年產(chǎn)20萬噸合成氨造氣工段實用工藝設計(終稿子69)

1、湖 南 科 技 大 學畢 業(yè) 設 計（ 論 文 ）年產(chǎn) 20 萬噸合成氨題目造氣工段工藝設計作者麗花學院化學化工學院專業(yè)化學工程與工藝學號0706040332指導教師忠于二一一年 六 月 七 日湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設計（論文）任務書 化 學 化 工院化工系（教研室） 系（教研室）主任:（簽名）年月日學生: 麗花學號: 0706040332專業(yè): 化學工程與工藝1 設計（論文）題目及專題： 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨造氣工段的工藝設計2 學生設計（論文）時間：自 2011年 02 月 20 日開始至 2011 年 06 月 07 日止3 設計（論文）所用資源和參考資料：（1） 化工設計 （2）

2、 化工設備設計 （3） 化工工藝設計手冊（4） 合成氨工藝與節(jié)能 （5） 小型合成氨廠工藝設計手冊 （6） 合成氨生產(chǎn)工 （7） 小型合成氨廠生產(chǎn)操作問答 （8） 物理化學手冊 （9）合成氨原料氣生產(chǎn) （10） 氮肥廠現(xiàn)場實習資料4 設計（論文）應完成的主要容：（1） 總論（2）生產(chǎn)流程及生產(chǎn)方案的確定（3）生產(chǎn)工藝流程敘述（4）工藝計算（5）工藝管道設計（6）安全與“三廢”處理（7) 技術經(jīng)濟5 提交設計（論文）形式（設計說明與圖紙或論文等）及要求：（1) 遞交設計說明書一份，字數(shù)達 20000-25000 字；（2) 圖紙三，包括帶控制點生產(chǎn)工藝流程圖，車間立面布置圖，車間平面布置圖。6

3、發(fā)題時間：二一一年二月二十日指導教師：（簽名）學生：（簽名）湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設計（論文）指導人評語主要對學生畢業(yè)設計（論文）的工作態(tài)度，研究容與方法，工作量，文獻應用，創(chuàng)新性，實用性， 科學性，文本（圖紙）規(guī)程度，存在的不足等進行綜合評價指導人：（簽名） 年月日指導人評定成績： 湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設計（論文）評閱人評語主要對學生畢業(yè)設計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)程度，工作量，研究容與方法，實用性與科學性，結(jié)論和存在的不足等進行綜合評價評閱人：（簽名） 年月日評閱人評定成績： 湖 南 科 技 大 學畢業(yè)設計（論文）答辯記錄日期： 2011 年 6 月 11 日 學 生 ： 麗花

4、學號： 0706040332 班級：化學工程與工藝三班題目： 年產(chǎn) 20 萬噸合成氨造氣工段工藝設計 提交畢業(yè)設計（論文）答辯委員會下列材料：1 設計（論文）說明書 共 51 頁2 設計（論文）圖 紙 共 3 頁3 指導人、評閱人評語 共 2 頁畢業(yè)設計（論文）答辯委員會評語：主要對學生畢業(yè)設計（論文）的研究思路，設計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)程度和對設計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價答辯委員會主任：（簽名）委員：（簽名）（簽名）（簽名）（簽名）答辯成績： 總評成績： 摘要本設計是年產(chǎn)能力為 20 萬噸合成氨造氣工段（合成氨所需原料氣-半水煤氣）的初步工藝設計。本設計采用常壓固定床間

5、歇制氣法。根據(jù)株化集團合成氨廠現(xiàn)場實習及有關文獻資料，完成物料、熱量的計算。此設計配有設計說明書一份，圖紙三。說明書容：1.煤造氣的發(fā)展及發(fā)展趨勢；2.造氣工段的生產(chǎn)原理，流程選擇及生產(chǎn)方法的論證與選擇；3.物料衡算、熱量衡算；4.主要設備的計算及選型；5.安全技術，綠色環(huán)保及節(jié)能；6.技術經(jīng)濟.三圖紙：1.帶控制點的物料流程圖；2.設備平面布置圖；3.發(fā)生爐工藝裝配圖。關鍵詞：合成氨；造氣；半水煤氣；工藝；設計AbstractThis design is a primary design about the synthesis of ammonia 200000T/year techniqu

6、es accidence contrive. The design owns the process of producing semi-water gas. The design completed the calculation of material and heat quantity according to relevant date. During the design period an instruction and four serials of diagram have been worked out.The instruction includes:1. The deve

7、lopment history of producing coal gas and the developing trend.2. The production way of producing semi-water gas 、 demonstrating and the choosing,factory chamber plan.3. The calculation of material and the calculation of heat quantity.4. The designing and technological calculation about the main equ

8、ipment.5. Safety ,Green Initiative and saving energy.6. Economic estimate.Four serious of diagram includes:1. 100000T/Y ammonia process technique flow heat with controlled point.2. The factory chamber plan diagram.3. The factory spare picture.4. The main equipment installing picture.Key words: synth

9、esis ammonia;gas making;semi-water gas;technology design目錄第一章 前 言1第二章 合成氨造氣概況22.1合成氣原料的選擇22.2煤氣化發(fā)展史22.3煤氣化技術發(fā)展趨勢2第三章 生產(chǎn)方法的選擇及論證43.1生產(chǎn)方法的介紹43.1.1固定層間歇氣化法43.1.2固定層連續(xù)氣化法43.1.3沸騰層氣化法53.1.4水煤漿制氣法53.2生產(chǎn)方案的選擇及論證5第四章 常壓固定床間歇氣化法64.1半水煤氣定義64.2固定床氣化法的特點64.3生產(chǎn)半水煤氣對原料的選擇64.4半水煤氣制氣原理74.5發(fā)生爐燃料分布情況84.6各主要設備的作用84.6.

