（检测技术与自动化装置专业论文）基于labview的造气炉气化层温度测控系统的研究.pdf

at h e s i ss u b m i r e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g t h er e s e a r c ho fg a s g e n e r a t e df u r n a c e t e m p e r a t u r e m e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m b a s e do nl a b v i e w m a j o r d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i ce q m p m e n t 一 c a n d i d a t e g a o y u s u p e r v i s o r y a n g xianlinang a nn w u h a ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y w u h a n h u b e i4 3 0 0 7 4 p r c h i n a j u n e 2 0 0 7 摘要 摘要 以煤为原料的煤造气一合成氨生产技术是我国氮肥工业的主要生产 方式 合成氨是我国国民经济发展中的高耗能产品 研究开发化工工业适 用节能技术与设备 对缓解资源与环境瓶颈制约 提高化工工业技术水平 有重要作用 造气炉气化层温度是造气炉正常运行 提高制气能力和节能 降耗的关键工艺参数 造气工艺所决定的复杂工况和恶劣检测条件 以 及诸多因素对气化层温度的影响 使不同的造气炉 甚至同一台造气炉 在不同时刻表征气化层温度特性的数学模型也不同 因此气化层测温问 题至今没有找到理想的解决途径 本设计以l a b v i e w 7 1 软件为开发平台 采用虚拟仪器的硬件和软 件环境实现造气炉气化层温度的测量和造气炉的闭环控制 造气炉气化 层温度测控系统 g a s p r o d u c e rt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m 简称g t c s 采用系统化和模块化相结合的方法 应用n il a b v i e w 强大的数据采集 运算 信号处理等功能 循环采集造气炉气化层温度信号 通过系统辨 识实现气化层温度的实时测量 进而将气化层温度送入时间序列发生器 由气化层温度的变化来调整和控制造气工艺各阶段时间 本课题所研究的g t c s 系统 是针对造气炉工艺流程运行特点而设 计的 提出间接测温与系统辨识为一体的测温方法 对系统动态特性进 行在线估计 不断适应动态特性的变化 实现气化层温度在线实时测量 自动调整循环各周期内每个阶段时间分配 并应用l a b w i e w 设计造气 炉的闭环控制 g t c s 系统的设计具有创新性 实用性 它不仅提高了造 气炉工作效率 保证安全生产 节能降耗 而且操作简单 便于维护 易于实现 关键词 造气炉强度控制系统辨识l a b v i e w a b s t r a c t a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fp r o d u c i n ga m m o n i ab yg a s g e n e r a t e df u m a c ew i t h c o a la sm a t e r i a li st h em o s tp r o d u c t i o nm a n n e ri no u rc o u n t r y t h ep r o d u c t i o n o fa m m o n i ai sal i m i tt oo u rn a t i o n a le c o n o m y b e c a u s ei t i sap r o d u c t i o n w h i c hn e e dm o r ee n e r g yt h a no t h e r s i ti su s e f u lt og oo nr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t r b o nt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tw h i c hc a nb eu s e df o r s a v i n ge n e r g yi nc h e m i c a li n d u s t r y b e c a u s e t h er bw i l lp l a ya ni m p o r t a n t p a r ti nr e d u c i n gt h er e s t r i c tf r o mr e s o u r c ea n dc i r c u m s t a n c e i ti sa l s ou s e f u li n i m p r o v i n gt h et e c h n o l o g yi n o u rc h e m i c a li n d u s t y t h et e m p e r a t u r eo f i n t e r m i t t