年产10万吨合成氨造气工段工艺设计毕业论文.doc

西南交通大学本科毕业设计（论文） 第46页1 绪论81.1 煤气化发展史81.2 煤气化技术发展趋势82 生产方法的选择及论证92.1 生产方法的介绍92.1.1 固定床气化法92.1.2 流化床气化92.1.3 气流床气化102.1.4 熔浴床气化102.2 生产方案的选择及论证103 常压固定床间歇气化法113.1 半水煤气定义113.2 固定床气化法的特点113.3 生产半水煤气对原料的选择113.4 半水煤气制气原理123.5 发生炉内燃料分布情况133.6 各主要设备的作用133.6.1 煤气发生炉133.6.2 燃烧室143.6.3 废热锅炉153.6.4 洗气箱153.6.5洗涤塔153.6.6 烟囱153.6.7 自动机153.7 间歇式制半水煤气的工艺条件153.8 生产流程的选择及论证163.9 间歇式气化的工作循环173.10 间歇式制半水煤气工艺流程184 工艺计算194.1 煤气发生炉（含燃烧室）的物料及热量衡算194.2 物料及热量衡算204.3制气阶段的计算234.3.1 物料衡算234.3.2 热量衡算254.4 总过程计算274.5 配气计算294.6 消耗定额304.7 吹净时间核算304.8 废热锅炉的热量衡算314.9 夹套锅炉的物料及热量衡算355 设备计算365.1 煤气炉指标计算365.2 煤气台数的确定375.3 空气鼓风机的选型及台数确定376 各设备的选型及工艺指标386.1 3米U.G.I型煤气发生炉的工艺指标386.2 燃料室的工艺指标386.3 洗气箱工艺指标396.4索尔维式废热锅炉工艺指标396.5填料式洗涤塔工艺指标406.6 煤气发生炉自动加煤机工艺指标406.7 10000m3螺旋式气柜的工艺指标416.8 集尘器417 车间布置简述428 安全技术与节能428.1 安全技术428.2 节能439.1 人员工资449.2 总投资计算449.3 成本计算46参考文献47致 谢48年产10万吨合成氨造气工段工艺设计化学工程与工艺 指导老师：摘要 本设计时年产能力为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。根据株化集团合成氨厂现场实习及有关文献资料，完成物料、热量的计算。此设计配有设计说明书一份，图纸三张。说明书内容：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.三张图纸：1.带控制点的物料流程图；2.设备平面布置图；3.发生炉工艺装配图。关键词：合成；氨；半水煤气；工艺；设计The Design of Producing Coal Gas about Manufacturing Synthesis of Ammonia 100000T/aChemical engineering and techniques Chen Chao Guide Teacher Liu Hexiu 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.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: synthesis; ammonia、semi-water gas、technology design. 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。1 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。2 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16747334948347kJ/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8512%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H2CH4焦（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Na2CO2盐浴内进行，熔融的Na2CO2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。3 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35%。（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2350mm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）=COH22C2H2O（汽）=CO22H23CO2H2O（汽）=CO2H242H2O2=2H2O（汽）5CH2=CH46CO3H2=CH4H2O7CO24H2=CH42H2O（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：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，但是在实际生产中要求半水煤气（COH2）：N23.2。