年产36万吨合成氨造气工艺设计

年4月19日年产36万吨合成氨造气工艺设计文档仅供参考年产36万吨合成氨造气工艺设计TheDesignofProducingCoalGasaboutManufacturingSynthesisofAmmonia360000t/a目录摘要 ⅠAbstract Ⅱ引言 1第1章造气方法的概述 21.1造气方法的介绍 21.1.1固定床气化法 21.1.2流化床气化法 21.1.3气流床气化法 31.1.4熔浴床气化 31.2造气方法的选择 4第2章常压固定床间歇气化法 52.1半水煤气定义 52.2半水煤气制气原理 52.3生产流程的选择及论证 62.4间歇式制半水煤气工艺流程 62.5固定床气化法的特点 72.6原料的选择 72.7工艺条件 92.8工作循环 102.9炉内燃料分布情况 11第3章工艺计算 133.1煤气发生炉的物料及热量衡算 133.2物料及热量衡算 153.2.1吹风阶段的计算 153.2.2热量衡算 163.3制气阶段的计算 173.3.1物料衡算 173.3.2热量衡算 203.4总过程计算 213.4.1燃料使用分配及生产指标 213.4.2物料衡算 223.4.3热量衡算 233.5配气计算 243.6消耗定额 25第4章设备计算与选型 264.1煤气炉指标计算 264.2煤气台数的确定 274.3空气鼓风机的选型及台数确定 28第5章能耗分析与节能途径 305.l提高燃料利用率 305.1.1提高吹风效率 315.1.2提高制气效率 325.1.3降低灰渣返炭率 335.1.4降低吹风及制气带出物 345.1.5减少热量损失 345.2降低蒸汽消耗 35结论 37致谢 38参考文献 39年产36万吨合成氨造气工艺设计摘要:本设计简要介绍了几种常见气化工艺并对其特点做了对比。虽然固定床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。根据中国基本国情本设计采用常压固定床间歇气化法。本设计介绍了半水煤气的定义及制气原理;常压固定床间歇气化生产流程的选择及论证;常压固定床间歇气化的工艺流程;常压固定床间歇气化的特点和对原料的选择;常压固定床间歇气化的工艺条件;常压固定床间歇气化的工作循环有五个阶段;煤气炉内燃料分布情况,从上而下依次为干燥层、干馏层、还原层、氧化层、灰渣层。本设计对造气工段进行了工艺计算,在煤气炉的物料衡算中,进项为100千克入炉燃料,出项包括灰分、干料、不可燃物共计99.99千克,;能量衡算中,进项包括燃料热值、空气中水汽的焓、干空气显热、燃料显热共计2904868千焦,出项包括吹风气热值、带出物热值、吹风气中水汽的焓、干吹风气显热等共计1575130千焦;在制气阶段,分别对碳、氢、氧、氮、硫元素进行了衡算;热量衡算中,进项包括燃料热值、燃料显热、蒸汽的焓、氮空气中水汽的焓、干氮空气显热共计3538661千焦,出项4413465.74千焦;设备计算中,选用Φ3000mmUGI煤气炉,每台每小时产半水煤气7500m3,由年产量计算需78台本设计最后从提高燃料有效利用率、降低蒸汽消耗方面阐述了合成氨生产造气工段降低能耗的途径,提出了合成氨生产造气工段节能增效的应对措施。关键词:合成氨半水煤气工艺设计节能TheDesignofProducingCoalGasaboutManufacturingSynthesisofAmmonia360000t/aAbstract:Severalcommongasificationmethodshavebeenintroducedinthisdesignandtheircharacteristicsarecompared.Althoughthefixedbedprocesshasitsshortcomingsandtheprocessisrelativelybackward,itsgasificationprocesstechnologyismorematurethantheothers.Accordingtothebasicsituationofourcountry,atmosphericfixedbedintermittentmethodisusedinthisdesign.Thedefinitionofsemi-watergasandgasificationprinciplehavebeenintroducedinthisdesign;atmosphericfixedbedgasificationprocess’sselectionanddemonstration;thecharacteristicsofatmosphericfixedbedgasification;theselectionofrawmaterials;theconditionsofatmosphericfixedbedgasificationprocess;theworkingcycleofatmosphericfixedbedgasificationincludesfivestages;fueldistributioningasfurnace,inturnfromtoptobottomfordryinglayer,carbonizationlayer,reducinglayer,oxidelayerandashlayer.Thegasificationprocessofthedesignhasbeencalculated,thematerialbalanceproceedsintothefurnaceof100kgfuelout,includingash,drymaterials,nonflammabletotalof99.99kg;energybalanceproceedsincludingthefuelcalorificvalue,enthalpyofwatervapor,dryairsensibleheat,fuelsensibleheattotalof2,904,868kJout,itemsincludingblowncalorificvaluewithacalorificvalueobjects,blowingtheenthalpyofwatervapor,dryblownsensibleheatatotalof1,575,130kJ;inthegasphase,accountingforcarbon,hydrogen,oxygen,nitrogen,sulfur;heatbalance,theproceedsincludingtheenthalpyofthefuelcalorificvalue,fuelheat,steamandnitrogenintheairtheenthalpyofwatervapor,drynitrogenairsensibleheattotalof3,538,661kJ,heattotalof4,413,465.74kJout;theequipmentcalculationstheselectionΦ3000mmUGIgasstove,capacityof7500m3/hbytheannualproductionofcalculation,needs78units,airblowerchooseD700—14type,theThepathstoreducetheenergyconsumptioningasificationsectionhavebeendescribedinthedesign,fromaspectsofincreasingtheeffectiveusagerateoffuelandreducingthesteamconsumption;thereplacingmeasuresforenergysavingandeffectincreasingingasificationsectionofammoniasynthesisproductionhavebeenproposed.Keywords:AmmoniaSynthesis;Semi-waterGas;Technology;Design;EnergySaving引言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1:3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。中国能源结构中,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。煤气化提供洁净的能够管道输送的气体燃料。当前城镇及大中型企业要求实现煤气化的迫切性越来越大,至今以合成气为原料的合成含氮、含氧化物、烃类及燃料的碳化学技术已经获得相当成功,而且这方面的开发活动至今仍方兴未衰。合成氨造气,是以煤或焦碳为原料,用氧气(空气、富氧或纯氧)水蒸汽或氢气等作为气化剂(或称气化介质),在高温条件下经过化学反应将煤或焦碳中的可燃部分转化为气体燃料的过程。煤炭气化包括煤的热解、气化和燃烧三部分。煤炭气化时所得的可燃气体称气化煤气。气化煤气可用于城市煤气、工业燃气和化工原料气及联合循环发电等。当前国内外煤完全气化技术发展的趋势,概括地能够归纳出如下几点[1]:①气化向大型化方向发展,因为大型化能够提高单位设备的生产能力②使用氧气为气化剂,提高煤气化炉的操作温度③提高煤气化操作压力,几乎各种类型的新开发的气化炉都采用加压气化的工艺④扩大气化煤种的范围,随着采煤机械化和水力采煤技术的发展,原煤中的碎煤产率越来越多,为了适应这种趋势,一些新开发的新气化方法都用碎煤或粉煤气化⑤开发利用无污染的气化方法,许多开发的气化方法,都考虑了在工艺过程中消除或减少有害物质的产生总之,由于各国自然资源和社会条件的不同,具体的能源政策也各不相同,但能够预料在21世纪煤炭仍将成为世界的主要能源之一。对于中国来说,随着国民经济的不断发展及人民生活水平的不断提高,应积极进行煤气化的研究,掌握和运用国内外的先进煤气化及其应用技术,对加快中国实现四个现代化有着重要的意义。第1章造气方法的概述1.1造气方法的介绍合成氨造气,是以煤或焦炭为原料,用氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸汽或氢气等作为气化剂(或称气化介质),在高温条件下经过化学反应将煤或焦炭中的可燃部分转化为气体燃料的过程。它有以下几种分类:①按制取煤气的热值分类,有低热值煤气法(煤气热值低于8347kJ/m3)、中热值煤气法(煤气热值16747-33494kJ/m3)、高热值煤气法(煤气热值高于33494kJ/m3)②按供热方式分类,有间接供热和直接供热③按反应器的形式分类,有固定床、流化床、气流床、熔融床本设计按反应器的分类方法来分别简要介绍各种方法[2]。1.1.1固定床气化法固定床气化以块煤为原料,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。它有以下两种方法: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2.0-3.0Mpa和900-1100℃的温1.1.2流化床气化法它是以粒度为0-10mm的小颗粒煤为气化原料,在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中,煤粒在沸腾状态进行气化反应,从而使得煤料层内温度均一,易于控制,提高气化效率。它有以下四种方法: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0-8mm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,煤与经过预热的气化剂发生反应。②高温温克勒法将含水分5%-12%的褐煤输入到充压至0.98Mpa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。煤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经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。④加氢气化法它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CH4的煤气的方法,其总反应方程式可表示为:煤＋H2→CH4＋焦1.1.3气流床气化法它是一种并流气化,用气化剂将粒度为100um以下的煤粉带入气化炉内,也可将煤粉先制成水煤浆,然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应,灰渣以液态形式排出气化炉。