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• 本文标题：【化学工程与工艺】500kta煤合成氨—造气工段初步设计.docx
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• 内容摘要：500kta煤合成氨—造气工段初步设计目录摘要:1关键词：1Abstract2第一章绪论31。1氨的性质及用途31。2古今中外煤气化演进史31。3合成氨工艺流程4第二章工艺选择52。1工艺方法分类52。2生产方案的选择5第三章常压固定床间歇气化法63。1制气原理63。2煤气发生炉构造及燃料的分布73。3半水煤气制取条件93。3。1温度93。3。2吹风速度93。3。3蒸汽用量93。3。4燃料层高度93。3。5气体成分93。4间歇式制备半水煤气工程循环过程93。4。1吹风阶段103。4。2上吹制气阶段103。4。3下吹制气阶段103。4。4二次吹气阶段103。4。5吹净阶段103。5间歇式制半水煤气的工艺流程11第四章工艺计算124。1既知量124。1。1送进反应炉中煤的组分占比124。1。2吹风气中所含组分及其所占比重124。1。3半水煤气中所含组分及其所占比重124。1。4各阶段在生产中所用时间124。1。5计算所用标准134。1。6产出物组分及含量134。1。7灰渣构成134。1。8燃料转煤气后的元素量144。2物料及热量衡算154。2。1吹风阶段的计算154。2。2制气阶段的计算184。2。3总过程计算204。3配气计算244。4消耗定额（按每t氨计算）244。5吹净时间核算254。6废热锅炉的热量衡算254。6。2热量衡算264。6。3热量平衡和总固体平衡304。7物料及热量衡算304。7。1已知条件30第五章设备计算选型335。1煤气炉指标335。2煤气台数的确定335。3空气鼓风机的选型及台数确定345。4废热锅炉的选型34总结36参考文献37致谢38500kta煤合成氨造气工段初步设计作者：杨敏指导老师：章德玉（天水师范学院化学工程与技术学院甘肃天水741000）摘要:这次毕业设计选择的是产能为50万吨年原料气（合成氨）的工艺设计，在这次设计中造气部分是本工艺的主干部分。本设计从所用原料的理化性质入手，介绍整个煤气化发展演进的历史和重大转折，并详细叙述采用的具体工艺方法。结合中国氨气生产成本等综合考虑，该设计利用大气压固定床间歇气化技术。通过数据库的第一手数据支持，进行了煤气鼓风阶段，产气阶段和煤气发生炉全过程的物料平衡和热平衡计算，然后确定煤气炉，余热锅炉，鼓风机等设备的选型。关键词：合成氨；造气工段；流程设计；物质平衡Preliminarydesignof500ktacoalammoniasynthesisgasoutputsectionAuthor:YangMinDirector:ZhangDeyu(TiahuiNormalUniveityItituteofChemicalEngineeringandTechnologyTiahuiGau741000)Abstract：Thegraduationprojectchosetheprocessdesignofrawmaterialgas(syntheticammonia)withacapacityof500000toperyear。Inthisdesignthegasgenerationpartisthemainpartoftheprocess。Thisdesigtartswiththephysicalandchemicalpropertiesoftherawmaterialsusedintroducesthehistoryandmajortuingpointoftheentirecoalgasificationdevelopmentandevolutionanddetailsthespecificprocessmethodsused。CombinedwithcompreheivecoideratiouchastheproductioncostofammoniainChinathisdesignusesatmosphericpressurefixedbedintermittentgasificationtechnology。