合成工艺 (1)

合成氨的生产 合成氨 工段 铜洗 压缩机 6 段 氨合成 产品 NH3 4 1 煤气发生炉 含燃烧室 的物料及热量衡算 方法 实际数据计算法 实际计算法是以实测煤气组成为依据的计算法 采用此法计算时 首先将气化煤进行试烧 以 得到准确的煤气组成分析数据 已知条件的确定 下吹蒸汽 550 过热蒸汽的焓 3595kJ kg 4 生产循环时间 时间 S 表 8 生产循环时间 吹风上吹下吹二次上吹吹净合计 26263684100 46 8s46 8s64 8s14 4s7 2s180s 5 计算基准 100kg 入炉燃料 6 带出物数量及其组分 带出物数量 2kg 绝对干料 带出物组分及各组分重量 表 9 带出物数量及其组分 N0 802 0 008 0 02 S0 572 0 0057 0 01 灰分14 002 0 14 0 28 合计1002 带出物热值 30030kJ 摘自 钟蕴英 关梦嫔 崔开仁 王惠中编 煤化学 7 燃料气化后转入煤气中的元素量 kg C 78 13 1 65 2 20 74 28 2 H S 0 51 0 01 0 05 0 45 合计 82 8 4 2 物料及热量衡算 吹风阶段的计算 物料衡算 1 每 Nm3吹风气中含有的元素量 kg C 12 0 1655 0 0656 0 0076 22 4 0 128 H 2 0 0334 0 0076 2 22 4 0 00085 2 34 0 00438 O 32 0 0035 0 1655 0 0656 0 5 22 4 0 288 N 28 22 4 0 7245 0 906 S 0 00085 32 34 0 0008 2 由碳平衡计算吹风气量 74 28 0 128 580Nm3 3 由氮平衡计算空气用量 580 0 906 0 77 0 02 0 79 28 22 4 530m3 空气带入水汽量 530 1 293 0 0213 14 6 1 293 为空气密度 4 氢平衡 以千克计 进项 a 燃料带入氢量 1 91 b 空气中水蒸汽带入氢量 14 6 2 18 1 62 合计 3 53 出项 a 吹风气中含氢量 580 0 00438 2 54 b 吹风气中水汽含量 3 53 2 54 0 99 合计 3 53 5 氧平衡 以 kg 计 进项 a 燃料带入氧量 空气中氧量 5 40 b 空气中含氧量 530 0 21 32 22 4 159 c 空气中水汽含氧量 14 6 16 18 12 98 d 合计 177 38 出项 a 吹风气中氧量 580 0 288 167 04 b 吹风气中水汽含氧量 8 91 16 18 7 92 c 合计 174 96 误差 177 38 174 96 177 38 100 1 36 6 硫平衡 以 kg 计 进项 燃料带入硫量 0 45 出项 吹风气中含硫量 580 0 0008 0 46 误差 0 45 0 46 0 45 100 2 2 4 3 制气阶段的计算 以 100kg 入炉燃料为基准 3 4 3 1 物料衡算 1 每 Nm3半水煤气中含有的元素量 kg C 12 22 4 0 075 0 321 0 0054 0 215 H 2 22 4 0 43 2 0 005 2 34 0 00145 0 0390 O 32 22 4 0 002 0 075 0 321 0 5 0 340 N 28 22 4 0 1666 0 2083 S 32 34 0 00145 0 00136 2 由碳平衡计算半水煤气产量 74 28 0 215 344N m3 3 由氮平衡计算氮空气用量 344 0 2083 0 75 0 79 28 22 4 72N m3 氮空气中含水汽量 72 1 293 0 0213 1 982 4 氢平衡 已知和假设数据 上行半水煤气产量为 XNm3 上行半水煤气中含水蒸汽量为 0 25kg N m3 上 下吹蒸汽用量相等各为 Wkg 下行半水煤气产量为 344 X Nm3 下行半水煤气中含水蒸汽量为 0 42kg Nm3 为方便计算 假设上 下吹气体成分相同 上 下吹氮空气作为均匀加入计 上行制气阶段氢平衡 以 kg 计 进项 a 燃料带入氢量 1 91 X 344 0 00555 水蒸汽带入氢量 W 2 18 W 9 b 氮空气中水蒸汽含氢量 1 982 2 18 X 344 0 00064X 合计 W 9 0 0062X 出项 1 半水煤气中氢量 0 0390X 2 半水煤气中水汽含氢量 0 25 2 18 X 0 0278X 合计 0 067X 平衡 W 9 0 0062X 0 067X W 0 556X 1 下行制气阶段氢平衡 以 kg 计 4 进项 1 燃料带入氢量 1 91 0 00555X 2 蒸汽带入氢量 W 2 18 W 9 3 氮空气中水汽含氢量 1 982 2 18 0 00064X 