17万方每小时合成气的壳牌煤气化工艺设计毕业论文.doc

中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 1 页 17 万方每小时合成气的壳牌煤气万方每小时合成气的壳牌煤气 化工艺设计毕业论文化工艺设计毕业论文 目 录 1 总 论 1 1 设计概况 1 1 1 1 企业与项目概况 1 1 1 2 项目背景及投资必要性 1 1 1 3 产品介绍 2 1 1 4 简要结论 4 1 2 项目设计中的全局性问题 4 1 2 1 设计基本原则 4 1 2 2 厂址方案 4 1 2 3 总平面布置 5 1 2 4 道路与绿化设计 6 1 2 5 建筑设计情况 6 1 2 6 采暖与通风设计 7 1 2 7 控制系统设计 7 1 2 8 电力供应设计 9 1 2 9 给排水设计 10 1 2 10 人员组织 11 1 3 工艺选择与介绍 12 1 3 1 煤气化基本原理 12 1 3 2 气化工艺选择 15 1 3 3 干法粉煤气化工艺关键 23 1 3 4 气化厂主要考核指标清单 23 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 2 页 1 3 5 磨煤及干燥技术方案 24 1 3 6 其他关键技术方案选择 25 1 4 工艺流程说明 工艺流程图见附图 25 1 4 1 壳牌气化基本原理与特点 25 1 4 2 气化流程简介 26 1 4 3 环保与安全 31 2 气化工艺设计及计算气化工艺设计及计算 31 2 1 计算参数 31 2 2 工艺计算 32 2 2 1 基本数据计算 32 2 2 2 气化过程平衡计算 33 2 2 3 合成气制造总过程的热量平衡 35 2 3 关键设备选型 36 2 3 1 磨煤机选型 36 2 3 2 气化炉选型 39 2 3 3 炉气输送管及蒸汽过热器 41 2 3 4 合成气冷却器 42 2 3 5 循环气压缩机 44 2 3 6 捞渣机选型 46 2 3 7 二氧化碳压缩机选型 47 2 3 8 氧气预热器 50 2 3 9 洗气塔的选型 56 2 3 10 各种泵的选型 59 3 二期总经济概算二期总经济概算 61 3 1 基础数据 61 3 1 1 产品方案及生产规模 61 3 1 2 项目投资与资金来源 61 3 1 3 经济计算期与建设期 62 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 3 页 3 1 4 资金使用规划 62 3 1 5 固定资产折旧费与无形递延资产摊销费 62 3 1 6 产品价格及税率 63 3 2 财务分析 63 3 2 1 成本估算 63 3 2 2 销售收入 利润及税金 63 3 2 3 投资利税率与投资利润率 64 3 2 4 偿还贷款能力与偿还贷款年限 64 3 2 5 现金流量及评价指标 64 3 3 不确定性分析 65 3 3 1 敏感性分析 65 3 3 2 盈亏平衡分析 65 3 4 经济概算小结 66 参考文献 参考文献 67 致致 谢谢 69 1 1 设计概况 1 1 1 企业与项目概况企业与项目概况 永城煤电 集团 有限责任公司所属永夏矿区位于豫东永城市境内 地处黄淮冲积平原北部 苏 豫 皖接壤地带 毗邻华东 华南工业区 矿区外围 100 公里内有陇海 京九 青阜三大铁路干线交汇 区内铁路 公路交织成网 并与国铁 国道连接 地理位置优越 交通运输十分便利 永夏矿区以永城为中心 南北走向长 55 公里 东西宽 25 公里 含煤 面积 716 平方公里 煤炭储量丰富 煤质优良 探明地质储量 25 6 亿吨 工业储量 19 85 亿吨 可采储量 12 6 亿吨 另有天然焦 6 亿吨 煤层赋存 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 4 页 稳定 属中厚煤层 地层倾角在 10 20 适于机械化开采 本区含煤地 层为石碳二迭系 属华北型含煤沉积 煤种以无烟煤为主 煤质优良 具 有特低硫 特低磷 低灰 高发热量 高灰熔点 可磨性好 热稳定性好 等特点 是冶金 电力 化工 建材 民用等行业的首选洁净燃料 永煤集团已于 04 年建设了一个可供 50 万吨甲醇所需的原料合成气的 煤气化装置 考虑到化工企业的规模效益结合市场的需求 现决定在原有 一期工程基础上 再设计一套合成气产量为 17 万方每小时东大煤气化装置 该设计项目主要部分为永煤集团龙宇煤化工二期工程中的煤气化工艺 设计 其中的工艺与制图部分都只是关于气化的 而其经济核算方面由于 考虑到项目的整体性而将下游的甲醇装置与辅助装置都纳入了计算范围 1 1 2 项目背景及投资必要性项目背景及投资必要性 永煤集团煤炭资源储量大 煤质为特低灰 特低硫 低磷 中高发热 量的低变质无烟煤 是优质的工业气化 冶金 化工 动力 环保用煤 产品在华东 华南地区及东南亚等国内外市场均受赞誉 尽管如此 由于缺乏资金等诸多因素的影响 使该地区长期以向外销 售原料煤为主 煤矿开采成为当地的支柱性产业 产业结构单一 地方其 他工业十分薄弱 资源优势未能得到应有的发挥 制约了地区经济的大踏 步发展 随着我国加入 WTO 及能源战略向中西部转移 国家和河南省政府更进 一步重视豫东地区的煤炭开发 一方面加大资金投入 形成了 1280 万吨原 煤的生产能力 另一方面 积极扩展投资渠道 寻找发展前景良好的投资 去向 把直接输出煤资源 