毕业设计（伦文）-150kta煤制甲醇气化工段工艺设计

摘要甲醇作为一种重要的有机化工原料，在工业生产中占据重要的位置。常用来用来合成甲醛、二甲醚、醋酸等常见的工业产品。由于现代社会中石油的过分开采，传统资源面临巨大的压力。同时甲醇的成本却在不断降低。我国的国情是“富煤、缺油、少气”，现代工艺已经越来越青睐用甲醇作为新的工业原料。而作为煤炭大国、用煤来作为原料生产甲醇可以有效的解决石油供应矛盾。中国富煤贫油，由煤气化制取甲醇合成气是我国目前乃至将来的发展方向。通过这次的安全设计，可以将所学到的知识在实践中运用出来，加深了我对于课本上的知识的理解，使所学的知识形成一个完整的体系，以便于更灵活的运用。关键词：甲醇；气化；安全设计AbstractMethanol,asakindofimportantorganicchemicalrawmaterials,occupytheimportantpositionintheindustrialproduction.Commonlyusedtousedtosynthesisofformaldehyde,dimethylether,aceticacidandothercommonindustrialproducts.Duetoexcessiveminingoilinmodernsociety,thetraditionalresourcesunderenormouspressure.Atthesametimethecostofmethanolarecomingdown.Ourcountrynationalconditionis"richcoal,lackoflessoil,gas",moderntechnologyhasbeenmoreandmorefavorwithmethanolasrawmaterialsforthenewindustries.Asacoalpower,coalasrawmaterialtoproducemethanolcaneffectivelysolvethecontradictionsoftheoilsupply.China'srichcoalboundary,themethanolsynthesisgasfromcoalgasificationisthedevelopmentdirectionofourcountryatpresentandthefuture.Passthesafetydesign,learnedknowledgecanbeusedinpractice,deepenedmyunderstandingofthetextbookknowledge,makethelearnedknowledgetoformacompletesystem,inordertofacilitatetheuseofmoreflexible

Keywords:methanol;Gasification;SafetydesignTOC\o"1-3"\h\u29685引言 引言甲醇作为一种重要的有机化工原料，在工业生产中占据重要的位置。常用来用来合成甲醛、二甲醚、醋酸等常见的工业产品。由于现代社会中石油的过分开采，传统资源面临巨大的压力。同时甲醇的成本却在不断降低。我国的国情是“富煤、缺油、少气”，现代工艺已经越来越青睐用甲醇作为新的工业原料。而作为煤炭大国、用煤来作为原料生产甲醇可以成功的解决石油供应矛盾。中国富煤贫油，由煤气化制取甲醇合成气是我国目前乃至将来的发展方向。第一章企业简介本次设计公司欲在包头市郊区建厂，该地气候宜人，地理水文条件优秀，，能源供应充足，交通运输便利。气化工段采用壳牌煤制气工艺。1.1总图布置本工厂一块是在总部西面的生产区，整个工段大部分的装备装置都在这边。把辅助区确定的离生产区近一些，能节约管线。