Throughthefithanddatasupportofthedatabasethematerialbalanceandheatbalancecalculationofthegasblaststagegasproductiotageandthewholeprocessofthegasgeneratorareperformedandthentheselectionofequipmentsuchasgasfuacewasteheatboilerbloweretc。isdetermined。Keywords:syntheticammoniagasproductioectionworkflowdesignmassequilibrium第一章绪论1。1氨的性质及用途密度小于空气，易液化和有刺激性气味的无色气体氨是重要的化工原料。合成氨工业促进了氮肥工业的发展[1]，那么如何高效有益的生产合成氨是我们需要研究的问题。为了得到氨，首先需要一些原料，如N2和H2。低温液化、分离和电解水制氢等都是一般的制氮方法。虽然电解制氢的流程简单，容易操作，但其单位造价高，消耗的能源也大，因此，通常都是利用水蒸气与原料在高温下反应制取氢气的方法。炭、煤、焦炉气、重油等都是合成氨的初始原料，由于原材料的特殊性从而引发了新的难题，究竟如何去除原料中的杂质成为一个难点。造气、净化、压缩合成等步骤是合成的基本步骤，这些步骤是决定煤气化生产和转换效率的关键之所在，也是我国的在解决能源短缺、能源利用比较低下，没有形成有效产业化的症结节点，是对我国工业发展，能源有效利用的重要掣肘力量，为了大幅度提高我国在这个领域的能源利用，缓解我国能源利用低下，资源极其匮乏不足的压力，鉴于此现状，本设计主要是对合成氨造气工段问题的深入研究，即把重心聚焦在煤的气化上。1。2古今中外煤气化演进史古今中外煤气化演进史综述如下:（1）气化剂选择氧气以增强反应器的性能；（2）附带抵抗力增加；（3）为了增加工作压力，新的气化炉使用了加压气化系统。（4）必须扩大原料（气化煤）的范围，新开发的气化方法应自觉使用煤粉；（5）新的气化方法应该是绿色的，工艺发展应朝着减少或消除有毒有害物质产生的方向发展。各国拥有不同的能源系统，自然资源和社会条件，但是可以预见，煤炭将成为21世纪世界上发展和实施的主要资源之一。从我国国情出发，应进一步加大这方面的研究和探索力度，掌握以干煤粉或水煤浆为原料，加压气化，如德士古法、壳牌法和液态排渣鲁奇炉气化等方式方法的第二代煤气化工艺[2][3][4]，在现有的资源环境，能源利用情况等先决条件未加改变，利用现状未加改善的条件，改善和改进现有的生产工艺和方法，从而在单位资源条件不变时，提高能源的产率是一条切实可行的路径，为了达到这样的效果和目的，我们不得不再次深入研究当下的工艺流程，深入剖析工艺当中所存在的问题，针对问题提出改进方案，提高煤气化的生产和转换效率。这对于快速实现四个现代化非常重要1。3合成氨工艺流程原天然气脱硫第一段转化第二段转化CO变换低温变换脱CO2甲烷化压缩氨合成产品氨焦炉气水蒸气料空气图11以气体为原料合成氨的流程以煤作为原材料，合成氨的主要工艺流程大致可分为三步：第一为造气，即制得符合标准的原料气，这是整个工艺流程的基础；第二净化，将原材料气中的一氧化碳、二氧化碳、硫等杂质脱除到百万级以下，使原料气达到合成既定的标准；第三步为氨的合成，这是整个工艺流程中最为核心的一步，在合成过程中，需要高温和高压以在约45℃的温度下将纯化的合成原料气体压缩至1。53。0兆帕。在达到上述条件后，在催化剂的作用下，通过在合成塔中的反应可以成功地获得氨。该设计是氨合成过程气体产生部分的初步设计，也是整个工艺流程中的第一步。第二章工艺选择2。1工艺方法分类具体分类如下所示[5]:A。根据产出气体的热值，分类如下：(1)一种制备热值低于8347千焦立方米的气体的方法；(2)一种制备1674733494千焦立方米煤气热值的方法；(3)热值高于33494千焦立方米的气体的制备方法。B。按加热模式分类如下：(1)蓄热法(2)外加热法(3)富氧空气气化法C。根据反应器的类型，其分类如下：(1)固定床(2)流化床(3)气流床由于煤物理性质差别对固定床等工艺气化过程已无任何影响[6]。