改为大力发展以煤为原料的化工产品加工业 全方位扩展当地工业发展的格局 大幅提升输出产品的经济价值 推动当 地经济的迅猛发展 国家实施西部大开发的战略决策以及省政府的大力支持 为永煤集团 的发展提供了十分有利的历史机遇 抓住这个难得的机遇 把本地区的资 源优势转化为经济优势 增加新产品 寻求新的经济增长点 把永城建设 成能源重工业基地 是因地制宜发展当地经济的必由之路 既符合国家及 省政府的发展战略 也是永煤集团保持企业持续发展之必要条件 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 5 页 永煤集团依据政府发展规划和资金来源状况 由永煤集团出资 目前 已有一个 50 万吨 年甲醇生产装置在生产中 拟再建一套合成气产量为 17 万方每小时的生产装置 以此作为发展煤化工的基础 本项目在煤气化 酸性气体脱除等主要工艺技术上 拟采用国内外的 先进技术 以安全 环保 低耗 节能 节水为本 生产操作实现高水平 自动化和机械化 将成为现代化企业的典范 以此带动和推进当地工业技 术水平的提高 促进和实现企业及地区的可持续发展 而项目建成后 每年消耗当地煤 122 万吨 生产出的合成气可产甲醇 50 万吨及少量副产品 产值由 2 2 亿元人民币提升至 8 3 亿元人民币 产生 年均利润 2 8 亿元 与此同时 还必将扩大就业岗位 增加社会服务需求 促进社会繁荣 总而言之 煤气化装置的兴建 可充分发挥当地的资源优势 应用现 代高新技术改造传统产业 促进了当地经济结构调整和永煤集团产业的优 化升级 培育新的经济增长点 实现可持续发展 为地区煤化工的发展奠 定了良好的基础 具有良好的经济效益和社会效益 1 1 3 产品介绍产品介绍 煤气化产物的有效组分是 CO H2 和 CH4 其通过调节组分比例而被 广泛地应用于国民经济的不同部门 包括合成气 城市煤气 工业用燃气 联合循环发电用燃气及冶金工业还原气等 如今 国内外正在把煤化学发 展成以煤炭气化为基础的一碳化学工业 是煤化工由能源型转向化工型 所以 煤气化制合成气 主要成分为 CO H2 将成为主要发展方向 合成气又可称为化工原料气 其除了作为气体燃料使用外 它的另一 个重要用途是作为化工合成的原料 并已展现出广阔的前景 由于合成气 化工和一碳化学技术的开发和发展 使以煤气化制取合成气 进而直接合 成各种化工产品的路线已成为现代煤化工的基础 当前国内外进行合成研究的重点集中在以下三个方面 1 醇类 甲醇 乙醇 低碳混合醇 乙二醇 2 烃类 烷烃 CH4 烯烃 芳烃 汽油 柴油 3 酸类 醋酸 近来研究表明 大部分化工原料 烷烃 烯烃 芳烃等 均可以从合 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 6 页 成气直接合成 从而一次产物 如甲醇 又可进一步合成更多产物 如下 图 1 1 所示 F T 油裂解 H2O H2 CO 羟基合成 CO 图 1 1 各种合成路线 在醇类合成中 甲醇占据着重要的地位 它既是重要的化工原料 又 是重要的二次能源 能直接从 CO H2 合成的许多产物 几乎都可以通过甲 醇间接制取 而且往往在技术上和经济上更有利 因此通过经济核算本装 置所生产的合成气将被应用于制甲醇 在烃类合成中 甲烷合成作为从合成气中脱出微量 CO CO2的手段已 在合成氨等工业中得到应用 大规模制取高浓度甲烷已在美国实现工业性 生产 我国为提高城市煤气的热值也正在开发低热值部分甲烷化 液态烃的合成 即费 托合成工艺是利用催化剂使 CO 加氢合成制得高 辛烷值汽油 它是煤炭间接液化的基础 其烯烃的直接液化目前还处于试 验阶段 并不成熟 醋酸的合成一般采用甲烷和一氧化碳的羟基化法 用 Rh I2作催化剂 在我国 目前合成气用量最大的是化肥工业 尤其是中小合成氨厂几 乎均采用水煤气工艺 由煤制合成气作为合成氨原料 因而 无论从近期或远景来看 煤炭气化制合成气都在我国化工工业 甲烷 N2 氨 CO H2 合成气 烃类 烯烃 含氧化合 物 乙醇 醋酸 甲醇 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 7 页 发展以及能源安全保障中发挥着不可估量的作用 1 1 4 简要结论简要结论 1 产品市场前景良好 符合国家能源发展战略和国家产业政策 工 艺技术先进 成熟 可靠 能耗低 安全 卫生 环保等各项措施完善 符合国家标准 2 从财务分析看 所得税前内部收益率 14 68 大于行业基准收益 率 12 3 敏感性分析表明本项目有较好的抗风险能力 4 增加地区和国家税收 扩大就业岗位 拉动社会需求 促进地区 社会繁荣 社会效益良好 因此本项目是可行的 1 2 项目设计中的全局性问题项目设计中的全局性问题 1 2 1 设计基本原则设计基本原则 1 煤气化 酸性气体脱除等核心工艺和关键设备引进国际先进技术 和装备 以实现工厂低消耗 高可靠性 长周期运行 其它工艺技术和装 备立足国内 通过优化设计 力求先进适用 稳妥可靠 2 充分依托一期工程及矿区现有的设施 社会力量和自然资源 包 括利用矿井涌水资源 力争少拆迁 少征地 努力减少工程建设投资 降 低生产成本 3 严格执行国家及有关部委 当地政府颁布的有关法令法规及标准 规范 贯彻落实国家环保及安全卫生的有关政策和法规 做到工程建设 环境保护和安全卫生 三同步 创建优质环保工程 4 设计贯彻 装置布置一体化 生产装置露天化 建构筑物轻型化 等基本原则 1 2 2 