年产2万吨合成氨造气工段工艺设计计算毕业论文

班 级：学 号：笑 嘻 嘻 小 大 学毕业设计 (论文 )题 目 年产 2 万吨合成氨造气工段工艺设 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与特点 .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 煤炭气化原理 .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 移动床气化技术 .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 生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 煤质对气化的影响 .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 .第十章 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.二张图纸：1.带控制点的物料流程图；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 Manufacturing Synthesis of Ammonia 20000T/aChemical engineering and techniques Chen Chao Guide Teacher Liu Hexiu Abstract：This design is a primary design about the synthesis of ammonia 20000T/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. 20000T/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 2 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、CO 2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。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。 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在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，埋藏后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25%。2000 年底，世界煤炭总产量为 46.61 亿吨，消费量 46.59 亿吨，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）、印度（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 中国煤化工行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；结合煤炭资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）煤炭一能源化工一体化。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、煤气化合成一电力联产、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在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，形成新型煤化工产业基地及基地群，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并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。新型煤化工强化对副产煤气、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，发挥资源与价格优势，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，提高综合经济效益，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）人力资源得到发挥。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，充分发挥我国人力资源丰富的优势。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，而且使一位对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，他用实验来验证，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，他的合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，德国化学家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，以致得到错误的结论。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 在 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的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 年的第一次世界大战时，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的世界大战。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的猛烈抨击，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、农业生产和国际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，在上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。为了满足农业发展的迫切需要，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 520kt 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，中国是世界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快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化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十项大型改造。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、资金与技术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，吨氨平均水平与国际先进水平相差 600700 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、用途及市场需要(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，相对密度 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 个体积的氨；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，氨与氧作用生成一氧化氮，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。氨的自燃点为 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围为 15.528，在氧气中为 13.582。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、技术装备水平、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，合成氨工业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，如生产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发展，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现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 年合成氨产量已达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。未来我国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,合成氨工业是农业的基础。它的发展将对国民经济的