四十万吨年合成氨净化车间工段工艺设计毕业论文.doc

本本 科科 毕毕 业业 实实 习习 报报 告告 实习地点实习地点 青岛碱业天柱化肥厂 实习名称实习名称 40 万吨 年合成氨净化车间工段工艺设计 目目 录录 前言前言 7 设计任务书设计任务书 8 1 概述概述 9 1 1 企业介绍 9 1 2 产品介绍 10 1 3 产品用途 11 2 化学水工段化学水工段 12 2 1 任务 12 2 2 工作原理 12 2 2 1 阳床 12 2 2 2 阴床 12 2 2 3 除 CO2 器 13 2 3 工艺流程及设备一览表 13 2 3 1 工艺流程见图 13 2 3 2 设备一览表 13 2 4 工艺条件 13 2 4 1 压力 13 2 4 2 液位 15 2 4 3 水质 15 2 5 操作要点 15 2 5 1 保证交换剂的再生质量 15 2 5 2 保证脱盐水质量 15 2 6 开停车操作 15 2 6 1 开车前的准备工作 15 2 6 2 正常开车 15 2 6 3 正常倒床 15 2 6 4 阳床 15 2 6 5 正常停车 15 2 6 6 突然停电的停车 15 3 合成氨原料气的制备合成氨原料气的制备 16 3 1 造气反应的基本原理 16 3 2 工艺流程 17 3 2 1 工艺流程简述 17 3 2 2 工艺指标 18 3 2 3 造气工段工艺流程图 18 3 2 4 煤气发生炉的构造及各部分作用 20 3 3 工艺改进及发展趋势 21 3 3 1 优化自动加煤工艺系统 21 3 3 2 优选专用炉箅 21 4 合成氨原料气的净化合成氨原料气的净化 23 4 1 原料气的脱硫 23 4 1 1 任务 23 4 2 一氧化碳的变换 28 4 2 1 变换任务 29 4 2 2 反应原理 30 4 2 3 工艺流程及流程图 30 4 2 4 低温变换操作 32 4 3 二氧化碳的脱除 34 4 3 1 岗位任务 34 4 3 2 工艺指标 34 4 3 3 工艺流程 34 4 4 原料气的最终净化 34 5 氨的合成氨的合成 39 5 1 任务 39 5 2 反应原理 39 5 3 工艺指标 39 5 4 工艺流程简述及工艺流程图 40 5 5 正常操作要点 41 5 6 主要设备一览表 43 6 合成甲醇合成甲醇 44 6 1 甲醇的性质和用途 44 6 2 甲醇生产方法 46 6 3 甲醇合成岗位操作规程 47 6 4 甲醇精馏 48 6 4 1 精馏原料 48 6 4 2 精馏原理 48 6 4 3 精馏塔的特点 48 6 4 4 工作原理 49 6 4 5 工艺流程 50 6 4 6 影响精甲醇质量的因素 50 6 4 7 工业甲醇质量标准 51 7 反应器设计反应器设计 52 7 1 物料衡算 52 7 2 塔径 塔高及相关计算 54 7 2 1 塔径的计算 54 7 2 2 塔高的计算 54 7 2 3 填料层高度 54 7 2 4 接触时间 54 8 安全教育安全教育 56 8 1 工人须知 56 8 2 危险化学品 56 8 3 压力系统热力学与危险性 56 8 4 化学反应类型及其危险性 56 8 5 化工中常见物质的毒性作用 57 8 5 1 刺激性气体和有毒液体 57 8 5 2 可导致窒息的气体 57 8 5 3 金属及化合物导致中毒 57 8 5 4 有机化合物导致中毒 57 8 6 关于技术安全 57 8 6 1 工艺流程 57 8 6 2 设备与管道 58 9 实习感想 实习感想 60 10 参考文献 参考文献 61 前言 合成氨 指由氮气和氢气在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨 分子式 NH3 英文名 synthetic ammonia 世界上的氨除少量从焦炉气中回收副产外 绝 大部分是合成的氨 世界上绝大部分合成氨都是以燃料为原料的 常用的燃料有煤 焦炭 液 态石油烃 天然气 石油炼厂气等 它们跟水 空气反应 生成一氧化碳 氢 气 氮气的混合气体 然后通过变换 使一氧化碳转化为氢气和二氧化碳 再 由吸收除去二氧化碳 就得到氢气和氮气的混合气体 在有炼焦厂的地方 可以用焦炉气为原料 焦炉气含氢气 50 以上 还含 有甲烷 一氧化碳 乙烯等气体 可以利用这些气体的液化温度不同 在低温 下去掉这些杂质 最后补充一定量的氮气 可以得到优质的氢气 氮气混合气 体 在电力特别充足的地方 可以由电解水获得氢气 然后使氢气在限量的空 气中燃烧 水分离后 剩余的气体就是杂质很少的氢气 氮气混合气体 总之 合成氨原料的选择应以因地制宜 价格低为原则 国内的绝大部分 工厂仍以煤 焦炭为原料 目前新建的日产超千吨的十几家大厂全部用天然气 或石脑油 石油工业中的轻油 为原料 估计到 21 世纪 劣质煤将成为重要的 合成氨原料 我国也在进行有关的研究和试用 本设计说明书是根据 化工工艺设计手册 等多种相关资料设计 年产 40 万吨 年合成氨的工艺过程 并对此方法扼要的设计 分别用 Auto CAD 和 Chem CAD 绘制了工艺流程图和物料衡算图 且进行了物料衡算及中变炉的初 步设计 最后讲述了一些安全知识 主要数据来源于青岛碱业天柱化肥厂的设计说明书 设计任务书 一 设计项目 年产 40 万吨合成氨净化车间工段中变炉设计及工段流程图设 计 二 操作方法 