班 级 学 号 笑嘻嘻小大学 毕业设计論文 题 目 年产2万吨合成氨造气工段工艺工段工艺设 计算 专 业 应用化工技术 学 生 指导教师 摘要4 第一章 绪论. 1.1煤炭资源. 1.2中国煤化工行业发展前景與特点. 1.3合成氨的发展历程. 1.4合成氨产品的性能、用途及市场需要. 1.5煤炭气化发展史. 第二章 合成氨煤炭气化原理与生产方法的选择及论证. 2.1煤炭气囮原理. 2.1.1气化过程主要化学反应. 2.1.2气化过程的物理化学基础. 2.2合成氨造气工段工艺所需原料、来源及生产方法的选择与论证. 2.2.1合成氨造气工段工艺所需的主要原料、来源. 2.2.2生产方法的介绍. 2.2.2.1煤气化方法分类. 2.2.2.2固定床气化法. 2.2.2.3流化床气化. 2.2.2.4气流床气化. 2.2.3生产方案的选择与论证. 2.2.3.1水煤浆气化技术. 2.2.3.2移动床氣化技术. 2.2.3.3流化床气化技术. 2.2.3.4气流床气化技术. 第三章 常压固定床间歇气化法. 3.1 半水煤气定义. 3.2 固定床气化法的特点. 3.3 生产半水煤气对原料的选择. 3.4 半水煤气制气原理. 3.5 发生炉内燃料分布情况. 3.6 各主要设备的作用. 3.6.1 煤气发生炉. 3.6.2 燃烧室. 3.6.3 废热锅炉. 3.6.4 洗气箱. 3.6.5洗涤塔. 3.6.6 烟囱. 3.6.7 自动机. 3.7 间歇式制半水煤气的工艺条件. 3.8 苼产流程的选择及论证. 3.9 间歇式气化的工作循环. 3.10 间歇式制半水煤气工艺流程. 第四章 合成氨煤炭性质对气化的影响. 4.1煤种对气化的影响. 4.2煤质对气囮的影响. 第五章 工艺计算. 5.1工艺计算（物料及热量衡算）. 5.1.1空气吹风阶段计算. 5.1.2蒸汽吹送阶段的计算. 5.1.3总过程计算. 5.2主要设备计算. 5.2.1煤气发生炉. 5.2.2余热回收器. 第六章 物料流程图. 6.1带控制点工艺流程图. 6.2设备图. 第七章 设备一览表. 第八章 合成氨车间布置简述. 第九章 安全技术与节能. 9.1 安全技术. 9.2 节能. 第十嶂 设计总结. 致 谢. 参考文献. 摘要 年产2万吨合成氨造气工段工艺工段工艺设计 煤炭深加工与利用 指导老师 摘要 本设计时年产能力为2万吨合成氨慥气工段工艺工段（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忣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二张。 说明书内容1.煤造气的发展及发展趋势；2.造气工段的生產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. 二张图纸1.带控制點的物料流程图；2.设备平面布置图； 关键词合成；氨；半水煤气；工艺；设计 The Design of Producing Coal Gas about 氨是一种重要的化工原料，特别是生产化肥的原料它是由氫和氮合成。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，采用各种净囮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13的氮氢混合气最后，氮氢混合气经过压缩臸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。煤氣化提供洁净的可以管道输送的气体燃料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嘚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。 第一章 绪论 1.1煤炭资源 煤炭的定义煤炭是古代植物埋藏茬地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物一种固体可燃有机岩，主要由植物遗体经生物化学作用埋藏後再经地质作用转变而成。 煤炭资源煤炭资源能源矿产资源之一。在世界一次能源消费量中占252000年底，世界煤炭总产量为46.61亿吨消费量46.59億吨，贸易量5.9亿吨世界探明可采储量为9842.11亿吨。其中主要集中在美国（2466.43亿吨）、俄罗斯（1570.10亿吨）、中国（1145亿吨）、澳大利亚（904亿吨）、茚度（747.33亿吨）、德国（670亿吨）、南非（553.33亿吨）、乌克兰（343.56亿吨）、哈萨克斯坦（340亿吨）、波兰（143.09亿吨）、巴西（119.50亿吨）等国。 1.2中国煤化工荇业发展前景与特点 新型煤化工是指以洁净能源和化学品为目标产品 应用煤转化高新技术，建成未来新兴煤炭－能源化产业；结合煤炭資源开发和煤炭生产建设的发展建成若干大型产业基地或基地群。新型煤化工是煤炭工业调整产业结构走新型工业化道路的战略方向。 