毕业论文-年产2万吨合成氨厂造气工段（合成氨所需原料气——半水煤气）的初步工艺设计

班级学号毕业设计论文题目年产2万吨合成氨造气工段初步工艺设计专业应用化工技术学生指导教师摘要4第一章绪论11煤炭资源12中国煤化工行业发展前景与特点13合成氨的发展历程14合成氨产品的性能、用途及市场需要15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21煤炭气化原理211气化过程主要化学反应212气化过程的物理化学基础22合成氨造气所需原料、来源及生产方法的选择与论证221合成氨造气所需的主要原料、来源222生产方法的介绍2221煤气化方法分类2222固定床气化法2223流化床气化2224气流床气化223生产方案的选择与论证2231水煤浆气化技术2232移动床气化技术2233流化床气化技术2234气流床气化技术第三章常压固定床间歇气化法31半水煤气定义32固定床气化法的特点33生产半水煤气对原料的选择34半水煤气制气原理35发生炉内燃料分布情况36各主要设备的作用361煤气发生炉362燃烧室363废热锅炉364洗气箱365洗涤塔366烟囱367自动机37间歇式制半水煤气的工艺条件38生产流程的选择及论证39间歇式气化的工作循环310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41煤种对气化的影响42煤质对气化的影响第五章工艺计算51工艺计算（物料及热量衡算）511空气吹风阶段计算512蒸汽吹送阶段的计算513总过程计算52主要设备计算521煤气发生炉522余热回收器第六章物料流程图61带控制点工艺流程图62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91安全技术92节能第十章设计总结致谢参考文献年产2万吨合成氨造气工段工初步艺设计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THEDESIGNOFPRODUCINGCOALGASABOUTMANUFACTURINGSYNTHESISOFAMMONIA20000T/AABSTRACTTHISDESIGNISAPRIMARYDESIGNABOUTTHESYNTHESISOFAMMONIA20000T/YEARTECHNIQUESACCIDENCECONTRIVETHEDESIGNOWNSTHEPROCESSOFPRODUCINGSEMIWATERGASTHEDESIGNCOMPLETEDTHECALCULATIONOFMATERIALANDHEATQUANTITYACCORDINGTORELEVANTDATEDURINGTHEDESIGNPERIODANINSTRUCTIONANDFOURSERIALSOFDIAGRAMHAVEBEENWORKEDOUTTHEINSTRUCTIONINCLUDES1THEDEVELOPMENTHISTORYOFPRODUCINGCOALGASANDTHEDEVELOPINGTREND2THEPRODUCTIONWAYOFPRODUCINGSEMIWATERGAS、DEMONSTRATINGANDTHECHOOSING,FACTORYCHAMBERPLAN3THECALCULATIONOFMATERIALANDTHECALCULATIONOFHEATQUANTITY4THEDESIGNINGANDTECHNOLOGICALCALCULATIONABOUTTHEMAINEQUIPMENTS5SAFETYANDSAVINGENERGY6ECONOMICESTIMATEFOURSERIOUSOFDIAGRAMINCLUDES120000T/YAMMONIAPROCESSTECHNIQUEFLOWHEATWITHCONTROLLEDPOINT2THEFACTORYCHAMBERPLANDIAGRAM3THEFACTORYSPAREPICTURE4THEMAINEQUIPMENTINSTALLINGPICTUREKEYWORDSSYNTHESISAMMONIA、SEMIWATERGAS、TECHNOLOGYDESIGN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、CO2等有害杂质，以获得符合氨合成要求的洁净的13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11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4661亿吨，消费量4659亿吨，贸易量59亿吨。世界探明可采储量为984211亿吨。其中，主要集中在美国（246643亿吨）、俄罗斯（157010亿吨）、中国（1145亿吨）、澳大利亚（904亿吨）、印度（74733亿吨）、德国（670亿吨）、南非（55333亿吨）、乌克兰（34356亿吨）、哈萨克斯坦（340亿吨）、波兰（14309亿吨）、巴西（11950亿吨）等国。12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。13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420提高到455；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。14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823。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0596，熔点777；沸点334。标准状况下，1米3气氨重0771公斤；1米3液氨重6386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15528，在氧气中为13582。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1039MT。预计2000年产量将达1118MT。其化肥用氨分别占氨产量的817和826。我国1996年合成氨产量已达3064MT,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15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发展产生重大影响。因此,我国现有众多的化肥生产装置应成为改造扩建增产的基础。我国七十至九十年代先后重复引进30多套大化肥装置,耗费巨额资金,在提高了化肥生产技术水平的同时,也受到国外的制约。今后应利用国内开发和消化吸收引进的工艺技术,自力更生,立足国内,走出一条具有中国特色的社会主义民族工业的发展道路。过去引进建设一套大型化肥装置,耗资数十亿元。当今走老厂改造扩建的道路,可使投资节省1/22/3。节省的巨额资金,用作农田水利建设和农产品深加工,将在加速农村经济发展,提高农民生活水平,缩小城乡差距起着重要用。15煤炭气化发展史作为占我国能源资源70的煤炭，能否加快推进煤炭气化产业，在减少环境污染的前提下释放更大的能效出来，这无疑对“十一五“发展规划的起步具有重要的战略意义。目前，在国内火力发电是重头。据国家发改委副主任张国宝披露，截至去年，在国内总装机容量中，煤电占739，水电占245，核电占16。至于可再生资源发电，其所占的比重微乎其微。一份数据表明，煤炭火力发电站的能源利用率一般为48至50，使用煤炭气化发电技术可把能源利用率提高大约几个百分点到十几个百分点不等。而煤炭气化过程中产生的氮氧化物和硫化物等有害气体也将比直接燃烧煤炭减少20以上。我国煤炭气化的正式起步始于上个世纪80年代。当时，在徐州、唐山、山东等10余个矿区先后进行试验。