3.5 发生炉内燃料分布情况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（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的量有关。（2） 干馏层 干燥层下面温度较高，燃料中的水分蒸发至差不多后，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。灰渣层氧化层干馏层干燥层还原层图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33.6 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1500，2260，3000，3600。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：CO23.76N2=CO23.76N22CO23.76N2=2CO3.76N2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。CO2C=2COH2OC=COH22H2OC=CO22H2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。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）。干燥区依靠气体的显热来蒸发燃料中的水分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：H2OCO=CO2H23.6.2 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500700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。3.6.4 洗气箱 洗气箱的作用是防止水封以后的煤气倒回煤气炉和空气发生爆炸，并兼冷却除尘的作用。洗气箱的外行是一个具有圆筒行容器。半水煤气进口管浸入水面以下75125mm，水至箱顶加入，不断地从锥体部分的溢流管溢出。以保持一定的水面，起到安全水封的作用。它是煤气炉系统确保安全生产不可缺少的设备。进洗气箱的煤气温度约200，出气温度为70左右，洗气箱的冷却水用量大，其冷却作用主要靠水的蒸发，煤气主要因失去显热而降温。出洗气箱的煤气已被饱和。3.6.5洗涤塔 洗涤塔的作用是冷却（降温），冷凝（蒸汽）和除尘，它可采用喷塔，也可采用填料塔，其外形一般为柱形。煤气由下部入塔，由上部出塔。由于进塔煤气被水汽饱和。所以，如想继续降温，必须使煤气中的水汽冷凝，由于冷凝热大，故必须用大量的水喷淋，使煤气继续冷却。3.6.6 烟囱 烟囱也是煤气生产中不可缺少的设备，其主要作用是排放废气，另还兼有封和除尘的作用。3.6.7 自动机 自动机的作用在于通过自动机的程序控制，使水煤气的生产操作基本实现自动化。自动机把高压水按时送到煤气炉各系统各个自动液压阀门，是阀门按照工艺循环的要求准时准备启动，准确控制和调节，保证生产稳定和安全。3.7 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）。他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。为了保存以上的要求，气化过程的工艺条件有：3.7.1 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10001200。3.7.2 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时间。以降低吹风气中的一氧化碳含量，减少热损失。吹风速度以下不使炭层出现风洞为限。3.7.3 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。3.7.4 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家长，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。3.7.5 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。3.7.6 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%），否则将引起后序工段的困难，氧含量过高还有爆炸的危险。3.8 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2.