大体本项目就分为这两部分，主要如以下布置：让原料尽可能的建造在离生产车间近的地方。把其他需要的装备设施建造在生产区的附近。；为了便运出成品将成品储运区设立在生产车间的东面。规划是将工厂的大门建在厂区北面迎街处，便于与外界联系并将货物出入口与人流出入口分开以避免人货进出发生冲突。1.2生产规模年产150Kt/a煤制甲醇工程。1.3工艺流程本工段拟采用壳牌煤气化工艺制备粗甲醇。1.4公用工程及辅助设施给排水水源本工程利用使用地下水供水。用水量考虑到厂区的生活、冲洗、喷淋、循环用水的总量并预留一定的弹性用水，则最多用水量可达。第二章壳牌气化工艺流程说明2.1壳牌气化工艺特点壳牌煤气化是一种加压气流床气化工艺，干煤粉作为进料物质，催化剂选用纯氧，排出的是液态渣。用氮气将干煤粉输送进气化炉，对于煤粒度的大小要求也比较简单，一般用不着磨得特别细，需要用热风吹扫干燥避免形成团状。由于其中有一定的粘结性的细沫，故，需要与循环煤气冷却混合，送入废热锅炉前需要激冷到900℃，产生过热高压蒸汽。CO+H能占到干煤气90%以上。壳牌气化技术的关键优势在于：1．输送干煤粉利用加压氮气，可以适应多种煤质。2．根据工艺特点确定该气化温度在1400～1600℃间，九成九以上的碳可以得到转化。产品气体洁净3．配套的装备投资减少由于其耗氧量低于其他气化方法。4．生产力强，单天处理煤量在2000吨以上。5．冷煤气效率在78%以上。6．烧嘴的质量很可靠。该气化烧嘴寿命至少在8000小时以上。2.2shell煤气化的原理 △H=－395百万焦耳/千摩尔碳 △H=175百万焦耳/千摩尔碳 △H=133百万焦耳/千摩尔碳 △H=－76百万焦耳/千摩尔碳 △H=－42百万焦耳/千摩尔碳 △H=216百万焦耳/千摩尔碳2.3原料要求壳牌煤气化的适应性极强。由于是粉煤进料和加压和高温气化，对煤的一些理化特性的要求不是特别严格。但基于节约成本故还是对煤种有一定要求。相关设备的设计及操作与煤种的选择息息相关。1．水分由于是干粉进料，含水量必须低于2%。水分含量的高低直接影响运输成本的高低的和制取的能耗量。2．灰分灰分存在于煤中，对气化反应造成的影响微乎其微，但对于灰处理系统以及气化炉会有很大的影响。灰分越多旋即煤耗和氧耗量就变多。排渣的设备承担的任务就会加重，严重时甚至会导致气化炉损坏。但为了保护气化炉的炉壁也不能让灰分太少，因为炉子的结构是冷壁，用灰渣还保护炉壁以免受到进一步的损害。3．煤粉粒度、挥发性及反应活性挥发分就是煤受热挥发出来有机物。可以有效的体现变质程度。正常来讲挥发分越高，煤质越容易进行反应。壳牌气化炉是高温气化，故反应时间相对较短，故更需要粒度更小，反应活性更好的煤。对反应活性好的煤可稍微放宽煤粉粒度，对于反应活性差的煤来说粒度越细越好。2.4工艺流程及主要设备1.工艺流程一般采用废锅流程。煤先经过氮气送到煤锁斗再到烧嘴。再将氧气和水蒸气加入到烧嘴。调节氧量和蒸汽量通过控制煤量，使气化炉在运行。使其运行在1400—1700℃范围内。排出灰分。从炉底排出大部分熔渣，激冷后，进入渣所系统，再排出。经过激冷通过的从气化炉中出来的粗煤气。熔渣固化后脱除。再将废热锅炉生产的过热蒸汽除去细灰后部分煤气区激冷出炉煤气。粗煤气除去大部分有毒有害物质后，使得大部分水可以循环使用。2.主要设备(1)气化炉：核心设备是气化炉。气化炉两部分组成：有水冷壁、容器外壳和环形空间。一层比较薄的耐火材料贴在水冷壁的向火侧为了减少损失的热量也为了挂着渣，用渣来隔绝热量，更好的防护炉壁，降低热量的损失，可以更好的操作和优化气化率。将环形空间设置在压力容器外壁和水冷壁中间。目的是为了容纳水/蒸汽的各类管线。还可以便于检修。气化炉分为两部分，上半部是燃烧室，下半部是激冷室。煤粉及氧气在1700℃中的燃烧室中发生反应。（2）烧嘴烧嘴对于壳牌煤气化的地位极其重要。