10、1煤氣發(fā)生爐84.6.2燃燒室94.6.3廢熱鍋爐104.6.4洗氣箱104.6.5洗滌塔114.6.6煙囪114.6.7自動機114.7間歇式制半水煤氣的工藝條件114.7.1溫度114.7.2吹風速度114.7.3蒸汽用量124.7.4燃料層高度124.7.5循環(huán)時間124.7.6氣體成分124.8生產(chǎn)流程的選擇及論證124.9間歇式氣化的工作循環(huán)134.10間歇式制半水煤氣工藝流程14第五章 工藝計算165.1煤氣發(fā)生爐（含燃燒室）的物料及熱量衡算165.2物料及熱量衡算175.2.1物料衡算185.2.2熱量衡算195.2.3吹風效率195.2.4熱量平衡表205.3制氣階段的計算20

11、5.3.1物料衡算205.3.2熱量衡算225.4總過程計算245.4.1燃料使用分配245.4.2每 100kg 燃料的生產(chǎn)指標245.4.3物料衡算245.4.4熱量衡算265.5配氣計算265.6消耗定額275.7吹凈時間核算275.8廢熱鍋爐的熱量衡算285.8.1設已知條件285.8.2熱量衡算305.8.3熱量平衡和總固體平衡325.9夾套鍋爐的物料及熱量衡算335.9.1已知條件335.9.2產(chǎn)氣量及消耗兩計算33第六章 設備計算346.1煤氣爐指標計算346.2煤氣臺數(shù)的確定356.3 空氣鼓風機的選型及臺數(shù)確定35第七章 各設備的選型及工藝指標377.13 米 U.G.I 型

12、煤氣發(fā)生爐的工藝指標377.2燃料室的工藝指標377.3洗氣箱工藝指標387.4索爾維式廢熱鍋爐工藝指標387.5填料式洗滌塔工藝指標397.6煤氣發(fā)生爐自動加煤機工藝指標407.710000m3 螺旋式氣柜的工藝指標407.8集塵器41第八章 車間布置簡述42第九章 安全技術與節(jié)能439.1安全技術439.2綠色環(huán)保節(jié)能43第十章 投資和成本估算4510.1人員工資4510.1.1人員編制4510.1.2一年支付工資及附加費4510.2總投資計算4510.2.1固定資金4510.2.2建設期貸款利息4610.2.3流動資金4710.3成本計算47第十一章 結(jié)論49參 考 文 獻50致 謝51

13、第一章前言本設計為年產(chǎn) 20 萬噸合成氨廠造氣工段的初步設計。氨的分子式為 NH3,在標準狀態(tài)下是無色氣體，比空氣輕，具有特殊的刺激性臭味， 能刺激人的黏膜。氨易溶于水，能溶于醇、丙酮、三氯甲烷、苯、乙醚及其他有機溶 劑中。氨在常溫下化學性質(zhì)穩(wěn)定，在高溫、電火花或紫外光的作用下可分解為氮和氫。氨是重要的化工產(chǎn)品之一，用途廣泛，在國民經(jīng)濟各部門中占有重要的地位。在農(nóng)業(yè) 方面，以氨為原料可以加工各種氮素肥料。氨還是一種重要的工業(yè)原料，廣泛用于制 藥、煉油、合成纖維、合成樹脂以及制造含氮無機鹽等。合成氨生產(chǎn)包括三個主要步驟。第一步是制造含氮和氫的原料氣；第二部是將原 料氣進行凈化處理，以除去各種雜質(zhì)

14、和有毒成分，從而獲得純凈的氮氫混合氣體；第 三步是氨的合成。氨的合成以氮、氫兩種氣體為原料，所以制造含氮和氫的原料氣是 合成氨的主要階段。合成氨要求原料氣為潔凈的 1：3 的氮氫混合氣。氫氣來源于水蒸氣和含有碳氫化合物的各種燃料，氮氣來源于空氣，如以煤為原料制氣時，在制氫過 程中直接加入空氣，將空氣中的氧與可燃性物質(zhì)反應而除去，剩下的氮氣與氫氣混合， 即得到氫、氮混合原料氣。本設計是在工藝和設備計算的基礎上加以工藝論證及選擇而編制的。主要容包括： 緒論、設計任務及要求、生產(chǎn)方案，生產(chǎn)流程的選擇及論證、制氣生產(chǎn)原理、工藝指 標、設備計算及選型、設備投資及成本估算。此外，隨書附有造氣工段帶控制點工

15、藝 流程圖、造氣工段平面及立面布置圖。第二章合成氨造氣概況2.1合成氣原料的選擇合成氣制造的原料種類很多，凡是含有碳、含有氫或含有碳氫化合物的物質(zhì)都可以作為制造合成氣的原料。一般原料可分為三類：固體原料焦炭、無煙煤、褐煤等； 液體原料重油、原油、輕油以及水等；氣體原料天然氣、油田氣、焦爐氣以 及煉廠氣等。在合成氣制造過程中，除需上述各種原料之外，還需其他一些氣體。如 空氣、氧氣、水蒸氣等。通常把這些氣體成為氣化劑。目前小合成氨廠大多使用固體 燃料氣化法制取煤氣。本設計即使采用無煙煤氣化法制取半水煤氣。2.2煤氣化發(fā)展史煤炭氣化，是以煤或焦碳為原料，用氧氣（空氣、富氧或純氧）水蒸汽或氫氣等作為氣

16、化劑（或稱氣化介質(zhì)），在高溫條件下通過化學反應將煤或焦碳中的可燃部分轉(zhuǎn)化為氣體燃料的過程。煤炭氣化包括煤的熱解、氣化和燃燒 3 部分。煤炭氣化時所得的可燃氣體稱氣化煤氣。氣化煤氣可用于城市煤氣、工業(yè)燃氣和化工原料氣及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等。煤炭氣化至今已有 150 多年的歷史。19 世紀 50 年代第一臺階梯式爐篦的西門子煤氣化發(fā)生爐正式誕生，20 世紀 20 年代研制成功沸騰床氣化爐（1926 年溫克勒氣化爐）， 30 年代出現(xiàn)了加壓氣化技術，50 年代出現(xiàn)了氣流夾帶床粉煤氣化技術。50 年代后期， 由于石油、天然氣工業(yè)的興起，煤制氣技術的開發(fā)研究工作受到?jīng)_擊。70 年代初，世界圍發(fā)生了“石油危機”