厂址方案厂址方案 永城煤电 集团 有限责任公司所属永夏矿区位于豫东永城市境内 地处黄淮冲积平原北部 苏 豫 皖接壤地带 毗邻华东 华南工业区 矿区外围 100 km 内有陇海 京九 青阜三大铁路干线交汇 区内铁路 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 8 页 公路交织成网 并与国铁 国道连接 具有优越的地理位置和良好的交通 运输条件 永城煤电 集团 有限责任公司一期年产 50 万吨甲醇项目建在永城市 侯岭镇市林业局苗圃场的用地 地势平坦 厂区内最高海拔标高为 32 98 m 最低海拔标高为 30 88 m 厂址西侧有大青沟 东侧有矿区铁路集配站 厂区铁路专用线可从集配站接轨进入厂区 厂区周围预留有发展用地 厂区规划占地面积 88 97 104 m2 一期年产 50 万吨甲醇项目占地面积 36 34 104 m2 本设计的年产 50 万吨甲醇项目布置在预留地上 污水拟排 入小运河 距离约 7 公里 通过小运河排入汪楼沟 最终排入新城区下游 的沱河 供电从矿区中心站接入 距离约 6 5 公里 一期已建外供电能力可以满 足二期的需要 原料煤来自永煤集团公司的三对生产矿井和一对在建矿井 输送距均在 15 km 范围内 并已建成配套铁路 原料运输成本低 本厂厂址位于市区的侧风向 使市区居民生活环境不受污染并可满足 防火安区要求 但本项目用地属于平原地区 地势平坦 整个矿区地表水 系发育 共有沟河 26 条 其中王引河 沱河 浍河和包河为最大 号称永 城市境内四大河流 均由西北流向东南 至安徽省境内汇入淮河 各主要 河流均有很多支流 大部分为季节性河流 主要河流洪峰显著 年内洪水 期和干旱季节的流量悬殊 洪水时河流超过地面标高 造成内涝 干旱时 河流断流 因此 本设计在厂区周围考虑防涝措施 适当提高装置区标高 1 2 3 总平面布置总平面布置 本项目新建装置和建 构筑物包括 煤气化装置 硫回收装置 甲醇 装置 空分装置 火炬等工艺生产装置和总降压站 热电站 循环冷却水 站 给水加压站 除盐水站 厂区主控楼等辅助生产设施以及固体贮运设 施 甲醇成品罐区组成的工厂贮运系统 考虑到经济 安全等方面因素具 体布置如下 总平面设计将新增装置中的硫回收和除盐水布置在一期相同装置附近 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 9 页 的预留地上 新增成品罐区布置在一期污水处理西侧的预留地上 新增中 间罐区分别布置在合成净化联合装置内部和一期罐区内 二期原水净化和空分装置分别对应布置在一期相同装置的南面空地 为二期空分装置服务的循环水就近布置在一期空分西面的预留地上 使空 分循环水管线短截 避免穿越一期用地 煤库和热电站布置在一期煤库和热电站的北侧 煤气化装置布置在新 增热电站的北侧 上煤系统利用一期的卸煤槽和 1 2 3 号转运站 将煤 输送至新增干煤库 热电站和煤气化 这样布置使一二期煤储运系统 热 电站系统连成一体 有利于运营和管理 合成净化联合厂房布置在热电站的西侧 为二期煤气化和联合装置服 务的循环水靠近其服务对象布置 二期的主控楼紧邻煤气化布置在其西侧 位于两大主装置的之间 便于为其服务 火炬在一期火炬旁扩建 污水处 理利用火炬南面的厂外污水处理厂 1 2 4 道路与绿化设计道路与绿化设计 本项目为二期工程将不新增铁路专用线 利用一期的卸煤线 装车 线和装卸设施 二期出入口利用北面和西面货流出入口 新建道路与一期一致 采用 城市型道路 道路宽为 9 m 和 6 m 装置区周围设置环形道路系统 可同时 满足运输 检修和消防要求 道路转弯半径为 12 m 道路结构层依次为 C30 水泥混凝土面层 20 cm 石灰渣土基层 30 cm 绿化设计遵循因地制宜 有利环保 美化厂容 净化空气 努力改善 劳动条件的原则 设计中考虑沿厂区周边及道路两侧种植行道树 控制楼周围为重点绿 化区域 在布置形式上考虑与建筑物相协调 种植一些较具观赏性的乔木 和花灌木 生产区空地内以植草皮为主 配植小型灌木 绿化树种结合当 地实际情况以选择耐酸碱 抗尘的树种为宜 1 2 5 建筑设计情况建筑设计情况 本项目的气化装置为一高达百米的框架结构 其占地面积约为 900 m2 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 10 页 左右 共有十二层结构 厂区建筑物按二类防水建筑和七度防震设计 建 构筑物的平面和空间布置 除应满足工艺生产 工人操作 维修 安全等 要求外 尚应综合地结合化工生产的特点 如防火 防爆 防腐蚀 防噪 声 防毒等因素合理布置 框架结构的填充墙宜采用轻质砌块 如蒸压加气混凝土砌块 一般生 产厂房及框架的主要楼梯坡度不应大于 45 疏散用室外钢梯 上操作平 台钢梯 直爬梯除外 坡度不应大于 59 一般生产厂房则采用水泥砂浆 楼地面 办公和卫生用房可用水磨石 防滑地砖楼地面 控制室采用抗静 电活动地板 室外露天设备操作区 应设现浇混凝土地坪 厚度不应小于 150 mm 其他辅助建筑可延续使用一期工程的原有建筑 这将节约部分固定投 资 1 2 6 采暖与通风设计采暖与通风设计 1 采暖设计说明 1 该地区属采暖区 厂房及生产辅助间均设采暖 2 厂房内采暖设计温度遵照工艺等专业所提要求进行采暖设计 对 生产辅助间 如值班室 操作室等室内设计温度为 18 对无人值班但有 防冻要求的生产厂房 设 5 的值班采暖 3 生产厂房及辅助设施采用热水采暖 