侧壁烧嘴用于气化炉加料，对称布置在高温区，由于采用多烧嘴结构，便于调节操作的负荷。正常情况下使用寿命在7500h以上。（3）废热锅炉水管式布局一般用于废热汽锅。上面设置有清洗装置避免灰尘的积聚。（4）煤粉的加压系统进料由锁斗和料斗构成。煤炭在经过加压后先装满锁斗随即送到料斗。用氮气气流将增压后的煤运送到烧嘴。（7）原料煤的储运系统煤的储存运输设备有：卸料斗、加料器、皮带、煤仓等，类似与传统煤的运输方式（8）磨煤及干燥系统先用机械把煤研磨合适规格。在研磨当中中，用热空气进行吹扫。经过干燥研磨后的煤被输送到气化炉进料系统。第三章工艺计算3.1需要参数1煤的元素组成组成 C H O N S W A重量（%） 72.11 1.79 1.10 1.73 0.77 MJ/kg2粗气成分组成 CO COH N HS COS NH体积（%） 合成气热值：3熔渣组成组成 C S 灰重量（%） 4飞灰组成组成 C S 灰重量（%） 3.2物料衡算3.2.1基础计算（1）生成的熔渣量：各组分的量：×灰分共计13.87kg（2）飞灰生成量：飞灰带出的各元素量： Ckg 灰kg共计kg则带出各元素损失量为： Ckg Skg 灰分kg（3）煤输送气CO2带入的元素量 C=kg O=kg共计18.83kg（4）进入合成气中的元素量：CkgSkg Hkg O1.10+6.00=6.333kg N1.80kg共计83.11kg则原料煤的碳转化率为3.2.2气化过程平衡计算（1）每m合成气中所含的各元素量：CHONS（2）根据碳平衡得粗合成气的量： （3）根据氢平衡得水蒸汽的耗量：kg则水蒸汽消耗量为：×则水蒸汽带入的氧元素量为：kg（4）则纯氧耗量为W=61.715kg硫平衡：收入：原料煤中带入硫kg支出：粗合成气中含硫kg 灰渣中含硫0.42kg共计0.57kg收入=支出，平衡成立（6）氮平衡：收入：原料煤中带入的氮1.730kg输送气体中含氮量=0.626kg共计2.356kg支出：粗合成气中的氮含量231.23×0.009437=2.368kg误差=100%=0.48%项目CHONSA共计收入1.原料2.气化剂3.输送气17.3100103.44120.762共计77.477.0697119.2452.3560.8717.3233.517支出1.合成气2.飞灰3.熔渣7.0542119.2452.4570.410.373.713.1共计77.517.0542119.2452.4570.7816.8231.413 3.2.3热量平衡收入：原料热Q=100×30831=3083100kJ原料物理的热值Q=100×80×1.25=10000kJ氧的热值Q=61.732×20×0.633=781.53kJ水蒸汽的热Q=41.438×277.5=11499.05kJ送气的物理热Q=18.65×200×0.873=3256.29kJ共计3202447.04kJ 支出：合成气热值Q=321.237405=2378708.15kJ合成气物理热：H2SNH30.3140.3250.4820.3190.4070.4180.317计算解出：/(m³·℃)=1.363kJ/(m³·℃) 则：Q=1.363×1500×321.23=656754.74kJ灰分的物理热Q8=1500×3.47×0.875=4554.37kJ灰分的化学热Q9=0.17×4.1868×8137=5791.56kJ熔融渣的物理热Q10=1500×1.032×13.2=20433.60kJ熔融渣的化学热Q=4.1868(0.21×8137+0.38×2500)=10608.39kJ损失的热量Q12=125596.23kJ共计3202447.04kJ3.3设备选型3.3.1磨煤机选型1．基本参数：原煤粒度大小：直径（mm）含量（w%）1%19%20%20%20%20%2．种类选择煤磨粉在海内外工业中非常普及。