中低串联 三 数据来源 青岛天柱化肥厂 化工工艺设计手册 四 设计阶段 初步设计 1 设计内容 中变炉 填料塔 初步设计及流程图设计 2 方案设计 Chem CAD 进行中变炉物料衡算 确定生产工艺路线 进行流程 设计 绘制 Auto CAD 流程图 3 设计依据 生产规模 年产 40 万吨合成氨净化车间变换工段 生产时间 一年 8000 小时 设备初步计算及绘制工艺流程图 一 概述 1 概述概述 1 1 企业介绍企业介绍 青岛碱业股份有限公司天柱化肥分公司始建于 1968 年 属国家大型化工 企业 上市公司 股票简称 青岛碱业 现有员工 1200 余人 总资产 4 5 亿 元 主要产品有尿素 碳酸氢铵 甲醇 甲醛 液体二氧化碳 双氧水 硬脂 酸等 公司曾荣获 全国小氮肥红旗单位 全国化肥生产先进企业 全国 小氮肥行业先进单位 等荣誉称号 2000 年 公司从挪威海德鲁引进世界先进的大颗粒尿素专利生产技术和核 心设备 建成我国第一套国产化设备配套的年产 16 万吨大颗粒尿素生产线 生 产的 民丰 牌大颗粒尿素 以过硬的产品质量 赢得了中外客商的广泛青睐 不仅畅销国内市场 而且大量出口日本 韩国 北美等国家和地区 公司一贯致力于现代企业管理 积极实施品牌发展战略 社会知名度和产 品美誉度不断提高 民丰 商标先后被认定为青岛市和山东省著名商标 民丰 牌尿素也先后被认定为青岛市和山东省名牌产品 公司通过了 ISO9001 质量管 理体系和 ISO14001 环境管理体系认证 天柱化肥进入全国小氮肥行业 50 强 2005 年 企业利润进入全国小氮肥行 业 50 强 受到中国氮肥工业协会的通报表彰 2007 年 1 月 5 日油脂水解工程竣工投运我公司新上的年产 4 万吨油脂水解 工程 于 2007 年 1 月 5 日竣工投运 生产出合格的硬脂酸和甘油产品 企业发展规律的目标是 公司走可持续发展道路 坚持现代化管理与技术 创新并举 以化肥产品为主业 发展以合成氨为依托的高附加值化工产品 加快建成具有综合竞争实力的新型化工生产企业 企业的经营理念是 以以市场为导向 以客户为中心 勇于创新 不断超越 企业的精神 作风是 开拓进取 自强不息 严谨 高效 务实 争 先 企业的价值观是 核心价值观 诚信做人 用心做事 管 理 观 以人为本 科学规范 市 场 观 以诚致信 互利双赢 人 才 观 员工是企业最有价值的资源 精心为员工设计实现自我价值的舞台 质 量 观 用户满意是质量的最高标准 服 务 观 满足用户需求 全心全意为用户服务 企业的形象口号是 绿色创造未来 企业的宗旨是 追求卓越品质 创造最佳效益 回报股东 员工 奉献社会 1 2 产品介绍产品介绍 天柱化工经营出产品 尿素 甲醇 甲醛 甘油 液体二氧化碳 碳酸氢 铵 硬脂酸等 1 2 1 合成氨简介 合成氨 指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨 别名 氨气 分子式 NH3英文名 synthetic ammonia 合成氨主要用作化肥 冷冻剂和化工 原料 其用途很广泛 主要用于制造氮肥和复合肥料 氨作为工业原料和氨化 饲料 用量约占世界产量的 12 硝酸 各种含氮的无机盐及有机中间体 磺 胺药 聚氨酯 聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料 液氨常用作制 冷剂 1 2 2 尿素简介 尿素 Urea 又称碳酰二胺 分子式为 CO NH2 2 纯净的尿素为白色 无味 无臭的针状或棱柱状洁净体 含氮量为 46 6 当含杂质时略县微红色 尿素的熔点为 132 7 超过则分解 尿素易溶于水和液氨 也能溶于醇类 稍溶于乙醚及酯 溶解度随着温度的升高而增加 常温时在水中会缓慢水解 最初转化为甲铵 继而形成碳酸铵 最后分解为氨和二氧化碳 在 60 以下 尿素在酸性 碱性或中性溶液中不发生水解作用 尿素的吸湿性低于硝酸铵而大 于流酸铵 尿素与盐类相互作用可生成络合物 如尿素与磷酸以钙作用时生成磷酸 尿素 CO NH2 2 H3PO4络合物和磷酸氢钙 CaHPO4 这一性质常被应用于复混 肥料生产中 尿素在农业和工业上都有很广泛的用途 用作肥料 尿素分解释放出的 CO2可被作物吸收 促进植物的光合作用 在土壤中 尿素能增进磷 钾 镁和 钙的有效性 且施入土壤后不存在残存废物 用作工业原料 在有机合成工业 中 尿素可用来制取高聚物合成材料 在医药工业中 其可作为利尿剂 镇静剂 等原料 此外 在石油 纺织 纤维素 造纸 炸药 染料和选矿等生产中也需要尿 素 用作饲料 尿素可用作牛 羊等反刍动物的辅助饲料 反刍动物胃中的微生 物将尿素的胺态氮转变为蛋白质 使动物肉 奶增产 但其字饲料中的最高掺入 量不得超过反刍动物所需蛋白质量的 1 3 1 2 3 甲醇简介 甲醇 CH3OH 无色透明液体 易燃易挥发 类似酒精气味 与水混溶 具有毒性 主要用途 广泛用于有机合成 染料 医药 涂料和国防等工业 是优良的有机溶剂 而且是重要的化工原料 主要用于制造清漆 甲醛等 此 外 甲醇也是合成氯甲烷 甲胺 有机玻璃 合成纤维等产品的原料 还可以 广泛地用做无公害燃料 与汽油掺烧等 1 2 4 硬脂酸简介 硬脂酸 C18H36O2 白色或微黄色的蜡状体 溶于乙醇 乙醚 氯仿 二硫化碳 四氯化碳等溶剂 不溶于水 相对密度 0 