只利用吹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，同时向燃烧室内送入二次空气，合使吹风气中的在燃烧室中燃烧，蓄热，高温燃烧后废热锅炉的收热量后放空。上行、下行煤气直接进入冷却净化系统，不进行热量回收。3.利用吹气持有热和上行煤气显热的流程这是我国目前广泛使用的一类流程，它可使大部分的废热得以回收利用。此流程适用于炉径大于2740mm。4.完全利用吹风气所持有热及上、下行煤气显热的流程该流程与流程（3）的差别仅在于下行煤气的显热亦于回收，废热的回收利用程度最高，废热锅炉的温度波动较小，蒸发量也较稳定。5.增热水煤气流程在水煤气生产中，用油裂解来提高煤气热值的方法称为增热，它的热值高达16.7到18.8MJ/m3。但CO含量高达30%以上，故它不宜单独作为城市煤气，但可作为城市煤气的补充气源以备调峰之用。综上所述，以（2）和（3）两种流程为最佳，流程（4）效率高于（3）、（4）中由于加了回收下行煤气显热，使得阀门和管道增多，操作变得复杂，投资增加，且由于煤气温度不高于200，从经济效益上考虑，流程（3）比流程（4）更为实用，本设计采用流程（3）。3.9 间歇式气化的工作循环常压固定床法制半水煤气其工艺流程气化过程按5个阶段分别叙述如下：（1）吹风阶段 来自鼓风机的加压空气送入煤气发生炉底部，经与燃料层燃烧放出大量的热量储存于炭层内，生成吹风气由炉顶出，经旋风除尘 器除去灰尘后，进入废热锅炉的管间的水换热，水受热蒸汽产生的低压蒸汽经气包蒸汽管道可供本炉制气用。吹风气被冷却降温后出废热锅炉，由烟囱放空。（2）上吹制气阶段 蒸汽与加氮空气一起自炉底送入，经与灼热的燃烧层反应后，气体层上移，炉温下降，生成半水煤气由炉顶引出除去带出灰尘。进入废热锅炉回收气体中的显热后进入洗气箱至洗气塔洗净和冷却至常温由洗气塔上部引出送出气柜。（3）下吹制气阶段 蒸汽自炉顶送入，经灼热的气化层反应，气化层下移，炉温继续下降，生成的水煤气由炉底引出，因下行煤气通过灰渣层降低温度，不再进入废热锅炉直接进入洗气箱、洗气塔洗净降温，由塔顶引出至气柜。（4）二次吹气阶段 基本同一次上吹制气阶段，但不加入氮空气，其目的在于置换下部及管道中残存的煤气，防止爆炸现象。（5）吹净阶段 其工艺流程同上吹制气阶段，但不用蒸汽而改用空气，以回收系统中的煤气至气柜。以上5个阶段的工作循环，由液压或气压两种形式自动机控制，目前正在发展成微型程序制代替自动机控制。间歇式制气工作循环各阶段气体的流向如图所示。阀门开闭情况见表4图2 间歇制半水煤气各阶段气体流向图表4 各阶段阀门开启情况阶段阀门开闭情况1234567吹风OXXOOXX一次上吹XOXOXOX下吹XXOXXOO二次上吹XOXOXOX空气吹净OXXOXOX注：O-阀门开启：X-阀门关闭3.10 间歇式制半水煤气工艺流程如附图1所示，固体燃料由加料机从炉顶间歇加入炉内，吹风时，空气鼓风机自下而上通过燃料层，吹风气经燃烧室及废热量后由烟囱放空。燃烧室中加入二次空气，将吹风气中的可燃气体燃烧，使室内的格子蓄热砖温度升高。燃烧室盖子具有安全阀作用，当系统发生爆炸时可泄压，以减轻设备的破坏。蒸汽上吹制气时，煤气经燃烧室及废热锅炉回收余热后，再经洗气箱及洗涤塔进入气柜。下吹制气时，蒸汽从燃烧室顶部进入，经预热后自上而下流经燃料层。由于煤气温度较低，可直接由洗气箱经洗涤塔进入气柜。二次上吹时，气体流向与上吹相同。空气吹净时，气体经燃烧室、废热锅炉、洗气箱和洗涤塔进入气柜，此时燃烧室不必加入二次空气，在上、下吹制气时，如配入加氮空气，则其送入时间应稍迟于水蒸汽的送入，并在蒸汽停送之前切断，以避免空气与煤气相遇而发生爆炸。燃料气化后，灰渣经旋转炉蓖由刮刀刮入灰箱，定期排出炉外。4 工艺计算4.1 煤气发生炉（含燃烧室）的物料及热量衡算方法：实际数据计算法实际计算法是以实测煤气组成为依据的计算法，采用此法计算时，首先将气化煤进行试烧，以得到准确的煤气组成分析数据。已知条件的确定: 表5 入炉煤组成，重量%CHONSAW合计78.131.320.430.770.5113.245.6100燃烧热值 28476kJ/ 1. 吹风气组成，体积%表6 吹风气组成， 体积%CO2O2COH2CH4N2合计H2S16.550.356.563.340.7672.451000.85g/Nm32. 半水煤气真正组成，体积%表7 半水煤气组成， 体积%CO2O2COH2CH4N2合计H2S7.50.2032.10440.5416.661001.45g/Nm33.各物料进出炉的温度空气25;相对湿度80%，空气含水汽量0.0213kg（水汽）/kg（干汽）；吹风气，上行煤气流600；下吹煤气200；灰渣200；上行蒸汽120；饱和蒸汽的焓2730kJ/kg；下吹蒸汽550；过热蒸汽的焓3595kJ/kg；3. 生产循环时间%，时间（S）表8 生产循环时间吹风上吹下吹二次上吹吹净合计2626368410046.8s46.8s64.8s14.4s7.2s180s5.计算基准：100kg入炉燃料6.