合成氨生产造气工段能耗分析与节能途径

1、化 学 工 程合成氨生产造气工段能耗分析与节能途径孙华田(山东明水大化集团 ,山东 明水250200 )摘 要 : 从提高燃料有效利用率 、降低蒸汽消耗 、降低电耗方面阐述了合成氨生产造气工段降低能耗的途径 ; 通过对氢氮比 、有效气体含量 、甲烷含量 、空气湿度的计算 ,论述了主要工艺指标对氨产量和消耗指标的影响及其适宜 控制范围 ;分析了煤气炉负荷与燃料煤 、蒸汽消耗之间的关系 ,循环时间与燃料煤 、原料煤之间的关系 ,提出了合成氨生产造气工段节能增效的应对措施 。关键词 : 合成氨 ;造气工段 ;能耗 ;节能文章编号 : 1004 - 8901 ( 2008) 04 - 0010 - 0

2、9中图分类号 : TQ 441. 41文献标识码 : AEn ergy C on sum e Ana ly s is of Ga s if ica t ion Sec t ion in Produc t ion of Amm on ia Syn the s isan d Its En ergy C on serva t ion Pa thSUN H uatian( S handong M ingshu i D ao Hua G roup, M ingshu i S handong 250200 C h ina )A b stra ct: F rom a sp ec ts of increasi

3、ng the effec tive u sage ra te of fue l, reducing the steam con sum e, and reduc ing the e lec tric powe r con sum e au tho r ha s de sc ribed the p a th s to reduce the ene rgy con sum e in ga sifica tion sec tion of ammon ia syn the sis p roduction; th rough ca lcu lation s of H2 /N2 ra tio, effec

4、 tive ga scon ten t, m ethane con ten t and a ir hum id ity au tho r has d iscu ssed the influence of m a in p roce ss indexe s on ammon ia cap ac ity, con sum e indexes and has d is2cu ssed its su itab le con tro l scop e; ha s ana lyzed the re la tion of fue l coa l and steam con sum e s w ith the

5、 coa l gasifier load and a lso has analyze s the re la tion of c ircu la ting tim e w ith the fue l coa l / raw coa l; ha s p ropo sed the rep lac ing m ea su res fo r ene rgy saving and effec t inc reasing in ga sification sec tion of ammon ia syn the sis p roduc tion.Key word s: ammon ia syn the s

6、is; gasification sec tion; ene rgy con sum e; ene rgy saving在 合 成 氨 生 产 过 程 中 , 造 气 工 段 不 仅 能 耗 最高 ,而且余热最多 ,因此努力降低煤气生产的原料 、 蒸汽和用电消耗 , 最大限度地回收余热 , 是降低合成氨综合能耗和生产成本的有效途径 。理 论上 生 产 1 t合成氨能耗为 22. 78 GJ ,但在现实生产中 ,即使是一些较为先进的企业 ,实际生产的能耗水平也 远大于此值 。理论分析和生产实践表明 ,进一步降低合成氨能耗的空间仍较大 , 深入挖掘降耗 潜 力 ,努力降低生产成本 , 是小型氮肥企

7、业生存和发展的 关键 。节能问题涉及全厂各工序 ,笔者拟从造气工段提高碳利用率 、减少蒸汽用量 、降低电耗方面进行阐述 。整个煤气生产过程中原料消耗的一部分 ,其与有效消耗碳量的比值即为碳的有效利用率 。在生产中 , 希望有效消耗所占总消耗的比例越高越好 ,这就需 要努力提高燃料的利用率 ,尽量减少其他形式的碳 损失 。原料在气 化过 程中 , 转 入到 半 水煤 气中 的 碳 ,是以一氧化碳和二氧化碳 2 种形式存在的 ,生成甲 烷则是不希望发生的副反应 。假如使用的 气化 原 料品种和气化条件已确定 ,则半水煤气中的一氧化 碳和二氧化碳的总量也就相应为一定值 。根据 国 内目前的煤气生产水

8、平 ,半水煤气中一氧化碳含量一般在 28 % 31 %范围内 ,二氧化碳含量在 7 % 8 %之间 。例如 ,生产 1 t氨 , 半水煤气的消耗量用V半 表示 ,半水煤气中一氧化碳和二氧化碳总含量为30 % + 7. 5 % = 37. 5 % ,则每生产 1 t氨转入半水煤 气中的碳含量为 :提高燃料利用率在燃料气化过程中 ,转化到半水煤气组成中的碳量称为有效消耗 。在实际气化过程中 ,还要以其 他形式消耗大量的碳 , 如吹风过程中所燃烧 的 碳 、灰渣中末燃尽的碳以及随着气体带走的尘粒中所 含的碳等 。事实上转化为半水煤气中的碳量 ,仅是作者简介 : 孙华田 ( 1942 年 - ) ,男

9、 ,山东章丘人 , 1978 年毕业于山东青岛化工学院化学工程专业 , 高级经济师 , 原山东明水化肥厂董事长 ,长期从事化肥生产企业管理工作.第 4期孙华田 合成氨生产造气工段能耗分析与节能途径110. 375 ( 12 /22. 4 ) V半 = 0. 200 9V半 ( kg / t)地提高 ,吹风效率就要降 低 。在 实 际生 产中 , 随 着吹风时间的延续 ,吹风气中一氧化碳含量逐渐升高 是不可避免的 。降低气化层温度可以减少 二氧 化 碳还原为一氧化碳的反应 , 但是 , 炉温低将 导致 制气质量差 、蒸汽分解率低 , 未分解的蒸汽从 炉内 带走了大量热量 , 对降低两煤消耗 ,