e n t s t a t i c 1 a y sc o a l g a sf u m a c ei s t h ek e yp a r a m e t e rt oi m p r o v et h e o u t p u to fg a sa n ds a v et h ee n e r g y b u tt h ed e t e c t i o nc o n d i t i o ni s s ob a dt og e t t h ep a r a m e t e ro ft e m p e r a t u r e a tt h em e a n t i m e t h ed i f f e r e n c e so fm a t h m o d e l sf o rt h eg a s g e n e r a t e df u r n a c eb e t w e e nt w of u m a c e s e v e nb e t w e e n o n ef u m a c ei nt w ot i m e so ft h ed a y m a k ei ts oh a r dt os o l v et h ep r o b l e mo f d e t e c t i o no ft h et e m p e r a t u r e t h ed e s i g ni sb a s e do nt h ef l a t f o r n lo f1 a b v i e w7 1 b ya d o p t i n gt h e c o n d i t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fv i s u a li n s t r u m e n t i tm e a s u r e st h e t e m p e r a t u r ea n dm a k e sm eg a s g e n e r a t e df u m a c eac l o s e dl o o pc o n t r 0 1 w e b u i l dt h eg a s p r o d u c e rt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mb yu s i n gt h em e a t h o do f c o m b i n i n gs y s t e m a t i z a t i o n w i t hm o d u l a r i z a t i o na n dt h ed a t aa c q u i s i t i o n f u n c t i o n c o m p u t ef u n c t i o n d e b u gf u n c t i o n o ft h en il a b v i e w t h e s e f u n c t i o n sc a nd ot h ep r o c e s si ns a m p l i n gt e m p e r a t u r ei nc i r c l e m e a r s u n n g t e m p e r a t u r e i n r e a lt i m e c o n v e y i n gt h ei d e n t i f i e dt e m p e r a t u r et o t i m e s e q u e n c ep r o d u c e r a d j u s t i n ga n dc o n t r o l l i n ge a c ht i m eo ft h et e c h n i c sp h a s e s w i t ht h ec h a n g e so ft h et e m p e r a t u r e t h er e a s e r c ho ft h eg t c s i sd e s i g n e dt os a t i s f yt h en e e do ft h et e c h n i c s f l o wc i r c u l a t i o nn a t u r e i tp u t sf o r w a r dt h em e t h o dw h i c h u n i t e st h e m e a s u r i n gt e m p e r a t u r ei n d i r e c t l yw i t hs y s t e mi d e n t i f i c a t i o n a n dg e t st h er e a l t i m et e m p e r a t u r eb ye s t i m a t i n ga u t o m a t i cs y s t e mc h a r a c t e r i s t i co n 1 i n ea n d a d a p t i n gw i t ht h ec h a n g e so ft h ea u t o m a t i cc h a r a c t e r i s t i c f u r t h e r m o r e w i t h t h ed a t ao f t e m p e r a t u r e w em a k et h es y s t e md e t e c t ea