84 69 溶点 69 4 可呈块状 片状 粉状 主要用于橡胶 金属盐 合成洗涤剂 油漆 涂料 塑 料 化妆品 食品乳化剂 润滑脂 矿物浮选剂 医药制剂 纺织印染助剂 肥皂 精密铸造等行业 天柱公司的硬脂酸是以进口棕榈油为原料 采用当前国际先进的高压连续 水解工艺生产 硬脂酸年生产能力 40000 吨 质量达到国际标准 该装置有脂 肪酸蒸馏 脂肪酸催化加氢和硬脂酸蒸馏等工艺过程 可以根据客户的需求生 产多种规格的硬脂酸产品 还可以根据顾客要求生产硬化油和脂肪酸产品 1 2 5 甘油简介 甘油 化学名称丙三醇 C3H8O3 无色透明粘稠状液体 昧甜 与水 甲醇 乙醇混溶 不溶于苯 氯仿 二硫化碳 四氯化碳等有机溶剂 吸湿性 强 与氧化剂作用发生爆炸 广泛应用于涂料 医药 烟草 纺织 印染 国 防 食品 化妆品 造纸 制革 照相 印刷 金属加工 电工材料 橡胶等 行业 天柱公司生产的甘油是以进口棕榈油为原料 通过高压连续水解 再经 蒸发 真空蒸馏 脱色等工艺精制而成 设计产量为 4000 吨 年 采用 GBl3206 91 标准组织生产 1 3 产品用途产品用途 合成氨是生产尿素 磷酸铵 硝酸铵等化学肥料的主要原料 工业生产过 程是以天然气或煤炭为原料通过水蒸气重整工艺制得氢气 然后与氮气进行高 压合成制得合成氨 二 二 化学水化学水 2 化学水工段化学水工段 2 1 任务 建厂原水中含有由各种盐类溶解的等当量的阳离子 主要有 Ca Mg Na K 等 和阴离子 主要有 HCO3 SO4 Cl 等 当把水加热时 这些离子会按一定的规律分别结合成某些化合物从水中沉淀析出 形成水垢 附着在设备的受热面上 造成危害 此外水中的某些离子 如 Cl 会腐蚀设备 影响产品质量 为了消除这些危害 必须去除原水中的这些阴阳离子 使之成 为除盐水 又称纯水 以满足某些特殊岗位的用水要求 2 2 工作原理 制备除盐水使用的是强酸 强碱式阳 阴离子交换除盐法 阳离子交换树脂型号为 001 7 强酸性苯乙烯阳离子交换树脂 阴离子交换树脂型号为 201 7 强碱性季铵 烯阳离子交换树脂 其反应式为 2 2 1 阳床 2RH Ca HCO3 2R2Ca 2CO2 2H2O 交换 再生 2RH Mg HCO3 2R2Mg 2CO2 2H2O 交换 再生 2RH CaCl2R2Ca 2HCl 交换 再生 2RH MgSO4R2Mg H2SO4 交换 再生 2RH Na2SO42RNa H2SO4 交换 再生 RH NaClRNa HCl 交换 再生 2 2 2 阴床 ROH HClRCl H2O 交换 再生 ROH H2SO4RHSO4 H2O 交换 再生 2ROH H2SO4R2SO4 2H2O 交换 再生 ROH H2CO3RHCO3 H2O 交换 再生 ROH H2SiO3RHSiO3 H2O 交换 再生 2 2 3 除二氧化碳器 原水中溶解的气体主要有 O2 和 CO2 另外 在 H 离子交换过程中 处理水 中产生大量的 CO2 这些气体腐蚀设备 若进入强碱性阴离子交换器 将加重强 碱树脂的负荷 而碳酸是一种弱酸 水的 PH 较低时 几乎全部以游离 CO2 的 形态存在于水中 这给脱气提供了良好的条件 所以 水的除盐系统中 将除 CO2 器放置在紧接氢离子交换器之后 2 3 工艺流程及设备一览表 2 3 1 工艺流程见图 2 3 2 设备一览表 配用电机序 号 名称型号主要工作参 数 数 量型号功率 Kw 1脱盐软水泵IS100 65 250Q 100m3 h H 80m 2Y200L2 237 2中间水泵IH100 65 200Q 100m3 h H 50m 2Y180M 222 3再生水泵IS65 50 160Q 25m3 h H 32m 2Y132S1 25 5 4脱碳塔引风机6 46 11 3AQ 2159m3 h H 142m 2JO2 31 23 5阳离子交换器能力 60m3 h 2016 H 5720 2 6阴离子交换器能力 60m3 h 2016 H 5720 2 7脱 CO2 塔能力 47m3 h 1216 H 2000 2 8中间水箱 2016 H 2000 2 9脱盐软水箱80m3 4216 H 4800 2 10盐酸贮槽10m3 1820 H 4750 2 11碱液贮槽10m3 1820 H 4750 2 12酸雾吸收器 400 H 1200 2 2 4 工艺条件 2 4 1 压力 1 除盐软水泵出口 0 8MPa 2 中间水泵出口 0 3 0 6 MPa 3 阳床入口 0 1 0 28 MPa 4 阴床入口 0 08 0 24 MPa 2 4 2 液位 1 中间水箱 1 2 2 3 处 2 除盐软水水箱 1 2 2 3 处 3 碱液贮槽 1 3 2 3 处 4 酸液贮槽 1 3 2 3 处 2 4 3 水质 1 阳床出水硬度 0 15 mol l 酸度 1 2 3 6mgN l 2 阴床出水电导率 20 s cm 3 Cl 5mg l 碱度 0 1mgN l 2 5 操作要点 2 5 1 保证交换剂的再生质量 交换剂的再生应按操作步骤进行 首先做好反洗 调节好反洗强度将污染物 冲洗干净 要制好浓度和再生时间 以保证再生质量 使再生后的树脂较完整 地恢复交换能力 2 5 2 保证脱盐水质量及供应 随时检测交换器的出水质量 掌握其变化规律 及时进行交换剂的再生 确 