从2000年起，山东新汶矿务局煤炭气化步入产业化应用，实现了连续稳定生产中热值煤气，供民用及内燃机发电。此前唐山刘庄煤矿煤气主要用于工业锅炉燃烧。一般说来，煤炭气化分为地上与地下气化两种。前者以煤炭作为原料，以氧或氢作气化介质，控制氧化程度，使煤炭转化成为一氧化碳、氢和甲烷等可燃性气体。后者的原理与前者基本一致，区别仅在于是在未经开采的煤层中进行。由于地下气化集建井、采煤、地面气化三大工艺为一体，通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体，可作为燃料、化工原料、城市煤气或用于提取氢气与建设坑口电厂发电，具有安全性好、投资少、效益高、污染少等特点，目前深受世界各国重视。从目前进展看，我国地下气化技术仍处于工业试验阶段，不尽如人意。专家分析指出产业化进程停滞，技术难题尚未破，政策措施不到位，这三大问题是导致上述结果的直接原因。煤炭地下气化的目的在于应用和产业化。近几年来，国内不少企业，这其中不乏煤炭的大型企业，纷纷看好煤炭地下气化技术，但煤炭价格的不断飚升，效益唾手可获，因此“继续挖煤“，不愿意冒太大的风险，投资止步不前。据调查，煤炭地下气化在实现商业化前必须攻克五大难点，这就是气化炉型与结构、单炉产量服务年限与成本、提高煤气质量与数量、地下气化炉密闭与安全、地下气化炉气化工艺测控。对地下气化的研究，一般需要建立煤炭气化试验研究基地。选择12个有代表性的煤种（烟煤、无烟煤等）、煤层（厚度、倾角等）和用户（民用燃料、发电、化工原料）作为试验基地，开展多项技术攻关与研究。但缺乏支持力度，尚为空白。相关资料显示，在国际上，煤炭地下气化技术，俄罗斯、美国、德国和日本处于领跑者的地位。据悉，美国的煤炭气化技术现拥有移动床气化装置、流体床气化装置、夹带气化装置三大类。而煤炭的综合气化装置具有第二代气化技术的特点，能确保发电厂机组发电能力达到100兆瓦至300兆瓦，可与现有的商业性发电厂竞争。开发煤炭气化复合发电技术是日本电力公司的主攻方向。这是指首先在气化炉里用1600到1800的高温把煤炭气化，使之推动燃气轮机发电；然后，再利用废气废热制造水蒸气，推动蒸汽轮机发电。据统计，我国排放的二氧化硫的90、氮氧化物的70来自燃煤，这其中50左右来自火电厂，电厂每发1000瓦时火电向大气中排放01公斤二氧化硫。在去年，其排放总量接近1600万吨。按此速度，到2025年前后，我国二氧化硫排放量将超过美国，居全球第一。为此，专家再次发出呼吁，煤炭深加工及煤炭气化刻不容缓，它不仅是我国未来能源产业的重要出路，更是当前减少大气污染的重要途径第二章合成氨煤炭气化原理与生产方法的选择及论证21煤炭气化原理煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。煤炭气化时，必须具备三个条件，即气化炉、气化剂、供给热量，三者缺一不可。211气化过程主要化学反应（1）CH2OCOH2（2）NA2CO3H2SNAHCO3NAHS（3）利用水煤气合成二甲醚的三步反应如下2H2GCOGCH3OHG；H908KJMOL12CH3OHGCH3OCH3GH2OG；H235KJMOL1COGH2OGCO2GH2G；H413KJMOL1总反应3H2G3COGCH3OCH3GCO2G的H2464KJMOL1；一定条件下的密闭容器中，该总反应达到平衡，要提高CO的转化率，可以采取的措施是减少CO2的浓度；分离出二甲醚。212气化过程的物理化学基础煤炭在煤气发生炉内气化的过程有两类型的反应，即非均相反应和均相反应。前者是气化剂与煤炭或者煤焦的反应，后者是气态反应产物之间的相互作用或气化剂的反应。煤炭的气化过程是一个热化学过程，影响其化学过程的因素有很多，除了气化介质、燃料接触方式影响外，其工业条件的影响也必须考虑。总的来说煤炭在煤气发生炉的反应主要表现为煤炭与水蒸汽的反应、煤炭与一氧化碳的反应、煤炭与二氧化碳的反应、煤炭与氢气的反应等几个主要反应。