17、，一些工業(yè)發(fā)達國家又重新重視煤炭轉(zhuǎn)化技術，各種新型的氣化方法和氣化爐型應運而生。其種類繁多，方式各異?，F(xiàn)今，煤氣化所制得煤氣，主要用于如下幾方面：（1）生產(chǎn)燃料煤氣：（2）生產(chǎn)合成氣：（3）生產(chǎn)還原氣或氫：（4）聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。2.3煤氣化技術發(fā)展趨勢當前國外煤完全氣化技術發(fā)展的趨勢，概括地可以歸納出如下幾點：（1）氣化向大型化方向發(fā)展，因為大型化可以提高單位設備的生產(chǎn)能力；（2）使用氧氣為氣化劑，提高煤氣化爐的操作溫度；（3）提高煤氣化操作壓力，幾乎各種類型的新開發(fā)的氣化爐都采用加壓氣化的工藝；（4）擴大氣化煤種的圍，隨著采煤機械化和水力采煤技術的發(fā)展，原煤中的碎煤產(chǎn)率越來越多，為了適應這種趨

18、勢，一些新開發(fā)的新氣化方法都用碎煤或粉煤氣化；（5）開發(fā)利用無污染的氣化方法，許多開發(fā)的氣化方法，都考慮了在工藝過程中消除或減少有害物質(zhì)的產(chǎn)生?？傊捎诟鲊匀毁Y源和社會條件的不同，具體的能源政策也各不相同，但可以預料在 21 世紀煤炭仍將成為世界的主要能源之一。對于我國來說，隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，應積極進行煤氣化的研究，掌握和運用國外的先進煤氣化及其應用技術，對加快我國實現(xiàn)四個現(xiàn)代化有著重要的意義。第三章生產(chǎn)方法的選擇及論證3.1生產(chǎn)方法的介紹煤氣化方法按不同的分類有多種，分敘如下：1.按制取煤氣的熱值分類為（1）制取低熱值煤氣方法，煤氣熱值低于8347kJ/m3

19、；（2）制取中熱值煤氣方法，煤氣熱值 16747-334948347kJ/m3；（3）制取高熱值煤氣方法，煤氣熱值高于 334948347kJ/m3。2.按供熱方式分類，氣化過程的供熱方式有（1）部分氣化方法；（2）間接供熱；（3）由平行進行的反應器直接供熱；（4）熱載體供熱。3.按反應器的形式分類，氣化方法有（1）移動床（固定床）；（2）流化床；（3）氣流床；（4）熔融床。本設計按反應器的分類方法來分別簡要介紹各種方法。3.1.1固定層間歇氣化法固體燃料被氧氣（或空氣）或者氧化物（如水蒸氣等）氣化而生成氫氣、一氧化碳等可燃性氣體的過程成為固體燃料氣化，簡稱為“造氣”。氣化所生成的氣體，稱為煤

20、氣，而用于固體燃料氣化的設備，叫煤氣發(fā)生爐，也稱為氣化爐。在氣化過程中間斷地進行加料、排渣、制氣等操作，稱為固定層間歇式氣化。間 歇式氣化爐是一個直立式圓筒體。原料焦炭或無煙煤（塊狀）由路上部加入爐，空氣 自爐篦下面吹入爐中，與爐固體燃料進行氧化反應，待爐煤、炭被進一步燃燒加熱后， 改通水蒸氣（或蒸汽與空氣的混合氣）進行氣化制氣。為了維持爐炭層溫度穩(wěn)定，吹 入氣體要不斷地改變吹入方向，制氣過程完結(jié)后，停止蒸汽入爐，再用空氣吹凈。這樣間歇式氣化可分為：空氣預熱、上吹制氣、下吹制氣、二次上吹、空氣吹凈等五個過程。在生產(chǎn)中，這五個過程交替進行，一般每 3min 進行一個循環(huán)。固定層間歇氣化法對燃料質(zhì)

21、量要求較高（必須具有 2575mm 的粒度），并且由于生產(chǎn)是間歇的，生產(chǎn)強度較低，造氣系統(tǒng)的熱能回收較差。3.1.2固定層連續(xù)氣化法同樣是固定層煤氣發(fā)生爐，但是，制氣過程是連續(xù)進行的，稱為固定層連續(xù)氣化方法。固定層連續(xù)氣化方法是針對固定層間歇氣化方法的缺點發(fā)展而來的。所不同的是， 連續(xù)氣化法采用的氣化劑是富氧空氣（指氧含量大于空氣中的氧含量的氣體），由于氣化劑中氧含量高，就保證了氣化過程中所需要的熱量，使生產(chǎn)能夠連續(xù)進行。固定層連續(xù)氣化可使用較小塊得煤、焦，不但可以充分利用原料，而且大大提高了固定爐的氣化強度。3.1.3 沸騰層氣化法沸騰層氣化是在一直立的大型圓筒體沸騰爐中進行的，用于氣化 0

22、10mm 小顆粒燃料（主要是褐煤或半焦）。自爐下部側(cè)面加入爐，氧氣（或富氧）與蒸汽的混合氣由爐篦底部以較強的氣壓鼓入爐，吹動燃料煤處于懸浮狀態(tài)，并且進行激烈的氣化反應。沸騰層氣化是連續(xù)地進行加料，連續(xù)地進行吹入氧氣與蒸汽，生產(chǎn)過程是連續(xù)進行的，生產(chǎn)能力比較高，操作簡便，并且能充分利用劣質(zhì)原料。但是設備比較龐大， 耗氧量多，投資較大。3.1.4 水煤漿制氣法水煤漿制氣時先把煤磨成煤粉之后再與水混合以制成水煤漿，而后與氧氣在氣化爐中裂解城裂化氣，此裂化氣經(jīng)廢熱鍋爐進行能量回收及除灰后，再經(jīng)洗滌塔水洗后制成粗原料氣。3.2生產(chǎn)方案的選擇及論證與固定層氣化相比其它氣化方法的優(yōu)點是：（1）氣化能力大；（