10、提高煤气 炉气 化 强度都是不利的 。显然 ,吹风阶段与制气过程对气化层温度要求是矛盾的 。为了保持气化层 有较 高 的温度 ,又要减少吹风气中一氧化碳含 量 , 可采 用提高风机 的 风 压 、风 量 , 减 少 吹 风 百 分 比 等 办 法 。 然而风压 、风量过大 , 不仅会导致吹风阶段 带出 物 明显增多 ,而且炉内炭层容易吹翻 , 难以维 持长 期稳定运行 ;而风压 、风量过小 ,则会导致煤气炉气化 强度降低 。降低空气流速有利于二氧化碳 还原 为一氧化碳 ,故吹风效率降低 , 增加了吹风阶 段碳 的 消耗量 ,降低了碳的利用率 。根据各厂所用 燃料 的 特性 、粒 度等 条件 ,

11、 选 择 适宜的风压 、风量参数的鼓风机 、循环时间 、吹风百分比 ,控制适宜的炭层高度和气化层温度 、厚度 、位 置 ,全方位降低热量损失 ,是提高碳的利用率 ,降低 两煤消耗的主要途径之一 。 2 600 mm 系列煤气炉的吹风强度宜控制在 3 8005 000 m3 /m2 h (优质 原料取高限 ,劣质原料取低限 ) 。一般情况下 , 2 600 mm 煤气炉吹风效率不到60 % ,在炉顶 、炉下出气温度较高时 ,吹风效率仅为50 %左右 。为了使炭层 中 积蓄 一份 可 供制 气用 的 热量 ,往往要燃烧掉 2 倍于这份热量的燃料 。炭层中的热量应尽可能地用于制气 ,采用其他任何热量

12、 用于过热入炉蒸汽或空气 , 为制气反应 提供 热 量 ,都比用这些热量产生蒸汽来得合算 。换句话说 ,从 气化层移走的任何热量 ,尽管可以用来产生蒸汽并加以回收 ,但由于气化层中积蓄的热量效率太低因而是不经济的 。通过计算 ,吹风时炉上温度由 450降至 250 ,吹风效率可提高 6 %左右 。要达到 理想的吹风效率 , 可采取如下措施 : 保持气化层温度在适宜的范围内 , 并选择适宜的空 速 , 尽量 降低吹风气中一氧化碳含量 ; 在煤气炉高径比允许 的情况下 ,控制适宜的炭层高度 、气化层厚 度和 灰 渣层厚度 ; 保持较高的上预热层厚度 (在风机能力允许的情况下 ) ,以增加煤气炉燃料

13、层蓄热能力 ,为提高煤气炉的气化效率创造有利条件 。 在吹风阶段 ,碳与氧的反应是燃烧反应 。实验证明 ,这一反应在 800 以上温度时 , 几乎是不可 逆地自左向右进行 , 而且 属 于扩 散控 制 。因 此 , 在一般煤气发生炉操作的温度下 ,对于二氧化碳生成折成标准煤 :0. 200 9V半 0. 84 = 0. 239V半 ( kg / t)式中 , 0. 375为半水煤气中 CO + CO2组分百分含量 ;12为碳的原子量 ; 22. 4 为标准状况下 ,每千摩尔体积 , m3 ; V 为吨氨半水煤气消耗量 , m3 ; 0. 84 为吨标半准煤的含碳量 。若吨氨消耗半水煤气 3 2

14、00 m3 ,则在 CO 含 量30% , CO2含量 7. 5%的条件下 ( CH4不计 ) ,吨氨理论 消耗碳量为 : 0. 239 3 200 = 764. 8 ( kg标准煤 ) 。实际生产中 ,耗碳量并不是都转化到半水煤气中 。若碳的有效利用率为 65% ,则吨氨耗标准煤为 : 764. 8 0. 65 = 1 176. 6 ( kg) 。碳的利用率提高到 70% ,则吨 氨耗标准煤为 : 764. 8 0. 7 = 1 092. 6 ( kg) 。如果碳的有效利用率由 65 %提高至 70 % ,则吨 氨标准煤可下降 84 kg。由此可见 ,努力提高碳的利用率是降低消耗的主要途径

15、,也是提高企业经济效益的关键 。例如 , 1 个 10 万 t / a 合成氨企业 , 煤气 生产过程中碳的利用率由 65 %提高至 70 % ,每年节 约价值为 : 10 0. 084 800 = 672 (万元 / a) 。式中 ,10为合 成 氨 年 产 量 , 万 t; 0. 084 为 吨 氨 节 约 标 煤 量 , t; 800为目前吨标准煤入炉价格 ,元 。提高碳的有效利用率的途径包括提高吹风效率和控制气效率 、降低灰渣返炭率 、减少吹风和制 气带出物 、减少热量损失等方面 ,以下分别阐述 。提高吹风效率吹风的目的是提高气化层 温 度并 积蓄 热量 为 制气过程创造条件 。吹风效