22合成氨造气所需原料、来源及生产方法的选择与论证221主要原料及来源1合成塔进口气体组成合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量与初始氨含量。当氢氢比为3时，对于氨合成反应，可得最大平衡氨含量，但从动力学角度分析，最适宜氢氨比随氨含量的不同而变化。如果略去氢及氨在液氨中溶解损失的少量差异，氨合成反应氢与氮总是按31消耗，新鲜气氢氮比应控制为3，否则循环系统中多余的氢或氮就会积累起来，造成循环气中氢氮比的失调。惰性气体CH4、AR来源于新鲜原料气，它们不参与反应因而在系统中积累。惰性气体的存在，无论从化学平衡还是动力学上考虑均属有弊。但是，维持过低的惰气含量又需大量排放循环气导致原料气消耗量增加。如果循环气中惰性气体含量一定，新鲜气中惰性气体含量增加，根据物料平衡关系，新鲜气消耗随之增大。因此，循环气中惰性气体含量应根据新鲜气惰性气体含量、操作压力、催化剂活性等条件而定。由于原料气制备与净化方法不同，新鲜气中惰性气体含量也各个相同，循环气中所控制的惰性气体含量也有差异。当其它条件一定时，进塔气体中氨含量越高，氨净值越小，生产能力越低。初始氨含量的高低取决于氨分离的方法。对于冷冻法分离氨，初始氨含量与冷凝温度和系统压力有关。为过分降低冷凝温度而过多地增加氨冷负荷在经济上也并不可取。操作压力300ATM时，一般进塔氨含量控制在3238；150ATM时，为2032。2硫化物和碳氧化物含量无论那一种原料所得原料气，都含有一定数量的硫化物。虽然原料气中硫化物含量不高，但对合成氨生产危害却很大。硫化物是各种催化剂的毒物，硫化氢能腐蚀设备管道。以烃类为原料的蒸汽转化法制取原料气，镍催化剂对硫含量限制十分严格，要求烃原料中总硫含量为05PPM重量以下。为防止CO和CO2对催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得多余20PPM5。生产合成氨，首先必须制备氢、氮原料气。氮气来源于空气，可以在低温下将空气液化、分离而得，或者在制氢过程中直接加入空气来解决。氢气来源于水或含有烃类的各种燃料，它取决于用什么方法制取。最简便的方法是将水电解，但此法由于电能消耗大、成本高而受到限制。现在工业上普遍采用以焦炭、煤、天然气、重油等原料与水蒸汽作用的气化方法。222生产方法的介绍2221煤气化法按不同的分类有多种，分叙如下1按制取煤气的热值分类为（1）制取低热值煤气方法，煤气热值低于8347KJ/M3；（2）制取中热值煤气方法，煤气热值16747334948347KJ/M3；（3）制取高热值煤气方法，煤气热值高于334948347KJ/M3。2按供热方式分类，气化过程的供热方式有（1）部分气化方法；（2）间接供热；（3）由平行进行的反应器直接供热；（4）热载体供热。3按反应器的形式分类，气化方法有（1）移动床（固定床）；（2）流化床；（3）气流床。2222固定床气化法煤的固定床气化是以块煤为原料。煤由气化炉顶部间歇加入，气化剂由炉底送入，气化剂与煤逆流接触，气化过程进行得很完全，灰渣中残碳少，产物气体的显热中的相当部分供给煤气化前的干燥和干馏，煤气出口温度低，而且灰渣的显热又预热了入炉的气化剂，因此气化剂效率高。这是一种理想的完全气化方式。（1）固定床常压气化此方法比较简单，但对煤的类型有一定要求，即要求用块煤，低灰熔点的煤难以使用常压方法用空气或空气水蒸汽作为气化剂，制得低热值煤气。（2）固定床加压气化固定床加压气化最成熟的炉型是鲁奇炉。它和常压移动床一样，也是自热式逆流反应床。所不同的是采用氧气水蒸汽或空气水蒸汽为气化剂，在2030MPA和9001100的温度条件下连续气化方法。2223流化床气化流化床气化又称沸腾床气化，它是以小颗粒煤为原料，将气化剂（蒸汽和富氧或氧气）送入炉内，是煤颗粒的炉内呈沸腾状态进行气化反应。它是一种介于逆流操作和顺流操作这两种情况之间的操作。（1）温克勒法温克勒法是最早开发的流化方法，在常压下，把煤粒度为08MM的褐煤、弱粘结性烟煤或焦碳经给煤机加入到气化炉内。