年产10万吨合成氨造气工段工艺设计毕业设计(论文)

年产10万吨合成氨工艺设计毕业设计(论文)

题目

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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教研室（或答辩小组）及教学系意见

年产10万吨合成氨造气工段工艺设计

摘要

本设计是年产能力为10万吨合成氨造气工段（合成氨所需原料气---半水煤气）的初步工艺设计。本设计采用常压固定床间歇制气法。根据我公司生产实际及有关文献资料，完成物料、热量的计算。

内容：1.煤造气的发展及发展趋势；2.造气工段的生产原理，流程选择及生产方法的论证与选择；

3.物料衡算、热量衡算；

4.主要设备的计算及选型；

5.安全技术及节能；

6.技术经济。

关键字：合成，氨，半水煤气，工艺，设计

The Design of Producing Coal Gas about Manufacturing Synthesis of Ammonia 100000T/a Abstract：This design is a primary design about the synthesis of ammonia 100000T/year techniques 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 development 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 equipments.

5. Safety and saving energy.

6. Economic estimate.

Key words: synthesis; ammonia、semi-water gas、technology design.

目录

第一章绪论 (1)

1.1 煤气化发展史 (1)

1.2 煤气化技术发展趋势 (1)

第二章生产方法的选择及论证 (2)

2.1 生产方法的介绍 (2)

2.1.1 固定床气化法 (2)

2.1.2 流化床气化 (2)

2.1.3 气流床气化 (3)

2.1.4 熔浴床气化 (3)

2.2 生产方案的选择及论证 (3)

第三章常压固定床间歇气化法 (5)

3.1 半水煤气定义 (5)

3.2 固定床气化法的特点 (5)

3.3 生产半水煤气对原料的选择 (5)

3.4 半水煤气制气原理 (6)

3.5 发生炉内燃料分布情况 (7)

3.6 各主要设备的作用 (7)

3.6.1 煤气发生炉 (7)

3.6.2 燃烧室 (9)

3.6.3 废热锅炉 (9)

3.6.4 洗气箱 (10)

3.6.5洗涤塔 (10)

3.6.6 烟囱 (10)

3.6.7 自动机 (10)

3.7 间歇式制半水煤气的工艺条件 (10)

3.8 生产流程的选择及论证 (11)

3.9 间歇式气化的工作循环 (12)

3.10 间歇式制半水煤气工艺流程 (13)

第四章工艺计算 (14)

4.1 煤气发生炉（含燃烧室）的物料及热量衡算 (14)

4.2 物料及热量衡算 (16)

4.3制气阶段的计算 (18)

4.3.1 物料衡算 (18)

4.3.2 热量衡算 (20)

4.4 总过程计算 (22)

4.5 配气计算 (24)

4.6 消耗定额 (25)

4.7 吹净时间核算 (25)

4.8 废热锅炉的热量衡算 (26)

4.9 夹套锅炉的物料及热量衡算 (30)

第五章设备计算 (31)

5.1 煤气炉指标计算 (31)

5.2 煤气台数的确定 (32)

5.3 空气鼓风机的选型及台数确定 (32)

第六章各设备的选型及工艺指标 (33)

6.1 Φ3米U.G.I型煤气发生炉的工艺指标 (33)

6.2 燃料室的工艺指标 (34)

6.3 洗气箱工艺指标 (34)

6.4索尔维式废热锅炉工艺指标 (35)

6.5填料式洗涤塔工艺指标 (36)

6.6 煤气发生炉自动加煤机工艺指标 (36)

6.7 10000m3螺旋式气柜的工艺指标 (36)

6.8 集尘器 (37)

第七章车间布置简述 (37)

第八章安全技术与节能 (38)

8.1 安全技术 (38)

8.2 节能 (39)

第九章投资与成本估算 (38)

9.1 人员工资 (40)

9.2 总投资计算 (40)

9.3 成本计算 (42)

参考文献 (44)

致谢 (45)

前言

本设计说明书是年产10万吨合成氨厂造气工段的初步设计。

氨是一种重要的化工原料，特别是生产化肥的原料，它是由氢和氮合成。合成氨工业是氮肥工业的基础。为了生产氨，一般均以各种燃料为原料。首先，制成含H2和CO等组分的煤气，然后，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，最后，氮氢混合气经过压缩至15Mpa以上，借助催化剂合成氨。

我国能源结构中，煤炭资源占很大比重。煤的气化是煤转化技术中最主要的方面，并已获得广泛的应用。煤气化提供洁净的可以管道输送的气体燃料。当前城镇及大中型企业要求实现煤气化的迫切性越来越大，至今以合成气为原料的合成含氮、含氧化物、烃类及燃料的C化学技术已经获得相当成功，并且这方面的开发活动至今仍方兴未衰。目前还在建设采用各种煤气化技术的工业化装置。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。

我国合成氨工业原料路线是煤汽油并举，以煤为主。合成产量60%以上是以煤为原料，全国现有1000多家大中小型以煤为原料的合成氨厂。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。