散热器采用高频焊绕制翅片 散热器 较远的输煤栈桥采用蒸汽采暖 散热器采用光管散热器 凝结水 考虑回收 2 通风设计说明 1 对自然通风不能满足生产工艺要求的考虑机械通风 对事故时会 产生大量的烟雾及气味的厂房考虑事故排风 2 对放散热量比较大的厂房 设轴流通风机以排除室内余热 3 对有有害气体产生的操作岗位 通风柜 排风罩等 设防腐离 心通风机将有害气体排至高空稀释排放 3 空调设计说明 1 各分析室夏天设空调 冬季设采暖 2 对室内有温湿度精度要求的控制室 设恒温恒湿空调系统 以满 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 11 页 足设计要求 1 2 7 控制系统设计控制系统设计 1 DCS 系统 本项目采用的 DCS 是一个功能完善的系统 具有过程控制 连续控制 和离散控制 操作 显示记录 报警 制表打印 信息管理 可与上位机 或其它计算机 ESD PLC 等 通讯 系统组态以及自诊断等基本功能 同时 DCS 也是一套开放的系统 其通讯层次结构符合 OSI 参考模型 符合 TCP IP 协议和 IEEE802 协议族的有关协议 并采用 Windows NT 操作 系统 具有良好的人机界面 良好的控制和检测性能等 并提供丰富的多 用途的实时数据库和历史数据库 硬件配置应易于升级和扩展 2 ESD 系统 所采用的 ESD 是一个基于微处理器技术的 具有高度安全性和可靠性 独立于 DCS 之外的安全系统 该系统具有实现装置紧急停车和安全联锁所 必需的基本功能 如逻辑运算 事件序列 SOE 信息管理 可与上位机 和 DCS 通讯 系统组态以及自诊断等 并获得 TUV 或相当级别认证机构 的安全认证 3 现场仪表 A 温度仪表 就地温度指示仪表选用防护抽芯式双金属温度计 表盘直径 100 mm 集中检测和控制用测温元件 温度较高时采用热电偶 分度号为 K 温度 较低时采用热电阻 分度号为 Pt100 除非工艺介质有特殊要求 一般采用 304 不锈钢的保护管 B 压力仪表 就地压力指示仪表根据不同工况选用弹簧管压力表 膜盒压力表或差 压表 对于易发生堵塞及强腐蚀性场合 选用隔膜压力表 隔膜材料根据 工艺介质情况选用 泵出口就地压力测量尽可能选用耐震压力表 压力表 刻度盘直径一般为150 mm C 流量仪表 流量测量一般选用标准法兰取压同心锐孔板配差压变送器 孔板材质 一般为不锈钢 特殊要求时根据介质确定 电磁流量计用于强腐蚀性或含 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 12 页 有固体颗粒的导电介质的流量测量 旋涡流量计用于蒸汽 气体和液体宽 量程且管道振动不足以影响仪表正常使用的场合的流量测量 管道内径小 于50 mm的流量测量 一般采用金属转子流量计 进煤烧咀的煤流量测量采 用特殊煤流量测量仪表 根据不同的工况 也可采用其它类型仪表热质量流量计和靶式流量计 等进行流量测量 D 物位仪表 集中液位测量一般选用差压式变送器 对于腐蚀性 易结晶的介质采 用隔膜密封型液位变送器 对固体料位的测量采用 射线料位计和电容式 料位计 根据不同的工况 也可采用其它类型仪表进行液位测量 如外浮筒液 位计等 E 称重仪表 对给煤仓 灰仓静设备中物料的测量采用称重传器测量其重量 皮带 输送机的固体流量测量采用电子皮带秤或核皮带秤 F 控制阀 调节阀的选用根据工况 分别选用单座阀 蝶阀 旋塞阀或套筒调节 阀 工艺过程发生故障时需要阀紧急打开或关闭的场合 选用配有防爆电 磁阀的快速切断阀 调节阀阀体材质与管道材质相符或更高 阀内件材质根据介质情况确 定 执行机构一般采用气动执行机构 若工艺要求气源故障时 调节阀还 应正常工作 其执行机构采用电动执行机构 并采用双回路供电系统 开关阀的结构型式为球阀 对一般性介质阀座为软阀座 含固体介质 或高温介质采用金属阀座 阀体材质与管道材质相符或更高 对用于重要 场合的开关阀 如煤锁斗阀 渣锁斗阀 灰锁斗阀及煤粉三通阀等 采用 特殊阀 G 气体检测仪表 在装置区 压缩机区等易发生可燃气泄漏的场所 设置可燃气体 易 发生有 CO H2S 气体泄漏的场所设置 CO H2S 检测器 检测变送器的防 护等级不低于 IP65 采用隔爆型 防爆等级不低于 dIICT4 可燃 有毒气 体报警部分设置专用的二次仪表 拟采用十六通道带通讯和报警输出的检 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 13 页 测报警控制器 二次仪表安装在装置控制室 从二次仪表送信号到 DCS 进行报警 记录 并按区或单元送综合报警接点信号去中央控制室进行硬 灯屏报警 1 2 8 电力供应设计电力供应设计 河南永城煤电 集团 有限责任公司二期年产 50 万吨甲醇项目配套电气 设施包括 110kV 总降改造 一座电站控制楼 含 6 kV 配电 工艺生产装 置及与之配套的公用工程及辅助生产设施等的配电 照明 防雷与接地 本设计包括按一期规模除 C02压缩机不上 气轮发电机不上 全厂循 环水减少四台循环水泵 厂前区不再上外 其它如甲醇装置 煤气化装置 净 水站 除盐水站 煤贮运 热电站均需新建 设计总需要负荷约为 28000 kW 在本工程一期所建总降扩建 总降压站新增二台 25MV 110 6 3 kV 双 绕组有载调压降压变压器 该二台变压器电源分别引自原 110kV 母线一 二段 并设置 6kV 第五 六段 