，当下，固定床、流化床、气流床这三种气化技术目前已实现工业化，属于比较成熟的技术。2。2生产方案的选择水煤浆气化法——气化炉具有结构简单，煤种范围广，水煤浆供给量可控，单炉容量，安全环保，操作灵活，气化工艺简单等特点。固定床气化法——有加压与常压之分，对煤的类型有要求，并且不能使用低熔点的煤。流化床气化法——生产强度高，原料可直接选取小颗粒碎煤，对煤种的适应性强。气流床气化法——单炉生产力强，对煤种有普适性、合成气质量好、煤气中含CO＋H2高达85%—88%。其它气化方法与固定床法相比，优点有：(1)气化力强；(2)煤种取材范围广；(3)生产灵活性高，启停容易；(4)高碳转化率；(5)环境污染小，更环保。选择上述工艺会增加人力和机器费用，但这几种工艺对我国快速健康的发展有极大地促进意义，鉴于我国实情，并从国内实际出发，此次设计使用固定床间歇气化法（常压）较好。第三章常压固定床间歇气化法主要由空气、蒸汽和氧气组成。在高温条件下，气体反应器（大气压）中会发生空气和水蒸气以及许多种化学反应，从而产生稳定的热量和可燃气体，并带有排出残留物的过程。在固定床（大气压）下，通过反应获得的煤中的CO，H2和少量CH4是主要活性成分，在合成氨中，半水煤气中的氮气也是活性成分。就燃料而言，它是煤气的热值；对于合成气，它是一氧化碳和氢气的体积百分比。3。1制气原理以空气为气化剂的煤气化过程的反应方程式汇总如表31所示，以水蒸汽为气化剂的反应方程式汇总如和表32所示。上面两个化学反应方程式的热平衡条件决定了气体的成分。所以反应炉中所含蒸汽与含氮空气组分比应保持在一个适当比例。图31煤气发生炉的构造及燃料分布3。2煤气发生炉构造及燃料的分布表33煤气发生炉内的情况固体燃料气化时，燃料移动和气化都是顺时针。在到达燃料层时，由于气化反应使气化剂发生物理变化。燃料层大体上可分为如图31列的几个区层[8]：(1)由于水分被蒸发所导致。(2)干馏层由于水分的大量蒸发并伴有水解发生，就此形成。厚度小于干燥。(3)还原层当气化剂从下方到达碳层的氧化区时，气化剂携带另一种气体，并且发生一氧化碳的还原反应（即还原层）。(4)氧化层在这里，空气进入并与内部的碳反应生成碳氧化物，但由于氧化速率高，该层比还原层薄。水蒸气的存在也会引起碳的氧化反应，因此还原层与碳的氧化层统称为气化区。(5)灰渣层此层不发生任何反应，就是散发热空气来保护炉。总体来说，这几个层级之间没有明显分层，高度也随外界条件的变化而发生变化。3。3半水煤气制取条件3。3。1温度该层温度就是我们所指的工作续高水平，一氧化碳在吹入气体中的占比就高，从而使燃烧产热少，热损失比较大。实践证明灰熔点高炉温五十摄氏度左右为佳，工业中常用的炉温大致在1000~1200℃[10]。3。3。2吹风速度平常吹风速度是快速升高炉温最常见的手段，这对制气时间没有影响，然而，如果炉子的温度迅速升高，则二氧化碳在还原层中的停留时间变短，致使CO量和热量散发变少，产气时间也相应缩短，这样对产率的提高不利。3。3。3蒸汽用量产出气体的多少与好坏与蒸汽用量息息相关。加大蒸汽供给量是延长生产时间的最佳办法，产量也随之提升。另外，蒸汽用量也与燃料活性、炉温成正比。3。3。4燃料层高度从实践经验来看，燃料层高度取决于燃料可用粒度、热稳定性等性能的优劣。3。3。5气体成分调节（H2+CO）和氮气比值主要依靠氮气添加量和吹净时间的改变。生产中，时刻警惕要保持半水煤气中氧的含量≤0。5%[11]，否则，将很难执行后顺序部分，甚至有爆炸的危险。3。4制备过程各阶段气体流向图3。4。1吹风阶段使用鼓风机从反应器底部吹入空气，到达燃烧层后充分燃烧之后的热量被碳层储存，顶部排出的吹风气中所含灰尘被除尘器去除，然后进入废热管进行水热交换，水被加热产生低压蒸汽，供炉膛产生气体，冷却后吹出的空气被排出。3。4。2上吹制气阶段在此过程中，蒸汽和添加了氮气的空气混合并从炉底供应，与燃烧层反应。此时，由于加热气体的上升，整个炉的温度降低。3。4。3下吹制气阶段炉顶蒸汽促进反应，气化层下降，炉温相应降低。最后，产品水煤气从炉膛底部引出，当它通过灰层时，煤气的温度逐渐降低。因此，它跳过废热锅炉，进入气体洗涤箱和气体洗涤塔，洗涤后冷却，并从塔顶单独引入气柜。