本说明书是在工艺和设备计算的基础上加以工艺论证及选择而编制的。主要内容包括：绪论、设计任务及要求、生产方案，生产流程的选择及论证、制气生产原理、工艺指标、设备计算及选型、设备投资及成本估算。此外，随书附有煤气发生炉装配图、造气工段带控制点工艺流程图、造气工段平面及立面布置图。

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称气化煤气。气化煤气可用于城市煤气、工业燃气和化工原料气及联合循环发电等。

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。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。其种类繁多，方式各异。

现今，煤气化所制得煤气，主要用于如下几方面：（1）生产燃料煤气：（2）生产合成气：（3）生产还原气或氢：（4）联合循环发电。

1.2 煤气化技术发展趋势

当前国内外煤完全气化技术发展的趋势，概括地可以归纳出如下几点：

（1）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：

（2）使用氧气为气化剂，提高煤气化炉的操作温度：

（3）提高煤气化操作压力，几乎各种类型的新开发的气化炉都采用加压气化的工艺；

（4）扩大气化煤种的范围，随着采煤机械化和水力采煤技术的发展，原煤中的碎煤产率越来越多，为了适应这种趋势，一些新开发的新气化方法都用碎煤或粉煤气化；

（5）开发利用无污染的气化方法，许多开发的气化方法，都考虑了在工艺过程中消除或减少有害物质的产生。

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。

第二章生产方法的选择及论证

2.1 生产方法的介绍

煤气化犯法按不同的分类有多种，分叙如下：

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16747~334948347kJ/m3；（3）制取高热值煤气方法，煤气热值高于334948347kJ/m3。

2.按供热方式分类，气化过程的供热方式有（1）部分气化方法；（2）间接供热；（3）由平行进行的反应器直接供热；（4）热载体供热。

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；（4）熔融床。

本设计按反应器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。所不同的是采用氧气-水蒸汽或空气-水蒸汽为气化剂，在2.0-3.0Mpa和900~1100℃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85~12%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、石灰石或石灰经给料机输入炉内。没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（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

所谓的流化床气化就是煤气化过程中汽化剂（蒸汽和氧）将煤或煤浆带入气化炉进行气的方

2.1.3 气流床气化

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→CH4＋焦

（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）德士平古法

它是一种湿法（水煤浆）进料的加压气化工艺。气化炉是由美国德平古石油公司所属德平古开发公司开发的气流床气化炉。

2.1.4 熔浴床气化

50年代熔浴床煤气气化方法开始得到开发。熔浴床有熔渣床、熔盐床和熔铁床3类。下面分别介绍这3类床的某些制气方法。

（1）罗米方法

此法为常压粉煤熔渣浴气法，此法有单简式和双简式两种炉型。此方法的特点是：（1）适用于各种固体或液体燃料；（2）气体温度高；（3）气体强度高。

（2）觊洛格法

此法为—加压熔浴气化法。它是在熔融的N a2CO2盐浴内进行，熔融的N a2CO2对煤与蒸汽的反应具有强烈的催化作用，在较低温度下就可获得很快的反应速度。此法目前尚处于开发研究阶段，实验能否成功，关键在于气化炉。

（3）ATGAS熔铁床气化法

ATGAS法的实质是把煤粉与石灰石、蒸汽氧（或空气）一起吹到熔铁内，使煤的挥发份逸出，残留的碳溶解在熔铁中被气化。此法效率高，有害物质少，气化反应在常压下进行。煤种适用范围广，且气化炉结构简单。因此，此工艺被认为有可能放大到工业化生产。

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。根据我国基本国庆及当地情况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 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氢氮比为3：1。

3.2 固定床气化法的特点

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。

3.3 生产半水煤气对原料的选择

间歇法生产半水煤气对原料的要求：

（1）对水分的要求

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，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3～5%。

（2）对挥发份的要求

燃料中如果挥发份含量高，则由于甲烷和焦油的含水两增加而不仅会增加动力燃料消耗，而且降低炉子的制气能力影响氨的产量。因此，要求燃料中挥发份较低为宜。

（3）对灰份的要求

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，而且使气化条件变得复杂，所以要求燃料中灰份较低为宜。

（4）对硫份的要求

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）对化学活性的要求

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）对机械强度的要求

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）对热稳定性要求

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）对粘结性的要求

粘结性是煤在高温下干馏粘结的性能，粘结性较强的原料煤，气化过程中煤相互粘结后生成焦，破坏燃料的透气性，妨碍气化剂的均匀分布，影响气体成分和制气产量。所以要求煤的粘结性较低为宜。

（9）对燃料粒度的要求

合成氨原料煤首先对煤种要求是无烟煤，其次对粒度则要求采用块煤和粉煤的成型，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，本设计采用无烟块煤。3.4 半水煤气制气原理

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1 以空气为气化剂主要反应方程

序号反应方程式

1 C＋O2（3.76N2）=CO2（+3.76N2）

2 C＋O=2（3.76N2）=2CO（+3.76N2）

3 C＋CO2（3.76N2）=2CO（+3.76N=2）

4 2C＋3.76N2＋O2＋3.76N2=CO2＋7.52N2

表2 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）

在气化炉燃烧层中，炭与空气几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 ＋O 2＋3.76N 2=2CO 2＋3.76N 2