保除盐软水并根据生产用水量的大小 来及时调节除盐水产量 以满足生产的 需要 2 6 开停车操作 2 6 1 开车前的准备工作 检查各设备 管道 阀门 分析取样点及电器 仪表等 必须正常完好 检查系统内所有阀门的开关装置 应符合开车要求 与软水 供电及各用水用户等联系 做好开车准备 2 6 2 正常开车 a 清水泵 当水池有一定的液位后 对清水泵进行盘车 开启入口阀 启动水 泵 慢慢开启出口阀 给各交换器送水 b 阳床 开阳床顶部进水阀 控制压力 0 10 0 12MPa 开底部排污阀 取样分 析合格开出水阀 关排污阀 并启动脱二氧化碳塔风机 投入正常运行 c 当中间水箱有 1 2 2 3 液位后 开中间水泵入口阀 盘车启动中间水泵电机 控制到一定压力后 开启水泵出水阀 开阴床进水阀 开底部排污阀 取样分 析合格后 开阴床出水阀 关排污阀 投入正常运行 d 当除盐水箱有 1 2 2 3 液位后 开启除盐水泵入口阀 盘车启动中间水泵电机 压力达到一定会 慢慢开启出口阀 往各用水用户送水 2 6 3 正常倒床 阳床 当一号阳床失效后 开启二号备用床 关一号阳床出入口阀 准备再生 阴床 当一号阴床失效后 开启二号备用床 关一号阴床出入口阀 准备再生 2 6 4 阳床 a 小反洗 开中间进入阀 开顶部排污阀 对中间装置以上部分的压脂层进行 反洗 以冲去水中积下来吸附在表面的污物 时间 10 20 分钟 流速以不冲出 树脂为宜 出水清为止 b 再生 小反洗后 关中间进水阀 顶部排污阀 开启顶部进水阀 控制压力 开再生阀 喷射器出口阀 中间排污阀 并开启再生泵和喷射器入口阀调节盐 酸溶液浓度在 3 逆流再生 30 40 分钟 c 逆流冲洗 关喷射器进酸阀 出入口阀 再生泵 其他阀门不变 开启反洗阀 控制压力 逆流冲洗 30 40 分钟 d 小正洗 关闭与逆流冲洗相关阀门 停止逆流冲洗 然后开阳床上顶部进水 阀 开中间排污阀 小正洗 5 8 分钟 e 正洗 小正洗结束后 关中间排污阀 开底部排污阀 流速控制在 15m h 左右 直至 洗至出水达到要求为止 关顶部进水阀和底部排污阀备用 阴床 阴床再生步骤同阳床 再生液为 2 4 的 NaOH 溶液 f 大反洗 当床子运行 15 20 个周期后 要对树脂进行一次大反洗 以除去树脂表面的吸 附物和破碎树脂 2 6 5 正常停车 首先关闭除盐水泵出口阀 停除盐水箱满液位后 关中间进出水阀 停中间水 泵 关阴床进水阀 停阴床 等中间水箱满液位后 关阳床进出水阀 关过滤 器的进出水阀 然后根据软水岗位具体情况 确定是否停清水泵 2 6 6 突然停电的停车 首先管除盐水泵 中间水泵 清水泵的出口阀 再关闭阴床 阳床 过滤器的 进出水阀 目的是防止水倒流 三 三 合成氨原料气的制备合成氨原料气的制备 3 3 合成氨原料气的制备合成氨原料气的制备 3 1 造气反应的基本原理 以煤为原料 以适量空气与水蒸气作为气化剂 制取半水煤气 由于起本身特 点采用间歇制气法制的半水煤气 煤气炉内的气化反应是空气和蒸汽交替通过 燃料层进行的 固定层燃料气化过程中的化学反应综合列入表 1 2 中 表表 1 2 气化过程中的主要反应方程式气化过程中的主要反应方程式 方程式反 应 C O2 CO2 2C O2 CO C CO2 2 CO 2CO O2 2CO2 C H2O g CO H2 C 2H2O g CO2 2H2 CO H2O g CO2 H2 2H2 O2 2H2O C H2 CH4 CO 3 H2 CH4 H2O CO2 4 H2 CH4 2 H2O 间歇制取半水煤气时 自本次开始进入空气至下一次再送如空气时止称为一 个工作循环 每个循环一般包括 5 个阶段 即吹风阶段 上吹制气阶段 下吹 制气阶段 二次上吹制气阶段 空气吹净阶段 吹风阶段 由煤气发生炉底部送入空气 提高燃料层温度 吹风气回收 吹风阶段空气中的氧与赤热的碳发生以下反应 C O2 CO2 1 1 2C O2 CO 1 2 C CO2 2CO 1 3 2CO O2 2CO2 1 4 空气自上而下进行上述反应 空气中氧的浓度迅速下降 二氧化碳的浓度 相应急速上升 当氧的浓度降至最低时 二氧化碳浓度达到最高值 这一反应 区域为氧化层 氧化层所进行的反应主要是上述 1 1 至 1 3 的放热反应 因此氧化层是煤气炉中温度最高的区域 由于氧化层的几个反应速度极快 所 以氧化层的厚度一般在 100 200mm 范围内 氧化层中传递而来 还原层进行 的主要是 1 4 式的吸热反应 吸热反应所需要的热量主要是氧化层中传递 而来 还原层的温度随着反映的进行逐渐降低 由于二氧化碳的还原速度较慢 所以还原层的厚度大于氧化层 一般在 200 400mm 范围内 吹风阶段的理想要求是在尽可能短的时间内将燃料层升到教高的气化温度 同时使吹风气中的一氧化碳尽可能的低 以减少吹风气中的潜热损失 提高吹 风效率 把大量的热储存在燃料层内 为了达到理想要求 应从反应速度和化 学平衡两个方面综合考虑 制气阶段 包括上吹制气和下吹制气两个阶段 a 上吹制气阶段 水蒸气由炉底部送入 经灰渣层预热进入气化层进行气化反应 生成的煤气送 入气柜 随着反应的进行 燃料层下部温度下降 上部升高 造成煤气带走 的显热增加 因此 操作一段时间后需要更换气流方向 b 下吹制气阶段 水蒸气自上而下通过燃料层进行气化反应 煤气由炉底引出 经回收热量 