0 22 0 00064X 合计 W 9 2 13 0 0062X 出项 a 半水煤气中氢量 344 X 0 0390 13 42 0 0390X b 半水煤气中水汽含氢量 0 42 2 18 344 X 16 05 0 047X 合计 29 47 0 086X 平衡 W 9 2 13 0 0062X 29 47 0 086X W 246 0 78X 2 解方程 1 和 2 得 X 184 W 102 4 由此得 上行半水煤气产量 184N m3 上行半水煤气产量占总产量的百分数 184 344 100 53 4 下行半水煤气产量 344 184 160 下行半水煤气产量占总产量的百分数 160 344 100 46 6 上行半水煤气中水蒸汽量 0 25 184 46kg 下行半水煤气中水蒸汽汽量 0 42 160 67 2 46 67 2 113 2 蒸汽总耗量 102 4 2 204 8kg 上吹蒸汽分解率 102 4 46 102 4 100 55 08 下吹蒸汽分解率 102 4 67 2 102 4 100 34 38 平均蒸汽分解率 204 8 46 67 2 204 8 100 44 73 5 氧平衡 以 kg 计 进项 1 燃料中带入氧量 5 40 2 蒸汽带入氧量 204 8 16 18 182 04 3 氮空气中氧含量 72 0 21 32 22 4 21 6 4 氮空气中水汽含氧量 1 982 16 18 1 76 合计 210 80 出项 1 半水煤气中氧量 344 0 34 118 96 5 2 半水煤气中水汽含氧量 67 2 46 16 18 100 62 合计 211 42 误差 211 42 210 80 210 80 100 0 29 6 硫平衡 以 kg 计 进项 燃料带入硫量 0 45 合计 0 45 出项 半水煤气中含硫量 344 0 00136 0 47 4 3 2 热量衡算 1 进项 以 kJ 计 1 燃料热值 100 28476 2847600 2 燃料显热 100 25 1 05 2625 3 蒸汽的焓 102 4 2730 102 4 3595 647680 2730 3595 分别为上行蒸汽和下行蒸汽的焓 摘自梅安华主编 小合成氨厂工艺技术与设计 手册 上册 4 干氮空气显热 72 25 1 30 2344 1 30 为空气的比热 5 氮空气中水汽的焓 1 982 2564 5081 2564 为水蒸汽的焓 合计 3505330 2 出项 1 半水煤气热值 344 9795 77 3369746 1 标准 m3半水煤气热值为 12810 0 43 12684 0 321 39984 0 0054 9795 77 2 干半水煤气的显热 184 1 223 600 160 1 346 200 178091 上行半水煤气比热 0 075 2 06 0 002 1 42 0 321 1 36 0 43 1 31 0 0054 2 26 0 1666 1 35 1 223kJ m3 下行半水煤气比热 0 075 1 81 0 002 1 34 0 321 1 31 0 43 1 30 0 0054 1 76 0 1666 1 31 1 346kJ m3 1 半水煤气中水汽的焓 46 3696 67 2 2890 364224 3696 2890 分别为 600 和 200 蒸汽的焓 摘自 煤化工工艺学 郭树才编 2 带出物热值 30030 2 60060 3 带出物显热 600 1 05 2 1260 1 05 为带出物的比热 4 灰渣中可燃物热值 34020 2 20 10500 0 05 75369 34020 10500 分别为碳和硫的热 值 摘自 煤化工工艺学 郭树才编 5 灰渣显热 15 2 0 97 200 28488 0 97 为灰渣的比热 6 热损失 取燃料发热值的 8 2847600 0 08 227808 合计 4305044 3 需从煤层中吸取的热量 kJ 6 4305044 3505330 799714 4 制气效率 3505330 2847600 799714 647680 100 81 6 5 热量平衡表 表 11 热量平衡表 kJ 进项出项 燃料热值 2847600半水煤气热值 3369746 燃料显热 2625干半水煤气显热 179159 蒸汽的焓 647680半水煤气中水汽的焓 364224 干氮空气显热 2344带出物热值 60060 氮空气中水汽的焓 5081带出物显热 1260 从煤层中吸取热量 799714灰渣中可燃物热值 75369 灰渣显热 28488 热损失 227808 合计 4305044合计 4305044 4 4 总过程计算 4 4 1 燃料使用分配 设 100kg 燃料用于制半水煤气为 Xkg 根据热量平衡得 799714X 100 X 132974 X 62 4 