C ＋H 2O （汽）=CO ＋H 2

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 ＋H 2）：N 2=3要求，但是在实际生产中要求半水煤气（CO ＋H 2）：N 2≧3.2。

3.5 发生炉内燃料分布情况

图1燃料层分区示意图

（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。

（4）氧化层 在这里层中，从下面来的空气与弹反应，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。见表3 3.6 各主要设备的作用

3.6.1 煤气发生炉

在间歇法工艺中，用于生产半水煤气的发生炉主要为UGI 水煤气炉。我自行设计和制造了炉径为Φ1500，Φ2260，Φ3000，Φ3600。等一系列半水煤气炉，他们的结构与UGI 半水煤气炉基本相同。

水煤气发生炉的结构大致分为五个部分，起各部分的作用分叙如下：

（1）炉体

炉壳由钢板焊制，上部衬有耐火砖和保温砖硅藻砖，使炉壳免受高温的损害。外面包有石棉制品隔热保温衬铸刚护圈，内部衬有耐火砖和隔热层。

（2）夹套锅炉

夹套锅炉传热面积约为19m2。外壁包有石棉制品隔热保温层，防止热量损失，夹套锅炉的作用主要是降低氧化层温度，以防止熔渣粘壁并副产蒸汽，夹套锅炉两侧设有探火孔，用于测量火层，了解火层分布和温度情况上部装有液位计，水位自动调节器和安全阀等附件。

（3）底盘

底盘和炉壳通过大法兰连成一体，用紫铜薄板包石棉布填料密封。底盘底部有气体中心管与吹风和下吹管线呈倒Y型连接，中心管下部装有通风阀和清理门。底盘两侧有灰斗，底盘上没有溢流排污管和水封桶，可以排泄冷凝水和油污，并防止气体外透，起安全作用。

（4）机械除灰装置

包括能够转动的灰盘和炉条及固定不动的会犁。灰犁固定在出灰口上，利用它与旋转灰盘之间的相对运动，以减弱机械磨损。

（5）传动装置

机械除灰装置的旋转是由电机提供动力。通过减速箱蜗杆、蜗轮来完成的。传动装置附有注油器，以减弱机械磨损。

表3 发生炉内情况

区域区域名称用途及进行的过程化学反应

Ⅰ灰渣层

分配气化剂，防止炉蓖受高温的影响，在本

区域中，借灰渣预热气化剂。

最终反应：

C＋O2＋3.76N2=CO2＋3.76N2 2C＋O2＋3.76N2=2CO＋3.76N2

Ⅱ

氧化层（燃

烧层）碳被气化剂中的氧氧化成二氧化碳及一氧

化碳并放出热量。

CO2＋C=2CO

H2O＋C=CO＋H2

2H2O＋C=CO2＋2H2

Ⅲ还原区

二氧化碳还原成一氧化碳或水蒸气分解为

氢，燃料依靠热的气体而被预热。

Ⅳ干馏区燃料依靠热气体换热进行分解，并析出下列物质：1水分；2醋酸、甲醇、甲醛及苯酚；3树脂；4气体（CO、CO2、H2S、CH4、C2H4、

氨氮和氢）。

Ⅴ干燥区依靠气体的显热来蒸发燃料中的水分

Ⅵ自由空间起聚积煤气的作用。有时，煤气中部分一氧化碳与蒸汽

进行反应：

H2O＋CO=CO2＋H2

3.6.2 燃烧室

燃烧室的上部都呈锥行，中部为柱体，内衬有耐火砖及蓄热用的格子砖。燃烧室的作用：

（1）向吹风气添加二次空气，使其中的CO等可燃物在其中燃烧，所生成的热量被积蓄在格子砖内。

（2）利用所蓄积的热量，预热下吹蒸汽和加氮空气，提高气体的入炉温度，提高分解率。

（3）除去煤气中的细灰，以减少对废热锅炉的损害。

气体从下部入口切线方向进室，避免直接冲撞室壁，以减少对耐火砖的磨损，并使气体在室内分布均匀。燃烧室的顶盖起着泄压作用，当系统发生爆炸时，爆炸压力超过盖子弹簧的作用力，盖子张开，降低压力，避免设备损坏。

3.6.3 废热锅炉

废热锅炉主要用于回收吹风气和上行半水煤气的显热，生产0.49-1。18Mpa的蒸汽，为制气和其他用途提供一部分蒸汽来源。

煤气生产中常用火管立式废热锅炉，炉体为一直立的圆筒，用钢板焊接，两头装有钢板封头，内部装有若干根无缝钢管。高温气从上而下与管间的水进行逆流热交换，汽水混合物从上循环管进入气包产生蒸汽。分离下来的水及向气泡补充的新鲜水（软水）由下循环流入废热锅炉下部管间。进炉气体一般为500~700℃出炉后可降至200℃左右。

由于废热锅炉上部装有气泡，为保持炉体重心达到平衡，避免基础受力不均而下陷，故安装时，锅炉炉体倾斜7°，用以促进对流，使热交换效率提高。