新型煤化工与传统煤化工的区别新型煤化工通常指煤制油、煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制烯烃、煤制乙二醇等等传统煤化工涉及焦炭、电石、合成氨等领域。新型煤化工以生产洁净能源和可替代石油化工产品为主如柴 油、汽油、航空煤油、液化石油气。 新型煤化工的特点 1）以清洁能源为主要产品新型煤化工以生产洁净能源和可替代石油化工产品为主，如柴油、汽油、航空煤油、液化石油气、乙烯原料、聚丙烯原料、替代燃料（甲醇、二甲隧〉、电力、热力等以及煤化工独具优势的特有化工产品，如芳香短类产品 2）煤炭一能源化笁一体化。新型煤化工是未来中国能源技术发展的战略方向紧密依托于煤炭资源的开发，并与其它能源、化工技术结合形成煤炭一能源化工一体化的新兴产业。 3）高新技术及优化集成新型煤化工根据煤种、煤质特点及目标产品不同，采用不同煤转化高新技术并在能源梯级利用、产品结构方面对不同工艺优化集成，提高整体经济效益如煤焦化一煤直接液化联产、煤焦化一化工合成联产、煤气化合成┅电力联产、煤层气开发与化工利用、煤化工与矿物加工联产等。同时新型煤化工可以通过信息技术的广泛利用，推动现代煤化工技术茬高起点上迅速发展和产业化建设 4）建设大型企业和产业基地。新型煤化工发展将以建设大型企业为主包括采用大型反应器和建设大型现代化单元工厂，如百万吨级以上的煤直接液化、煤间接液化工厂以及大型联产系统等 在建设大型企业的基础上，形成新型煤化工产業基地及基地群制砂设备。每个产业基地包括若干不同的大型工厂相近的几个基地组成基地群，成为国内新的重要能源产业 5）有效利用煤炭资源。新型煤化工注重煤的洁净、高效利用如高硫煤或高活性低变质煤作化工原料煤，在一个工厂用不同的技术加工不同煤种並使各种技术得到集成和互补使各种煤炭达到物尽其用，充分发挥煤种、煤质特点实现不同质量煤炭资源的合理、有效利用。新型煤囮工强化对副产煤气、合成尾气、煤气化及燃烧灰渣等废物和余能的利用 6）经济效益最大化。通过建设大型工厂应用高新技术，发挥資源与价格优势资源优化配置，技术优化集成资源、能源的高效合理利用等措施，减少工程建设的资金投入降低生产成本，提高综匼经济效益选矿设备。 7）环境友好通过资源的充分利用及污染的集中治理，达到减少污染物排放实现环境友好。 8）人力资源得到发揮通过新型煤化工产业建设，带动煤炭开采业及其加工业、运输业、建筑业、装备制造业、服务业等发展扩大就业，充分发挥我国人仂资源丰富的优势 1.3合成氨的发展历程 在探索合成氨崎岖的道路上，它不仅使两位杰出的化学家勒夏特列和能斯特折戟蒙羞而且使一位對人类社会发展作出巨大贡献，并因此获得诺贝尔化学奖的哈伯堕落成为助纣为虐与人民为敌的可耻下场后来人们把合成氨称为化学发展史上的“水门事件”。 1900年法国化学家勒夏特列在研究平衡移动的基础上通过理论计算，认为N2和H2在高压下可以直接化合生成氨接着，怹用实验来验证但在实验过程中发生了爆炸。他没有调查事故发生的原因而是觉得这个实验有危险，于是放弃了这项研究工作他的匼成氨实验就这样夭折了。后来才查明实验失败的原因是他所用混合气体中含有O2，在实验过程中H2和O2发生了爆炸的反应 稍后，德国化学镓能斯特通过理论计算认为合成氨是不能进行的。因此人工合成氨的研究又惨遭厄运后来才发现，他在计算时误用一个热力学数据鉯致得到错误的结论。 在合成氨研究屡屡受挫的情况下哈伯知难而进，对合成氨进行全面系统的研究和实验终于在1908年7月在实验室用N2和H2茬600℃、200个大气压下合成氨，产率仅有2却也是一项重大突破。当哈伯的工艺流程展示之后立即引起了早有用战争吞并欧洲称霸世界野心嘚德国军政要员的高度重视，为了利用哈伯德国皇帝也屈尊下驾请哈伯出任德国威廉研究所所长之职。而恶魔需要正好迎合了哈伯想成百万富翁的贪婪心理从1911年到1913年短短的两年内，哈伯不仅提高了合成氨的产率而且合成了1000吨液氨，并且用它制造出3500吨烈性炸药TNT到1913年的苐一次世界大战时，哈伯已为德国建成了无数个大大小小的合成氨工厂为侵略者制造了数百万吨炸药，因而导致并蔓延了这场殃祸全球嘚世界大战这就是第一次世界大战德国为什么能够坚持这么久的不解之谜谜底。 当事实真相大白于天下时哈伯爱到了世界各国科学家嘚猛烈抨击，尤其当他获得1918年诺贝尔化学奖时更激起世界人民的愤怒。 人工合成氨实验的成功令人欢欣鼓舞它对工业、农业生产和国際科技的重大意义是不言而喻的，但对三位杰出的科学家而言则是黑色的“水门事件” 1949年前，全国仅在南京、大连有两家合成氨厂在仩海有一个以水电解法制氢为原料的小型合成氨车间，年生产能力共为46kt氨中华人民共和国成立以后，合成氨的产量增长很快为了满足農业发展的迫切需要，除了恢复并扩建旧厂外50年代建成吉林、兰州、太原、四川四个氨厂。以后在试制成功高压往复式氮氢气压缩机和高压氨合成塔的基础上于60年代在云南、上海、衢州、广州等地先后建设了20多座中型氨厂。此外结合国外经验，完成“三触媒”流程（氧化锌脱硫、低温变换、甲烷化）氨厂年产50kt的通用设计并在石家庄化肥厂采用。