n da d j u s tt h e d i s t r i b u t i o no ft i m et oe a c ht a c h e a u t o m a t i c a l l y t h e nw es a yt h a ta c l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mf o rg a s g e n e r a t e df u m a c ei sb u i l tc o m p l e t e l y b a s e do nl a b v i e w t h ec o m b i n a t i o no fc o m p u t e rd a t ap r o c e s s i n g d e t e c t i o n a n dc o n t r o lo ft h ef u r n a c e a n dl a b v l e wi si n n o v a t i v ea n d p r a c t i c a l t h e g t c si sh e l p f u lt oi m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c ya n ds a v ee n e r g y i ti sa l s oa g u a r a n t e eo fs a f e t yi nt h ep r o c e s so fp r o d u c e i na d d i t o n t h eg t c si se a s i l y o p e r a t e d e a s i l yp r o t e c t e da n de a s i l yp r o g r a m m e d k e yw o r d s g a s g e n e r a t e df u m a c e t e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mi d e n t i f y l a b v i e w 1 1 i 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 第1 章概述 1 1 1 设计任务 2 1 2 虚拟仪器综述 3 第2 章合成氨造气工艺简介 8 2 1 制取半水煤气的基本原理 8 2 2 间歇法制取半水煤气的工艺流程 1 0 2 2 1 造气流程的六个工序及其作用 1 0 2 2 2 工艺流程中各阶段的工艺物料流向和阀门启闭 1 2 2 3 生产工艺条件及要求 1 4 2 3 1 工艺循环时间分配原则 1 4 2 3 2 造气工段所涉及的主要机械设备 15 2 3 3 工艺操作条件的原则 1 7 第3 章测温系统的建立 2 1 3 1 测温点与校正测试点的选取 2 1 3 2 测温元件的选取以及数据采集的时间范围的选定 2 2 3 3 g t c s 系统的功能单元和组成 2 3 3 4g t c s 系统的温度辨识 2 4 第4 章数据采集 2 7 4 1l a b v i e w 数据果集技术 2 7 4 2 数据采集卡p c i 6 0 1 4 2 7 4 3n i d a q 驱动程序d a q m x 2 8 4 4l a b v i e w 的数据采集的功能函数 2 8 第5 章控制系统的建立 3 1 i v 武汉工程大学硕士学位论文 5 1 控制原理 3 l 5 2 控制系统的设计方法 3 1 5 3 前面板的设计 3 2 5 4 框图程序设计所涉及的主要功能函数 3 4 第6 章g t c s 系统的程序设计 3 9 6 1 硬件软件开发工具的选择 3 9 6 2 系统设计原则及总体框架 3 9 6 3 软件流程 4 0 6 4 软件功能模块设计 4 1 6 4 1 采集模块 4 2 6 4 2 辨识模块 4 9 6 4 3 控制模块 5 7 第7 章数据仿真及测试结果 7 l 7 1 仿真总程序 7 l 7 2 信号发生器 7 2 7 2 辨识部分 7 7 7 3 控制部分 7 8 结j 硷 8 4 参考文献 8 5 附录 8 8 致谢 9 0 v 第1 章概述 第1 章概述 我国的合成氨工业始于2 0 世纪3 0 年代 目前 合成氨生产技术已 发展到相当水平 生产操作高度自动化 生产规模大型化 热能的利用 充分合理 大大降低了生产成本 我国的合成氨工业在原料方面 由单 一的焦碳发展到煤 天然气 焦炉气 石油炼厂气 轻油和重油等 在 技术力量上 己形成一支科研 设计 制造 安装与施工的强大的技术 队伍 研究并生产了适合多种合成氨工艺要求的催化剂 在产量 质量 和品种上都满足了生产的要求 我国的合成氨工业已迈进了世界的先进 行列 提高合成氨工艺的制气效率 实现造气炉的最优控制 关键因素是 气化层温度的实时测量 但由于气化层温度难以实测 这项技术一直未 能有所突破 从7 0 年代初开始 很多人就在不断探索气化层温度的在线 测量的实用方法 由于造气工艺所决定的复杂工况和恶劣检测条件 以 及诸多因素对造气炉气化层温度t a 的影响 使不同的造气炉 甚至同一 台造气炉在不同时刻其表征t a 的数学模型也不同 气化层测温问题至今 没有找到理想的解决途径 以炉顶出口气体温度和c 0 2 含量对气化层温 度进行估计的各种算式 难以实现实时准确反映炉温 和动态跟踪炉温 