿度条件下连续气化方法。 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 08mm 的褐煤、弱粘结性 6 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 的密闭料锁系统后，经给煤机加入气化炉内。 白云石、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＋ H2→CH 4＋焦 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） K—T 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的气流床气化炉。 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 7 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。 8 灰渣层 氧化层 干馏层 干燥层 还原层 第 三 章 常压固定床间歇气化法 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]。 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)=~。 半水煤气制气原理 煤气发生炉构造及气化反应的分区 图 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在煤气发生炉中固体燃料气化过程，燃料与气化呈相反方向和顺时针方向运动，当气化剂经过燃料层时，进行燃料的气化反应，同时 伴随物理变化，燃料层大致可分为如图所示的 5个区层 [12]： （ 1）干燥层 新加入的燃料由于下层高温燃料和炉壁的辐射热以及下面的高温气流的导热，使燃料中的水分蒸发，形成 干燥层 ，干燥层的厚度与加入燃料有关。 （ 2）干馏层 干燥层下面温度较高，燃料中的水分蒸发 9 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，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。 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 以空气为气化剂主要反应方程 序号 反应方程式 1 C＋ O2（ ） =CO2（ +） 2 C＋ O2（ ） =2CO（ +） 3 C＋ CO2（ ） =2CO（ +=2） 4 2C＋ ＋ O2＋ =CO2＋ 表 以水蒸汽为气化剂主要反应方程式 序号 反应方程式 1 C＋ H2O（汽） =CO＋ H2 2 C＋ 2H2O（汽） =CO2＋ 2H2 3 CO＋ 2H2O（汽） =CO2＋ H2 4 2H2＋ O2=2H2O（汽） 5 C＋ H2=CH4 6 CO＋ 3H2=CH4＋ H2O 7 CO2＋ 4H2=CH4＋ 2H2O（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： 2C＋ O2＋ =2CO2＋ 10 C＋ H2O（汽） =CO＋ H2 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（ CO＋ H2）： N2=3 要求，但是在实际生产中要求半水煤气（ CO＋ H2）： N2≧ [13]。 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。 ① 甲烷存在直接影响原料消耗定额和氨的合成能力。 ② 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。 ③ 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。 11 （ 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 23~50mm的粒度最好。 总之，对间歇式生产水煤气，若要使生产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。 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% 式中： Q 半 半水煤气的热值 Q 燃 消耗燃料的热值 Q 蒸 消耗蒸汽的热值 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 1000~1200℃ [17]。 （ 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， 12 缩短二氧化碳在还原层的停留时间 ， 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（ ≤%） [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。 生产流程的选择及论证 根据水煤气生产工艺流程中废热利用的程度，可分为五类： (1)不回收废热的流程 吹风直接放空，上下行煤气直接进入冷却净化系统，故其热效率差。 一般为小型水煤气站采用。 (2)只利用吹 风 气特点持有热的流程 该流程在吹风阶段，将吹风气通过燃烧室，同时向燃烧室。