16、率是积蓄于燃 料层 中的热量和消耗燃料所具有的热值之比 ,其意义可用下式表示 : 100 (Q反 - Q气 )=E吹风Q燃式中 , E吹风 为吹风阶段的效率 , % ; Q燃 为吹风阶段消耗的燃料所具有的热值 , kJ; Q反 为吹风阶段化学反 应放出的热量 , kJ; Q气 为吹风气带走的热量 , kJ。很明显 ,要提高吹风效率 ( E吹风 ) , 只有 努力 增大 Q反 ,降低 Q气 和 Q燃 。由吹风阶段化学反应可知 ,吹风阶段每消耗 1 kmo l碳所放出的反应热 Q反 ,同 生成产物中一氧化碳和二氧化碳的含量 有 关 。生成 1 kmo l 二 氧 化 碳 放 出 热 量 为 393

17、. 51 GJ , 生 成1 kmo一l 氧化碳仅放出热量 110. 52 GJ ,后者放出的 热量为前者的 28. 1 % 。因此 ,将气化层温度控制在 适宜的范围内 ,提高空气流速 (在炭层不吹翻的前 提下 ) ,降低吹风气中的一氧化碳含量是十分重要 的 。吹风气 中 一 氧 化 碳 含 量 增 加 (吹 风 气 中 平 均CO 含量应小于 6. 0 % )或吹风升温过高 , Q气 亦相应化肥设计2008年第 46卷12总反应速度来说 ,氧的扩散速度是该反应的主要控制因素 。通过对碳与氧反应研究表明 ,这一反应在775 以下时 ,属于动力学控制 ; 在高于 900 时 ,属于扩散控制 ;在

18、这 2 个温度区域之间时 ,可认为处 于过渡区 。根据固定层煤气炉气化过程的特点 ,碳与氧之 间首先进行燃烧反应 ,然后产物 CO2再与气化层上部的碳原子进行还原反应 。一般认为 ,碳与二氧化碳之间的反应速度比碳燃烧速度要慢得 多 。温 度 在 2 000 以下时基本属于动力学控制 , 反应速度也大致为 CO2的一级反应 。 根据吹风过程反应的特点 ,控制适宜的吹风强度和气化层温度 , 对提高吹风效率 , 降低原料煤及蒸汽消耗具有重要的意义 。提高制气效率制气阶段的效率 E制气 是指所获得半水煤气热值 Q气 与气化时所消耗的燃料所具有的热值 Q燃 、气 化剂 (蒸汽 )所带入的热量 Q蒸 以及

19、吹风阶段时积蓄 于燃料层可利用的热量 Q利用 三者之和之比 。平衡角度认为 ,应在低压和高温下进行 。从间歇式固定层煤气生产实践来看 ,在采用活 性较高的冶金焦为原料时 , 在同样温度 下 , 适当 地 提高气化剂入炉速度 ,可以在不影响气体质量 (煤气中 CO 含量并不减少 )的条件下 ,提高气化强度 。而使用活性较差的无烟块煤时 ,在同样温度下提高 气化剂入炉速度 , 气体质量和气化强度 下降 更 快 。特别是在炉内温度稍有下降 ,而气体质量和气化强 度立即比较大幅度降低的情况下 ,前者的反应速度可能处于扩散区或过渡区 ,而后者则处于动力学控 制区 。因此 ,在制气时控制较高的气化层温度和

20、较低的气化剂流速 , 是提高制气效率 、气体质 量和 蒸 汽分解率的重要途径 。降低灰渣返炭率灰渣中的含 碳 量与 灰量 之 比称 为返 炭 率 。灰 渣返炭率高的原因多由煤气炉炉底防漏装置存有缺陷 、操作工艺不合理以及煤气炉气化不良等原因 所造成的 。粒径较大的返炭虽然可以回收利用 ,但已带出了部分热量 ,造成一定的热量损失 。灰渣中 的小粒返炭不易回收 , 随灰渣处理掉 , 虽然 可以 再利用 ,但回收利用价值低 。因此 , 努 力 降低 灰渣 可 燃物 ,是提高碳利用率的重要一环 。造成灰渣可燃物高的原因大致有以下几个方面 。( 1 ) 煤气炉炉底防漏装置选择安装不 当或 在 使用中损坏

21、 ,造成排灰不匀或发生漏炭 、塌炭 ,致使返炭率升高 。( 2) 加料方式不当 ,致使炭层四周与中间高低分 布不符合要求 ,使气化剂分布不均匀 ,炉内局部过热 结疤 、结块 ,灰渣层厚度失衡 ,两侧排灰不均匀 。( 3 ) 上 、下吹百分比或上 、下吹 蒸 汽用 量选 配 不当 。( 4) 原料粒度过大 ,气化层温度低 ,燃烧不完全 。( 5 ) 炉条机排灰速度与燃料气化后所 生成 灰 渣的速度不相适应 , 排灰 量 过大 。排灰 不及 时 , 致使灰箱内积灰 , 煤气炉内灰渣层局部上 移 , 造成 气化层的破坏 。( 6 ) 炉温控制不当 ,造成结疤 、结块 ,导致气化 剂分布不匀 , 气化