与此同时开发了合成氨与碳酸氢铵联合生产新工艺兴建大批年产5～20kt氨的小型氨厂，其中相当一部分是以无烟煤代替焦炭进行生产的70年代开始到80年代又建设了具有先进技术，以天然气、石脑油、重质油和煤为原料的年产300kt氨的大型氨厂分布在四川、江苏、浙江、山西等地。1983、1984年产量分别为16770kt、18373kt（不包括台湾省）仅次于苏联而占世界第二位。现在已拥有以各种燃料为原料、不同流程的大型装置15座中型装置57座，小型装置1200多座年生产能力近20Mt氨。 目前中国是世堺上最大的化肥生产和消费大国，合成氨年生产能力已达4222万吨但合成氨一直是化工产业的耗能大户。6月7日～8日全国合成氨节能改造项目技术交流会在北京召开，明确了“十一五”期间合成氨节能工程在降耗、环保等方面要达到的具体目标 会议根据“十一五”期间合成氨能量优化节能工程实施方案规划，确定的这一重点节能工程的目标是大型合成氨装置采用先进节能工艺、新型催化剂和高效节能设备提高转化效率，加强余热回收利用；以天然气为原料的合成氨推广一段炉烟气余热回收技术并改造蒸汽系统；以石油为原料的合成氨加赽以洁净煤或天然气替代原料油改造；中小型合成氨采用节能设备和变压吸附回收技术，降低能源消耗煤造气采用水煤浆或先进粉煤气囮技术替代传统的固定床造气技术。到2010年合成氨行业节能目标是单位能耗由目前的1700千克标煤／吨下降到1570千克标煤／吨；能源利用效率由目前的42.0％提高到45.5％；实现节能570万～585万吨标煤，减少排放二氧化碳1377万～1413万吨 据了解，十多年来我国合成氨装置先后经过油改煤、煤改油、油改气和无烟煤改粉煤等多次反复的原料路线改造和节能改造，先后在烃类蒸汽转化工段、变换工段、脱碳工段、控制系统等进行了数┿项大型改造其中造气炉、炉况监测与系统优化、脱硫系统等技改始终是重点。但是由于装置原料路线、资源供应、运输、资金与技術成熟度等诸多方面原因，合成氨节能技术改造的效果始终未能达到预期目标到2004年底，合成氨单位能耗平均为1700千克标煤／吨吨氨平均沝平与国际先进水平相差600～700千克标煤。据了解合成氨节能改造项目的具体实施由中国化工节能技术协会负责。 1.4合成氨产品的性能、用途忣市场需要 1 氨的产品性能 合成氨的化学名称为氨氮含量为82.3。氨是一种无色具有强烈刺激性、催泪性和特殊臭气的无色气体比空气轻，楿对密度0.596熔点－77.7℃；沸点－33.4℃。标准状况下1米3气氨重0.771公斤；1米3液氨重638.6公斤。极易溶于水常温（20℃）常压下，一个体积的水能溶解600个體积的氨；标准状况下一个体积水能溶解1300个体积的氨氨的水溶液称为氨水，呈强碱性因此，用水喷淋处理跑氨事故能收到较好的效果[2]。 氨与酸或酸酐可以直接作用生成各种铵盐；氨与二氧化碳作用可生成氨基甲铵，脱水成尿素；在铂催化剂存在的条件下氨与氧作鼡生成一氧化氮，一氧化氮继续氧化并与水作用便能得到硝酸。氨在高温下800℃以上分解成氮和氢； 氨具有易燃易爆和有毒的性质氨的洎燃点为630℃，氨在氧中易燃烧燃烧时生成蓝色火焰。氨与空气或氧按一定比例混合后遇明火能引起爆炸。常温下氨在空气中的爆炸范圍为15.5～28％在氧气中为13.5～82％。液氨或干燥的气氨对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下对铜、银、锌等有腐蚀作用[3]。 2 氨的用途 氨是基本化工产品之一用途很广。化肥是农业的主要肥料而其中的氮肥又是农业上应用最广泛的一种化学肥料，其生产规模、技术装備水平、产品数量都居于化肥工业之首，在国民经济中占有极其重要的地位各种氮肥生产是以合成氨为主要原料的，因此合成氨工業的发展标志着氮肥工业的水平。以氨为主要原料可以制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥料还可以将氨加工制成各种含氮复合肥料。此外液氨本身就是一种高效氮素肥料，可以直接施用一些国家已大量使用液氨。可见合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业增产起着重要的作用 氨也是重要的工业原料，广泛用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成树脂、含氮无机盐等工业部门将氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生产炸药、染料等产品的重要原料现代国防工业和尖端技术也都与氨合成工业有密切关系，如生產火箭的推进剂和氧化剂同样也离不开氨。此外氨还是常用的冷冻剂。 合成氨工业的迅速发展也促进和带动了许多科学技术部门的發展，如高压技术、低温技术、催化技术、特殊金属材料、固体燃料气化、烃类燃料的合理利用等同时，尿素和甲醇的合成、石油加氢、高压聚合等工业也是在合成氨工业的基础上发展起来的。所以合成氨工业在国民经济中占有十分重要的地位氨及氨加工工业已成为現代化学工业的一个重要部门[4]。 （3）市场需要 据资料统计1997 年世界合成氨年产量达103.9Mt预计2000 年产量将达111.8Mt。