变化 从炉底穿过炉蓖插入热电偶 侧壁开孔机械式斜向插入澳4 温元件的 几种直接测量气化层温度的方法 也由于不能有效的保护测量装置 不 能全面反映气化层状态和工艺实施的困难 尚未实现在线测量 以水为 介质 采用u 型管 或在炉内氧化反应段放置盘管 用入 出口温差和 流量估计气化层温度的测温方法以及将普通测温元件置于炉项的特定位 置 由特定点温度来表征待测气化层温度的测温方法 都因没有从本质 上实现动态描述测温信号与气化层温度之间的特性 不能随工况 干扰 或操作条件等因素的改变而对输入输出特性进行自动调整 所以在使用 上受到限制 武汉 程大学硕士学何论文 目前 基于自动机 机电一体化装置 或以计算机为核心的各类造 气炉控制系统 其原理本质都是以间接估计值为基础的时序控制模式 目前国内多家小化肥厂采用武汉雷达学院研制的造气炉炉况检测系统 效果很好 但这些厂多数采用料层测量 并没有运用自动优化控制各参 数的微机系统 仍用人工调节 而虚拟仪器系统是测控技术和计算机技术相结合的革命性产物 它 从根本上更新了仪器的概念 具有传统仪器无法比拟的优势 目前 虚 拟仪器在发达国家已经十分普及 在国内已有部分院校的实验室引入了 虚拟仪器系统 国内专家预测 未来的几年内 我国将有5 0 的仪器为虚拟 仪器 这种发展趋势下 设计一个基于l a b v i e w 的造气炉气化层温度测控 系统 简称g t c s 系统 不仅解决了造气炉气化层温度的难以实测的问 题 而且弥补了生产上对于造气炉的闭环最优控制的空白 g t c s 系统应 用于生产后 l a b v i e w 友好的人机界面将使得操作变得简单直观 而气 化层温度的实时测量的优势 将使探火停车的繁琐操作得以减少 造气 炉气化能力得以增加 大大提高了工作效率和准确率 在保证生产的稳 定和安全的基础上 提高了原料的利用率 因此本设计中的g t c s 系统 对缓解资源与环境瓶颈制约 提高我国化工工业技术水平和国际竞争力 有重要作用 而将l a b v i e w 应用到测控系统中也实现了我国l a b v i e w 技术的理论突破 拓宽我国的l a b v i e w 技术的应用领域 1 1 设计任务 以l a b v i e w 7 1 为平台 通过用带受控项的自回归模型 即c a r 模 型代替c a r m a 模型进行系统辨识 详见3 4 并较理想的实现造气炉 的自动控制和进行仿真 在程序设计时 采用模块式结构 整个程序由 数据采集模块 系统辨识及处理模块 阀门开关控制模块三大模块组成 其中 数据采集模块中 还包括了信号转换模块 而控制模块中又包括 叠一 j 一二二 0 第1 章概述 了确定循环中各阶段时间的分配时间模块 它根据采样得来的测量信号 t t 9 和校正测试信号t 0 对系统模型辨识 并由辨识所得到的模型对 气化层温度进行估计 然后由采集到的当前温度信号l l l 9 可以判断煤 气发生炉内气化层位置的变化趋势 因而可判断吹风与制气时间的分配 是否应根据煤气发生炉内气化层温度和位置的变化而改变 如需改变 则根据调节公式 详见6 4 3 由气化层温度来确定吹风与制气的时间分 配 并在v i 的前面板上将各阀门开关状态和造气炉的工作阶段显示出来 保证各阀门开关状态和造气炉的工作阶段均与循环中各阶段分配时间相 对应 同时当温度在8 0 0 1 2 0 0 范围以外时提供报警 1 2 虚拟仪器综述 虚拟仪器 v i r t u a li n s t r u m e n t 简称v i 就是在以通用计算机为核心 的硬件平台上 由用户设计定义 具有虚拟前面板的测试软件实现的一 种计算机仪器系统 其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地 用软件代替硬件 即 软件就是仪器 n 1 简而言之 v i 系统是由计算 机 应用软件和仪器硬件组成的 用户可以通过友好的图形界面 即虚 拟前面板 操作计算机 如同操作功能相同的单台传统仪器一样 与传 统仪器一样 虚拟仪器同样划分为数据采集 数据分析处理 显示结果 三大功能模块幢3 通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来 实现了仪器的功能运作 虚拟仪器由硬件和软件两部分组成 下面分别从硬件 软件和系统 三个方面来介绍虚拟仪器的工作原理和具体构成 虚拟仪器的硬件主体 是电子计算机 通常是p c 机 也可以是任何通用电子计算机 为计算机 配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器 信号调理器 模数转换器 a d c 数模转换器 d a c 数据采集卡 d a q 等口1 电子计算机 及其配置的电子测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基 础 虚拟仪器还可以选配开发厂家提供的系统硬件模块 组成更为完善 的硬件平台 测试软件是虚拟仪器的 主心骨 虚拟仪器的概念是1 9 8 6 年由美 武汉工程大学硕士学位论文 国国家仪器公司 以下简n i 公司 首先提出的 并用 软件就是仪器 来表达虚拟仪器的特征 强调软件在虚拟仪器中的极为重要的位置 使 用者可以根据不同的测试任务 在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同 的测试软件 来实现当代科学技术复杂的测试任务n 