后送入气柜 由于煤气下行时经过灰渣层温度下降 从而减少了煤气带走的显热 损失 燃料层温度均衡 蒸气通过炙热的碳层进行汽化反应的过程为制气 蒸汽最先通过汽化层习 惯上称为主还原层 主还原层内主要发生如下反应 C 2H2O g CO2 2H2 19 24 千卡 1 5 C H2O g CO H2 29 3 千卡 1 6 还原层中生成的 CO2在次还原层中被还原成 CO CO2 C 2CO 39 4 千卡 1 7 在温度较低时 还有生成甲烷的副反应 C 2H2 CH4 19 94 千卡 1 8 制气阶段的目的 是努力是化学反应向提高蒸汽分解率 增加 CO 和 H2的 产量的方向进行 二次上吹阶段 水蒸气自炉底送入 目的是要将存在于煤气炉底的煤气排净 为下一循环 吹入空气作好安全准备 空气吹净阶段 目的是要回收存在于煤气炉上部及管道中残余的煤气 此部分吹风气亦应 加以回收 作为半水煤气中 N2的来源 3 2 工艺流程 3 2 1 工艺流程简述 向煤气发生炉前 交替的通入空气和过热水蒸汽 与炉内过热的 碳进行 生化反应 吹风阶段的风气放空或近燃烧炉 其它阶段生成的热空气回收热量 冷却和 除尘后 去气柜混合为半水煤气 然后去脱硫工段 上述制气过程在造 气油压集成系统微机控制下 往复循环进行 一循环分六阶段 其流程示意如 下 a 吹风阶段 空气 煤气发生炉 除尘器蒸汽过热器 废热锅炉 烟囱放空 b 回收阶段 空气 煤气发生炉 除尘器蒸汽过热器 废热锅炉 洗气塔 气柜 c 上吹制气阶段 蒸汽 煤气发生炉 除尘器蒸汽过热器 废热锅炉 洗气塔 气柜 d 下吹制气 阶段 蒸汽顶进 煤气发生炉 废热锅炉 洗气塔 气柜 e 吹净 蒸汽 煤气发生炉 除尘器蒸汽过热器 废热锅炉 洗气塔 气柜 3 2 2 工艺指标 3 2 2 1 半水煤气成分 1 半水煤气中 CO2含量 8 2 半水煤气中 O2含量 0 5 3 半水煤气中 CO H2含量 68 4 合成循环气 H2 N2含量 2 4 3 1 3 2 2 2 气体温度 1 煤气炉顶出口温度 380 2 煤气炉底出口温度 150 280 3 气柜入口煤气温度 45 3 2 3 造气工段工艺流程图 以煤炭为原料生产半水煤气工艺流程图如图 2 1 1 所示 p102 z 图图 3 1 1 半水煤气生产工艺流程图半水煤气生产工艺流程图 1 蒸汽缓冲罐 2 煤气发生炉 3 旋风分离器 4 废热锅炉 5 放空管 6 洗气塔 7 汽包 煤气发生炉内部结构 造气炉由上而下可分为干燥区 干馏区 气化区 氧化 层和还原层 和灰渣区 固体燃料的气化过程 实际上是碳与氧及碳与蒸汽的反 应 这两种反应总称为固体燃料的气化反应 合成氨生产中 固体燃料的气化 反应是在煤气发生炉内进行的 按煤气炉内生产过程进行的特性 自上而下分 为五层 即干燥层 干馏层 还原层 氧化层 灰渣层 燃料在煤气炉中 随着生产的进行 自上而下移动 在移动过程中发生一 系列的变化 这些变化有物理变化也有化学变化 在燃料层的上部 煤与热的 气流接触 并受到下层温度较高的燃料层热辐射 所有的水分开始蒸发干燥 这一区域叫干燥层 干燥层以下的燃料层温度比较高 燃料在此发生热分解 放出挥发分而逐渐焦化 由于其温度条件与干馏炉相似而称为干馏层 再往下 燃料层的温度更高 使燃料能发生化学发应 这就是燃料气化的主要区域 气 化层 在气化层 燃料中的碳与氧反应 有两种情况 碳与氧作用生成氧化物 气化剂中的氧化物失去氧被还原 气化层下部至灰盘的区域称为灰渣层 主要 是燃料中的灰份 带有少量的可燃碳 上述燃料的分层情况 在实际生产中并无严格的区分界线 并且往往相互 交错 随燃料的种类性质的不同 所用气化剂及气化条件的不同 燃料层不仅 分层不同 各层高度也不同 例如 以焦碳为原料就没有干馏层 又如 干燥 层和干馏层只是在含水量和含挥发较高的燃料气化时才能明显区分 气化层和 灰渣层也是在气化条件较正常或气化较完全时才能明显区分 在一般情况下 气化剂通过燃料层中的干燥层 干馏层和灰渣层是温度较 低 一般不发生气化发应而只发生热量的交换 只有气化层才具备使燃料发生 气化翻译功能的温度条件 因此 燃料层的区分可以粗分为预热层 干燥层 干馏层 气化层 还原层 氧化层 和下预热层 灰渣层 三大区域 燃料特性如表 1 1 所示 表表 1 1 固定层煤气炉燃料层各个区域 自上而下 的特性固定层煤气炉燃料层各个区域 自上而下 的特性 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 保护炉底设备免受 高温的影响 借灰渣显热预热气化剂 氧化层碳被空气氧化生成二氧化碳及一氧 化碳 并放出热量 C O2 CO2 2C O2 CO 还原层 二氧化碳被还原成一氧化碳 水 蒸气分解为氢 燃料依靠预热气体换 热而被预热 C CO2 2 CO C 2H2O g CO2 2H2 C 2H2O g CO2 2H2 CO H2O g CO2 H2 干燥层依靠气体显热 蒸发燃料中水分 炉上空间积聚煤气 均匀分布下吹蒸汽 表表 1 1 固定层煤气炉燃料层各个区域 自上而下 的特性固定层煤气炉燃料层各个区域 自上而下 的特性 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 保护炉底设备免受 高温的影响 借灰渣显热预热气化剂 氧化层碳被空气氧化生成二氧化碳及一氧 