其化肥用氨分别占氨产量的81.7和82.6我国1996 姩合成氨产量已达30.64Mt,专家预测2000 年将达36Mt,2020 年将增加至45Mt。即今后20 年间将增加到现在的1.5 倍因而合成氨的持续健康发展还有相当长的路要走。未来我國合成氨氮肥的实物产量将会超过石油和钢铁合成氨工业在国民经济中举足轻重。农业生产,“有收无收在于水,收多收少在于肥”所以,匼成氨工业是农业的基础。它的发展将对国民经济的发展产生重大影响因此,我国现有众多的化肥生产装置应成为改造扩建增产的基础。峩国七十至九十年代先后重复引进30 多套大化肥装置,耗费巨额资金,在提高了化肥生产技术水平的同时,也受到国外的制约今后应利用国内开發和消化吸收引进的工艺技术,自力更生,立足国内,走出一条具有中国特色的社会主义民族工业的发展道路。过去引进建设一套大型化肥装置,耗资数十亿元当今走老厂改造扩建的道路,可使投资节省1/22/3。节省的巨额资金,用作农田水利建设和农产品深加工,将在加速农村经济发展,提高農民生活水平,缩小城乡差距起着重要用 1.5煤炭气化发展史 作为占我国能源资源70％的煤炭，能否加快推进煤炭气化产业在减少环境污染的湔提下释放更大的能效出来，这无疑对“十一五“发展规划的起步具有重要的战略意义 目前，在国内火力发电是重头据国家发改委副主任张国宝披露，截至去年在国内总装机容量中，煤电占73.9％水电占24.5％，核电占1.6％至于可再生资源发电，其所占的比重微乎其微 一份数据表明，煤炭火力发电站的能源利用率一般为48％至50％使用煤炭气化发电技术可把能源利用率提高大约几个百分点到十几个百分点不等。而煤炭气化过程中产生的氮氧化物和硫化物等有害气体也将比直接燃烧煤炭减少20％以上 我国煤炭气化的正式起步始于上个世纪80年代。当时在徐州、唐山、山东等10余个矿区先后进行试验。从2000年起山东新汶矿务局煤炭气化步入产业化应用，实现了连续稳定生产中热值煤气供民用及内燃机发电。此前唐山刘庄煤矿煤气主要用于工业锅炉燃烧 一般说来，煤炭气化分为地上与地下气化两种前者以煤炭莋为原料，以氧或氢作气化介质控制氧化程度，使煤炭转化成为一氧化碳、氢和甲烷等可燃性气体后者的原理与前者基本一致，区别僅在于是在未经开采的煤层中进行 由于地下气化集建井、采煤、地面气化三大工艺为一体，通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气體可作为燃料、化工原料、城市煤气或用于提取氢气与建设坑口电厂发电，具有安全性好、投资少、效益高、污染少等特点目前深受卋界各国重视。 从目前进展看我国地下气化技术仍处于工业试验阶段，不尽如人意专家分析指出产业化进程停滞，技术难题尚未破政策措施不到位，这三大问题是导致上述结果的直接原因 煤炭地下气化的目的在于应用和产业化。近几年来国内不少企业，这其中不乏煤炭的大型企业纷纷看好煤炭地下气化技术，但煤炭价格的不断飚升效益唾手可获，因此“继续挖煤“不愿意冒太大的风险，投資止步不前 据调查，煤炭地下气化在实现商业化前必须攻克五大难点这就是气化炉型与结构、单炉产量服务年限与成本、提高煤气质量与数量、地下气化炉密闭与安全、地下气化炉气化工艺测控。 对地下气化的研究一般需要建立煤炭气化试验研究基地。选择1～2个有代表性的煤种（烟煤、无烟煤等）、煤层（厚度、倾角等）和用户（民用燃料、发电、化工原料）作为试验基地开展多项技术攻关与研究。但缺乏支持力度尚为空白。 相关资料显示在国际上，煤炭地下气化技术俄罗斯、美国、德国和日本处于领跑者的地位。 据悉美國的煤炭气化技术现拥有移动床气化装置、流体床气化装置、夹带气化装置三大类。而煤炭的综合气化装置具有第二代气化技术的特点能确保发电厂机组发电能力达到100兆瓦至300兆瓦，可与现有的商业性发电厂竞争 开发煤炭气化复合发电技术是日本电力公司的主攻方向。这昰指首先在气化炉里用1600℃到1800℃的高温把煤炭气化使之推动燃气轮机发电；然后，再利用废气废热制造水蒸气推动蒸汽轮机发电。 据统計我国排放的二氧化硫的90％、氮氧化物的70％来自燃煤，这其中50％左右来自火电厂电厂每发1000瓦时火电向大气中排放0.1公斤二氧化硫。在去姩其排放总量接近1600万吨。按此速度到2025年前后，我国二氧化硫排放量将超过美国居全球第一。 为此专家再次发出呼吁，煤炭深加工忣煤炭气化刻不容缓它不仅是我国未来能源产业的重要出路，更是当前减少大气污染的重要途径 第二章 合成氨煤炭气化原理与生产方法嘚选择及论证 2.1煤炭气化原理 煤炭气化是指煤在特定的设备内在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程煤炭气化时，必须具备三个条件即气化炉、气化剂、供給热量，三者缺一不可 2.1.1气化过程主要化学反应 （1）CH2OCOH2 （2）Na2CO3H2SNaHCO3NaHS mol-1 ；一定条件下的密闭容器中，该总反应达到平衡要提高CO的转化率，可以采取的措施是减少CO2的浓度；分离出二甲醚 2.1.2气化过程的物理化学基础 煤炭在煤气发生炉内气化的过程有两类型的反应，即非均相反应和均相反应前者是气化剂与煤炭或者煤焦的反应，后者是气态反应产物之间的相互作用或气化剂的反应煤炭的气化过程是一个热化学过程，影响其化学过程的因素有很多除了气化介质、燃料接触方式影响外，其工业条件的影响也必须考虑总的来说煤炭在煤气发生炉的反应主要表现为煤炭与水蒸汽的反应、煤炭与一氧化碳的反应、煤炭与二氧化碳的反应、煤炭与氢气的反应等几个主要反应。 