23、2）氣化用煤廣；（3）生產(chǎn)靈活性強，開停車容易；（4）碳轉(zhuǎn)化率高；（5）環(huán)境污染小。但是如果采用這些方法不但其主體設備及相關必要設備的投資就將大大增加而且能耗也將大大增大。這對我國氨需求量大而技術又相對落后而且資金短缺這一基本國情是不相符的。所以，雖然固定床其工藝較其它氣化工藝有其不足之處且工藝較為落后。但其氣化工藝較之其它工藝更成熟。根據(jù)我國基本國情及當?shù)厍闆r本設計采用常壓固定層間歇氣化法。第四章常壓固定床間歇氣化法4.1半水煤氣定義半水煤氣是以水蒸氣為主加入適量的空氣為氣化劑與赤熱的炭反應，所生成的煤氣稱為半水煤氣，它是合成氨的原料氣，其成分中 CO2+H2 一般在 68%左右。用于合成氨

24、的半水煤氣要求氫氮比為 3：1。4.2固定床氣化法的特點固定床氣化法其煤氣發(fā)生爐的排渣和加料不是連續(xù)的，而是間斷的排渣和加料， 其致密的煤層在氣化過程中是靜止不動的，隨著氣化反應的進行，以溫度化分的各區(qū)域?qū)⒅饾u上移，必須經(jīng)過間歇排渣和加炭后各區(qū)域才恢復到原來的位置。4.3生產(chǎn)半水煤氣對原料的選擇間歇法生產(chǎn)半水煤氣對原料的要求：（1）對水分的要求燃料中水分含量過高，會影響煤氣發(fā)生爐的氣化效率，在氣化過程中因水分蒸發(fā)吸熱造成爐溫下降使燃料消耗增加，爐子操作條件惡化，影響水煤氣產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，要求入爐煤的水分含量小于 35%。（2）對揮發(fā)份的要求燃料中如果揮發(fā)份含量高，則由于甲烷和焦油的含水兩增加

25、而不僅會增加動力燃 料消耗，而且降低爐子的制氣能力影響氨的產(chǎn)量。因此，要求燃料中揮發(fā)份較低為宜。（3）對灰份的要求煤中含灰分其主要成份為二氧化硅、氧化鐵、氧化鋁、氧化鈣和氧化鎂等無機物質(zhì)。這些物質(zhì)的含量對灰份有決定性影響?；曳莞叩娜剂?，不僅增加運輸費用，而且使氣化條件變得復雜，所以要求燃料中灰份較低為宜。（4）對硫份的要求煤中的硫份在氣化過程中轉(zhuǎn)化為含硫氣體，不僅對設備和系統(tǒng)管道有腐蝕作用，而且會使催化劑中毒。在合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)中，根據(jù)流程 特點，對含硫量有一定的要求， 并應在凈化過程中將其除去。（5）對化學活性的要求化學活性高的燃料，有利于氣體物質(zhì)和氣化率的提高。至于對氣化效率的影響， 則因所

26、選用的煤氣發(fā)生爐爐型不同而有所差異。（6）對機械強度的要求機械強度高，以免燃料在爐或上料過程中受碰撞和擠壓而發(fā)生碎裂，機械強度低會使爐阻力和氣體帶出物增加，氣化能力下降，消耗增高。（7）對熱穩(wěn)定性要求熱穩(wěn)定性是指燃料在受高溫后粉碎的程度。熱穩(wěn)定性差的燃料，不僅增加炭阻力和氣體帶出物，而且會堵塞爐膛和系統(tǒng)管道，增加動力消耗，影響制氣產(chǎn)量。（8）對粘結(jié)性的要求粘結(jié)性是煤在高溫下干餾粘結(jié)的性能，粘結(jié)性較強的原料煤，氣化過程中煤相互粘結(jié)后生成焦，破壞燃料的透氣性，妨礙氣化劑的均勻分布，影響氣體成分和制氣產(chǎn)量。（9）對燃料粒度的要求合成氨原料煤首先對煤種要無煙煤，其次對粒度則要求采用塊煤和粉煤的成型，

27、特別以 2350mm 的粒度最好?？傊瑢﹂g歇式生產(chǎn)水煤氣，若要使生產(chǎn)取得良好的氣化指標，應采用熱穩(wěn)定性好、機械強度高、不粘結(jié)、粒度均勻、水分較少、灰分和揮發(fā)分不高，灰分熔點較高的原料，本設計采用無煙塊煤。4.4半水煤氣制氣原理固體燃料的氣化過程實際上主要是碳與氧的反應和碳與蒸汽的反應，這兩個反應稱為固體燃料的氣化反應。表 4.1以空氣為氣化劑主要反應方程序號反應方程式1CO2（3.76N2）=CO2（+3.76N2）2CO=2（3.76N2）=2CO（+3.76N2）3CCO2（3.76N2）=2CO（+3.76N=2）42C3.76N2O23.76N2=CO27.52N2表 4.2以水蒸汽

28、為氣化劑主要反應方程式序號反應方程式1CH2O（汽）=COH22C2H2O（汽）=CO22H23CO2H2O（汽）=CO2H242H2O2=2H2O（汽）5CH2=CH46CO3H2=CH4H2O7CO24H2=CH42H2O（汽）在氣化爐燃燒層中，炭與空氣幾水蒸汽的混合物相互作用時的產(chǎn)物稱為半水煤氣， 其化學反應按下列方程式進行：2CO23.76N2 = 2CO23.76N2CH2O（汽）= COH2這種煤氣的組成由上列兩反應的熱平衡條件決定。由于半水煤氣是生產(chǎn)合成氨的原料氣，因此，要求入爐蒸汽與空氣（習慣上稱為氮空氣）比例恰當以滿足半水煤氣中（COH2）：N2=3 要求，但是在實際生產(chǎn)中要