22、不良或炉温控制过低 , 蒸 汽用 量过大 ,燃料反应不完全时即排出炉外 。总之 ,造成灰渣返炭率高的影响因素很多 ,在日 常生产操作中 ,须针对各自的实际情况 ,查找返炭率高的主要因素 ,采取相应的改进措施 ,使灰渣返炭率降低到小于 15%以 ,理想的目标应达到 10%左右 。降低吹风及制气带出物提高风速可以减少二氧化 碳还 原 为一 氧化 碳 Q气=Q100 %E制气+ Q+ Q燃蒸利用= Q反 + Q气 + Q损Q利用式中 , Q反 为制气反应吸收的热量 , kJ /mo l; Q气 为水煤气及未分解蒸汽带出的热量 , kJ /mo l; Q损 为夹套等热 量损失 , kJ; Q利用 为吹

23、风气储存到燃料层的热量 , kJ。从上式中可以 看出 , 要 提 高制 气效 率 , 必须 提高 Q气 ,即提高单位制气量和水煤气中的有效成分 一氧化碳 、氢气含量 。在制气过程中 ,在 Q燃 消耗和 气化剂蒸汽所带入热量 Q蒸 一定的前提下 , 提高制气效率就是提高吹风时积蓄于燃料层内可以利用的热量 Q利用 的有效利用率 。 吹风时积蓄于燃料层内可以利用的热量 Q利用 ,应相当于气化反应时所吸收的热量 、反应后水煤气和 末 分 解 的 水 蒸 气 所 带 走 的 热 量 与 损 失 热 之 和 。 换言之 , 夹套损失热一定 , 提高制气效率就是控制适宜的气化层温度 ,提高蒸汽分解率 ,降低

24、炉上 、炉下温度 ,减少热量损失 ,提高水煤气的数量和质量 。 碳与蒸汽之间的反应 ,在 400 1 000 的温度范围内反 应 速 度 仍 很 慢 , 因 此 , 属 于 动 力 学 控 制 。 温度超过 1 100 以后 ,反应速度较快 ,开始为扩散 控制 。在高温下进行水蒸气与碳的反应达 到平 衡时 ,残余水蒸气量少 ,即水蒸气分解率高 ,水煤气中H2和 CO 的含量多 。在相同温度下 ,随着压力的升 高 ,气体中的 H2 O , CO2和 CH4含量增加 ,而 H2和 CO 的含量减少 。为制得 CO 和 H2含量高的水煤气 ,从第 4期孙华田 合成氨生产造气工段能耗分析与节能途径13

25、的几率 ,但随着风速的提高 ,必然导致带出物增多 ,故风速的选择应以带出物较少和不吹翻炭层为原 则 。为了减少带出物 ,在生产中可以采用以下措施 选择合适的风机 。( 1 ) 2 600 mm 系 列 煤 气 炉 风 机 可 选 450 550 m3 /m in,风压在 2528 kPa范围内 。( 2 ) 根据原料特性 , 掌握适当 的风 量 , 控制 与 风机相适应的炭层高度 。( 3 ) 选择机械强度和热稳定性较好的燃料 ,严 格把握入炉燃料的加工质量 , 减少粉末入炉 , 力求料层阻力均匀 。( 4 ) 选择设计合理的炉箅 , 既 要排 渣 、破渣 能 力强 ,气化剂分布均匀 ,又要减

26、少下吹带出量 。( 5 ) 掌 握 好 下 灰 质 量 , 将 灰 中 结 渣 率 控 制 在65 %以上 ,减少灰中的细灰量 。( 6 ) 选择适宜的气化强度 。煤气炉负荷重 ,气 化剂流速快 ,带出物就多 ,特别是下吹制气时 ,蒸汽 用量大则流速快 ,下吹带出物相应增多 。( 7 ) 采取相应措施 , 改进上行 出气 方 式 , 提 高炉内除尘效率 。减少热量损失( 1 ) 选择与风机相适应的炭层高度 (一般从风 帽顶向上炭层高度为 1 8002 600 mm ) 。( 2 ) 选择合理适宜的运行工艺和气化条件 ,使煤气炉处于良好的蓄热状态 ,即维持较高的气化层 温度 ,炉顶 、炉底温度又

27、都处于较低的范围 。目前 ,国内已有企业采用自动连续加炭方式 , 炭层 高 度 、 气化层位置 、灰渣层厚度 、煤气炉负荷等选择控制 得较为合理 , 实现了炉顶 、炉底出气温度之和小于460 ,入炉实物吨氨消耗在 1 100 1 150 kg范围 内 ,达到了较高的控制水平 。( 3 ) 如果气化层上移或局部上移 ,势必造成炉 顶温度增高 , 气流带出热量增多的状况 , 导致反应热损失多 , 气化效率下降 。气 化层 位置 控制 不 当 , 灰渣层过薄或厚度不均匀 ,必然导致炉底出气温度 增高 ,带出热量多 ,降低气化效率 。( 4 ) 蒸汽用量过大是造成热量损失的一个 重 要因素 。蒸汽用量

28、过大 ,大量未分解的蒸汽带走了炉内热量 , 使气化层温度下降 , 不仅导致气化效率 降低 ,而且浪费了蒸汽 ,增加了气体洗涤塔热负荷 ,使气体洗涤塔出气温度相应增高 ,在一定程度上影 响了下工序的有效打气量 。全厂蒸汽消耗总量的 65 %以上 ,因此 ,降低蒸汽消耗定额是造气工段的重点工作之一 。造气 工段 的 蒸汽用量可用下式计算 :( H2 ) 100 18 Q T = V半 100Q22. 4式中 QT为制气时吨氨的蒸汽用量 , kg / t; V半 为半水煤3气的吨氨消耗定额 , m / t; ( H2 )为半水煤气中 H2的体积分数 , % ; Q 为制气过程平均蒸汽分解率 , %。