化碳 并放出热量 C O2 CO2 2C O2 CO 还原层 二氧化碳被还原成一氧化碳 水 蒸气分解为氢 燃料依靠预热气体换 热而被预热 C CO2 2 CO C 2H2O g CO2 2H2 C 2H2O g CO2 2H2 CO H2O g CO2 H2 干燥层依靠气体显热 蒸发燃料中水分 炉上空间积聚煤气 均匀分布下吹蒸汽 3 2 4 煤气发生炉的构造及各部分作用 煤气发生炉是由加料口 炉体 除灰机构三部分构成的 1 加料口 在炉顶部 由炉盖和加料筒组成 用铸铁制成 炉盖配有密封 垫圈或采用无填料密封 固体燃料从该口加入 2 炉体 炉体内壁为 直立的圆筒 下部由钢板焊成的水夹套 夹套上部 衬有耐火材料 用以保护外壳钢板和减少热损失 炉体上部有出气口 顶部 为加料口 炉体钢板 内壁 用 耐火砖砌成拱形 3 除灰机构 在 颅底轨道上置有大齿轮 大齿轮上部盖有灰盘 灰盘中 间设有炉箅 当灰盘旋转时 灰渣由灰犁刮入灰仓 定期排除 炉箅是由五层大小不同 的 五边形炉箅块互相叠砌成偏心的链体 顶部再加一 块炉箅盖 下部连接炉箅下环和底座 固定在灰盘上 具有均匀分布气化剂和 火层 有效的承渣 降渣 破渣等作用 3 3 工艺改进及发展趋势工艺改进及发展趋势 煤氨系统生产过程可分为造气环节和用气环节 2 个基本部分 对于造气环节 的剖析 需要在一定的煤气质量要求下 尽可能地提高产气量和降低能耗 提 高造气的质量和规模 针对提高造气能力和节能降耗方面阐述造气工艺的技术 化与选型 3 3 1 优化自动加煤工艺系统 自动加载控制系统在合成氨行业的应用 解决了煤气炉必须停炉加煤的问 题 使炭层和炉温更加稳定 进而稳定了气化层 实现了煤气炉在较佳工艺状 态下连续生产 大幅提高了单炉发气量 降低了原煤消耗 优选的自动加载 加 煤 系统具有如下工艺特点 1 自动加载 加煤 控制系统将加煤机的各个工艺参数融于制气循环生产程序 中 使煤气炉的加煤与制气过程成为一个整体 为造气的连续 稳定 全自动 和优化工序打下了基础 自动加煤机的使用可降低劳动强度 减少事故 改善 环境 亦可降低煤的损耗 提高产气量 且降低蒸汽消耗量 2 加煤时采用 少量多次 的工艺过程 原加煤间隔时间约 40 min 改自动加 煤后 每个循环均加煤 1 次 这样的加料方式不仅布料均匀 炭层和炉温波动 小 使炉况一直处于较稳定状态 而且煤的燃烧反应更加充分 达到了提高产 气量 降低煤耗和炉渣残碳量的工艺改进目的 对于小粒煤工艺尤为适用 3 由于实现了不停炉加煤 单炉每天约增加制气时间 70min 减少吹风气回 收时间 55 min 1 台 3 000mm 煤气炉每年可增产合成氨 1 200t 4 自动加煤机各部位在 1 个循环中的工艺流程可以通过程序编程器进行自动 控制 5 自动加煤机的缺陷 插板阀控制给料不均匀 易卡阻 分布器提升杆 的下部和连接筒处在加煤时受冲刷严重 不能使用普通仪器测量炭层 3 3 2 优选专用炉箅 专用炉箅是根据各企业的炉型 原料性质 加煤方式 炭层高度以及各部位 阻力等参数设计的一种专门炉箅 优选炉箅应从炉型 通风面积 布风性能 破渣排渣能力和带出物情况等方面综合考虑 1 布风设计 专用炉箅优化中 最关键的部位是布风设计 炉膛截面从内向 外依次分为中心区 内环区和外环区 中心区通风面积占炉膛面积的 10 左右 有时为了中心区不结块 只能采用降低风量或提高炭层的操作方法 外环区风 量过小 会导致温度低 煤炭气化不完全 炉渣含炭高 外环区通风面积占炉 膛面积的 60 合理布风的原则应是控制中心风量 加大外环区风量 布风强 度的优化设计与原料的种类 性质 粒径 气孔率 所用风机的风量与风压 加煤的形式 燃料层总高度以及各部位阻力等有关 2 炉型的优选 为了防止生产过程中煤气炉炭层下降不均匀 出现塌炭 返 焦率上升等现象 3 000mm 煤气炉采用六边形均布型炉箅 以克服以上不良 现象 3 带出物的优化设计 要注意内风道间隙和上下层重叠面的设计是否合理 以使下吹带出物量与通风阻力之间达到最优化 既可减少下吹带出物 又不会 影响制气效果 专用炉箅属于一企一策的优选技术 要结合工艺技术条件和原料性质进行 专门的设计和制造 才能在生产运行中达到优化效果 四 四 合成氨原料气的净化合成氨原料气的净化 4 合成氨原料气的净化合成氨原料气的净化 4 1 原料气的脱硫原料气的脱硫 4 1 1 任务 造气岗位制得的半水煤气中含有一定量的 H2S 它不仅能使二级触媒中毒 降低活性 同时它也对设备 管道腐蚀严重 还能造成铜洗工段铜耗高 本岗 位的任务就是利用脱硫液吸收半水煤气的 H2S 使气体得到净化后送下工段 吸收 H2S 后的脱硫液在偏钒酸钠 ADA 及空气的一系列氧化作用下 改良 ADA 法脱硫 或在 888 催化剂 888 法脱硫 及空气的氧化作用下再生循环使 用 再生析出的硫泡沫分离 熔融后制成固体硫 据全部生产情况 调节罗茨 风机气量 一均衡生产负荷 4 1 2 反应原理及方法 改良 ADA 法脱硫 ADA 脱 S 液是含有 Na2CO3 ADA V2O5 KNaC4H4O6 FeCl3等的水熔 液 此外 NaHCO3 Na2S2O3 Na2SO4 NaCNS 等 含有反应生成物等 溶液 的组成和各组分的含量时脱硫和再生过程有很大的影响 反应原理 a 脱硫塔进行吸收反应 Na2CO3 H2SNaHS