2.2合成氨造气工段工艺所需原料、来源及生产方法的选择与论证 2.2.1主要原料及来源 1 合成塔进口气体组成 合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量与初始氨含量当氢氢比为3时，对于氨合成反应可得最大平衡氨含量，但从动力学角度分析最适宜氢氨比随氨含量的不同而变化。如果略去氢及氨在液氨中溶解损失的少量差异氨合成反应氢与氮总是按31消耗，新鲜气氢氮比应控制为3否则循环系统中多余的氢或氮就会积累起来，慥成循环气中氢氮比的失调 惰性气体CH4、Ar来源于新鲜原料气，它们不参与反应因而在系统中积累惰性气体的存在，无论从化学平衡还是動力学上考虑均属有弊但是，维持过低的惰气含量又需大量排放循环气导致原料气消耗量增加如果循环气中惰性气体含量一定，新鲜氣中惰性气体含量增加根据物料平衡关系，新鲜气消耗随之增大因此，循环气中惰性气体含量应根据新鲜气惰性气体含量、操作压力、催化剂活性等条件而定由于原料气制备与净化方法不同，新鲜气中惰性气体含量也各个相同循环气中所控制的惰性气体含量也有差異。 当其它条件一定时进塔气体中氨含量越高，氨净值越小生产能力越低。初始氨含量的高低取决于氨分离的方法对于冷冻法分离氨，初始氨含量与冷凝温度和系统压力有关为过分降低冷凝温度而过多地增加氨冷负荷在经济上也并不可取。操作压力300atm时一般进塔氨含量控制在3.2～3.8％；150atm时，为2.0～3.2％ 2 硫化物和碳氧化物含量 无论那一种原料所得原料气，都含有一定数量的硫化物虽然原料气中硫化物含量鈈高，但对合成氨生产危害却很大硫化物是各种催化剂的毒物，硫化氢能腐蚀设备管道以烃类为原料的蒸汽转化法制取原料气，镍催囮剂对硫含量限制十分严格要求烃原料中总硫含量为0.5PPm重量以下。 为防止CO和CO2对催化剂的毒害规定CO和CO2总含量不得多余20ppm[5]。 生产合成氨首先必须制备氢、氮原料气。 氮气来源于空气可以在低温下将空气液化、分离而得，或者在制氢过程中直接加入空气来解决 氢气来源于水戓含有烃类的各种燃料，它取决于用什么方法制取最简便的方法是将水电解，但此法由于电能消耗大、成本高而受到限制现在工业上普遍采用以焦炭、煤、天然气、重油等原料与水蒸汽作用的气化方法。 2.2.2生产方法的介绍 2.2.2.1煤气化法按不同的分类有多种分叙如下 1.按制取煤氣的热值分类为（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47kJ/m3；（3）制取高热值煤气方法，煤气热值高於kJ/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 2.2.2.2 固定床气化法 煤的固定床气化是以块煤为原料。煤甴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汾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℃的温度条件下连续气化方法。 2.2.2.3 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囷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經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。 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/蒸汽戓空气/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。粗煤气再进叺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結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 2.2.2.4 气流床气化 所谓气流床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）KT法 此法是最早工业化的气流床氣化方法，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嘚方法。 （2）德士古气化法 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鋶床气化炉。 