每 100kg 燃料用于制半水煤气为 62 4 用于制吹风气未 37 6 4 4 2 每 100kg 燃料的生产指标 吹风气产量 580 0 376 218N m3 半水煤气产量 344 0 624 214 6N m3 氮空气消耗量 72 0 624 44 9 蒸汽消耗量 204 8 0 624 127 8 吹风时空气消耗量 530 0 376 199 总过程效率 214 6 9795 77 2847600 647680 0 624 100 64 6 4 4 3 物料衡算 kg 1 碳平衡 进项 燃料中碳含量 74028 合计 74 28 出项 1 半水煤气中碳含量 214 6 0 215 46 14 7 2 吹风气中碳含量 218 0 128 27 90 合计 74 04 误差 74 28 74 04 74 28 100 0 32 2 氢平衡 进项 1 燃料中氢含量 1 91 2 空气中水汽含氢量 199 1 293 0 0213 2 18 0 61 3 氮空气中水汽含氢量 44 9 1 293 0 0213 2 18 0 14 4 蒸汽含氢量 127 8 2 18 14 2 合计 16 86 出项 1 半水煤气中氢含量 214 6 0 0390 8 37 2 半水煤气中水气含氢量 214 6 113 2 344 2 18 7 85 3 吹风气中含氢量 218 0 00438 0 95 4 吹风气中水汽含氢量 218 0 0154 2 18 0 37 合计 17 54 误差 17 54 16 86 16 86 100 4 3 氧平衡 进项 1 燃料中氧含量 5 40 2 空气中氧含量 199 0 21 32 22 4 59 7 3 蒸汽中含氧量 127 8 16 18 113 6 4 空气中水汽含氧量 199 0 21 32 22 4 4 87 5 氮空气中水汽含氧量 44 9 1 293 0 0213 16 18 1 10 6 氮空气中氧量 44 9 0 21 32 22 4 13 47 合计 198 14 出项 1 半水煤气中氧含量 214 6 0 340 72 96 2 半水煤气中水汽含氧量 214 6 113 2 344 16 18 62 77 3 吹风气中氧含量 218 0 288 62 78 4 吹风气中水汽含氧量 218 0 0154 16 18 2 98 合计 201 49 误差 201 49 198 14 198 14 100 1 6 4 氮平衡 进项 1 燃料中氮含量 0 75 2 空气中氮含量 199 0 79 28 22 4 196 51 3 氮空气中氮含量 44 9 0 79 28 22 4 44 34 合计 241 60 出项 1 半水煤气中氮含量 214 6 0 2083 44 70 2 吹风气中氮含量 218 0 905 197 50 8 合计 242 2 误差 242 2 241 60 242 2 100 0 2 4 5 配气计算 配气量计算 半水煤气中 CO H2 N2取 3 1 1 吹风气中 CO H2 6 56 3 34 9 90 N2 72 45 半水煤气中 CO H2 32 1 43 N2 16 66 设每标准水煤气中配入吹风气量为 XNm3 9 90X 75 1 3 1 16 66 72 5X X 0 1092 100 千克燃料制气时半水煤气产量为 214 6Nm3 需配入吹风气量为 214 6 0 1092 23 43 100 千克燃料实际可制得半水煤气量为 214 6 23 43 238 实际半水煤气组成体积 CO2 0 075 0 1655 0 1092 1 0 1092 100 8 38 O2 0 002 0 0035 0 1092 1 0 1092 100 0 21 CO 0 321 0 0656 0 1092 1 0 1092 100 29 58 H2 0 43 0 0334 0 1092 1 0 1092 100 39 10 CH4 0 0054 0 0076 0 1092 1 0 1092 100 0 56 N2 0 1666 0 7245 0 1092 1 0 1092 22 15 4 6 消耗定额 按每 t 氨计算 每吨氨耗半水煤气 3300Nm3 1 燃料 3300 238 100 1387kg 折合含碳 85 的燃料为 1275kg 2 蒸汽 3300 238 127 8 1772kg 4 7 吹净时间核算 配入半水煤气中的吃风气量 23 43Nm3 配入半水煤气中的吹风气量占总吹风气量的百分数 23 43 218 100 10 74 吹净时的风量为吹风时的 70 吹净气量占吹风气总量的百分数 4 0 7 26 4 0 7 100 10 27 二者接近 所以每循环吹净时所回收的气量即为配入半水煤气中的吃风气量 吹净百分比合用 所以已定循环时间百分比基本适用 采用无烟煤 3000 U G I 