在炉底部通入空气或氧气作介质，没与经过预热的气化剂发生反应。（2）高温温克勒法将含水分8512的褐煤输入到充压至098MPA的密闭料锁系统后，经给煤机加入气化炉内。白云石、石灰石或石灰经给料机输入炉内。没与白云石类添加物在炉内与经过预热的气化剂（氧气/蒸汽或空气/蒸汽）发生气化反应。粗煤气由气化炉上方逸出进入第一旋风分离器，在此分离出的较粗颗粒、灰粒循环返回气化炉。粗煤气再进入第二旋风分离器，在此分离出的细颗粒通过密闭的灰锁系统将灰渣排出，除去煤尘。煤气经废热锅炉生产水蒸气以回收余热，然后经水洗塔进一步冷却和除（3）灰团聚气化法它是在流化床中导入氧化性高速气流，使煤灰在软化而未熔融的状态下在锥形床层中相互熔聚而粘结成含碳量低的球状灰渣，有选择性地排出炉内。它与固态排渣相比，降低了灰渣的碳损失。2224气流床气化所谓气流床气化就是在煤气化过程中直接用氢或富含H2的气体作为气化剂，生成富含CH4的煤气化方法，其总反应方程式可表示为煤H2CH4焦（1）KT法此法是最早工业化的气流床气化方法，它采用干法进料技术，因在常压下操作，存在问题较多。它是1948年德国海因里希柯柏斯和托切克博士提出的一种气流床气化粉煤的方法。（2）德士古气化法它是一种湿法（水煤浆）进料的加压气化工艺。气化炉是由美国德平古石油公司所属德平古开发公司开发的气流床气化炉。223生产方案的选择及论证2231水煤浆气化法技术该技术具有气化炉结构简单、煤种适应较广、水煤浆进料以控制安全、单炉生产能力大环保性能好、操作弹性大及气化过程碳转化率较高等特点。2232移动床气化法技术移动床气化法分为压和常压两种，该技术对煤的类型有一定要求，要用块煤，底灰熔点的煤难以使用。2233流化床气化法技术该技术有生产强度较固定床大，可直接使用小颗粒碎煤为原料、对煤种的适应性强等特点。2234气流床气化法技术该技术有煤种适应范围较宽、合成气质量好、煤气中含有效成分（COH2）高达8588、单炉生产能力强等特点。总之与固定床气化相比其它气化方法包括水煤气加压气化法、移动床气化法、硫化床气化法、气流床气化法的优点是（1）气化能力大；（2）气化用煤广；（3）生产灵活性强，开停车容易；（4）碳转化率高；（5）环境污染小。但是如果采用这些方法不但其主体设备及相关必要设备的投资就将大大增加而且能耗也将大大增大。这对我国氨需求量大而技术又相对落后而且资金短缺、煤资源丰富这一基本国情是不相符的。所以，虽然固定床其工艺较其它气化工艺有其不足之处且工艺较为落后。但其气化工艺较之其它工艺更成熟。根据我国基本国情及当地情况本设计采用常压固定床间歇气化法。第三章合成氨常压固定床间歇气化法31半水煤气定义半水煤气是以水蒸气为主加入适量的空气为气化剂与赤热的炭反应，所生成的煤气称为半水煤气，它是合成氨的原料气，其成分中CO2H2一般在68左右。用于合成氨的半水煤气要求氢氮比为31。32固定床气化法的特点固定床气化法其煤气发生炉的排渣和加料不是连续的，而是间断的排渣和加料，其致密的煤层在气化过程中是静止不动的，随着气化反应的进行，以温度化分的各区域将逐渐上移，必须经过间歇排渣和加炭后各区域才恢复到原来的位置。33生产半水煤气对原料的选择间歇法生产半水煤气对原料的要求（1）对水分的要求一般焦炭和无烟煤正常水分含量均在临界水分以下，如果燃料中水分含量过高，会影响煤气发生炉的气化效率，在气化过程中因水分蒸发吸热造成炉温下降使燃料消耗增加，炉子操作条件恶化，影响水煤气产量和质量。因此，要求入炉煤的水分含量小于35。（2）对挥发分的要求煤中所含挥发分得多少与煤的碳化程度有关，用含高挥发分的煤制取的半水煤气中甲烷含量过高，它既消耗动力又浪费了原料，并且降低炉子的生产能力。因此，一般要求煤中灰分含量不得超过6。（3）对灰分的要求煤中含灰分其主要成分为二氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化钙和氧化镁等无机物质。这些物质的含量对灰熔点有决定性影响。