带出物数量及其组分带出物数量：2kg绝对干料带出物组分及各组分重量表9 带出物数量及其组分元素组成，重量%各组分重量，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合计1002带出物热值30030kJ/ 摘自 钟蕴英、关梦嫔、崔开仁、王惠中编 .煤化学.7.灰渣组成及其各组分重量灰渣组成。重量% C S 灰分合计14.60 0.3 85.2100灰渣重量（按灰分平衡计算），kg（13.24-0.28）0.852=15.2灰渣各组分重量，kgC 15.20.146=2.2S 15.20.003=0.05灰分 15.20.852=12.95合计：15.28.燃料气化后转入煤气中的元素量，kgC 78.13（1.652.20）=74.28H 1.32（5.62）/180.03=1.91O 0.43（5.616）/180.01=5.40N 0.770.02=0.75S 0.51（0.010.05）=0.45合计：82.8计算误差=100（82.815.22）/100100%=0%4.2 物料及热量衡算 吹风阶段的计算： （物料衡算）1. 每Nm3吹风气中含有的元素量，kgC 12（0.16550.06560.0076）/22.4=0.128 H 2（0.03340.00762）/22.40.000852/34=0.00438O 32（0.00350.16550.06560.5）/22.4=0.288N 28/22.40.7245=0.906S 0.0008532/34=0.00082. 由碳平衡计算吹风气量：74.28/0.128=580Nm33. 由氮平衡计算空气用量：5800.906（0.770.02）/（0.7928/22.4）=530m3 空气带入水汽量 ： 5301.2930.0213=14.6（1.293为空气密度）4. 氢平衡（以千克计）进项：a。燃料带入氢量： 1.91b空气中水蒸汽带入氢量：14.62/18=1.62合计： 3.53出项：a.吹风气中含氢量：5800.00438=2.54b.吹风气中水汽含量：3.532.54=0.99合计：3.53吹风气中水汽含量：0.9918/2=8.91每标准m3吹风气中水汽含量：8.91/580=0.01545氧平衡（以kg计）进项：a.燃料带入氧量； 空气中氧量： 5.40b.空气中含氧量： 5300.2132/22.4=159c.空气中水汽含氧量： 14.616/18=12.98d.合计： 177.38出项：a.吹风气中氧量：5800.288=167.04b.吹风气中水汽含氧量：8.9116/18=7.92c.合计：174.96误差：（177.38174.96）/177.38100%=1.36%6硫平衡（以kg计）进项：燃料带入硫量：0.45出项：吹风气中含硫量：5800.0008=0.46误差：（0.450.46）/0.45100%=2.2% 热量衡算： 1. 进项（以kJ计）（1）燃料热值：10028476=2847600（2）燃料显热：100251.05=2625（1.05为燃料的比热）摘自郭树才编.煤化工工艺学.（3）干空气显热：530251.30=17225（1.30为空气的比热）（4）空气中水汽的焓：14.62562.84=37418合计：29048682. 出项（以kJ计）（1）吹风气热值：5801180.78=6848521 m3吹风气热值为：128100.0334126840.0656399840.0076=1180.78（2） 干吹风气显热：5801.408600=4899840.16552.0660.00351.4200.06561.3600.03341.3020.00762.2550.72451.352=1.408kJ/ m3（3）吹风气中水汽的焓：8.913696=32931（32931为600时过热蒸汽的焓）（4）带出物热值：300302=60060 28164.6/（10.056）=29835.38（5）带出物显热：21.05600=1260（1.05为燃料的比热）摘自煤化学 钟蕴英、关梦嫔、崔开仁、王惠中编（6）灰渣中可燃物热值：34020220105000.05=75369（34020，10500分别为碳和硫的发热值）（7）灰渣显热：15.20.94200=2858 （0.94为灰渣的比热）（8）热损失（取燃料发热量的8%） 28476000.08=227808（1）（8）合计：1575121（9）积蓄在煤层中的热量：29048681575121=13297473吹风效率：1329747/2847600100%=46.6%4. 热量平衡表：表10热量平衡表（kJ）进项出项燃料热值 2847600吹风气热值 684852燃料显热 2625干吹风气显热 489984干空气显热 17225吹风气中水汽的焓32931空气中水汽的焓 37418带出物热值 60060带出物显热 12600灰渣中可燃物热值 75369灰渣显热 2858热损失 227808积蓄在煤层中的热量 132974合计 2904868合计 29048684.3制气阶段的计算（以100kg入炉燃料为基准）4.3.1 物料衡算 1.