3。4。4二次吹气阶段为防止爆炸现象出现，含氮空气在上吹制气这个时候是千万不能加的。3。4。5吹净阶段这个阶段类似于吹气阶段，不同的是，把空气换用成蒸汽。3。5间歇式制半水煤气的工艺流程为了放空吹风气，要有进行吹风和制气作业的两套管路以供轮流使用。五个的阶段在每个循环都有，因此在工艺流程中阀门的数量必须得到保证，并且要经自动控制机对工艺流程实现全程控制。。如流程图33，固燃由气炉的上部和上部之间的间隙通过供料器进入炉子，吹气时鼓风机的压缩空气从下部渗透到炉膛。燃料层的上部去做热量恢复后，烟囱将其排空。燃烧室的盖子起着安全阀的作用，在爆炸时，它还可以起到泄压的作用，减少了对设备的损坏。当气体被蒸汽吹走时，添加了蒸汽和氮气的空气进入燃气灶的底部，回收的气体通过燃烧室和废热锅炉的废热，并通过洗气箱和洗涤塔，到达煤气柜。当进行第二次顶部吹气时，顶部吹气与气体流动方向一致。当吹出气体时，燃烧室的上部成为蒸汽的目的地。当使用上下吹气获取气体时，添加含氮空气，然后在蒸汽停止后关闭蒸汽供应时间，以防止气体和空气爆炸。燃料气化后，灰渣由刮板通过旋转的炉栅刮入灰箱，并有规律地排放到炉外第四章工艺计算4。1既知量4。1。1送进反应炉中煤的组分占比具体重量组分比如下表所列：4。1。2吹风气中所含组分及其所占比重4。1。3半水煤气中所含组分及其所占比重4。1。4各阶段在生产中所用时间4。1。5计算所用标准。4。1。6产出物组分及含量[12]。4。1。7灰渣构成如下表所列：4。1。8燃料转煤气后的元素量O4。2物料及热量衡算4。2。1吹风阶段的计算2。空气带氢量：12。26×6÷18=4。09总计：7。17出项：（吹风气中）4。2。2制气阶段的计算4。2。3总过程计算每300kg燃料中生产半水煤气所占比例为78。17%，制吹风气占比是21。83%4。2。3。2。每300kg燃料的生产指标334。2。3。3效率：总计：66。46出项：合计：75。53误差：（75。53－66。46）÷75。53×100%=12。01%合计：476。58合计：352。54误差：合计：08560误差：合计：10730244。86误差：（10730244。86－9128488。49）10730244。86×100%=14。93%4。3配气计算实际得到半水煤气：643。62＋84。57=727。204。4消耗定额4。5吹净时间核算风气量：84。57Nm3数据相近，所以既定循环时间百分比大致符合此次设计的需求具体数据如下表49所列：4。6废热锅炉的热量衡算（4）A=38。074。0×100%=51。4%（A：上吹得到的气体占半水煤气总的比重）（5）A=34÷70×100%=48。6%（A为上吹未解蒸汽占未分解蒸汽总量）（6）起始煤气被加入废锅时的温度：六百摄氏度，出为二百摄氏度（11）3（12）废锅进水时的温度为一百零二摄氏度，此时废锅中4。6。2热量衡算已知上吹未分解蒸汽占总量的47。3%，则未分解蒸汽的显热和潜热为（kJ）：554708。63×0。473=262377。184。6。3热量平衡和总固体平衡（47）（48）则每300千克燃料产蒸汽量：耗软水量：。排污水：废热锅炉热量平衡表见表416所示。4。7衡算4。7。1已知燃料产水蒸汽：第五章设备计算选型5。1煤气炉指标本次工艺选用Φ3000UGI炉，单台产水煤气7000Nm3h，具体性能如下表所列：5。2煤气台数的确定采用Φ3000的UGI炉，产量7000Nm3h。已知：每小时产半水煤气量（一年按300天算）时：3台数的确定：（1）2（2）32（3）（229167。0×24。0）÷（7000。0×0。95×22。0）=37。590取38为了防止意外发生，多预备2台以备不时之需，故总共需要38+2=40台。5。3空气鼓风机的选型及台数确定本次设计选取D700—14型鼓风机1。干空气用量在和相对湿度下，，气压2。二次空气用量由经验得：3。空气含水蒸汽量在和相对湿度下，湿含量（干空气）4。湿空气用量实际用量空气泄露损耗为18%5。鼓风机台数5。4废热锅炉的选型1。已知：进水温度：102℃常压每300千克燃料产蒸汽量：284。