新增的热电站主控楼的电源引自新增的 6 kV 母线段母线 该母线段同时向二期总降附近装置高压负荷供电 如 污 水处理站配电变压器 空分装置配电变压器等装置的负荷 在新热电站附近新建热电站主控楼 在该主控楼由高压配电室 低压 配电室 高压变频器室 控制室组成 向附近的高压负荷供电 根据低压负荷分布同时又考虑与全厂配电装置的协调 方便各工段的 计量及成本核算 合理的配置车间变电所和低压配电室 即在如下工段附 设车间变电所 A 热电站主控楼车间变电所 该变电所共设置 2000 kVA 6 0 4 0 23 kV 配电变压器 2 台 低压系统采用单母线分段接线 对煤气化及热电站的 低压负荷供电 B 固体贮运设施变电所 该变电所设置 800 kVA 6 0 4 0 23 kV 配电 变压器 2 台 低压系统采用单母线分段接线 对固体贮运设施低压负荷供 电 C 循环水变电所 该变电所设置 2000 kVA 6 0 4 0 23 kV 配电变压 器 2 台 2000 kVA 6 0 4 0 23 kV 配电变压器 2 台 采用两两组合 低压 系统采用单母线分段接线 分别对循环冷却水装置 甲醇装置的低压负荷 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 14 页 供电 D 污水处理站变电所 该变电所设置 1250 kVA 6 0 4 0 23 kV 配电 变压器 2 台 低压系统采用单母线分段接线 对污水处理站及脱盐水站的 低压负荷供电 E 空压站变电所 该变电所设置 1250 kVA 6 0 4 0 23 kV 配电变压器 2 台 低压系统采用单母线分段接线 供给新建的空分装置的低压负荷 F 给水加压站变电所 该变电所设置 630 kVA 6 0 4 0 23 k 配电变压 器 2 台 低压系统采用单母线分段接线 用电负荷约为 608 kW 1 2 9 给排水设计给排水设计 1 给水系统 本项目给水系统分为生产消防给水系统 高压消防给水系统 生产生 活给水系统 即一级除盐水 除盐水和循环冷却水系统说明见下述相应章 节 1 生产消防给水系统 生产用水量为 2559 m3 h 用于各生产装置工艺水 地坪冲洗 循环水 补充水和除盐水站进水 来源于给水加压站生产水泵 2 生产生活给水系统 生产生活给水系统给水总量为 150 m3 h 用于厂区生活用水 15 m3 h 其余供生产的设备冲洗等一次用水 供水压力 0 4 MPa G 要求水质符 合饮用水国家标准 来源于 二期 除盐水站并与一期该系统的管网连接 3 水消防系统 二期水消防系统利用一期的设备 但管网需分别连接 低压消防水泵 利用一期的设备 出水与一期生产消防给水管网连接 供水压力 0 5 MPa G 高压消防水泵利用一期的设备 供二期甲醇罐区及煤气化装置消防用 高压消防管网与一期连接 供水压力 1 6 MPa G 2 排水系统 根据清污分流的原则 二期项目排水分为生产生活污水系统 雨水洁 净废水排水系统 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 15 页 1 生产生活污水系统 生产生活污水系统分三个管网 其一为生产污水有压管线 采用管架 收集煤气化装置 甲醇装置生产污水 其二为装置地面冲洗水 洗罐水 生活污水 初期雨水的生产生活污水重力流地下管网 其三是利用雨水洁 净废水系统收集事故污水入全厂事故水池 三个管网的生产生活污水均需进入 3 万吨污水处理厂进行生化处理 达到国家综合排放一级标准 2 雨水洁净废水系统 洁净废水系统收集锅炉设备的冷却排水 以及冷却塔排水 公用工程 反洗排水和雨水 除盐水站的有压浓盐水用管架输送入水池 以便被洁净 废水均匀稀释 厂区内清净雨水经管道收集入二期雨水池 由雨水泵排放至 厂区附近的大青沟 洁净废水入排水池 由排水泵排放 清净废水雨水排放量预计 14000 m3 h 二期项目排水水量为 1653 m3 h 合计 15653 m3 h 3 回用水系统 净水站的过滤反洗排水部分回用于固体储运设施冲洗和热电站冲灰给 水 4 污水处理厂和排水泵房 污水由 3 万吨污水处理厂处理后水经排水泵收集加压后排至厂外东南 方向 7 km 处的汪楼沟 最终汇入沱河 二期项目在一期的基础上设置事故池 一期 二期事故池总容积合计 8000 m3 其中二期事故池容积 4000 m3 1 2 10 人员组织人员组织 1 生产班制 本项目生产装置为连续操作 年运行时间为 333 天 根据国务院规定 每周实行 40 小时工作制 因此生产车间按四班制操作运行按五班配备人员 即五班四轮制 2 定员 由于生产装置采用的工艺技术为世界先进水平 同时采用了先进的总 线控制技术 装置自动化程度高 运行稳定可靠 完全可以按国外生产操 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 16 页 作水平 考虑一 二装置进行统一管理设置岗位 本工程新增定员 326 人 其中煤气化装置定员为 49 人 具体见附 表表1 1 气化装置定员气化装置定员 序号 项目 单班人 数 班 次 总人 数 1操作人员6530 2技术人员313 3管理人员313 4检修人员2510 5其他 安全 财务 313 6共计49 1 3 工艺选择与介绍 1 3 1 煤气化基本原理煤气化基本原理 煤气化 从狭义来说 即在煤气发生炉中 煤料在高温条件下 与气 化剂 空气 氧气 水蒸汽 二氧化碳或是它们的混合物 作用产生煤气 