NaHCO3A b 在再生槽中及脱硫塔 贫富液槽中 NaHS 被偏钒酸钠氧化成单质硫 2NaHS 4Na2CO3 H2O Na2V4O9 4NaOH 2S c 还原态的焦钒狻钠被氧化态的 ADA 氧化 2ADA Na2V4O9 2NaOH H2O 2ADA 4NaVO3 氧化态 还原态 d 还原态的 ADA 被空气氧化再生 恢复了 ADA 的氧化性能 2ADA O2 2ADA 2H2O 还原态 氧化态 上述反应中 反应 a 消耗掉的 Na2CO3由反应 b 生成的 NaOH 得到了补偿 NaOH NaHCO3 Na2CO3 H2O 因煤气中含有 CO2 O2故有下列反应 a Na2CO3 CO2 H2O 2NaHCO3 b 2NaHS 2O2 Na2S2O3 H2O 当煤气中含有 HCN 存在为例 c Na2CO3 HCN S NaCNS NaHCO3 d 2NaCNS 5O2 Na2SO4 2CO2 SO2 N2 气体中含有这些杂质上不可避免的 可见 总有一部分 Na2CO3消耗在副反 应上 进行物料衡算则应把这些反应计入 888 脱硫法 酞菁钴系列 反应原理 a 吸收反应 H2S NaCO3 NaHCO3 NaHSA RSH NaOH RSN H2O COS 2NaOH Na2CO2S H2O CS2 2NaOH Na2COS2 H2O b 析硫反应 NaHS 1 2O2 S NaOH RSN 1 2O2 RSSR NaOH Na2CO2S 1 2O2 S Na2CO3 Na2COS2 O2 S Na2CO3 4 1 3 主要工艺条件 a 溶液纯碱度 0 5 PH 值 8 2 9 0 b 使用温度 20 50 c 液汽比 12 升 标准 m3 脱硫塔用规整填料时可以降低一些 d 再生效率 大于 80 e 吹风强度 35 50 m3 h 4 1 4 工艺流程 4 1 4 1 工艺流程叙述 气体流程 出气柜的半水煤气经过水封进入洗气塔 洗涤部分油污 杂质 并降低温 度在经过焦炭过滤器净化后进入罗茨风机提升后进入冷塔 降低温度 经汽水 分离器后进入脱硫塔 与脱硫液逆流接触 脱出硫化氢后气体得到净化 在进 入静电除焦 除焦油后送至压缩一段入口总管 液体流程 吸收硫化氢后的溶液由脱硫塔底部经液封进入高液槽 由溶液泵打入再生 槽喷射再生后经液位调节器进入贫液槽 再由贫液泵打入脱硫塔顶吸收半水煤 气中的硫化氢 吸收硫化氢后脱硫液循环再生使用 再生槽浮选出的硫泡沫流 入泡沫中间槽用泵打入沉降槽 沉降后溶液回到父液槽 泡沫放入融硫釜 用 蒸汽加温到 120 130 以上 硫成熔融状态放出 装盒 凝团 入库 融硫后分 离出的脱硫液放入地下池 再经过滤后打入贫液槽循环使用 循环冷却水将半 水煤气洗涤并降温后经液封进入凉水塔 冷却后的水由冷却泵打至冷塔 与半 水煤气逆流接触 4 1 4 2 工艺流程图 脱硫工段工艺流程图如 3 1 1 所示 溶液 贮槽 水 坛 地下 池 地下池 溶 硫 釜 分 离 坛 沉 降 坛 泡 沫 坛 再生坛 液 位 调 节 器 富 液 坛 贫 液 坛 液 封 塔 硫 冷 塔 水 分 水 封 静电除焦 器静电除 焦器 煤气鼓风 机 焦碳过 滤器 塔 气 洗 污 水 气 柜 来 煤 气 循环水 二次脱硫来泡沫 去压缩一入 去压缩一入 软水来 脱 图图 4 1 1 脱硫工段工艺流程图脱硫工段工艺流程图 4 1 4 3 正常操作要点 1 经常注意罗茨风机出入口压力 防止出入口超压或入口成负压 注意风机出 入口半水煤气温度 保证各风机正常运行 2 经常注意各泵电机电流 温度 保证各泵打液量正常 注意贫富液槽液位 防止出现假液位及泵抽空 3 注意脱硫前硫化氢含量变化 及时调整药品加入量 注意脱硫后煤气硫化氢 含量 超标要及时查找原因 4 注意调节 888 溶液滴加量 保证均匀滴加 5 注意放硫量是否正常 6 注意喷射器压力 保证再生槽液位稳定 调节液位是泡沫正常溢流 7 注意观察静电除焦内电压及电流值是否正常 8 注意氧气含量高低 如有异常及时通知有关岗位 9 注意风机 泵润滑油位 保证润滑油足量 10 调节冷塔水量及风机喷水量 保证吸收温度及再生温度 11 注意按时排放各设备管道 防止积水 4 1 4 4 设备一览表 表表 4 1 1 脱硫工段设备一览表脱硫工段设备一览表 序号名称规格型号或图数量备注 号 1罗茨风机 346m3 min L94WD3电机 JS158 8 2罗茨风机 160m3 min L82WD1电机 JS127 6 3罗茨风机 116m3 min LG480 665 2 2电机 JS125 6 4脱 S 贫液泵 419 4m3 min 250S 65A2电机 Y280M 4 5贫液泵 790m3 min 300S 581电机 Y315M 4 6富液泵 485m3 min 250S 653电机 Y315M 4 7富液泵 720m3 min 12SH 6B1电机 Y315M 4 8 药品补充溶液泵 45m3 min 3BA 91电机 JO 42 2 2 9泡沫泵 100m3 min3BA 91电机 JO 42 2 2 10釜液泵 45m3 min3BA 91电机 JO 42 2 2 11贮槽倒液泵 170m3 min6BA 81电机 JO 72 4 2 12循环水泵 270m3 min8SH 9A1电机 Y250M 2 13循环水泵 200m3 min