29、 由上式可知 ,造气工段的蒸汽用量与半水煤气消耗量成正比 ,与蒸汽分解率成反比 。在半水煤气消耗定额相同的情况下 , 由于蒸汽分解 率的 不 同 ,用于造气工段的蒸汽量具有很大的差异 。3( 1) 若半水煤气吨氨消耗定额为 3 200 m / t,半水煤气含氢 40%时 ,蒸汽分解率为 40% ,吨氨蒸汽耗 量为 : 40 100 18 Q T = 3 200 = 2 571 ( kg / t)1004022. 4( 2 ) 若蒸汽分解率提高到 50 % ,则吨氨蒸汽耗 量为 : 40 100 18 Q T = 3 200 = 2057 ( kg / t)1005022. 4由以 上 算 式

30、可 知 , 蒸 汽 分 解 率 由 40 %提 高 至50 % ,吨氨节省蒸汽 514 kg。例如 , 10 万 t / a的合成 氨厂 ,蒸汽价格按 100 元 / t计算 , 每年节约蒸汽的价值为 : 10 0. 514 100 = 514 万元 / a。由此可见 ,提高蒸汽分解率 , 是降低蒸汽用量的主 要途 径 , 也 是提高企业经济效益的关键所在 。在间歇式煤气炉制气过程中 ,碳与水蒸气的反 应基本上属于动力学控制区 , 较高的炉 温 , 可以 提高反应速度 。在气化操作中 ,影响蒸汽分解率的主要因素为 : 气化层的温度和厚度 ; 制气时的蒸 汽流速 ; 炉上 、炉下空间体积 ; 入

31、炉蒸汽温度 。从理论讨论可知 ,实际气化过程的气化效率随 着蒸汽用量的增加而降低 。主要原因是由 于动 力学控制影响过大 ,反应不完全 ,蒸汽用量增大时 ,吸 热反应增加 , 导致气化层温度下降 , 继而导 致蒸 汽分解率下降 。这是造成蒸汽消耗量增加的 重要 原因之一 。日常生产中 ,应根据气化层温度 ,控制合理 的蒸汽入炉量 ,尽可能地降低蒸汽流速并使之稳定 ,增加赤热的碳与蒸汽接触时间 ,以提高蒸汽分解率 。 采用过热蒸汽制气 ,是提高蒸汽分解率和制气效率的有效措施 ,过热蒸汽不仅避免了入炉蒸汽带水 ,而且由于提高了入炉蒸汽的热焓 ,从而减少了炉温波 动 。据部分生产厂家的实测数值 ,一

32、般使用 200 以上的过热蒸汽制气时 ,蒸汽分解率可提高 5% ,吨氨 蒸汽的消耗定额约下降 250 kg / t。降低蒸汽消耗在合成氨生产系统中 ,煤气生产的蒸汽消耗占化肥设计2008年第 46卷14直 ”。部分厂家对降低造气系统管网阻力的特殊意义没有足够的认识 。对于像煤气炉吹风阶 段低 压 系统管路的处理 ,不能像对待高压管路那样要求整齐规划 ,而应着重考虑减少管路系统以及阀门的阻 力 ,否则 ,不仅耗能大 ,而且影响风机的工作特性 。吹风阶段系统阻力过高 ,不仅限制了风量的提高 ,而且增加了电耗 。吹风阶段系统阻力与风机风 量的关系见图 1。降低电耗造气工段电 耗 主要 是空 气 鼓风

33、 机用 电 。降 低空气鼓风机电耗的主要途径有 2 个 : 选用合适参 数的 (风量 、风压 ) 风机 ,科学确立风机与煤气炉台数的合理匹配 ; 降低吹风阶段系统阻力 。适宜参数的风机与煤气炉台数的合理匹配目前合成氨生产厂家 , 2 600 mm 系列煤气炉 选用的风机从 D400D 700 (或 C400 C700 ) ,风压2530 kPa不等 。从厂家实践到理论推算 ,各项工艺指标控制较好的厂家 ,其吨氨在吹风阶段消耗空气 量在 1 9002 300 m3范围内 ,吨氨消耗半水煤气按 3200 m3 / h推算 ,空气与半水煤气之比为 0. 594 1 0. 719 1。设 2 600

34、mm 炉的气化强度为 1 320 m3 时 ,产半水煤气量为 7 000 m3 / h,即每小时空气耗量 为 4 1585 033 m3 / h。设空气与半水煤气之比为 0. 65,吨氨消耗半水 煤气 3 200 m3 ,吨氨耗空气量为 0. 65 3 200 = 2 080(m3 ) , 2 600 mm 气化炉产氨 2. 19 t / h,吹风需空气 量为 2. 19 2 080 = 4 555 (m3 / h) 。风机在实际情况下 ,风量为 24 000 m3 / h,循环时间 150 s,吹风百分比 为 20% ,时间为 30 s,故用风量为 : ( 24 000 /3 600) 30