3 被 测 信 号 俸 燕 器 信 号 调 整 电 路 数 据 采 集 卡 浏面板程序 应用程序 望 壁型堡兰至耋 苎堕 i 作站或p c 视 图i i 虚拟仪器整体系统结构 传感器将被测信号转为电信号 信号经调整电路调整为标准信号 上 数据采集卡采集模拟信号并转为数字信号 上 设备驱动程序将数字1 言号读入计算机 在开发平台上设计信号测量流程及面板 编译成应用程序 图i 2 虚拟仪器信号测量流程图 虚拟仪器整体系统结构如图1 1 所示 虚拟仪器信号测量流程图如 图1 2 所示 虚拟仪器的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统 且功能灵 活 很容易成为广泛 尤其在科研 开发 测量 检测 计量 测控等 l 领域更是不可多得的好工具 十分符合国际上流行的 硬件软件化 的 发展趋势 因而常被称作 软件仪器 与传统仪器相比 虚拟仪器在智 能化程序 处理能力 性能价格比 可操作性等方面都具有明显的技术 优势 具体表现为 第1 章概述 1 智能化程度高 处理能力强 虚拟仪器的处理能力和智能化程度 主要取决于仪器软件水平 用户完全可以根据实际应用需求 将先进的 信号处理算法 人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成 从而 将智能仪器水平提高到一个新的层次 2 复用性强 系统费用低 应用虚拟仪器思想 用相同的基本硬件 可构造多种不同功能的测试分析仪器 如同 个高速数字采样器 可设 计出数字示波器 逻辑分析仪 计数器等多种仪器 这样形成的测试仪 器系统功能更灵活 系统费用更低 通过与计算机网络连接 还可实现 虚拟仪器的分布式共享 更好地发挥仪器的使用价值 3 可操作性强 虚拟仪器面板可由用户定义 针对不同应用可以设 计不同的操作显示界面 使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作 变得更加直观 简便 易于理解 测量结果可以直接进入数据库系统或一 通过网络发送 测量完后还可打印 显示所需的报表或曲线 这些都使 得仪器的可操作性大大提高曲1 一除了上述比较优势之外 虚拟仪器还具有自身的四大优势 1 性能高 虚拟仪器是在p c 技术的基础上发展起来的 所以完全 继承 了以现成即用的p c 技术为主导的最新商业技术的优点 包括功 能超卓的处理器和文件i o 使您在数据导入磁盘的同时就能实时地进行 复杂的分析 随着数据传输到硬驱功能的不断加强 以及与p c 总线的结 合 高速数据记录已经较少依赖大容量的本地内存 以一台6 0 g 的示波 器为例 在采用虚拟仪器技术的情况下 构建这样一台示波器是相当简 单的 只要将一台基于p c 的数字转换器放置在p c 机中 就能以高达每 秒1 0 0 m b 的速度将数据导入磁盘 虚拟仪器技术的另一突出优势就是不 断提高的网络带宽 因特网和越来越快的计算机网络时的数据分享进入 了一个全新的阶段 将因特网和n i 的软硬件产品相结合 您就能够轻松 地与地球另一端的同事共享测量结果 分享 天涯若比邻 的便捷 2 扩展性强 n i 的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于 当前的技术中 得益于n i 软件的灵活性 只需更新您的计算机或测量硬 件 就能以最少的硬件投资和极少的 甚至无需软件上的升级即可改进 武汉j r 程大学硕十学位论文 您的整个系统 在利用最新科技的时候 您可以把它们集成到现有的测 量设备 最终以较少的成本加速产品上市的时间 3 开发时间少 在驱动和应用两个层面上 n i 高效的软件构架能 与计算机 仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起 n i 设计这一软 件构架的初衷就是为了方便用户的操作 同时还提供了灵活性和强大的 功能 使您轻松地配置 创建 部署 维护和修改高性能 低成本的测 量和控制解决方案 4 完美的集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念 随着产品在功能上不断地趋于复杂 工程师们通常需要集成多个测量设 备来满足完整的测试需求 但是这些不同设备间的连接和集成总是耗费 大量时间 不是轻易可以完成的 n i 的虚拟仪器软件平台为所有的i 0 设备提供了标准的接口 例如数据采集 分布式i o 等等 帮助用户轻松 地将多个测量设备集成到单个系统 减少了任务的复杂性 在包括航空 航天 通信 汽车 半导体和生物医学等世界范围的 众多领域涉及到尖端的测试和工业自动化 都可以发现应用虚拟仪器的 成果和开发产品 本设计应用的虚拟仪器开发平台 是美国国家仪器公司 n i 的 l a b v i e w 7 1 l a b v i e w 通过g p i b v x i p l c 串行设备和数据采集 板可以构成数据采集和控制系统 它提供了工业界最强大的仪器驱动程 序库 同时还支持通过i n t e m e t a c t i v e x d d e 和s q l 等交互式通信方 式实现数据共享 它提供众多开发工具 使复杂的测试和控制任务的实 现变得简单易行隅1 l a b v i e w 提供了功能强大的高级数学分析库 包括统计 估计 回 归分析 线性代数 信号生成算法 时域和频域算法等众多科学领域 可满足计算和分析需要呻1 特别是在联合时域分析 