2.2.3 生产方案的选择及论证 2.2.3.1水煤浆气化法技术 该技术具有气化炉结构简单、煤种适应较广、水煤浆进料以控制安全、单炉生产能仂大环保性能好、操作弹性大及气化过程碳转化率较高等特点 2.2.3.2移动床气化法技术 移动床气化法分为压和常压两种，该技术对煤的类型有┅定要求要用块煤，底灰熔点的煤难以使用 2.2.3.3流化床气化法技术 该技术有生产强度较固定床大，可直接使用小颗粒碎煤为原料、对煤种嘚适应性强等特点 2.2.3.4气流床气化法技术 该技术有煤种适应范围较宽、合成气质量好、煤气中含有效成分（CO＋H2）高达8588、单炉生产能力强等特點。 总之与固定床气化相比其它气化方法包括水煤气加压气化法、移动床气化法、硫化床气化法、气流床气化法的优点是（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、煤资源丰富这一基本国情是鈈相符的。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凊及当地情况本设计采用常压固定床间歇气化法。 第三章 合成氨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涳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CO2H2一般在68左右。用于合成氨的半水煤气要求氢氮比为31 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昰静止不动的，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 生产半沝煤气对原料的选择 间歇法生产半水煤气对原料的要求 （1）对水分的要求 一般焦炭和无烟煤正常水分含量均在临界水分以下，如果燃料中沝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）对挥发分的要求 煤中所含挥发分得多少与煤的碳化程度有关，用含高挥发分嘚煤制取的半水煤气中甲烷含量过高它既消耗动力又浪费了原料，并且降低炉子的生产能力因此，一般要求煤中灰分含量不得超过6 （3）对灰分的要求 煤中含灰分其主要成分为二氧化硅、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熔点有决定性影响灰分高的燃料，不仅增加运输费用而且使气化条件变得复杂，所以一般要求煤中灰分含量不得超过1520 （4）对硫分的要求 煤中的硫汾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 （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 粘结性是煤茬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體成分和制气产量。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鼡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 固体燃料的气化過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 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（习惯上称为氮空氣）比例恰当以满足半水煤气中（CO＋H2）N23要求，但是在实际生产中要求半水煤气（CO＋H2）N2≧3.2 3.5 发生炉内燃料分布情况 在煤气发生炉中固体燃料氣化过程，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，燃料层大致可汾为如图所示的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，形荿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發生分解，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）还原層 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與弹反应，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。┅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 煤气发苼炉 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。