灰分高的燃料，不仅增加运输费用，而且使气化条件变得复杂，所以一般要求煤中灰分含量不得超过1520。（4）对硫分的要求煤中的硫分在气化过程中转化为含硫气体，不仅对设备和系统管道有腐蚀作用，而且会使催化剂中毒。在合成氨生产系统中，根据流程特点，对含硫量有一定的要求。（5）对化学活性的要求化学活性高的燃料，有利于气体物质和气化率的提高。至于对气化效率的影响，则因所选用的煤气发生炉炉型不同而有所差异。（6）对机械强度的要求机械强度高，以免燃料在炉内或上料过程中受碰撞和挤压而发生碎裂，机械强度低会使炉内阻力和气体带出物增加，气化能力下降，消耗增高。（7）对热稳定性要求热稳定性是指燃料在受高温后粉碎的程度。热稳定性差的燃料，不仅增加炭阻力和气体带出物，而且会堵塞炉膛和系统管道，增加动力消耗，影响制气产量。（8）对粘结性的要求粘结性是煤在高温下干馏粘结的性能，粘结性较强的原料煤，气化过程中煤相互粘结后生成焦，破坏燃料的透气性，妨碍气化剂的均匀分布，影响气体成分和制气产量。所以要求煤的粘结性较低为宜。（9）对燃料粒度的要求合成氨原料煤首先对煤种要求是无烟煤，其次对粒度则要求采用块煤和粉煤的成型，特别以2350MM的粒度最好。总之，对间歇式生产水煤气，若要使生产取得良好的气化指标，应采用热稳定性好、机械强度高、不粘结、粒度均匀、水分较少、灰分和挥发分不高，灰分熔点较高的原料，本设计采用无烟块煤。34半水煤气制气原理固体燃料的气化过程实际上主要是碳与氧的反应和碳与蒸汽的反应，这两个反应称为固体燃料的气化反应。表1以空气为气化剂主要反应方程序号反应方程式1CO2（376N2）CO2（376N2）2CO22（376N2）2CO（376N2）3CCO2（376N2）2CO（376N2）42C376N2O2376N2CO2752N2表2以水蒸汽为气化剂主要反应方程式序号反应方程式1CH2O（汽）COH22C2H2O（汽）CO22H2灰渣层氧化层干馏层干燥层还原层3CO2H2O（汽）CO2H242H2O22H2O（汽）5CH2CH46CO3H2CH4H2O7CO24H2CH42H2O（汽）在气化炉燃烧层中，炭与空气及水蒸汽的混合物相互作用时的产物称为半水煤气，其化学反应按下列方程式进行2CO2376N22CO2376N2CH2O（汽）COH2这种煤气的组成由上列两反应的热平衡条件决定。由于半水煤气是生产合成氨的原料气，因此，要求入炉蒸汽与空气（习惯上称为氮空气）比例恰当以满足半水煤气中（COH2）N23要求，但是在实际生产中要求半水煤气（COH2）N232。35发生炉内燃料分布情况图1燃料层分区示意图（3）还原层气化剂从下面进入碳层氧化区中已含有各种气体成分，而在还原层里，主要进行CO的还原反应。（4）氧化层在这里层中，从下面来的空气与弹反应，生成碳的氧化物，因为氧化速度较快，故其厚度比还原层薄如用水蒸汽作气化剂时，在该层中还进行碳与水蒸汽的氧化反应。一般将还原层和氧化层通称之为气化区。在煤气发生炉中固体燃料气化过程，燃料与气化呈相反方向和顺时针方向运动，当气化剂经过燃料层时，进行燃料的气化反应，同时伴随物理变化，燃料层大致可分为如图所示的5个区层（1）干燥层新加入的燃料由于下层高温燃料和炉壁的辐射热以及下面的高温气流的导热，使燃料中的水分蒸发，形成干燥层，干燥层的厚度与加入燃料的量有关。（2）干馏层干燥层下面温度较高，燃料中的水分蒸发至差不多后，在高温条件下，燃料便发生分解，放出挥发分，燃料本身也逐渐碳化，干馏层厚度小于干燥层。（5）灰渣层氧化层下面就是灰渣层，没有化学反应发生，起作用是能分布热空气和保护炉。必须指出，各层之间并没有严格的界限，即没有明显的分层，各层高度随燃料的种类性质和气化条件不同而异。见表336各主要设备的作用361煤气发生炉在间歇法工艺中，用于生产半水煤气的发生炉主要为UGI水煤气炉。目前中、小合成氨企业常用的煤气炉有1500，2260，3000，3600等一系列半水煤气炉，它们的结构与UGI半水煤气炉基本相同。