29、求半水煤氣（COH2）：N2 3.2。4.5發(fā)生爐燃料分布情況干燥層干餾層還原層氧化層灰渣層在煤氣發(fā)生爐中固體燃料氣化過程，燃料與氣化呈相反方向和順時針方向運動，當氣化劑經(jīng)過燃料層時，進行燃料的氣化反應，同時伴隨物理變化，燃料層大致可分為如圖所示的5 個區(qū)層(1)干燥層 新加入的燃料由于下層高溫燃料和爐壁 的輻射熱以及下面的高溫氣流的導熱，使燃料中的水分蒸發(fā)， 形成干燥層，干燥層的厚度與加入燃料的量有關。(2)干餾層 干燥層下面溫度較高，燃料中的水分蒸發(fā)至差不多后，在高溫條件下，燃料便發(fā)生分解，放出揮發(fā)分，燃料本身也逐漸碳化，干餾層厚度小于干燥層。圖 4.1 燃料層分區(qū)示意圖（3）還原層氣化劑

30、從下面進入碳層氧化區(qū)中已含有各種氣體成分，而在還原層里，主要進行 CO 的還原反應。（4）氧化層在這里層中，從下面來的空氣與彈反應，生成碳的氧化物，因為氧化速度較快，故其厚度比還原層薄如用水蒸汽作氣化劑時，在該層中還進行碳與水蒸汽的氧化反應。一般將還原層和氧化層通稱之為氣化區(qū)。（5）灰渣層氧化層下面就是灰渣層，沒有化學反應發(fā)生，起作用是能分布熱空氣和保護爐。必須指出，各層之間并沒有嚴格的界限，即沒有明顯的分層，各層高度隨燃料的種類性質(zhì)和氣化條件不同而異。見表 3.3。4.6各主要設備的作用4.6.1煤氣發(fā)生爐在間歇法工藝中，用于生產(chǎn)半水煤氣的發(fā)生爐主要為 U.G.I 水煤氣爐。我國自行設計和制

31、造了爐徑為 1500，2260，3000，3600 等一系列半水煤氣爐，他們的結(jié)構與 UGI 半水煤氣爐基本相同。水煤氣發(fā)生爐的結(jié)構大致分為五個部分，起各部分的作用分敘如下：（1）爐體爐殼由鋼板焊制，上部襯有耐火磚和保溫磚硅藻磚，使爐殼免受高溫的損害。外面包有石棉制品隔熱保溫襯鑄剛護圈，部襯有耐火磚和隔熱層。（2）夾套鍋爐夾套鍋爐傳熱面積約為 19m2。外壁包有石棉制品隔熱保溫層，防止熱量損失，夾套鍋爐的作用主要是降低氧化層溫度，以防止熔渣粘壁并副產(chǎn)蒸汽，夾套鍋爐兩側(cè)設有探火孔，用于測量火層，了解火層分布和溫度情況上部裝有液位計，水位自動調(diào)節(jié)器和安全閥等附件。（3）底盤底盤和爐殼通過大法蘭連成

32、一體，用紫銅薄板包石棉布填料密封。底盤底部有氣體中心管與吹風和下吹管線呈倒 Y 型連接，中心管下部裝有通風閥和清理門。底盤兩側(cè)有灰斗，底盤上沒有溢流排污管和水封桶，可以排泄冷凝水和油污，并防止氣體外透，起安全作用。（4）機械除灰裝置包括能夠轉(zhuǎn)動的灰盤和爐條及固定不動的會犁。灰犁固定在出灰口上，利用它與旋轉(zhuǎn)灰盤之間的相對運動，以減弱機械磨損。（5）傳動裝置機械除灰裝置的旋轉(zhuǎn)是由電機提供動力。通過減速箱蝸桿、蝸輪來完成的。傳動裝置附有注油器，以減弱機械磨損。4.6.2燃燒室燃燒室的上部都呈錐行，中部為柱體，襯有耐火磚及蓄熱用的格子磚。燃燒室的作用：（1）向吹風氣添加二次空氣，使其中的 CO 等可燃

33、物在其中燃燒，所生成的熱量被積蓄在格子磚。（2）利用所蓄積的熱量，預熱下吹蒸汽和加氮空氣，提高 氣體的入爐溫度，提高分解率。（3）除去煤氣中的細灰，以減少對廢熱鍋爐的損害。氣體從下部入口切線方向進室，避免直接沖撞室壁，以減少對耐火磚的磨損，并使氣體在室分布均勻。燃燒室的頂蓋起著泄壓作用，當系統(tǒng)發(fā)生爆炸時，爆炸壓力超過蓋子彈簧的作用力，蓋子開，降低壓力，避免設備損壞。表 4.3發(fā)生爐情況區(qū)域區(qū)域名稱用途及進行的過程化學反應最終反應：CO23.76N2=CO23.76N灰渣層氧化層（燃燒層）分配氣化劑，防止爐蓖受高溫的影響，在本區(qū)域中，借灰渣預熱氣化劑。碳被氣化劑中的氧氧化成二氧化碳及一氧化碳并放

34、出熱量。二氧化碳還原成一氧化碳或水蒸氣分22CO23.76N2=2CO3.76 N2CO2C=2CO H2OC=COH2 2H2OC=CO22H2還原區(qū)解為氫，燃料依靠熱的氣體而被預熱。干餾區(qū)燃料依靠熱氣體換熱進行分解，并析出下列物質(zhì)：1 水分；2 醋酸、甲醇、甲醛及苯酚；3 樹脂；4 氣體（CO、CO2、H2S、CH4、C2H4、氨氮和氫）。干燥區(qū)依靠氣體的顯熱來蒸發(fā)燃料中的水分自由空間起聚積煤氣的作用。有時，煤氣中部分一氧化碳與 蒸 汽 進 行 反 應 ： H2OCO=CO2H24.6.3廢熱鍋爐廢熱鍋爐主要用于回收吹風氣和上行半水煤氣的顯熱，生產(chǎn) 18Mpa 的蒸汽，為制氣和其他用途提供