35、 (3 600 /150) = 4 800 (m3 / h) 。 2 600 mm 煤气炉在日产气量可供产氨 2. 19 24 = 52 ( t / d)的情况 下 ,选配实际风量为 24 000 m3 / h的风机 ,可以基本满足生产要求 。据了解 ,大部分生产系统 1 台鼓风机供 4 台气 化炉用风 。正常情况下 ,吹风阶段与上位炉的上吹 加氮过程 重 叠 , 故 选 D 450 D 550 , 风 压 在 25 28 kPa的风机 ,可以满足 2 600 mm 煤气炉经济运行负荷的要求 。如果风机的风压 、风 量过 大 , 会导 致 煤气炉经常吹翻而被迫采用进出口节流阀控制风 量 ,此时

36、无论是采用进口节流方式还是出口节流方 式 ,均浪费功效 ,致使电耗增高 。降低吹风阶段系统阻力降低系统阻力是降低鼓风机电耗的主要措施 。 风机在运行中 , 实际风量往往达不到额定风量 , 其原因除风机设计参数与实际气化条件不相适应外 ,主要是由于风机进口至空气煤气出口之间的阻力 偏大所引起 。系统中的阻力包括设备和煤气炉炭层的阻力 ,以及管路和阀门的阻力 。化肥厂的工艺管 路有 高 压和低压之分 , 其中煤气生产系统为低压 , 铜洗和合成系统为高压 。以往各厂对 2 种系统管 网的 处理没有区别对待 , 统一强调管路布置追求“横平竖图 1 吹风阶段系统阻力与风机风量的关系由于系统阻力的增高 ,

37、其风机风量由 Q2减少到Q1 。管路损失 p损 折合成电耗 N损 可用下式计算 :Q sp损N =( kW h)损102 式中 ,为风机效率 (风机效率约 75 % ) ; N损 为不同阻力折成 电 耗 , kW h; p损 为 阻 力 损 (压 力 降 ) ,kPa; Q 为为相应于 p 的每秒风量 , m3 / s; 102 为单S损位换算常数 ( 1 kW = 102 kg m / s) 。不 同 阻 力 损p损 折合的电耗 N损 见表 1。表 1 不同阻力损折合的电耗Q /m3 h - 13- 1p损 / kPaN损 / kW hQ S /m s26 0007. 224. 9047.

38、226 0007. 222. 9428. 326 0007. 221. 4714. 2在系统阻力较低时 , 可选用风压较低的风机 。例如 , 在 采 取 措 施 后 整 个 系 统 阻 力 的 阻 力 降 低 了2. 94 kPa,由输送风压为 27. 47 kPa风机改选为风压 为 24. 53 kPa的风机 ,即可满足造气工艺要求 。D 500风机 出 口 压 力 由 27. 47 kPa 降 至 24. 53kPa,电费按 0. 35 元 / kW h计 , 10 万 t / a的合成氨 装置 ,造气鼓风机的年节电费用 (鼓风机年运行时间以 350天计 )为 : 500 603= 8.

39、33 (m / s)鼓风量 :QS =3 600p损= 2 800 - 2 500 = 300 (mmH2 O )= 2. 94 ( kPa)风机出口压力由 27. 47 kPa降至 24. 53 kPa 时的轴功率差为 :8. 33 300= 32. 7 ( kW h)N损 =102 75 %第 4期孙华田 合成氨生产造气工段能耗分析与节能途径15每台风机日节电 : 32. 7 24 = 784. 8 ( kW h)每台风机年节电 : 784. 8 350 = 274 680 ( kW h)每台风机年节电费用 : 274 680 0. 35 = 96 138 (元 )10 万 t / a 合

40、成氨装置一般需 2 台鼓风机同时供应 空气 ,故每年节约电费为 :96 138 2 = 192 276 (元 )由以上计算可见 ,努力降低吹风过程系统阻力 ,对于造气鼓风机的节能和企业经济效益大有益处 。有效气体含量有直接关系 。半水煤气理论 利用 率( n )可用下式表示 : 100 -(CO2半 ) - 3(O2半 ) -(CO半 ) (1 - x) (1 -)n1 =100式中 (CO2半 ) ,(O2半 ) ,(CO半 )为半水煤气中各项气体的体积百分数 ; x为变换率 ;为再生气回收率 。( 1 ) 假 设 半 水 煤 气 中 的 成 分 为 : ( CO2 ) =7. 8 % ,

41、( O2 ) = 0. 3 % , ( CO ) = 30 % , ( H2 ) =40 % ,(N2 ) = 21. 5 % ,变换率 x 为 95 % ,再生气回 收率 = 90 % ,则 :主要工艺指标与消耗的关系= 100 - 7. 8 - 3 0. 3 - 30 (1 - 0. 95) (1 - 0. 9) = 91. 15%氢氮比半水煤气中的氢氮比是合 成 氨生 产中 一项 重 要控制指标 。当氢气与氮气的体积比为 3 1时 ,氨的平衡浓度最大 。如果氢气和氮气中任一 组分 过量 ,参加反应的氮氢气体在总气体中的百分率就要 减少 。一般情况下 ,氢气和氮气约占入合成塔气体的 80