水煤气发生炉的结构大致分为五个部分，起各部分的作用分叙如下（1）炉体炉壳由钢板焊制，上部衬有耐火砖和保温砖硅藻砖，使炉壳免受高温的损害。外面包有石棉制品隔热保温衬铸刚护圈，内部衬有耐火砖和隔热层。（2）夹套锅炉夹套锅炉传热面积约为19M2。外壁包有石棉制品隔热保温层，防止热量损失，夹套锅炉的作用主要是降低氧化层温度，以防止熔渣粘壁并副产蒸汽，夹套锅炉两侧设有探火孔，用于测量火层，了解火层分布和温度情况上部装有液位计，水位自动调节器和安全阀等附件。（3）底盘底盘和炉壳通过大法兰连成一体，用紫铜薄板包石棉布填料密封。底盘底部有气体中心管与吹风和下吹管线呈倒Y型连接，中心管下部装有通风阀和清理门。底盘两侧有灰斗，底盘上没有溢流排污管和水封桶，可以排泄冷凝水和油污，并防止气体外透，起安全作用。（4）机械除灰装置包括能够转动的灰盘和炉条及固定不动的会犁。灰犁固定在出灰口上，利用它与旋转灰盘之间的相对运动，以减弱机械磨损。（5）传动装置机械除灰装置的旋转是由电机提供动力。通过减速箱蜗杆、蜗轮来完成的。传动装置附有注油器，以减弱机械磨损。表3发生炉内情况362燃烧室燃烧室的上部都呈锥形，中部为柱体，内衬有耐火砖及蓄热用的格子砖。燃烧室的作用（1）向吹风气添加二次空气，使其中的CO等可燃物在其中燃烧，所生成的热量被积蓄在格子砖内。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，防止炉蓖受高温的影响，在本区域中，借灰渣预热气化剂。氧化层（燃烧层）碳被气化剂中的氧氧化成二氧化碳及一氧化碳并放出热量。最终反应CO2376N2CO2376N22CO2376N22CO376N2还原区二氧化碳还原成一氧化碳或水蒸气分解为氢，燃料依靠热的气体而被预热。CO2C2COH2OCCOH22H2OCCO22H2干馏区燃料依靠热气体换热进行分解，并析出下列物质1水分；2醋酸、甲醇、甲醛及苯酚；3树脂；4气体（CO、CO2、H2S、CH4、C2H4、氨氮和氢）。干燥区依靠气体的显热来蒸发燃料中的水分自由空间起聚积煤气的作用。有时，煤气中部分一氧化碳与蒸汽进行反应H2OCOCO2H2（2）利用所蓄积的热量，预热下吹蒸汽和加氮空气，提高气体的入炉温度，提高分解率。（3）除去煤气中的细灰，以减少对废热锅炉的损害。气体从下部入口切线方向进室，避免直接冲撞室壁，以减少对耐火砖的磨损，并使气体在室内分布均匀。燃烧室的顶盖起着泄压作用，当系统发生爆炸时，爆炸压力超过盖子弹簧的作用力，盖子张开，降低压力，避免设备损坏。363废热锅炉废热锅炉主要用于回收吹风气和上行半水煤气的显热，生产049118MPA的蒸汽，为制气和其它用途提供一部分蒸汽来源。煤气生产中常用火管立式废热锅炉，炉体为一直立的圆筒，用钢板焊接，两头装有钢板封头，内部装有若干根无缝钢管。高温气从上而下与管间的水进行逆流热交换，汽水混合物从上循环管进入气包产生蒸汽。分离下来的水及向气泡补充的新鲜水（软水）由下循环流入废热锅炉下部管间。进炉气体一般为500700出炉后可降至200左右。由于废热锅炉上部装有气泡，为保持炉体重心达到平衡，避免基础受力不均而下陷，故安装时，锅炉炉体倾斜7，用以促进对流，使热交换效率提高。364洗气箱洗气箱的作用是防止水封以后的煤气倒回煤气炉和空气发生爆炸，并兼冷却除尘的作用。洗气箱的外形是一个具有圆筒形容器。半水煤气进口管浸入水面以下75125MM，水至箱顶加入，不断地从锥体部分的溢流管溢出。以保持一定的水面，起到安全水封的作用。它是煤气炉系统确保安全生产不可缺少的设备。进洗气箱的煤气温度约200，出气温度为70左右，洗气箱的冷却水用量大，其冷却作用主要靠水的蒸发，煤气主要因失去显热而降温。出洗气箱的煤气已被饱和。365洗涤塔洗涤塔的作用是冷却（降温），冷凝（蒸汽）和除尘，它可采用喷塔，也可采用填料塔，其外形一般为柱形。煤气由下部入塔，由上部出塔。由于进塔煤气被水汽饱和。所以，如想继续降温，必须使煤气中的水汽冷凝，由于冷凝热大，故必须用大量的水喷淋，使煤气继续冷却。