35、一部分蒸汽來源。煤氣生產(chǎn)中常用火管立式廢熱鍋爐，爐體為一直立的圓筒，用鋼板焊接，兩頭裝有鋼板封頭，部裝有若干根無縫鋼管。高溫氣從上而下與管間的水進行逆流熱交換， 汽水混合物從上循環(huán)管進入氣包產(chǎn)生蒸汽。分離下來的 水及向氣泡補充的新鮮水（軟水）由下循環(huán)流入廢熱鍋爐下部管間。進爐氣體一般為 500700出爐后可降至 200 左右。由于廢熱鍋爐上部裝有氣泡，為保持爐體重心達到平衡，避免基礎受力不均而下陷， 故安裝時，鍋爐爐體傾斜 7，用以促進對流，使熱交換效率提高。4.6.4洗氣箱洗氣箱的作用是防止水封以后的煤氣倒回煤氣爐和空氣發(fā)生爆炸，并兼冷卻除塵的作用。洗氣箱的外行是一個具有圓筒行容器。半水煤氣

36、進口管浸入水面以下 75125mm，水至箱頂加入，不斷地從錐體部分的溢流管溢出。以保持一定的水面，起到安全水封的作用。它是煤氣爐系統(tǒng)確保安全生產(chǎn)不可缺少的設備。進洗氣箱的煤氣溫度約 200，出氣溫度為 70左右，洗氣箱的冷卻水用量大， 其冷卻作用主要靠水的蒸發(fā)，煤氣主要因失去顯熱而降溫。出洗氣箱的煤氣已被飽和。4.6.5洗滌塔洗滌塔的作用是冷卻（降溫），冷凝（蒸汽）和除塵，它可采用噴塔，也可采用填料塔，其外形一般為柱形。煤氣由下部入塔，由上部出塔。由于進塔煤氣被水汽飽和。所以，如想繼續(xù)降溫，必須使煤氣中的水汽冷凝，由于冷凝熱大，故必須用大量的水 噴淋，使煤氣繼續(xù)冷卻。4.6.6煙囪煙囪也是煤氣

37、生產(chǎn)中不可缺少的設備，其主要作用是排放廢氣，另還兼有封和除塵的作用。4.6.7自動機自動機的作用在于通過自動機的程序控制，使水煤氣的生產(chǎn)操作基本實現(xiàn)自動化。自動機把高壓水按時送到煤氣爐各系統(tǒng)各個自動液壓閥門，是閥門按照工藝循環(huán)的要求準時準備啟動，準確控制和調(diào)節(jié)，保證生產(chǎn)穩(wěn)定和安全。4.7間歇式制半水煤氣的工藝條件選擇生產(chǎn)工藝條件時，要求氣化效率高，爐子生產(chǎn)強度大，煤氣質(zhì)量好，氣化效率指制得半水煤氣所具有的熱值與制氣投入的熱量之比。投入的熱量包括氣化所消耗的燃料熱值和氣化劑帶入的熱量（后者主要指蒸汽的潛熱）。氣化過程的工藝條件有：4.7.1溫度反應溫度沿著燃料層高度而變化，其中氧化層溫度最高。操

38、作溫度一般主要是指 氧化層的溫度，簡稱爐溫。爐溫高，反應速度快，蒸汽分解率高，煤氣產(chǎn)量高，質(zhì)量 好。但爐溫高，吹風氣中一氧化碳含量高，燃燒發(fā)熱少，熱損失大。此外，爐溫還受 燃料及灰渣熔點的限制，高溫熔融將造成爐結(jié)疤。故爐溫通常應比灰熔點低 50左右，工業(yè)上采用爐溫圍 10001200。4.7.2吹風速度提高爐溫的主要手段是增加吹風速度和延長吹風時間。后者使制氣時間縮短，不利于提高產(chǎn)量，而前者對制氣時間無影響，通過提高吹風速度，迅速提高爐溫，縮短二氧化碳在還原層的停留時間。以降低吹風氣中的一氧化碳含量，減少熱損失。吹風速度以下不使炭層出現(xiàn)風洞為限。4.7.3蒸汽用量蒸汽用量是改善煤氣產(chǎn)量與質(zhì)量的

39、重要手段之一。蒸汽流量越大，制氣時間愈長， 則煤氣產(chǎn)量愈大。但要受到燃料活性、爐溫和熱平衡的限制。當燃料活性好。爐溫高 時，加大蒸汽流量可加快氣化反應，煤氣產(chǎn)率和質(zhì)量也得到提高。但同時因燃料層溫 下降快而應縮短吹入蒸汽的時間。但燃料活性較低時，宜采用較小的蒸汽流量和較長 的送入時間。4.7.4燃料層高度在制氣階段，較高的燃料層將使水蒸汽停留時間加長，而且燃料層溫度較為穩(wěn)定， 有利于提高蒸汽分解率，但在吹風階段，由于空氣與燃料接觸時間家長，吹風氣中 CO 含量增加，更重要的是，過高的燃料層由于阻力增加，使輸送空氣的動力消耗增加。 根據(jù)實踐經(jīng)驗，對粒度較大、熱穩(wěn)定性較好的燃料，可采用較高的燃料層，