常见磨煤机型式有：（1）低速磨：适用性很广，使用与规模比较一般的工程。（2）中速磨：适合磨损性较强的煤质。最适宜水分在25％以下的煤种。例如烟煤、贫煤等（3）高速磨，适用于水分较高灰分较低的煤质。根据原料煤的特点，初步选定MPS—255型磨煤机，选定中速辊盘磨煤机3台。两个运行，一个备用4．初步选型结果选用中速辊磨机：型号MPS-255磨煤能力：55.44t/h进入磨机的热风：10.4万Nm3/h温度258℃出磨机的热风：10.6万Nm3/h温度105℃煤风比：0.58磨轴直径(mm)1650加载方式：液压加载电机：YMPS560-6功率：900kw3.3.2气化炉选型1．气化炉选择因为该工艺是壳牌工艺故需要本厂家的专用产品。用最大的规模以便节约成本。2．具体要求A．内件部分：（1）与高温气体接触的部件采用水冷壁结构。（2）考虑介质和气流的影响，针对渣池冷却段的条件恶劣，选用Cr、Ni含量高的材料。（3）采取严格的保护措施在要求严苛的关键部位B．承压壳体：主体材料必须可以抗腐蚀。需利用耐热衬里保护与气体接触的压力壳体，避免器壁破裂造成压力容器局部温度失控。3.选型结果型号：1台专用shell气化炉规模：内件需要从海外进口。温度：压力：3.3.3输送管及过热器输送管线长约1750cm，直径为φ350，内径φ140。与气化系统和整齐过热器呈40°相接。设置在蒸汽过热器上的气体返回室用于使改变气流的方向。过热器一般来说用的是用高合金钢制造的螺旋盘管，壳体内的管束用特质的架子悬吊着。在个圈盘管上设有敲击的装置以便除去换热管上的炉灰，用以保证传热面的传热效率。使用炉气输送管将携带粉尘的气体运到到蒸汽过热器，在内件设计中，由于设计的需要，经过改变气流的方向和重力的作用在输送管处，较粗的尘粒在侧下方运动。可以采用保护性措施来保护表面不损坏。3.3.4合成气冷却器1．型号初选合成气冷却器对于本工艺的设备很重要。直径为3500cm，长～5200cm。选择立式圆筒构造，恒力吊架浮动支撑。采用悬吊支撑。2．具体设计合成器冷却器依然用换热段组成，螺旋盘管是同心的，安装气动敲击装置在管上以免炉灰在换热管上积聚，用以提高传热效率。本装备的正常使用寿命达最少是二十年，生产条件和很差，除了正常的损耗外，还要考虑各种的腐蚀问题。合成气冷却器的设计选材安装等步骤都相当复杂，且各附件的设置等对装备使用寿命的影响很大。故准备整体引进。3.最终确定结果：1台合成气冷却器，3.3.5循环气压缩机 1．基本条件：合成气的组成（体积%）组成 CO CO2 H2 N2 H2S H2O NH3体积 56.26 7.98 15.54 1.4 0.1 18.60 0.18流量：温度：压力进：压力出：2．压缩机类型选用：经计算得到的量是：为大流量考虑到工艺特点为高压力，故应确定为筒型结构。合成气干净，为了安全起见选用防爆的电机。通过参阅《化工工艺设计手册》并考虑实际情况后选用离心式压缩机，注：以下公式与参数都查阅于此书。3．该压缩机的主要性能指标：（1）[Q]、额度排气压力[Pd] （2）段的个数进出口的压力比较小，故选择用单级压缩。（3）离心式压缩机的功率 Nj=则 η=0.795Z，Z近似取值为1多变指数计算为m==1.311其轴功率：通常情况驱动机的功率是轴功率的1.1倍，即：因此确定为的电动机CO2压缩机确定为： 型式：离心式，1台 形状：筒状 流量进max： 压力进：压力出： 动力：防暴电机 功率：3.3.6各种泵的选型1．离心泵的选择组成离心泵的部件正常情况有叶轮、泵壳等。液体在泵壳内经叶轮给速度和压力向四周抛洒作圆周运动。当液体到达出口时。因为液体被抛出，叶轮中心部分压力变小，大气压力导致液体不断地被压入，并排除。选择IS型水泵由于运送的时水类液体。在水泵的特性曲线上找出对应的点，最终选用IS50-32-160型水泵，转速为2900r/min。