的过程 从广义上来说 即煤由固态转化为气态的过程 也就是从煤转变 成煤气的过程 1 煤气化本质 煤气化过程的实现 必须有气化炉 其画原料和气化剂 气化炉是进 行煤炭气化作业的设备 气化原料包括各种煤或焦炭 气化剂为氧气或其 他含氧物质 空气 水蒸汽 二氧化碳等 其本质如下 焦炭 焦化 1 煤质大分子 活性的不稳定的碳 煤焦 气化剂 气化剂 气化剂 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 17 页 挥发分 气态物 CO H2 CH4 图 1 1 煤气化本质联系 2 煤炭气化的主要反应 1 碳的氧化反应 C O2 CO2 393 8 MJ kmol 2 碳的部分氧化反应 2C O2 2CO 221 1 MJ kmol 3 二氧化碳的还原反应 C CO2 2CO 162 4 MJ kmol 4 水蒸汽分解反应 C H2O g CO H2 131 5 MJ kmol C 2H2O g CO2 2H2 90 0 MJ kmol 5 一氧化碳变换反应 CO H2O g CO2 H2 41 0 MJ kmol 6 碳的加氢反应 C 2H2 CH4 74 9 MJ kmol 7 甲烷化反应 CO 3H2 CH4 H2O 206 MJ kmol CO 3H2 CH4 CO2 247 MJ kmol CO 3H2 CH4 H2O 165 4 MJ kmol 3 煤气化影响因素 A 温度 对于化学反应速度和化学平衡来说 温度是一个敏感的因素 在气流 床气化炉中 炉内温度的提高 一方面使气化反应的速度常数变大 反应 速度加快 有利于碳在瞬间完全气化 另一方面 温度影响吸热反应的平 衡 使水蒸汽分解反应的平衡朝着有利于生成一氧化碳和氢气的方向移动 因为在煤气中一氧化碳和氢气的含量增加 代表合成气质量的提高 所以 一般需维持较高的反应温度 但是 炉温的提高也受到其它条件的制约 在高温状态下进行反应 必须考虑气化炉的耐火材料 液渣的顺利排放以 及高温煤气的废热回收等问题 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 18 页 通常采用改变煤气化和蒸气煤比来调节气化炉温度 B 氧煤比 在粉煤气化中 氧煤比是最重要的反应条件 而氧耗又是重要的经济 指标 故氧煤比是控制气化过程的主要手段之一 从粉煤部分氧化的化学方程可知 CmHn O2 mCO H2 热量 2 氧的理论用量应该是氧原子数与煤中的碳原子数相等 此时 煤中的 碳通过部分氧化反应完全转化为煤气中的一氧化碳 如果氧的用量超过了 这个比值 则一部分碳将被完全氧化 生成二氧化碳 因此 按原子数计 算 氧与碳之比最高不超过 1 但是 粉煤在火焰中反应时 大量的一氧化碳和氢气是由下列反应生 成的 C CO2 2CO C H2O g CO H2 这两个反应比完全氧化反应慢很多 所需的反应时间是完全反应时间 的数百倍 所以 按照理论用量供入氧气 必然有一部分粉煤进行完全氧 化而生成二氧化碳和水蒸汽 当气化剂中加入水蒸汽或二氧化碳 可以提高上述两还原反应的速度 并通过这两反应生成一氧化碳和氢气 也就是说 水蒸汽或二氧化碳中氧 原子代替了一部分氧气的作用 而是氧气消耗量降低 这样 由于 水蒸 汽或二氧化碳带入的氧原子数应该计算在 O C 比值内 所以参加反应的实 际 O C 比值大于 1 而氧气的用量小于理论值 氧煤比对气化过程同时存在两方面的影响 一方面 氧煤比的增加使 燃烧反应放出的热量增加 炉温相对提高 有利于二氧化碳还原反应和水 蒸汽分解反应的进行 增加了煤气中的有效成分 提高了碳的转化率 另 一方面 氧煤比的增加 燃烧反应所生成的二氧化碳和水蒸汽量也增加 从而增加了煤气中的无用成分 考虑到上述两方面的因素 在它条件一定 的情下 氧煤比存在一个最佳值 此时 可以到最好的气化结果 C 蒸汽煤比 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 19 页 在气化剂中加入适量的水蒸汽可增加煤气中氢的含量 降低氧耗 并 能控制炉膛的温度 但是 蒸汽煤比也不能过高 因为炉温的降低将不利 于气化反应的进行 因此 水蒸汽的加入量与粉煤的水分以及生成气的组 成要求有关 D 反应压力 高压粉煤气化炉已是近年来世界各国研究煤气化中普遍使用的方法 在高压下 生产能力提高 气相分压增大 气化反应加快 停留时间延长 则使碳的转化率提高 E 原料煤粒度组成 由于反应物在离开火焰高温区后 气化反应进行的速度大大下降 所 以 原料煤粒度越细越好 煤粒度好 比表面积大 气化速度快 反应时 间短 碳转化率高 对于较大粒度的碳粒 有些气化炉利用离心力的作用 将较大的碳粒甩出 黏附在炉膛壁上 直到气化完为止 即使这样 对于 大粒度煤的数量也有一定的限制 如没有利用离心力的方法 则要求将煤 磨得很细 1 3 2 气化工艺选择气化工艺选择 本项目煤气化装置以永城粉煤为原料生产粗合成气 煤的灰熔点 1360 1480 灰分含量为 15 左右 灰熔点和灰份含量均较高 以无烟煤为原料生产合成气的技术中 国内以常压固定层间歇煤气化 技术最为常见 该技术成熟可靠 投资较省 设备全部国产化 但需用无 烟块煤或型煤 生产强度小 三废 排放量大 原料利用率低 能耗较高 其他常压气化技术还有 K T 炉气化技术 恩德炉气化技术等等 与当代先 进的煤气化技术相比均存在较大的差距 已经不是煤气化技术发展的主流 现在比较先进的第二代煤气化工艺技术主要有 