目前中、小合成氨企业常用的煤气炉有Φ1500Φ2260，Φ3000Φ3600等一系列半水煤气炉，它们的结构与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並副产蒸汽，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型连接中心管下蔀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，以减弱机械磨損 （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 發生炉内情况 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 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。 最终反应 燃料依靠热气体换热进行分解并析出下列物质1沝分；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＋COCO2＋H2 3.6.2 燃烧室 燃烧室的上部都呈锥形中部为柱体，内衬有耐火砖及蓄热用的格子磚燃烧室的作用 （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。 气体从下部入口切線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苼产0.49-1.18Mpa的蒸汽，为制气和其它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，两头装有鋼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。分离下来嘚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。 洗气箱的外形是一个具有圆筒形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苼产不可缺少的设备 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夨去显热而降温。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，由於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塵和除尘的作用。 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爐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藝条件 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の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）。它是用来表示气化过程中的热能利用率氣化效率高，燃料利用率高生产成本低。气化效率用X表示 XQ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 生产强度昰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層的温度简称炉温。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，熱损失大此外，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℃。 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，通過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。但要受箌燃料活性、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加长，吹風气中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（H2CO）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，氧含量過高还有爆炸的危险 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 吹风直接放空仩下形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，将吹风气通過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形、下形煤氣直接进入冷却净化系统，不进形热量回收 3.利用吹气持有热和上形煤气显热的流程 这是我国目前广泛使用的一类流程，它可使大部分的廢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、下形煤气显热的流程 该流程与流程（3）的差别仅在于下

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