煤气发生炉每台每小时产半水煤气为 7500Nm3 表 12 已知数据循环时间及百分比 程序吹风上吹下吹二次上吹吹净合计 26263684100 9 秒46 846 864 814 47 2180 根据物料 热量衡算 每 100kg 无烟煤的生产指标 生产量 加氮水煤气 214 6m3 半水煤气 238 Nm3 吹风气 199 23 43 175 5 消耗量 吹风空气 包括吹净 199N m3 蒸汽量 127 8 Nm3 每个循环平均产半水煤气量 7500 3 60 325N m3 吹风空气流量 吹净时风量为吹风时风量的 70 325 238 199 3600 46 8 7 2 0 7 18871 09 Nm3 h 加氮空气流量 325 238 44 9 3600 46 8 4716 39N m3 h 蒸汽流量 上吹蒸汽流量 包括二次上吹 325 238 127 8 0 5 3600 46 8 14 4 5132 85N m3 h 下吹蒸汽流量 325 238 127 8 0 5 3600 64 8 4847 69N m3 h 吹风气流量 325 238 218 3600 46 8 22899 16N m3 h 上行蒸汽流量 325 238 214 6 0 534 3600 46 8 14 4 9205 10 Nm3 h 下行蒸汽流量 325 238 214 6 0 466 3600 64 8 7586 64N m3 h 4 8 废热锅炉的热量衡算 4 8 1 设已知条件 1 计算目的 通过热量衡算求处产蒸汽量 2 计算依据 已知条件 循环各阶段产气量无法计算 只能按其制气时间比例计算 表 13 半水煤气组 名称CO2COH2CH4H2SN2O2 组分8 3829 5839 100 560 0222 150 21 吹风气量16 556 563 340 760 05672 450 35 表 14 自动机循环百分比 阶段吹风上吹下吹二次上吹吹净 百分比26263684 1 计算基准为 10kg 无烟块煤 基准温度为 0 2 100kg 无烟块煤可制半水煤气 238Nm3 10 3 上吹蒸汽分解率为 55 07 4 上吹及空气吹净产生的气量占半水煤气总量的百分比 Z Z1 Z2 Z 上吹及空气吹净产生的气体占半水煤气总量的百分比 Z1 上吹 二次上吹 吹净百分比之和 Z2 上吹 下吹 二次上吹 吹净百分比之和 Z 38 74 100 51 4 5 上吹未分解蒸汽占未分解蒸汽总量的百分比 Z Z1 Z2 Z 上吹未分解蒸汽占未分解蒸汽总量的百分比 Z1 上吹加二次上吹百分比 Z2 上吹 下吹 二次上吹百分比之和 Z 34 70 100 48 6 6 进废锅的煤气温度 600 出废锅的煤气温度为 200 7 半水煤气千克分子数 238 22 4 10 63kmol 8 100kg 煤气化时需要蒸汽量 127 8m3化为质量 127 8 22 4 18 103kg 9 水的分子量 18 10 水蒸汽在 0 时的热焓 2499 34kJ 11 100kg 煤气化时需消耗空气 199Nm3或许 199 22 4 8 88kmol 12 废锅进水温度 102 产生蒸汽压力为 1 180MPa 温度为 115 蒸汽焓为 2415kJ kg 13 设锅炉的用水量为 X 千克 产蒸汽量为 Ykg 软水进口总固体 150ppm 排污水 2000ppm 14 煤气与未分解蒸汽混合比热 0 0838 43 840 0 2958 29 73 0 3910 29 106 0 2215 29 56 0 0002 37 867 0 0021 30 920 0 0056 46 38 0 486 35 036 47 75kJ 15 100kg 煤气化时所得吹风气产量为 218Nm3 4 8 2 热量衡算 1 进热 1 上吹及空气吹净产生的气体显热计算 组分 千克分子量 组分含量 温度 比热 kJ 物理热 kJ CO2 10 63 0 0838 600 53 596 28645 8 H2 10 63 0 3910 600 29 824 74375 CO 10 63 0 2958 600 32 9246 62114 8 CH4 10 63 0 0056 600 73 930 2640 5 H2S 10 63 0 0002 600 47 145 60 1 N2 10 63 0 2215 600 32 336 45681 9 O2 10 63 0 0021 600 34 805 466 2 11 总计 213984 3 已知上吹及空气吹净产生的气体占半水煤气总量的百分数为 51 4 所以上吹及空气吹净产生的气体显热为 213984 3 0 514 109987 9 2 上吹未分解蒸汽的显热计算 显热 Q W 18 1 G T kJ Q 上吹未分解蒸汽显热 W 蒸汽用量 kg 蒸汽分解率 G 半水煤气千克分子数 T 