500kta煤合成氨造气.docx
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1、天水师范学院毕业设计分类号 密 级 编 号 题 目 500kt/a煤合成氨造气工段初步设计 学 院 化学工程与技术学院 姓 名 杨 敏 专 业 化学工程与工艺 学 号 20162090146 指导教师 章 德 玉 提交日期 2020.5.26 原创性声明本人郑重声明:本人所呈交的论文是在指导教师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡是引用他人已经发表或未经发表的成果、数据、观点等均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外,不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名: 年 月 日论文指导教师签名: 年 月 日目 录摘 要:1关键词:1A
2、bstract2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
3、.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
4、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38II 500kt/a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
5、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Preliminary design of 500kt/a coal ammonia synthesis - gas output sectionAuthor:Yang Min Director:Zhang Deyu(Tianshui Normal University Institute of Chemical Engineering and Technology,Tianshui,Gansu,741000)Abstract:Th
6、e graduation project chose the process design of raw material gas (synthetic ammonia) with a capacity of 500,000 tons per year. In this design, the gas generation part is the main part of the process. This design starts with the physical and chemical properties of the raw materials used, introduces
7、the history and major turning point of the entire coal gasification development and evolution, and details the specific process methods used. Combined with comprehensive considerations such as the production cost of ammonia in China, this design uses atmospheric pressure fixed-bed intermittent gasif
8、ication technology. Through the first-hand data support of the database, the material balance and heat balance calculation of the gas blast stage, gas production stage and the whole process of the gas generator are performed, and then the selection of equipment such as gas furnace, waste heat boiler
9、, blower, etc. is determined.Keywords: synthetic ammonia; gas production section; workflow design ;mass equilibrium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,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
10、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
11、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,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
12、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 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原天然气焦炉气水蒸气料空气图1-1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
13、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1.5-3.0兆帕。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: 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16747-33494 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
14、)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。,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COH
15、2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常压固定床气化炉主要由空气、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
16、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3-1所示,以水蒸汽为气化剂的反应方程式汇总如和表3-2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3-1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3-3 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3-1列的几个区层:(1)干燥层由于
17、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温度。如果炉温持续高水平,一氧化碳在吹入气体中的占
18、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10001200。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
19、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%,否则,将很难执行后顺序部分,甚至有爆炸的危险。3.4制备过程图3-2 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
20、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。 间接性半水煤气产生的工艺流程图如图3-3所示。如流程图3-3,固燃由
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