2．如何封形式常用轴封有填料式、机械式和动力式。选用密封性能优秀的密封型式防止本工艺中输送的甲醇水溶液泄露造成事故，因为机械密封的密封效果好，泄漏量很小，寿命长，故选用机械式。第四章安全评价4.1安全评价的概述4.1.1安全评价的目的、范围A.安全评价的目的贯彻十六方针，为工艺建设提供科学的建议，便于提高高危化工的安全程度，预防和减少高危建设生产中中的危险、有害因素，降低生产过程中的危险程度。使工作人员的健康和生命安全和企业的财产安全得到保障。(1)本次安全评价的意在确定本工艺投产建设后面临的危险、有害因素及导致的后果。(2)对工艺运行后后面对潜在伤害、有害因素进行科学的评价，并分析其控制手段，并预测其等级。(3)确定相应对策措施以预防、消除。提高运行的安全等级。实现工艺的本质安全化。B.安全评价范围确定本次的评价范围为150K吨/年煤质甲醇壳牌气化工程C.评价的顺序准备项目评估报告，主要是可行性研究项目的研究，原料分析过程，成品，生产工艺，设备等大型固体危险和有害因素的基础上，再选择过程的科学分析的危险和有害的存在的方法因子的定性和定量分析，以确定损坏程度到他自己的，并确定与国家安全标准和行业规定一个项目是否是基于所提出的预防的评价标准，削弱和消除危险的有害因素的对策，最后，建立评估和建议。4.1.2安全设立评价依据法律(1)《中华人民共和国安全生产法》(中华人民共和国主席令第70号)(2)《建设项目(工程)劳动安全卫生监察规定》(3)《关于进一步加强建设项目(工程)劳动安全卫生预评价工作的通知》(国家安全生产监督管理局文件安监管办字〈2001〉39号(4)《建设项目(工程)劳动安全卫生预评价管理办法》(原劳动部第10号令)(5)《危险化学品安全管理条例》(国务院第344号令）4.2安全评价方法及单元根据不同的应用条件、对象、工作量、选用的方法都不相同。常见的评价方法有很多种，一般常用安全检查表、事故树、预先危险性分析方法。评价单元划分本工艺涉及到的有项目选址及总平面布置，煤气化过程、电气、锅炉、职业卫生六个单元。根据安全评价的原则，最终确定划分为六个单元。即：项目选址及总平面布置，气化过程、电气装置、锅炉、卫生安全六个单元。4.2.1怎样选择评价方法评价单元检查表法事故树评价预先危险性分析危险度分析1项目选址及总平面布置√2煤气化过程√3电气系统√4锅炉系统√√5卫生安全√4.3定性、量评价4.3.1主要危险有害因素分析安全对策主要用于鉴定，危险，有害因素分析，根据科学性、系统性、全面性的原则，以本工艺流程为基础，与相似的工艺比较来分析和识别该工艺的主要危险有害因素。A.物质的危险特性主要危险化学品有甲醇，等易燃易爆气体。甲醇易燃易挥发，一氧化碳和氢气液也都很容易被点着。所以这个工艺很容易就发生点着或是中毒。怎样进行应急处理：一、泄漏应急处理把发生污染的地方的工作人员火速输送到安全得部位，并且对这些人进行严格的隔离不让他们随随便便出进。阻断泄露的物质接触明火并预防继续泄露。不能让泄露的物质随下水管道进去各种密闭的空间。泄漏量如果比较少，就用沙土等东西覆盖之；假设是大量泄露，就建造构筑物或者坑道收集进而转移到好的专门收集的容器里处置二、防护措施对呼吸进行一定的防护，比如带上防毒面罩或呼吸机。可以带专用的化工安全护目眼镜来保护眼睛免受伤害。在进去厂区时穿上防静电工作服和橡胶手套。像生产区严禁吸烟吃饭就不再赘述。三、急救措施皮肤接触：不能再继续穿着污染过的衣服，还得立马用沐浴液和清水洗澡。眼睛接触：将用干净的好多的清水一直冲眼睛吸入：赶紧逃离事故现场跑到空气正常的地方就能顺利呼救。如果还是很难进行正常的呼吸就输氧，假如呼吸停止了，得人工呼吸病且赶紧看大夫。食入：用各式各样的方法尽量吐出来，然后去看医生。B.主要存在的危险因素这个工艺在运行过程中很容易发生火灾爆炸。