小波和数字滤波器 设计 模糊控制器设计等高级分析场合 l a b v i e w 也提供了专门的软件 包 l a b v i e w 所提供的m a t l a bs c r i p t 节点 可以直接调用存在的 m a 几a b 程序 在l a b v i e w 程序中运行 虚拟技术 计算机通信技术与网络技术是信息技术最主要的组成部 第1 章概述 分 它们被称为2 1 世纪科学技术中的三大核心技术 虚拟仪器是虚拟技 术的一个重要组成部分 它是由计算机技术 测量技术和微电子技术高 速发展而孕育出的一项革命性技术n 刚 虚拟仪器的出现彻底改变了传统 的仪器方法 开辟了测控技术的新纪元 虚拟仪器技术正在飞速发展 目前 国内外的工程师和科学家们正 在成千上万台测控设备中使用虚拟仪器从而缩短了产品的研发时间 提 高产品的质量 降低生产成本 虚拟仪器的出现是测控技术界和测试仪 器制造界的一次具有深远意义的 技术革命 它像p c 机出现一样 影 响到国内外的各行各业 影响全人类的社会活动 教学 科学实验 国 防和工农业生产 甚至进入家庭自动化管理 近年来 世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软 件 以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟 仪器或测试系统 并编制测试软件 最早和最具影响的开发软件 是n i 公司的l a bv i e w 软件和l a bw i n d w o s c v i 开发软件u l a bv i e w 采用 图形化编程方案 是非常实用的开发软件 l a bw i n d o w s c v i 是为熟悉 c 语言的开发人员准备的 在w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 开发环境 除了上述的优秀开发软件之外 美国h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平 台软件 美国t e k t r o n i s 公司的e z t e s t 和t e k t n s 软件 以及美国h e m d a t a 公司的s n a p m a r t e r 平台软件 也是国际上公认的优秀虚拟仪器开 发平台软件 在本设计中用到的就是n i 公司的l a b v i e w 7 1 软件 武汉工程大学硕士学位论文 第2 章合成氨造气工艺简介 2 1 制取半水煤气的基本原理 合成氨的生产过程第一步是原料气的制备 制备含氢和氮的原料气 u 引 间歇式造气炉是我国以煤为原料制取合成氨原料气的常用炉型 以煤为原料的气化过程中 按固体燃料与气化剂在反应炉的接触状态 和燃料在炉中的流动状况分 有固定床 沸腾床 气流床等 所用的气 化剂也有蒸汽一空气 蒸汽一富氧空气 蒸汽和纯氧等 操作方式可采 用间歇式 连续式 常压和加压等不同方式n 鲥 在我国中型氨厂中大量 使用的还是常压间歇式固定层气化法 也是本设计研究的对象 为了提 高热效率 配置有回收吹风气热量的装置 制取原料气是在造气炉中进 行的 固体原料从炉项加入 再从造气炉的底部或上部通入空气或水蒸 汽 以获得有效气 h 2 c o 和氮 在此把c o 也算入有效气 因为后 加艨 l 面的变换工段中 在变换触媒中进行的c o 的变换反应 一个摩尔的c o 可得到一个摩 尔的h 2 间歇式操作时主要过程有两个 即制气和吹风 制气过程是指蒸汽通入造气炉后 当水 蒸汽通过高温炭层时蒸汽与气化层燃料发生 化学反应 生成大量氢和一氧化碳 反应过 程要吸收热量 吹风过程是当空气通入煤气 发生炉的高温炭层时 空气中的氧与燃料中 的碳发生剧烈的化学反应 同时放出大量热 且 里0 lo 固定层间歇气化法制取半水煤气是将固 图2 1 燃料层的划分体煤从炉顶以间歇方式加入煤气发生炉中 空气 水蒸汽从炉底加入 下吹时时自上而下 自下而上 下吹时是自 上而下 通过燃料层 在燃料层内进行气化反应生成半水煤气 气化后 第2 章合成氨造气工艺简介 的灰渣从炉底排出 如图2 1 所示 固体煤组成的燃料层划分为干燥层 干馏层 气化层和灰渣层 气化层又划分为还原层和氧化层n 利 由炉顶 间歇加入的固体煤自上而下逐一向下移动时 在高温下发生一系列的物 理化学变化 1 干燥层新补充的燃料煤与热煤气接触将夹带的水分蒸发 2 干馏层由于温度继续升高 燃料煤在此受热分解 释放出低分子 量的碳氢化合物 煤焦化变为炭 3 气化层气化层具有很高的温度 是煤气发生炉中气化煤的最主要 的区域 空气通过气化层时 在氧化层内炭与氧作用生成二氧化碳和一 氧化碳 反应式为 c 0 2 c 0 2 4 0 1 8 6 k j 2 1 2 c 0 2 2 c o 2 3 6 9 2 k j 2 2 2 c o 0 2 2 c 0 2 5 7 0 3 k j 2 3 2 1 和 2 3 反应式中的二氧化碳通过还原层时 在高温下按 2 4 式进行还原反应生成一氧化碳 c 0 2 c 手 2 c o 1 7 2 4 6 k j 2 4 以空气为气化剂其目的是提高燃料层的温度 最大限度的减少碳的 消耗 因此 希望按 2 1 和 2 3 式进行反应 生成大量的二氧化 碳气体 放出大量的热 当蒸汽通过气化层时 主要发生高温碳分解水蒸气的反应 c 2 h 2 0 c 0 2 2 h 2 8 0 3 7 k j 2 5 c h 2 0 