IS150 125 400 1电机 225 M 4N 14清水泵 54m3 min H260m80F 601电机 JJ1 2 检修冲脱 S 塔 15气柜后水封 宽 1 8m 长 2 8m 高 1 85m 1V 9m3 16洗气塔 2400 11480 161V 51 9m3 17焦炭过滤器 4000 4000 101气柜后 250 m3 18冷却塔 3200 26695 161脱 S 塔前 V225 m3 19冷却塔液封槽 1200 6835 61V 7 7 m3 20脱碳塔 4200 33200 1406A4211 76 阶梯环填料 高度 14 8m 分四段 205m3 21脱硫塔液封槽 1400 6835 61V10 5m3 22贫液槽 4500 5500 81V87m3 23富液槽 4500 5500 81V87m3 24再生槽9500 8500 12812 12 6000 1 V300m3附件 17 个其中 喷射器 273 8 H3222 喷嘴 38 吸空气 量 145m3 h 溶液流量 86m3 hLJ 300 1 型吸空气 量 300m3 h 溶液流量 50m3 h 25静电除焦 1930 8100 6JDCJ01 402 26静电除焦 3000 10100 10 2800 1 27汽水分离器 2400 4500 161V20m3冷却塔 28冷却塔循环槽 5000 6000 121 29硫泡沫中间槽 2000 3385 1201 3131V117m3 30熔 S 釜 1200 12 4680 1400 8 10A761V15m3 31硫泡沫清夜槽 1000 2240 61V3 64m3 32硫泡沫清夜槽 1000 2240 61V1m3 33硫泡沫槽 3000 6362 102V25m3 34溶液贮槽 7000 8110 61V300m3 35溶液制炃槽 2000 2000 61V6 28m3 4 2 一氧化碳的变换一氧化碳的变换 4 2 1 变换任务 变换岗位是负责把水煤气中的 CO 转化为 CO2 使 CO 含量控制在一定的指 标范围内 同时得到等体积的 H2 CO 不仅不是合成氨所需要的 反而对氨合 成催化剂有毒害 而 CO2和 H2是生产尿素和氨合成的原料气体 所以变换过程 既是原料气的净化过程 又是原料气制造的继续 4 2 2 反应原理 CO H2O g CO2 H2 H 41 2kJ mol 由于煤气中还含有一定量的有机硫化物 所以还有如下反应 CS2 2H2O 2H2S CO2 COS H2O H2S CO2 COS H2 H2S CO 由 CO 的变换反应可以看出 该反应是向煤气中添加一定量的水蒸汽在一定温 度压力下 借助催化剂的作用 使 CO 转化为 CO2和 H2 变换反应是一个可逆的放热反应 要尽一切可能使反应向生成 CO2和 H2的方向 进行 要从化学平衡和反应速度两点着眼确定操作条件 生产中所控制的温度 压力 蒸汽 催化剂 就是考虑到化学平衡和反应速度及反应方向而确定最适 宜的条件 4 2 3 工艺流程及流程图 3600 气体流程 来自压缩二段的半水煤气 经油水分离器分离油污后 进入饱和塔的底部 与塔顶喷淋而下的热水逆流接触 提高了半水煤气的温度 并饱和了一定量的 蒸汽 洗去了灰尘和油污 从饱和塔的底部出来 进入预热交底部管内 从顶 部出来后进入主热交顶部管内 从底部出来进入中变电炉的底部 从顶部出来 进入中变炉的顶部 经一段触媒变换后 在二 三段上空冷激喷淋后依次经二 三段触媒变换 从底部出来进入主热交下部管间 从上部出来进入预热交上部 管间 从下部出来进入低变炉顶部 经两段触媒变换后 从底部出来进入水加 热器上部管间 从下部出来进入热水塔下部 从上部出来进入软水预热器上部 管内 从下部出来进入冷却冷凝塔顶部管内 从底部出来送至 1800 变脱进一 步净化 3600 液体流程 由热水塔来的热水经热水泵提压后 送入水加热器底部管内 从顶部出来 进入饱和塔的上部 与半水煤气逆流接触 从底部出来后经水封进入热水塔上 部 从底部出来进入热水泵 打至系统循环使用 工艺流程图如下所示工艺流程图如下所示 来自软水岗位 锅炉来蒸汽 来自一次脱硫后半水煤气 来自压缩二段出口 来自软水岗位 至锅炉 来自一次水 至压缩三入 至变脱 至碳化 冷 凝 塔 软 水 预 热 器 油 水 分 离 器 水 加 热 器 低变炉 予 热 交 换 器 主 热 交 换 器 电 炉 中变炉 低变电加热器 水封 饱 和 热 水 塔 图图 4 2 1 变换工段工艺流程图变换工段工艺流程图 4 2 4 工艺指标 4 2 4 1 温度 1 饱和塔出口气体的温度 105 2 冷塔出口气体的温度 50 3 中变炉催化剂触媒热点温度波动范围 10 4 低变炉入口温度 190 240 热点温度 280 4 2 4 2 压力 1 饱和塔入口气体压力 0 82MPa 4 2 4 3 成份 1 半水煤气 O2含量 0 5 2 CO 的含量 2 0 5 0 3 热水塔水中总固体 500 1000 ppm 4 2 5 正常操作要点 4 2 5 1 催化剂床层温度的控制 A 用蒸汽调节触媒层温度 在蒸汽压力正常情况下 根据流量大小 温度的变化以及半水煤气中 CO O2含量的高低及时调节蒸汽用量 如蒸汽压力不稳或太低 可联系锅炉房 要求压力稳定或提高至正常压力 在不得已的情况下 可联系调节压缩