荷兰壳牌公司的 SCGP 粉煤加压气化工艺 德国未来能源公司的 GSP 粉煤加压气化工 美国德士 古公司的水煤浆加压气化工艺 美国 Dynegy 公司的 Destec 加压气化工艺 德国 Lurgi 公司的 Lurgi 碎煤加压气化工艺等 Lurgi 工艺是最早工业化的加压气化工艺 是一种固定层块煤气化工艺 采用粒度为 8 50 mm 活性好不粘结的烟煤或褐煤为原料 在固定床中用 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 20 页 氧与蒸汽连续气化生产煤气 气化压力 3 0 MPa 温度在 900 1050 之间 采用固态排渣方式运行 煤气中约含 65 CO H2 9 的 CH4 并含 C2 焦油等 使用 Lurgi 工艺的工业装置虽较多 但由于煤气中 CH4含量 高 约 10 干基 有效气 CO H2 含量较低 因此 Lurgi 工艺只适 宜于城市煤气的生产 或在生产合成气时联产城市煤气 若把其中甲烷再 转化成合成气 需增加一套蒸汽转化及变换系统 将使生产流程复杂化 而且煤气化排水中含有较多的焦油 酚类 氨等物质 需要配置庞大污水 处理装置 才能达到环保的排放要求 因此 Lurgi 煤气化工艺用于生产合成 气时后处理工艺复杂 不经济 在水煤浆加压气化工艺中 美国 Dynegy 公司 Destec 工艺的技术指标 较好 但操作经验较少 商业应用不多 Texaco 工艺在中国的化肥工业中 有一些应用的业绩 GSP 干粉煤加压气化工艺 是 20 世纪 70 年代由前民主德国燃料研究所 开发 首先在弗莱堡先后建成 3 MW 5 MW 的中试装置 从事褐煤和含盐 褐煤的气化研究 1984 1990 年试验了 42 种褐煤和 15 种来自世界各地的 硬煤 1984 年在黑水泵厂建成了单炉每天投煤量 720 吨的示范装置 该装 置于 1989 年原料改用废油 焦油等各种浆状废料进行 该装置完全用褐煤 满负荷运行约 4 年 目前还没有更大的装置 GSP 专利技术经过多次技术 转让 目前属于德国未来能源公司 FUTURE ENERGY GmbH 现在主要 从事研究开发 工程设计 煤气化预评价 煤种试烧等工作 Shell 公司的 SCGP 粉煤加压气化工艺 是近年发展起来的先进煤气化 工艺之一 已被成功地用于荷兰联合循环发电工厂的商业运营 目前国内 已有湖北双环 广西柳化 大连大化 中石化湖北分公司 洞氮 安庆 云南云天安 云南沾化 大唐国际等多套装置在建或已签合同 根据本工程的特点 煤气化工艺宜在 GSP 粉煤气化工艺 Texaco 工艺 和 Shell 工艺中选择 1 GSP 干煤粉气化工艺 GSP 工艺是一种气流床加压气化工艺 属第二代气化工艺 可以使用 固体 干煤粉或垃圾 液体 焦油等 气体 天然气等 为原料 原则 上可以处理各种各样的煤和废物 气化温度为 1400 1600 当煤灰熔点 T3 1400 需加助熔剂 气化压力通常为 2 5 3 0Mpa 负荷变化为 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 21 页 75 110 碳转化率 99 液态排渣 渣中含碳 1 粗煤气中有效气 含量 90 冷煤气效率为 78 85 单炉开工率 90 95 目前正在开 发 400MW 的气化炉 投煤量约 2000 吨 该工艺的主要特点如下 干煤粉进料 加压二氧化碳输送 连续性好 煤种适应性广 可以处 理各种含灰燃料 1 35 短期 45 也没影响 气化温度约 1400 1600 气化压力 3 0 MPa 负荷调节范围为 75 110 碳转化率高达 99 以上 产品气体洁净 不含重烃 甲烷含量 极低 煤气中有效气体 CO H2 90 氧耗低 与水煤浆气化相比 氧耗低 10 15 因而配套的空分装置 投资可相应减少 目前已投入商业运行的单台炉生产能力可达日处理煤量 720 吨 约产有效气 50000Nm3 h 热效率高 冷煤气效率 75 82 其余 10 热能被回收为低压蒸汽 总的热效率约为 90 气化炉采用水冷壁结构 无耐火砖衬里 维护量较少 气化炉利用率 高 运转周期长 无需备用炉 气化炉及内衬使用寿命在 10 年以上 气化炉由一个主烧嘴 气化室 冷激室及承压外壳组成 膜壁和外壳 间有约 50mm 间隙 间隙充 CO2 N2或粗合成气 水冷壁水冷管内的水采 用强制密闭循环 在循环系统内副产 0 5 MPa 的低压蒸汽 采用激冷和湿 法洗涤工艺 因而其投资较低 GSP 煤气化技术与其他气化技术相比 该工艺具有以下优点 1 原料的适用性 GSP 可以使用固体 干煤粉或垃圾 液体 焦油等 气体 天然气 等 为原料 原则上可以处理各种各样的煤和废物 2 煤的准备 在 GSP 工艺中 采用浓相输送干煤粉进料 将煤研磨至气化合适粒度 的同时 用加热的惰性气体进行干燥 充分利用全厂燃料气 将煤粉干燥 避免燃料气的外排及环境污染 3 加煤方式与安全性 在 GSP 工艺中干燥后煤粉输送至贮仓 通过加压仓加压用 CO2输送至 粉煤仓 再由 CO2将煤粉均匀送至气化炉烧嘴 由于整个过程用 CO2密封 输送 并由程序控制自动进行 实践证实这种加压下输送粉煤的进料方式 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 22 页 操作可靠 安全性有保证 同时该设备作为 GSP 的专有设备 以保证煤加 压的可靠性和安全性 4 气化系列配置 