毒c o h 2 1 2 2 6 k j 2 6 2 5 式中生成的二氧化碳 进一步又被还原成一氧化碳 c 0 2 c 寻 2 c o 一1 7 2 4 6 2 4 当温度较低时 会有生成咀烷的副反应和一氧化碳转化为氢气的反 n 盥 c 2 h 2 c t h 6 6 9 1 k j 2 7 c o h 2 0oc 0 2 h 2 3 6 6 3 k j 2 8 鉴于对合成氨原料气的要求 炭与蒸汽的反应希望按 2 6 式进行 武汉工稃大学硕士学位论文 可得到浓度较高的合成氨原料气 4 灰渣层固体残留在煤气发生炉的底部形成灰渣层 它一方面预热 和均匀分布气化剂 另一方面起到对炉箅的保护作用 以避免炉箅发生 过大的变形 灰渣最终从炉底排出 2 2 间歇法制取半水煤气的工艺流程 固定层间歇式煤气炉制造半水煤气 首先使空气通过燃料层 碳与 氧发生放热反应以提高温度 随后使蒸汽和空气混合通过燃料层 碳与 蒸汽和氧发生吸热和放热的混合反应以生成半水煤气 1 5 o 如此间歇交替 的生产方法 称为间歇法 2 2 1 造气流程的六个工序及其作用 吹风和制气反复循环的过程中 燃料随着气化反应的延续而不断消 耗 可由自动加料机定期补充 或者在一定的间隔期内 停止生产 进 行人工加料 实际生产过程中 为了安全 高产 提高质量和降低消耗 因而不是以吹风和制气的简单顺次循环过程 而是采用6 个阶段的工序 反复地循环进行 1 吹风吹风的目的 是通过碳与氧的化学反应 放出大量的反应热 贮存于燃料层中 为制气阶段的碳与蒸汽的吸热反应提供热量 碳与氧 的化学反应中 主要生成二氧化碳 也同时生成较少的一氧化碳 一氧 化碳与氧反应时可放出热量 为了充分利用吹风气中一氧化碳的反应热 可在吹风气通过燃烧室 的过程中 向燃烧室送入适量的空气 使一氧化碳与氧发生化学反应放 出反应热 并被耐火砖吸收贮存起来 在下吹制气时 使气化剂进入燃 料层前先吸收燃烧室贮存的热量 用以提高气化剂进炉之前的温度 以 提高煤气的产量和质量 进入燃烧室的空气 称为二次空气 固定层间歇式气化的吹风阶段 里 送入煤气炉的空气和燃烧室的空气 称为一次空气和二次空气 以 示区别 它与吹风气中一氧化碳的反应 如式 2 3 所示 过燃料层 下吹阶段之后煤气炉下部及其燃料层空间残留着遇氧就可燃 ll 易爆的半水煤气 如果此时吹风就会发生爆炸 因此 在下吹制气阶段 之后 蒸汽和加氮空气再次改变方向 自下而上通过燃料层 用以既生 产半水煤气 又i i i i 净煤气炉下部残留的半水煤气 为空气通过燃料层 创造安全条件 这一过程称为二次上吹制气阶段 武汉工程大学硕十学位论文 6 空气吹净二次上吹后 煤气炉上部空间 燃烧室 废热锅炉和上 吹气管道空间里 充满着半水煤气 如果随着转入吹风阶段放空 是很 大的浪费 为了避免二次上吹后直接转入吹风造成的原料气损失 在转 入吹风之前 增加一个空气自下而上通过燃料层 生产空气煤气送入气 柜的短暂过程 将原来残留的半水煤气一并排除干净送至气柜中贮存 这一过程称为空气吹净阶段n 引 应该指出 在制气过程中阶段转换时 蒸汽和加氮空气 不能同时 转换方向 加氮空气总是较早的停止进入燃料层 而较迟的开始进入燃 料层 易避免形成半水煤气与空气相遇的情况 防止发生爆炸或半水煤 气中氧含量升高 此时 上吹制气时 部分蒸汽自下吹管道的最远一端进入 使残留 在管道内的空气得以排净 以防止下吹制气时氧含量过高 下吹制气时 部分蒸汽自沸热锅炉下火箱进入 以避免下吹加氮空气进入废热锅炉之 内或积存 防止二次上吹制气时氧含量过高 2 2 2 工艺流程中各阶段的工艺物料流向和阀门启闭 如图2 2 所示 在造气炉制合成氨有六个过程 吹风 回收 上吹 制气 下吹制气 二次上吹 吹净 中以及停车时气体的流向和阀门的 启闭情况分别如下 1 吹风阶段分为以下两个阶段 吹风阶段前期是放空阶段 吹风阀 打开 吹风气从吹风阀 经由内箱向上通过造气炉 再进入集尘器 最 后由主烟囱阀开 付烟囱阀关闭 空气总管一吹风阀一内箱一造气炉一 集尘器一主烟囱阀 吹风阶段后期是吹风气热量回收阶段 空气总管 一吹风阀一内箱一造气炉一集尘器一付烟囱阀 2 回收阶段 此过程用于回收制备氨气所必需的有用气体氮气 经过 吹风阶段后 造气炉中的氧被大量消耗 因此从造气炉出来的吹风气有 很大的成分是氮气 将其回收 作为原料气 空气总管一吹风阀一内箱 一造气炉一集尘器一上行阀一煤总 3 上吹制气阶段 入炉蒸汽经由蒸总通过上行蒸汽阀在内箱与通过加 第2 章合成氨造气工艺简介 氮阀中的空气一起 形成加氮蒸汽 然后通过造气炉 在炉中与碳发生 反应以制备有用气体 制成的气体再经由集尘器过滤 通过上行阀 回 到煤总 从而去煤气总管 4 下吹制气阶段 入炉蒸汽通过蒸总 经由下吹蒸汽阀 自上而下的 通过造气炉 将气化层稳定 再经由内箱 通过下行阀到达煤总 5 二次上吹阶段 入炉蒸汽通过蒸总 经由上行蒸汽阀进入内箱 然 后进入造气炉 再通过集尘器到煤总 6 吹净阶段 空气总管一吹风阀一内箱一造气炉一集尘器一上行阀一 煤总 7 停车模式 除切断阀和付烟囱阀以外 都关闭 切断阀打开 则水 封中注满水 气体将不能经由煤总到煤气总管 图2 2 造气工艺流寝图 武汉工程大学硕七学位论文 其中 在每个对应的循环阶段 阀门的启闭情况见表2 1 表2 1 循环各阶段阀门开关的启闭情况 阊门 阶段吹风下行上行 主烟囱阀 蒸气煤气切断付烟囱加氮下吹蒸汽上行蒸汽 阀阀阀阀总阀总阀阀阀阀阀阀 吹风 100 l o 0010 