能够形成燃烧的三个必须的条件是具备可燃物，助燃物和一定的能量。在这个工艺里存在的物质很多就非常容易燃烧和爆炸，假如运输管道再不慎重的发生了泄露再正好碰上明火是，火灾爆炸就一触即发。产生点火源的原因很多：(1)明火根据常规总结，火星很容易就造成了着火和爆裂，常见的明火有：①在装备运行地区和贮存的罐区的火星和其他点燃纸张带来的明火；②由机动车排气筒中喷射出的火星；③在维护保养检修时或者切割焊接焊材等是飞溅的火星。违章吸烟或其他违章事项等。(2)静电在生产过程和运送甲醇的过程中很容易就经过一定的反应形成静电产生，而且特别顽固。有效的专用装置假设没有安装的话会源自成分的撞击，在壁面上产生静电可能会点着燃料物质。火灾爆炸(1)变压器超限运行使用油温急剧提高；导致线圈受到损害，若继电保护失灵或整定太烫过大引起喷油火灾甚至爆炸。(2)若油箱或管线处渗出、漏油漏的太冲，很可能就造成可怕的火灾触电(1)设备或线路质量不好，绝缘层老化或损坏、使表面带电；或带电体或通道太过狭窄容易使人体触电。(2)保护装置失效或接零电阻过大，遇到严重问题时候可能会容易被点燃或者会引起火灾或使人触电。C.安全管理中普遍存在的危险有害因素实现安全生产的主要因素可以参照工人是否能遵守纪律以及企业安全管理水平的高低。主要错误表现有：不按审批动火，违章电气操作，违章开关阀门等。D.作业环境主要危险因素中毒该工艺中涉及到的危险化学品中，甲醇、一氧化碳、硫化氢均有一定的毒性，容易进入呼吸道导致中毒。也可以溶解皮脂从皮肤进入，引起中毒。温度、湿度在化工建设中，气候条件相对较差，甲醇、氢气等会因为温度变高更容易积聚，作业环境会容易发生燃烧爆炸。温度对人体造成的影响是很严重的。高温对人的正常生理活动造成很大的干扰，出大汗、口干舌燥、头晕眼花、注意力失常会经常由受到损害程度比较小的人们表现出来。程度较为严重者会中暑，血压会明显的出现降下来、出虚汗、严重的时候甚至会抽筋、昏迷。E.常见存在于特种设备的有害因素常见的危险有害因素有：安全装置、承压元件或密封元件的失效，造成内部的工作介质失控，引起事故的发生。J.其他危险有害因素机械危险必须有效的设立安装保护装置在机械装备的危险运行区域中，否则工人可能在操作过程中遭受机械伤害。坠落伤害本工艺高的装置设备比较多，在高处作业时必须按照规章制度带上保护装置防止从高处坠落造成伤亡。机动车伤害在工厂内运行的工作车辆也许会因为一些客观原因，或因为车辆本身安全性能缺陷和司机的失误容易导致事故发生。4.4对于的措施与建议4.4.1总图布置和建筑方面的安全措施A.安全对策措施(1)工厂总体布置中，易燃易爆，有毒物品需要离明火和散发火花的地点尽量远离，严禁使电力线路架空跨越库区。(2)在修筑建筑物时考虑到尽可能的利用自然光线和自然通风。B.建议补充的的安全对策措施生产车间的建筑物的结构形式和建筑材料必须紧密围绕《建筑物防火设计规范》。双车道或环形单车道常用来作为厂子道路的标准；足够长度的消防通道必须为储罐组间防火堤与堤脚线间留下。4.4.2工艺和设备、装置方面的对策措施安全对策(1)为了方便去逸散那些有毒有害的气体一般将比如可能发生爆炸燃烧危险的工段设计成露天的形式。(2)为防止电击和产生电火花选用好质量的接地保护和防静电接地以便保证设备和管道安全。B.建议补充的的安全对策措施(1)尽量在生产中追求机械化、自动化尽量实现遥控或隔离操作。(2)按照规章制度该有的保证安全得设备一个也不能少下。有效的泄压装置在面对有瞬间暴炸可能性的装置也是必不可少。①防止发生管线憋压的措施对长时间密闭不用的管线要定期检查、维护在温度较高的时候。在冬天或温度较低的时候要防止输料管线冻结，要放空暂时不用的管线，蒸汽管线要定时排出冷凝水。③防止瘪罐、胀罐措施要定期检查和清洗各类阀门如呼吸阀，安全阀等，④防止火灾、爆炸措施在储罐上配备各类防火附件，并设置防火堤。储罐上或危险区