进废热锅炉煤气的温度 Q 4 2 103 18 1 55 08 10 63 600 68855 4 3 上吹未分解蒸汽潜热计算 潜热 Q W 1 i Q 上吹未分解蒸汽潜热 kJ W 蒸汽用量 kg 蒸汽分解率 i 水蒸气在此 0 时热焓 kJ kg Q 103 1 55 08 2499 3 115636 6 4 上吹未分解蒸汽的显热和潜热 kJ 115636 6 68855 4 184492 已知上吹未分解蒸汽占未分解蒸汽总量的百分比为 48 6 所以为分解蒸汽的显热和潜热为 kJ 184492 0 486 89663 1 5 吹风气的显热 组分 千克分子量 组分含量 温度 比热 kJ 物理热 kJ CO 8 88 0 0656 600 32 923 11507 1 H2 8 88 0 0334 600 29 824 5307 3 CO2 8 88 0 1655 600 53 596 47260 1 H2S 8 88 0 00056 600 47 145 140 7 N2 8 88 0 7245 600 32 336 124821 4 O2 8 88 0 0035 600 34 805 649 CH4 8 88 0 0076 600 73 930 2993 6 总计 192679 2 2 出热 1 上吹及空气吹净气体经废热锅炉后的显热 组分 千克分子量 组分含量 温度 比热 kJ 物理热 kJ CO 10 63 0 2958 200 29 723 18691 9 12 H2 10 63 0 3910 200 29 106 24194 8 CO2 10 63 0 0838 200 43 840 7810 5 H2S 10 63 0 0002 200 37 867 16 1 N2 10 63 0 2215 200 29 555 13917 7 O2 10 63 0 0021 200 30 920 138 CH4 10 63 0 0056 200 46 380 552 2 总计 65321 2 2 上吹未分解蒸汽经废热锅炉后显热及潜热 按进热公式计算如下 3 显热 103 18 1 55 08 200 45 27 23272 6 潜热 103 1 55 08 2499 3 115636 6 显热 潜热 23272 6 115636 6 0 486 67509 9 4 吹风气经锅炉后显热 组分 千克分子量 组分含量 温度 比热 kJ 物理热 kJ CO 8 88 0 0656 200 29 723 3462 9 H2 8 88 0 0334 200 29 106 1726 5 CO2 8 88 0 1655 200 43 840 12885 8 H2S 8 88 0 00056 200 37 867 37 7 N2 8 88 0 7245 200 29 555 38028 8 O2 8 88 0 0035 200 30 920 192 2 CH4 8 88 0 0076 200 46 38 626 总计 56959 9 5 蒸汽带出热量为 2415YkJ 6 排污水热焓为 420 5 X Y 420 5 为污水在 100 时的焓 7 热损失 按入炉的 3 计算 392330 2 431 82X 3 11769 9 12 95X 总计 201560 9 433 45X 1994 5Y 4 8 3 热量平衡和总固体平衡 热量平衡 392330 2 431 82X 201560 9 433 45X 1994 5Y 1 总固体平衡 150X 2000 X Y 2 解方程得 X 103kg Y 96kg 所以每 100 千克燃料产蒸汽量为 96kg 耗软水量为 103kg 排污水 103 96 7kg 表 15 废热锅炉热量平衡表 项目 进热出热 13 4 9 夹套锅炉的物料及热量衡算 4 9 1 已知条件 1 夹套回收热为煤气热损失的 50 2 软水进口温度为 40 总固体 150ppm 3 排污水总固体 2000ppm 4 锅炉产汽压力 0 5kg f cm2饱和蒸汽 4 9 2 产气量及消耗两计算 产气量及消耗水量可由热平衡计算 设进口水量为 Xkg 产汽量为 Ykg 1 热平衡 进项 回收废热量 227808 0 5 113904kJ 软水焓 168X kJ 蒸汽量 127 8 3 每个循环平均产气量 7500 3 60 375Nm3 1 吹风空气流量 吹净时风量为吹风量的 70 左右 375 238 199 3600 46 8 7 2 0 7 21774 3m3 干 h 2 水蒸汽流量 上吹 包括二次上吹 375 238 127 8 3600 0 5 46 8 14 4 5922kg h 下吹 375 238 127 8 0 5 3600 64 8 5593 V 28270 1 18 34475 6Nm3 h 效地利用了建筑面积和土地 节约基建投资 七 安全生产规则及其三