l000 回收 101o0110000 上欧 00101110101 下吹 0l0o111o01o 二上 00101110001 吹净 101 0o1 1 o0 0 0 停车 00000001000 2 3 生产工艺条件及要求 2 3 1 工艺循环时间分配原则 循环各阶段时间的总和 称为循环时间 循环时间的选定 决定于 燃料性质 工艺操作方法和机械性能的允许范围 每一循环过程的时间 过长 气化层的温度和生产煤气的数量 质量前后波动比较大 循环过 程的时间过短 虽然气化层的温度波动比较小 生产煤气的数量和质量 也比较稳定 但是 由于自动阀门的开关动作过于频繁 造成损坏或经 常需要修理 更换 而且缩短了设备的有效生产时间 亦有不利之处 因此煤气炉间歇法生产中 每一工艺循环过程的时间 一般都是2 5 m i n 在武汉制氨厂获得的数据 3 0 r a i n 为一个大循环 人工加料式的生产 时 一般每1 2 1 4 个循环以后 需要停止生产加料一次 造气各阶段时间的分配将直接影响造气炉气化层的燃烧状态和半水 煤气的组成成分 为了使间歇式煤气发生炉炉温及气化层的位置 在一 个工作循环中波动不会过大 要求各个阶段的时间控制适当n7 1 各阶段 时间分配原则是 1 吹风与制气的时间分配根据煤气发生炉内气化层温度情况而定 总的原则是使吹风后燃料层具有理想的较高温度 吹风阶段的时间比较 少 以相对增加制气阶段的时间 可以获得较多数量和较高质量的煤气 第2 章合成氮造气工艺简介 至于能否用较短的时间达到高温 取决于空气鼓风机能否提供较高的空 气流速 以及燃料层是否允许提高气流速度等条件 而这又与燃料的性 质有关 达到高温所需的时间长短 以提高空气流速为主要手段 但以 不致使燃料层发生破坏为限 分配适当的时间 2 上 下吹时间的分配以维持稳定的气化层为原则 在一般情况下 由于吹风阶段之后燃料层的温度条件最好 上吹制气的产量和质量都比 较高 此时上吹制气阶段的时间较长一些 似乎是合理的 但是上吹制 气时间过长 不仅消耗气化层中大量的热量 而且使气化层急剧上移或 者破坏 对以后的制气非常不利 因此在上 下吹制气时间的分配上 下吹制气的时间要比上吹制气的时间长得多 在下吹制气阶段里 由于 气化剂经过燃烧室预热 它们进入燃料层以前就具有较高的温度 因此 生产煤气的数量和质量都比较高 燃料的消耗比较小 各种燃料气化 下吹制气的时间都比上吹制气的时间长 3 二次上吹和吹净时间的分配 以能排净煤气发生炉下部空间和上 部空间的残留煤气为原则 一般是固定不变或变化很小 为保证空气自 炉子下部进入不发生爆炸 二次上吹的时间较长一些比较安全 但是由 于二次上吹制气时燃料层的温度最低 生成气体量不多 质量也不好 故时间过长是行不通的 因此它一般只占循环时间的7 一9 吹净主要是 排净煤气发生炉上部空间的残留煤气 因此时间最短 一般只占循环时 间的3 4 2 3 2 造气工段所涉及的主要机械设备 1 造气炉又称为煤气发生炉 在我国目前的合成氨工业中 普遍应 用着连续机械排渣的固定层煤气炉 有 1 9 8 m 3 6m 和 2 7 4m 三 种 其中以 2 7 4m 煤气炉用的最为广泛 上述三种煤气炉的构造大致 相似 以 2 7 4m 煤气炉的构造为例 可以分为五个部分 即炉体 夹 套锅炉 底盘 机械除灰装置 传动装置 其中 炉体具有以下属性 钢板焊制的炉壳 上部衬有二级粘土耐 火砖 保温硅藻砖 外面还包有隔热石棉板等保温材料 下部是夹套锅 武汉工程大学硕士学位论文 炉 炉口的铸钢护圈 用以防止由于燃料的撞击使耐火砖损坏 耐火砖 可以吸收上行气流的热量 用来预热下吹气化剂 保温砖和隔热板等保 温材料的用以防止热量损失 避免热量辐射散发到操作场所 使炉壳上 部钢板免受高温的损害 炉体上部气道口 直径约1m 同炉壳上部一样 衬有耐火砖及隔热层 另外 夹套锅炉的属性如下 夹套锅炉的传热面积约为1 3 m 2 容水 量约1 2 t 夹套锅炉外壁和炉体上部外壁 均包有石棉绒保温层 用以防 止热量辐射损失 夹套锅炉的作用 主要是防止燃料层温度过高造成挂 炉 并副产蒸汽 夹套锅炉上还安装有液位剂 水位自动调节器 安全 阀等附件 2 集尘器集尘器用以除去气体中的大粒灰尘 集尘器为钢板焊制 的盲肠式圆锥体 内衬耐火砖及耐火混凝土 外包石棉绒保温层 以防 热量散失 集尘器上部进出口连通 锥底清理口用以定期清理细灰 当 气体以高速通过进出口时 由于气流方向的改变和与器壁的碰撞而速度 减慢 气体中的一些大粒灰尘就坠落到集尘器的底部圆锥体里 在煤气 炉系统停车时定期予以清理干净 3 废热锅炉废热锅炉的作用是回收吹风气和上吹煤气的热量 生产 5 1 2 k g c m 2 的蒸汽 为煤气炉制气或其它化工生产提供一部分蒸汽来 源 进废热锅炉的气体温度约5 0 0 7 0 0 经冷却以后 降低到2 1 0 左右 4 自动加料机自动加料机用以自动地 周期性地将燃料加入煤气炉 内 代替煤气炉系统生产过程中的间断人工加料 实现了煤气炉加料自 动化 5 水封槽又称洗气箱 它的主要作用是防止煤气炉间歇式生产过 程中的吹风阶段或煤气炉系统停止生产时 原来送往箱后系统里的煤气 倒回而发生爆炸 起水封止逆的安全作用 此外 煤气炉制气阶段里制 出的煤气 通过洗气箱水封的过程中 可以得到初步冷却 其中的极少 量细灰则坠落于水中 定期清理排出 6 气柜半水煤气气柜 用以贮存一定数量的合成氨原料气 使气体 第2 章合成氨造气工艺简介 混和均匀 并避免原料气净化及压缩合成等