61kg3总结经过章老师的耐心指导和自身的不懈努力，我的毕业设计终于完成，在此过程中，虽然艰辛，但是倍觉充实，大学四年的日积月累，终于在此刻决堤，汪洋恣肆，课堂中学习的理论知识很好的与实践结合，这也让我更加深刻、直观的了解到了我们专业的社会应用，以及专业就业方向和从事行业的日常工作所在。从刚开始的选题，到课题完全的确定，从查阅相关专业资料，到最终确定设计方向，亲自动手实践。在整个设计过程中，我总是不停的犯错，但也是这些错误让我一次次发现自己的不足，一次次从错误中发现问题、解决问题，这都要感谢老师的悉心教导和小组同学的帮助。毕业设计是对我们大学四年所教所学的一次集中检验，检验我们是否能成为一个合格的大学毕业生，检验我们是否能通过大学这几年的学习，有足够的能力去胜任今后的工作，除此之外，也是一次直观的对我们所要从事行业的日常的工作的集中展示，很好的完成这次毕业设计，就是对我们大学几年的学习的一次最好总结，一次最好的升华。完成设计的整个过程，让我重新认识了设计，体会到设计过程的重重困难和苦中之乐，也更加深刻、清晰的认识到自身的不足，路漫漫其修远，以后不论在学习还是工作中，自己要不断的学习，提高自己综合素质。参考文献[1]陈五平编著。无机化工工艺学中册(第三版)[M]。化学工业出版社2001。4571。[2]埃利奥特M。A徐晓编著吴奇虎。煤利用化学(上册)[M]。北京:化学工业出版社1991。123142。[3]许世森张东亮任永强等编著。大规模煤气化技术[M]。北京:化学工业出版社2006。2831。[4]曹建涛。半焦细粉在流化床气化炉射流区再转化的基础研究[D]。太原:中国科学院研究生院2009。[5]郭树才编著。煤化工工艺学[M]。。化学工业出版社出版19911250。[6]龚欣郭晓镭代正华等。新型气流术粉煤加压气化技术[J]。现代化工200525(3):5153。[7]陈德祥陈秀编著。煤化工工艺学[M]。。煤炭工业出版社出版19983648。[8]黄仲九房鼎业编著。化学工艺学[M]。。北京高等教育出版社20084549。[9]谭世语编著。化工工艺学[M]。重庆大学出版社2004。1317。[10]谭世语编著。化工工艺学[M]。重庆大学出版社2004，6782。[11]赵忠祥编著。氮肥生产概论[M]。化学工业出版社1995，1228。[12]关梦嫔钟蕴英崔开仁等编著。煤化学[M]。中国矿业大学出版社出版1988158174。[13]梅安华编著。小合成氨厂工艺技术与设计手册[M]。北京:化学工业出版社1995。845。[14]王志鑫。合成氨各工段仪表应用现状研究[J]。山东工业技术2018(15):3437。[15]杨传举张考全。造气原料煤耗及节煤途径的探讨[J]。小氮肥设计技术2004(05):1119。[16]路晓青。合成氨生产过程控制方法的研究[D]。河北科技大学2015。[17]贺鑫平余涛王煊黄垒等。水煤浆气化生产合成氨装置变换炉及变换工艺分析[J]。煤化工201745(06):611。致谢毕业设计的完成意味着我将告别我的大学生活，感恩大学四年教导过我的老师们和帮助过我的同学们，正是有了你们才能使我的毕业设计如期完成！因为疫情的蔓延，全国大中小学全部延迟开学，所以可供查询的详实资料十分有限，自己又对所做的课题一无所知，无从下手，幸亏有章老师的不厌其烦，他帮我一个章节的逐一查询资料，并根据自己多年的教学经验，为我提供可靠的修改意见，这让我避免了很多不必要的低级错误，也让我更加清晰的认识到自己所做课题的任务和要求。老师进行论文指导时态度严谨，核算数据一丝不苟，不容许我们有丝毫松懈，对于我们所犯的错误，正本清源，找出错误的源头，耐心分析出现诸如此类错误的原因，告诉我们怎么做才能避免再次出现这样的低级错误。老师的为人处世方式方法和对待工作的态度潜移默化的影响了我，严谨的学术态度，兢兢业业的敬业精神，无不感召着我，使我努力向前，向章老师看齐。我要感谢帮助我的同学、朋友，正是有你们，我才能够取得今天的成绩！四年的大学生涯，即将划上句号，新的征程也随之扬帆待航，回顾这几年，曾经那么熟悉的校园和同学，在此刻似乎变得有些陌生和遥远，所有人都开始了自己的社会生活。昨日的种种也与我渐行渐远，回不去的青春时光，带不走的无忧无虑大学生活和可敬的老师，可爱的同学。
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