42、%左右 ,如果扣除循环气中惰性气体和氨气 ,把剩余的氢氮气按 3 1的比例参与合成反应 ,则氢 气应为其 中 的 75 % , 氮 气为 25 % 。如 若 氢 气 过 量3 % ,则 氢 氮 气 中 氢 气 含 量 为 78 % , 氮 气 含 量 为22 % ,而与 22 %氮气发生反应的只有 66 %氢 ,那么 ,参与反应的氢氮气体则占总气体的 88 % 。如若氢 氮混和气中氮气含量过剩 3 % ,则其组分为氮 28 % , 氢 72 % , 72 %的氢气只能与 24 %的氮气化合 ,则参与反应的氢氮为 96 % 。显然 ,氮的过量要比氢的过量好得多 。另外 ,从氨合 成反 应速 度

43、看 , 在非 平衡 的状 态 下 ,适当增加氮的分压 ,有利于触媒吸附氮的速度 。原因是氮的活性吸附是氨合成反应过程中的控制 步骤 。氢氮气体之比例稍低于 3 ,有利用提高气体中氮的分压 , 使更多的氮扩散到触媒表面 , 增加吸附机会 ,提高合成率 。由于合 成率 的提 高 , 压缩 机 的电耗也会相应降低 。氢氮比过高 , 对 合 成反 应非 常不 利 。例 如 , 在循环气中氢 75 % 、惰性气 20 % 、氮气 5 %时 , 5 份氮 气只能 与 15 %的 氢反 应 , 即参 加 反应 的组 分仅 为20 % ,其余 80 %的气体并未参加反应 , 从而导致合成效率明显下降 ,合成压

44、力升高 ,放空量增加 ,不仅 浪费了大量的氢气 , 影响氨产量 , 而且造成各项消 耗指标的升高 。循环气中氢氮比控制在 2. 4 2. 8之间较为适宜 ,但由于氢氮气体是以 3 1 的比例合 成为氨的 ,故补充气的氢氮比仍以 3 1 为宜 。有效气体含量有效气 体 一 般 指 半 水 煤 气 中 一 氧 化 碳 和 氢 。 在吨氨耗气一定的情况下 ,吨氨消耗半水煤气量与n11003 )若吨氨耗精炼气 2 900 (m,则吨氨消耗半水煤气为 :3 )2 900 /0. 9115 = 3182 (m( 2 ) 假设半水煤气成分为 : ( CO2 ) = 12. 3 % , ( O2 ) = 0.

45、 7 % , ( CO ) = 26 % , ( H2 ) = 40 % ,(N2 ) = 21 % , 变换率 x 为 90 % , 再 生 气不 回收 率 = 0。代入上式计算半水煤气理论利用率 ,则 :100 - 12. 3 - 3 0. 7 - 26 (1 - 0. 9) (1 - 0)n2 = 83%1003吨氨消耗半水煤气为 : ( 2 900 /0. 83 ) = 3 494 (m)由上述计算可知 ,后一种情况吨氨多耗半水煤3气 312 m 。可见 ,半水煤气中有效成分的变化对半水煤气消耗有显著影响 。氧含量半水煤气中 的 氧是 十分 有 害的 气体 。氧进 入 变换工段与触媒进

46、行氧化还原反应 ,一个体积的氧气消耗 2个体积的有效成分 ,同时会放出大量的热量 ,变换操作处理稍不及时就会烧坏触媒 。控制催 化剂层温度上涨的办法是加大蒸汽量 ,又将导致低 变催化剂返硫化 ,影响变换催化剂的活性 ,所以 ,努力降低半水煤气中氧含量 , 对安全生产 、降 低消 耗具有重要意义 。氧与变换催化剂的化学反应氧化反应 :4 Fe3 O4 ( s) + O2 ( g) = 6 Fe2 O3 ( s)- 1r H= - 514. 6 kJ mo l还原反应 :3 Fe2 O3 ( s) + CO ( g) = 2 Fe3 O4 ( s) +CO2 ( g)- 1r H= - 50. 8

47、 kJ mo l总结果 :2CO ( g) + O2 ( g) = 2CO2 ( g)- 1r H= - 565. 4 kJ mo l变换反应 :CO ( g) + H2 O ( g) = CO2 ( g) + H2 ( g)- 1r H= - 41. 16 kJ mo l由上式可知 , 1 摩尔氧消耗 2 摩尔一氧化碳 ,放化肥设计2008年第 46卷16出的 热 量 是 变 换 反 应 的 13 倍 。半 水 煤 气 中 的0. 1 % (干基 )的氧 ,在一般常用的蒸汽条件下 ,在气 化炉内生成的反应热可使气体温度升高 67 ,必须加入过量蒸汽以带走这部分热量 。据计算 ,半水煤气中氧含

48、量增加 0. 1% ,吨氨要多耗蒸汽 100 kg 左右 。如果 1 t烟煤可生产 7 t蒸汽 ,一个 10万 t / a的 合成氨装置每年多耗烟煤 : ( 100 000 0. 1) /7 = 1 429 ( t) ,每吨烟煤按 450 元计 ,则每年减少经济效益为 :1 429 450 = 64. 28 (万元 / a) 。3式中 , V放空 为吨氨放空气的体积 , m ; V补充 为吨氨补充混 合 气 的 体 积 , m3 ; i 为 补 充 气 中 惰 性 气 含补充量 , % ; 放i 空 为 放 空气 中惰 性气 含 量 , % 。实 际 上 因有一部分惰性气溶解于液氨中 (约 1