366烟囱烟囱也是煤气生产中不可缺少的设备，其主要作用是排放废气，另还兼有封尘和除尘的作用。367自动机自动机的作用在于通过自动机的程序控制，使水煤气的生产操作基本实现自动化。自动机把高压水按时送到煤气炉各系统各个自动液压阀门，是阀门按照工艺循环的要求准时准备启动，准确控制和调节，保证生产稳定和安全。37间歇式制半水煤气的工艺条件选择生产工艺条件时，要求气化效率高，炉子生产强度大，煤气质量好，气化效率指制得半水煤气所具有的热值与制气投入的热量之比。投入的热量包括气化所消耗的燃料热值和气化剂带入的热量（后者主要指蒸汽的潜热）。它是用来表示气化过程中的热能利用率。气化效率高，燃料利用率高，生产成本低。气化效率用X表示XQ半/Q燃Q蒸100式中Q半半水煤气的热值Q燃消耗燃料的热值Q蒸消耗蒸汽的热值生产强度是指每平方米炉膛截面在每小时生产的煤气量，以煤标准状态下的立方米表示。煤气质量则根据生产要求以热值或以指定成分要求来衡量。为了保存以上的要求，气化过程的工艺条件有371温度反应温度沿着燃料层高度而变化，其中氧化层温度最高。操作温度一般主要是指氧化层的温度，简称炉温。炉温高，反应速度快，蒸汽分解率高，煤气产量高，质量好。但炉温高，吹风气中一氧化碳含量高，燃烧发热少，热损失大。此外，炉温还受燃料及灰渣熔点的限制，高温熔融将造成炉内结疤。故炉温通常应比灰熔点低50左右，工业上采用炉温范围10001200。372吹风速度提高炉温的主要手段是增加吹风速度和延长吹风时间。后者使制气时间缩短，不利于提高产量，而前者对制气时间无影响，通过提高吹风速度，迅速提高炉温，缩短二氧化碳在还原层的停留时间。以降低吹风气中的一氧化碳含量，减少热损失。吹风速度以下不使炭层出现风洞为限。373蒸汽用量蒸汽用量是改善煤气产量与质量的重要手段之一。蒸汽流量越大，制气时间愈长，则煤气产量愈大。但要受到燃料活性、炉温和热平衡的限制。当燃料活性好。炉温高时，加大蒸汽流量可加快气化反应，煤气产率和质量也得到提高。但同时因燃料层温下降快而应缩短吹入蒸汽的时间。但燃料活性较低时，宜采用较小的蒸汽流量和较长的送入时间。374燃料层高度在制气阶段，较高的燃料层将使水蒸汽停留时间加长，而且燃料层温度较为稳定，有利于提高蒸汽分解率，但在吹风阶段，由于空气与燃料接触时间加长，吹风气中CO含量增加，更重要的是，过高的燃料层由于阻力增加，使输送空气的动力消耗增加。根据实践经验，对粒度较大、热稳定性较好的燃料，可采用较高的燃料层，但对颗粒小或热稳定性差的燃料，则燃料层不宜过高。375循环时间制气过程一个循环时间包括五个阶段时间，各阶段的时间分配要根据燃料性质，气化剂配分比和煤气组成的要求而定，一个循环时间短时，炉温的波动小，煤气产量和质量也较稳定，故循环时间不宜长，但气化活化较低的燃料时，因反应速度慢，应采用较长的循环时间。376气体成分主要调节半水煤气中（H2CO）与N2比值。方法是改变加氮气，或改变空气吹净时间。在生产中还应经常注意保持半水煤气中低的氧含量（05），否则将引起后序工段的困难，氧含量过高还有爆炸的危险。38生产流程的选择及论证根据水煤气生产工艺流程中废热利用的程度，可分为五类1不回收废热的流程吹风直接放空，上下形煤气直接进入冷却净化系统，故其热效率差。一般为小型水煤气站采2只利用吹气特点持有热的流程该流程在吹风阶段，将吹风气通过燃烧室，同时向燃烧室内送入二次空气，合使吹风气中的在燃烧室中燃烧，蓄热，高温燃烧后废热锅炉的收热量后放空。上形、下形煤气直接进入冷却净化系统，不进形热量回收。3利用吹气持有热和上形煤气显热的流程这是我国目前广泛使用的一类流程，它可使大部分的废热得以回收利用。此流程适用于炉径大于2740MM。4完全利用吹风气所持有热及上、下形煤气显热的流程该流程与流程（3）的差别仅在于下形煤气的显热亦于回收，废热的回收利用程度最高，废热锅炉的温度波动较小，蒸发量也较稳定。39间歇式气化的工作循环常压固定床法制半水煤气其工艺流程气化过程按5个阶段分别叙述如下（1）吹风阶段来自鼓风机的加压空气送入煤气发生炉底部，经与燃料层燃