每Nm3半水煤气中含有的元素量，kgC=12/22.4（0.0750.3210.0054）=0.215H=2/22.4（0.4320.005）2/340.00145=0.0390O=32/22.4（0.0020.0750.3210.5）=0.340N=28/22.40.1666=0.2083S=32/340.00145=0.001362.由碳平衡计算半水煤气产量：74.28/0.215=344N m33.由氮平衡计算氮空气用量：（3440.20830.75）/（0.7928/22.4）=72N m3氮空气中含水汽量：721.2930.0213=1.9824.氢平衡已知和假设数据上行半水煤气产量为XNm3上行半水煤气中含水蒸汽量为0.25kg/N m3上、下吹蒸汽用量相等各为Wkg下行半水煤气产量为（344X）Nm3下行半水煤气中含水蒸汽量为0.42kg/ Nm3为方便计算，假设上、下吹气体成分相同，上、下吹氮空气作为均匀加入计。上行制气阶段氢平衡（以kg计）进项：（a）燃料带入氢量：1.91X/344=0.00555水蒸汽带入氢量：W2/18=W/9（b）氮空气中水蒸汽含氢量：1.9822/18X/344=0.00064X合计： W/90.0062X出项：（1）半水煤气中氢量：0.0390X（2） 半水煤气中水汽含氢量：（0.252/18）X=0.0278X合计：0.067X平衡：W/90.0062X=0.067X W=0.556X-（1）下行制气阶段氢平衡（以kg计）进项：（1）燃料带入氢量 1.910.00555X（2）蒸汽带入氢量 W2/18=W/9（3）氮空气中水汽含氢量：1.9822/180.00064X=0.220.00064X合计：W/92.13-0.0062X出项：a半水煤气中氢量（344X）0.0390=13.420.0390Xb.半水煤气中水汽含氢量（0.422/18）（344X）=16.050.047X合计：29.470.086X平衡：W/92.130.0062X=29.470.086X W=2460.78X-（2）解方程（1）和（2）得： X=184 W=102.4由此得：上行半水煤气产量：184N m3上行半水煤气产量占总产量的百分数：184/344100%=53.4%下行半水煤气产量：344184=160下行半水煤气产量占总产量的百分数：160/344100%=46.6%上行半水煤气中水蒸汽量0.25184=46kg下行半水煤气中水蒸汽汽量：0.42160=67.24667.2=113.2 蒸汽总耗量：102.42=204.8kg 上吹蒸汽分解率： （102.446）/102.4100%=55.08% 下吹蒸汽分解率： （102.467.2）/102.4100%=34.38%平均蒸汽分解率： 204.8（4667.2）/204.8100%=44.73%5.氧平衡（以kg计）进项：（1）燃料中带入氧量：5.40（2）蒸汽带入氧量：204.816/18=182.04（3）氮空气中氧含量：720.2132/22.4=21.6（4）氮空气中水汽含氧量：1.98216/18=1.76合计：210.80出项：（1）半水煤气中氧量：3440.34=118.96（2）半水煤气中水汽含氧量：（67.246）16/18=100.62合计 211.42误差：（211.42210.80）/210.80100%=0.29%6硫平衡（以kg计）进项：燃料带入硫量：0.45合计0.45出项： 半水煤气中含硫量：3440.00136=0.474.3.2 热量衡算 1. 进项（以kJ计）：(1) 燃料热值：10028476=2847600(2) 燃料显热：100251.05=2625(3)蒸汽的焓：102.42730102.43595=647680（2730 、 3595分别为上行蒸汽和下行蒸汽的焓）摘自梅安华主编.小合成氨厂工艺技术与设计手册.（上册）(4)干氮空气显热：72251.30=2344（1.30为空气的比热）(5)氮空气中水汽的焓：1.9822564=5081 （2564为水蒸汽的焓）合计：35053302.出项：（1）半水煤气热值：3449795.77=33697461标准m3半水煤气热值为：128100.43126840.321399840.0054=9795.77（2）干半水煤气的显热：1841.2236001601.346200=178091上行半水煤气比热：0.0752.060.0021.420.3211.360.431.310.00542.260.16661.35=1.223kJ/ m3下行半水煤气比热：0.0751.810.0021.340.3211.310.431.300.00541.760.16661.31=1.346kJ/ m3（1）半水煤气中水汽的焓：46369667.22890=364224 （3696、2890分别为600 和200 蒸汽的焓）摘自.煤化工工艺学 郭树才编 （2）带出物热值：300302=60060（3）带出物显热：6001.052=1