在工业装置中采用单系列 日投煤量可到 720 吨 不设备用系列 同 时正在开发投煤量为 2000t d 装置 目前对投煤量 2000t d 规模的装置推荐 采用 2 台投煤量为 1000t d 的气化炉并联运行 气化装置运转率达到 90 以 上 5 烧嘴 顶部单喷嘴型烧嘴 烧嘴有 6 层通道 进料气体和原料物料共分 3 层 烧嘴外层为煤粉 中层为氧气和蒸汽 内层为点火燃料气 为保证稳定燃 烧 在正常运行中采用粗合成气作为常明灯燃料 另外 3 层为密闭热水循 环系统 分布在进料气体和原料物料之间 以使烧嘴在恒定温度下运行 以保证烧嘴不至于烧毁 6 气化热量的回收及粗煤气除尘 GSP 工艺中气化炉的高温煤气采用冷激 同时饱和煤气以回收热量 通过冷激一方面除灰 另一方面回收热量 使后序变换系统不需补加蒸汽 而是回收蒸汽 通过两级文丘里洗涤 使粗煤气中尘含量小于 1 mg Nm3 2 德士古 Texaco 水煤浆气化工艺 Texaco 水煤浆气化工艺为第二代先进煤气化技术 美国 Texaco 公司很 早就开发了以天然气和重油为原料生产合成气技术 经多年研究以后 推 出了水煤浆气化工艺 该工艺采用水煤浆进料 液态排渣 在气流床中加 压气化 水煤浆与纯氧在高温高压下反应生成煤气 国内引进的渭河 鲁 南 上海焦化 淮南四套装置 现均已投运 Texaco 水煤浆气化工艺具有 如下特点 1 对煤种有一定适应性 除了含水高的褐煤以外 各种烟煤 石油焦 煤加氢液化残渣均可作 为气化原料 以年轻烟煤为主 对煤的粒度 粘结性 硫含量没有严格要 求 但是 国内企业运行证实水煤浆气化对使用煤质仍有一定的选择性 气化用煤的灰熔点温度 t3 值低于 1350 时有利于气化 煤中灰分含量不超 过 15 为宜 越低越好 煤的热值高于 26000kJ kg 并有较好的成浆性能 使用能制成 60 65 浓度的水煤浆之煤种 才能使运行稳定 又较为经济 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 23 页 并能充分发挥技术优势 2 气化压力高 工业装置使用压力在 2 8 6 5 MPa 之间 可根据使用煤气的用途加以 选择 3 气化技术成熟 制备的水煤浆可用隔膜泵来输送 操作安全又便于计量控制 气化炉 为专门设计的热壁炉 为维持 1350 1400 温度下反应 燃烧室内由多层 特种耐火砖砌筑 热回收有激冷和废锅两种类型 可以煤气用途加以选择 4 合成气质量较好 其有效组分 CO H2 含量占 80 甲烷量 0 1 碳转化率 95 98 冷煤气效率 70 76 气化指标较为先进 由于水煤浆中含有 35 40 水分 因而氧气用量较大 5 对环境影响较小 气化过程不产生焦油 萘 酚等污染物 故废水治理简单 易达到排 放指标 高温排出的融渣 冷却固化后可用于建筑材料 填埋时对环境也 无影响 Shell 干煤粉气化工艺 壳牌 Shell 干煤粉气化工艺是壳牌 Shell 公司开发的煤粉气化工 艺 具有鲜明的技术特色 是当前先进的第二代煤气化工艺 早在 1972 年 就开始基础研究 1978 年德国汉堡壳牌 150 t d 投煤量中试装置运行几年并 取得丰富的基础数据 1987 年在美国休斯顿建设了一套投煤量 250 t d 的示 范装置 在此示范装置中壳牌公司使用了十几种煤 包括烟煤 无烟煤 褐煤 石油焦等 其运行表明 该示范装置能适应上述所有煤种并累计运 行了 15000 小时 在取得大量数据基础上 于 1993 年在荷兰建成日处理煤 量为 2000 吨的单系列大型气化装置 1994 年首次将生产的煤气用于发电 并且使用了多种世界各地煤种 取得了丰富的数据 该煤气化装置用于联 合循环发电经过 3 年示范运行 已于 1998 年 1 月正式交付用户使用 气化 装置连续运转率达 95 其负荷可在 40 100 之间调整 生产操作数据 表明已达到预期目标 壳牌粉煤气化工艺具有如下特点 1 采用干煤粉作气化原料 煤粉用惰气输送 操作十分安全 对煤 中国矿业大学 2009 届本科毕业生毕业设计 第 24 页 种的适应性比较广泛 从较差的褐煤 次烟煤 烟煤到石油焦均可使用 对煤的灰熔点适应范围比其它气化工艺更宽 即使是高灰分 高水分 高 硫的煤种也能使用 2 气化温度高 一般在 1400 1600 碳转化率高达 99 合成气 质量好 煤气中甲烷含量极少 不含重烃 CO H2达到 90 由于气体中 有效组分高 煤气总量有所减少 因而气化消耗煤量也可降低 3 氧耗低 采用干煤粉进料与水煤浆气化相比不需在炉内蒸发水分 氧气用量因而可减少 15 25 从而降低了成本 配套空分装置规模相对 缩小 投资也可相应降低 4 气化炉采用水冷壁结构 无耐火砖衬里 水冷壁设计寿命按 25 年考虑 正常使用维护量很小 运行周期长 也无需设置备用炉 商业化 运行单台炉日处理煤量已达 2000 吨 目前 正在设计更大规模的装置 5 每台气化炉设有 4 6 个烧嘴 故对生产负荷调节比 Texaco 单个 烧嘴更为灵活 范围也更宽 Shell 烧嘴保证寿命为 8000 小时 已超过连续 16000 小时运行 烧嘴的使用寿命长 也是气化装置能长期运行的一个重要 保证 6 热效率高 Shell 煤气化的冷煤气效率达到 78 83 其余 15 副产高压或中压蒸汽 总的原料煤的热效率达 98 处于很高水平 7 对环境影响小 气化过程无废气排放 系统排出的融渣和飞灰含 碳低 可作为水泥等建筑材料 堆放时也无污染物渗出 气化污水不含焦 油 酚等