40、但對顆粒 小或熱穩(wěn)定性差的燃料，則燃料層不宜過高。4.7.5循環(huán)時間制氣過程一個循環(huán)時間包括五個階段時間，各階段的時間分配要根據(jù)燃料性質(zhì)，氣化劑配分比和煤氣組成的要求而定，一個循環(huán)時間短時，爐溫的波動小，煤氣產(chǎn)量和質(zhì)量也較穩(wěn)定，故循環(huán)時間不宜長，但氣化活化較低的燃料時，因反應速度慢，應采用較長的循環(huán)時間。4.7.6氣體成分主要調(diào)節(jié)半水煤氣中（H2+CO）與 N2 比值。方法是改變加氮氣，或改變空氣吹凈時間。在生產(chǎn)中還應經(jīng)常注意保持半水煤氣中低的氧含量（0.5%），否則將引起后序工段的困難，氧含量過高還有爆炸的危險。4.8生產(chǎn)流程的選擇及論證根據(jù)水煤氣生產(chǎn)工藝流程中廢熱利用的程度，可分為五類：（

41、1）不回收廢熱的流程吹風直接放空，上下行煤氣直接進入冷卻凈化系統(tǒng)，故其熱效率差。一般為小型水煤氣站采用。（2）只利用吹氣特點持有熱的流程該流程在吹風階段，將吹風氣通過燃燒室，同時向燃燒室送入二次空氣，合使吹風氣中的在燃燒室中燃燒，蓄熱，高溫燃燒后廢熱鍋爐的收熱量后放空。上行、下行煤氣直接進入冷卻凈化系統(tǒng)，不進行熱量回收。（3）利用吹氣持有熱和上行煤氣顯熱的流程這是我國目前廣泛使用的一類流程，它可使大部分的廢熱得以回收利用。此流程適用于爐徑大于 2740mm。（4）完全利用吹風氣所持有熱及上、下行煤氣顯熱的流程該流程與流程（3）的差別僅在于下行煤氣的顯熱易于回收，廢熱的回收利用程度最高，廢熱鍋爐

42、的溫度波動較小，蒸發(fā)量也較穩(wěn)定。（5）增熱水煤氣流程在水煤氣生產(chǎn)中，用油裂解來提高煤氣熱值的方法稱為增熱，它的熱值高達 16.7 到 18.8MJ/m3。但 CO 含量高達 30%以上，故它不宜單獨作為城市煤氣，但可作為城市煤氣的補充氣源以備調(diào)峰之用。綜上所述，以（2）和（3）兩種流程為最佳，流程（4）效率高于（3）、（4）中由于加了回收下行煤氣顯熱，使得閥門和管道增多，操作變得復雜，投資增加，且由于煤氣溫度不高于 200，從經(jīng)濟效益上考慮，流程（3）比流程（4）更為實用，本設計采用流程（3）。4.9間歇式氣化的工作循環(huán)常壓固定床法制半水煤氣其工藝流程氣化過程按 5 個階段分別敘述如下：（1）

43、吹風階段來自鼓風機的加壓空氣送入煤氣發(fā)生爐底部，經(jīng)與燃料層燃燒放出大量的熱量儲存于炭層，生成吹風氣由爐頂出，經(jīng)旋風除塵 器除去灰塵后，進入廢熱鍋爐的管間的水換熱，水受熱蒸汽產(chǎn)生的低壓蒸汽經(jīng)集氣包蒸汽管道可供本爐制氣用。吹風氣被冷卻降溫后出廢熱鍋爐，由煙囪放空。（2）上吹制氣階段蒸汽與加氮空氣一起自爐底送入，經(jīng)與灼熱的燃燒層反應后， 氣體層上移，爐溫下降，生成半水煤氣由爐頂引出除去帶出灰塵。進入廢熱鍋爐回收 氣體中的顯熱后進入洗氣箱至洗氣塔洗凈和冷卻至常溫由洗氣塔上部引出送出氣柜。（3）下吹制氣階段蒸汽自爐頂送入，經(jīng)灼熱的氣化層反應，氣化層下移，爐溫繼續(xù)下降，生成的水煤氣由爐底引出，因下行煤氣通

44、過灰渣層降低溫度，不再進入廢熱鍋爐直接進入洗氣箱、洗氣塔洗凈降溫，由塔頂引出至氣柜。（4）二次吹氣階段基本同一次上吹制氣階段，但不加入氮空氣，其目的在于置換下部及管道中殘存的煤氣，防止爆炸現(xiàn)象。（5）吹凈階段其工藝流程同上吹制氣階段，但不用蒸汽而改用空氣，以回收系統(tǒng)中的煤氣至氣柜。以上 5 個階段的工作循環(huán)，由液壓或氣壓兩種形式自動機控制，目前正在發(fā)展成微型程序制代替自動機控制。間歇式制氣工作循環(huán)各階段氣體的流向如圖 3.2 所示。閥門開閉情況見表 3.4圖 4.2間歇制半水煤氣各階段氣體流向表 4.4各階段閥門開啟情況階段閥門開閉情況1234567吹風OXXOOXX一次上吹XOXOXOX下吹

45、XXOXXOO二次上吹XOXOXOX空氣吹凈OXXOXOX注：O-閥門開啟：X閥門關閉4.10間歇式制半水煤氣工藝流程流程中一般設有煤氣發(fā)生爐、煤氣除塵、余熱回收、降溫及氣體儲存等設備。對于一般的間歇制氣，吹風氣須放空，故備有兩套管路輪流使用，以分別進行吹風和制氣作業(yè)。由于每個工作循環(huán)中有五個不同的階段，所以流程中必須安裝足夠的閥門，并通過自動控制機控制閥門的啟閉。由于熱能回收的程度、方法不同，形成了不同的間歇式制半水煤氣的工藝流程。主要有中型氨廠塊煤制氣工藝流程和小型氨廠固體燃料制氣工藝流程。本設計為小型氨廠固體燃料制氣工藝。該流程的主要特點：本流程采用以設備代替配管，簡化了工藝流程，加大了