49、 /3 ) ,故实际放 空气体积比计算值要低 。由上式可知 , 在补 充气 量固 定 时 , 吨氨 循环 气 放空量与补充气中惰性气体的含量成正 比 。补 充 气中的惰性气体来自半水煤气 ,假设循环气中惰性气含量维持在 15 % ,吨氨补充气为 2 900 m3 , 当补 充气中惰性气体含量为 1 % ,吨氨放空量为 :半水煤气中的氧消耗的理论计算设吨氨消耗半水煤气量为 3 200 m3 / t, 则每年吨氨消耗 CO 为 :3 200 0. 001 2 = 6. 4 (m3 / t)6. 4 100 000 = 640 000 (m3 / a)设吨氨消耗氢气量为 2 000 m3 ,则每年消

50、耗的有效成分可产氨为 :640 000 /2 000 = 320 ( t / a)单位体积的一氧化碳在变 换 中可 以产 生相 同 体积的氢气 。此外 ,半水煤气中氧含量达到一定值 后 ,会形成爆炸性气体 , 直接 威 胁生 产安 全 。因 此 采取有效措施 , 努力降低半水煤气中氧含量 , 是煤 气生产中一项重要的工作 。降低半水煤气氧含量的措施( 1 ) 保持气化层的适宜分 布 , 力求 气化 均 匀 ,避免出现炭层吹翻 、风洞等现象 。( 2 ) 确保下行煤气阀与吹风阀安全联锁完 好 灵敏 ,且保持下行煤气阀严密不漏气 。( 3 ) 上吹加氮阀采用双阀 ,以确保关闭状态下 不渗漏 。(

51、4 ) 减少炉底“死区 ”(下行阀 、吹风阀距炉底 距离 ) ,并采取蒸汽吹净措施 ,消除炉下“死区 ”存积空气 ,以避免下吹时将空气赶入气柜 。( 5 ) 保持吹风阀与安全挡板安全联锁灵敏 。(6) 采用下吹加氮方式时 ,必须保证下吹加氮阀 不漏气 ,且下吹加氮结束后仍有足够的蒸汽吹净时间 。甲烷含量甲烷是 合 成 氨 生 产 中 的 惰 性 气 体 , 不 毒 害 触 媒 ,也不参加合成反应 , 但不 易 清除 。甲烷 在合 成系统中逐渐积累 , 会降低氢氮气的分压 , 使氨的合 成率降低 。虽然甲烷不参加合成反应 ,但当其通过 合成塔时 ,不仅带走塔内热量 ,造成触媒温度下降 , 还使压

52、缩机和循环机做虚功 。为达到系统 平衡 而 被迫放空时 ,部分氢氮气随同放空气外排而导致损 失 。每生产 1 t氨循环气的放空量可按下式计算 :3( 2 900 1 % ) /15 % = 193. 3 (m)若补充气中惰性气含量增至 1. 5 % ,则放空量为 :( 2 900 1. 5 % ) /15 % = 290 (m3 )由以上计算可知 , 每生产 1 t氨可多放空循环 气 96. 7 m3 。可见 ,努力降低半水煤气中甲烷含量是很有意义的 (循环气中惰性气组分主要是甲烷和 氩气 ) 。半水煤气中甲烷含量 , 主要取决于燃料的 挥发分高低 ,其次是炉温的高低 。甲烷生成是一个 体积缩

53、小的放热反应 ,降低压力 ,提高温度 ,有利于 抑制甲烷的生成 。空气湿度大气是干空气和水蒸气的混合物 ,这种混合物 称之为湿空气 。湿空气含水量的多少 ,对造气工艺操作和消耗有一定的影响 。在湿空气中 ,单位质量干空 气 所 带 有 的 水 汽 含 量 , 称 为 湿 含 量 或 绝 对 湿 度 ,简称湿度 。当总压一定 时 , 空气 中 水汽 分压 与 同温度水的饱和蒸汽压之比 ,称之为相对湿度 。相对湿度表示空气的不饱和程度 。空气的湿 度一 般 在 30 % 80 %范围内 , 随地区 、气温 、季节 、天气的 变化而不同 。( 1 ) 例 1 夏天气温 30 ,查表知 : 空气湿度

54、为 80 %时 ,每立方米湿空气中水汽含量为 0. 024 3233kg /m ,假设吨氨吹风耗空气 2 300 m ,则带入的水汽量为 :( 2 300 0. 02432 ) /18 = 3. 11 103 (mo l)蒸汽在气化层与碳的反应为 :H2 O ( g) + C ( s) = CO ( g) + H2 ( g)- 1r H = + 131. 3 ( kJ mo l则带入的水汽吸收热量为 :)3. 11 103 131. 3 = 408. 343 103 ( kJ )标准煤低位发热值取 29. 19 103 kJ / kg, 则多 消耗实物煤 :408. 384= 16. 32 ( kg / t)29. 1972 V补充 补i 充=V放空i式中 , 72为实际 燃料 固 定碳 ; 84 为 标准 煤固 定 碳 。放空第 4期孙华田 合成氨生产造气工段能耗分析与节能途径17( 30 6. 66 ) /0. 65 23 = 7 076 (m3 / h)当吹风效率为 55 %时 ,实际多消