46、系統(tǒng)氣體流動通道截面積， 降低了氣體的流速，減輕了氣體中帶出物對金屬的磨損和阻塞現(xiàn)象。順流程的氣體中 的顯熱及副產(chǎn)蒸汽和軟水加熱回收了吹風氣、上行和下行煤氣中的顯熱。氣體溫度逐 級下降，減輕了系統(tǒng)阻力，提高了半水煤氣的產(chǎn)量。因進洗滌塔的氣體溫度較低，節(jié) 省了洗滌、冷卻用水量等的優(yōu)點。流程中吹風氣只進行了顯熱的回收，而對吹風氣的潛熱沒有進行回收。目前絕大部分小氮肥企業(yè)，回收了上行煤氣和吹風氣的顯熱，這部分的顯熱，其中主要是副產(chǎn)低壓蒸汽或者過熱蒸汽兩種形式。對于吹風氣潛熱回收，主要采用“合成二氣（指合成放空氣和儲槽氣）連續(xù)輸入，吹風氣集中燃燒的吹風氣回收”的工藝路線。間歇式制半水煤氣的工藝流程圖如

47、下圖所示。圖 4.3間歇式制半水煤氣的工藝流程如圖 3 所示，固體燃料由加料機從爐頂間歇加入爐，吹風時，空氣鼓風機自下而上通過燃料層， 吹風氣經(jīng)燃燒室及廢熱量后由煙囪放空。燃燒室中加入二次空氣，將吹風氣中的可燃氣體燃燒，使 室的格子蓄熱磚溫度升高。燃燒室蓋子具有安全閥作用，當系統(tǒng)發(fā)生爆炸時可泄壓，以減輕設備的 破壞。蒸汽上吹制氣時，煤氣經(jīng)燃燒室及廢熱鍋爐回收余熱后，再經(jīng)洗氣箱及洗滌塔進入氣柜。下 吹制氣時，蒸汽從燃燒室頂部進入，經(jīng)預熱后自上而下流經(jīng)燃料層。由于煤氣溫度較低，可直接由 洗氣箱經(jīng)洗滌塔進入氣柜。二次上吹時，氣體流向與上吹相同。空氣吹凈時，氣體經(jīng)燃燒室、廢熱 鍋爐、洗氣箱和洗滌塔進入

48、氣柜，此時燃燒室不必加入二次空氣，在上、下吹制氣時，如配入加氮空氣，則其送入時間應稍遲于水蒸汽的送入，并在蒸汽停送之前切斷，以避免空氣與煤氣相遇而發(fā)生爆炸。燃料氣化后，灰渣經(jīng)旋轉(zhuǎn)爐蓖由刮刀刮入灰箱，定期排出爐外。第五章工藝計算5.1煤氣發(fā)生爐（含燃燒室）的物料及熱量衡算已知條件的確定:表 5.1入爐煤組成，重量%13CHONSAM合計54.700.782.230.280.8933.128.00100燃燒熱值18188kJ/（1）吹風氣組成，體積%表 5.2吹風氣組成體積%12CO2O2COH2CH4N2合計H2S16.550.356.563.340.7672.451000.85g/Nm3（2）

49、 半水煤氣真正組成，體積%表 5.3半水煤氣組成體積%CO2O2COH2CH4N2合計H2S5.50.2037.10510.545.661001.45g/Nm3（3） 各物料進出爐的溫度空氣 25;相對濕度 80%，空氣含水汽量 0.0213kg（水汽）/kg（干汽）；吹風氣，上行煤氣流 600；下吹煤氣 200；灰渣 200；上行蒸汽 120；飽和蒸汽的焓 2730kJ/kg； 下吹蒸汽 550；過熱蒸汽的焓 3595kJ/kg；（4） 生產(chǎn)循環(huán)時間%，時間（S）表 5.4生產(chǎn)循環(huán)時間吹風上吹下吹二次上吹吹凈合計203136761003655.864.8s12.610.8180s（5） 計算

50、基準：100kg 入爐燃料（6） 帶出物數(shù)量及其組分帶出物數(shù)量：2kg 絕對干料8 帶出物組分及各組分重量表 5.5帶出物數(shù)量及其組分元素組成，重量%各組分重量，kgC82.5.20.8250=1.65H1.6620.0166=0.03O0.4720.0047=0.01N0.8020.008=0.02S0.5720.0057=0.01灰分14.0020.14=0.28合計1002帶出物熱值 30030kJ/（7） 灰渣組成及其各組分重量灰渣組成，重量%14.600.385.2100CS灰分合計灰渣重量（按灰分平衡計算），kg（33.12-0.28）0.852=38.54灰渣各組分重量，kg C

51、38.540.146=5.6S38.540.003=0.1灰分 38.540.852=32.84合計：38.54（8） 燃料氣化后轉(zhuǎn)入煤氣中的元素量，kg C54.70（1.655.6）=47.45H0.78（8.02）/180.03=1.64 O2.23（5.616）/180.01=7.2 N0.280.02=0.26S0.89（0.010.1）=0.78合計：57.33計算誤差=100（57.3338.542）/100100%=2.13%5.2物料及熱量衡算吹風階段的計算：（以 100kg 入爐燃料為基準）5.2.1物料衡算（1）每 Nm3 吹風氣中含有的元素量，kgC12（0.16550

52、.06560.0076）/22.4=0.128H2（0.03340.00762）/22.40.000852/34=0.00438 O32（0.00350.16550.06560.5）/22.4=0.288N（214）/22.40.7245=0.906S0.0008532/34=0.0008（2）由碳平衡計算吹風氣量：47.45/0.128=371Nm3（3）由氮平衡計算空氣用量：3710.906（0.770.02）/（0.7928/22.4）=340m3注：0.79 為 N2 在空氣中所占的比例空氣帶入水汽量 ：3401.2930.0213=9.36（1.293 為空氣密度）（4）氫平衡（以 kg 計） 進項：a 燃料帶入氫量：1.64b 空氣中水蒸汽帶入氫量：9.362/18=1.04合計：2.68出項：a.吹風氣中含氫量：3710.00438=1.62 b.吹風氣中水汽含量：2.681.62=1.06 合