它有以下两种方法:①K—T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。气化炉是由美国德士古石油公司所属德士古开发公司开发的气流床气化炉。1.1.4熔浴床气化20世纪50年代熔浴床煤气化方法开始得到开发,有熔渣床、熔盐床和熔铁床三类。下面分别介绍这三类方法。①罗米方法此法为常压粉煤熔渣浴气法,有单筒式和双筒式两种炉型,适用于各种固体或液体燃料,气体温度高、强度高。②觊洛格法此法为加压熔浴气化法。它是在熔融的Na2CO3盐浴内进行,熔融的Na2CO3对煤与蒸汽的反应具有强烈的催化作用,在较低温度下就可获得很快的反应速度。此法当前尚处于研究阶段,实验能否成功,关键在于气化炉。③ATGAS熔铁床气化法ATGAS法的实质是把煤粉与石灰石、蒸汽氧(或空气)一起吹到熔铁内,使煤的挥发分逸出,残留的碳溶解在熔铁中被气化。此法效率高,有害物质少,气化反应在常压下进行。煤种适用范围广,且气化炉结构简单。因此,该工艺有可能放大到工业化生产。1.2造气方法的选择与固定床气化相比,其它气化方法的优点是: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。可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将大大增加,而且能耗也将大大增大,这与中国氨需求量大而技术又相对落后且资金短缺这一基本国情是不相符的。因此,虽然固定床气化工艺较其它气化工艺有不足之处且较为落后,但其工艺更成熟,根据中国基本国情采用常压固定床间歇气化法。第2章常压固定床间歇气化法2.1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CO+H2一般在68%左右。用于合成氨的半水煤气要求氢氮比为3:1。2.2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2.1以空气为气化剂主要反应方程式序号反应方程式1C＋O2(3.76N2)=CO2(+3.76N2)22C＋O2(3.76N2)=2CO(+3.76N23C＋CO2(3.76N2)=2CO(+3.76N2)4C＋3.76N2＋O2＋3.76N2=CO2＋7.52N2表2.2以水蒸汽为气化剂主要反应方程式序号反应方程式1C＋H2O(汽)=CO＋H22C＋2H2O(汽)=CO2＋2H23CO＋2H2O(汽)=CO2＋2H242H2＋O2=2H2O(汽)5C＋2H2=CH46CO＋3H2=CH4＋H2O7CO2＋4H2=CH4＋2H2O(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:2C＋O2＋3.76N2=2CO(2-1)C＋H2O(汽)=CO＋H2(2-2)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(CO＋H2):N2=3要求,可是在实际生产中要求半水煤气(CO＋H2):N2≧3.2。2.3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,上下行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用。②只利用吹气特点持有热的流程:该流程在吹风阶段,将吹风气经过燃烧室,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。上行、下行煤气直接进入冷却净化系统,不进行热量回收。③利用吹气持有热和上行煤气显热的流程这是中国当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、下行煤气显热的流程该流程与流程(3)的差别仅在于下行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。⑤增热水煤气流程在水煤气生产中,用油裂解来提高煤气热值的方法称为增热,它的热值高达16.7到18.8MJ/m3。但CO含量高达30%以上,故它不宜单独作为城市煤气,但可作为城市煤气的补充气源以备调峰之用[3]。综上所述,以②和③两种流程为最佳,流程④效率高于③、④中由于加了回收下行煤气显热,使得阀门和管道增多,操作变得复杂,投资增加,且由于煤气温度不高于200℃,从经济效益上考虑,流程③比流程④更为实用,本设计采用流程③。2.4间歇式制半水煤气工艺流程固体燃料由加料机从炉顶间歇加入炉内,吹风时,空气自下而上经过燃料层,吹风气经燃烧室及废热锅炉后由烟囱放空。燃烧室中加入二次空气,将吹风气中的可燃气体燃烧,使室内的格子蓄热砖温度升高。燃烧室盖子具有安全阀作用,当系统发生爆炸时可泻压,以减轻设备的破坏。蒸汽上吹制气时,煤气经燃烧室及废热锅炉回收余热后,再经洗涤塔进入气柜。下吹制气时,蒸汽从燃烧室顶部进入,经预热后自上而下流经燃料层。由于煤气温度较低,可直接经洗涤塔进入气柜。二次上吹时,气体流向与上吹相同。空气吹净时,气体经燃烧室、废热锅炉和洗涤塔进入气柜,此时燃烧室不必加入二次空气,在上、下吹制气时,如配入加氮空气,则其送入时间应稍迟于水蒸汽的送入,并在蒸汽停送之前切断,以避免空气与煤气相遇发生爆炸。燃料气化后,灰渣经旋转炉蓖由刮刀刮入灰箱,定期排出炉外[4][5]。间歇式制半水煤气工艺流程见图2.1图2.1间歇式制半水煤气工艺流程图2.5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,以温度划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[6]。2.6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3%～5%。②对挥发份的要求燃料中如果挥发份含量高,则由于甲烷和焦油的含水两增加而不但会增加动力燃料消耗,而且降低炉子的制气能力影响氨的产量。因此,要求燃料中挥发份较低为宜。③对灰份的要求煤中含灰分其主要成份为二氧化硅、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份有决定性影响。灰份高的燃料,不但增加运输费用,而且使气化条件变得复杂,因此要求燃料中灰份较低为宜。④对硫份的要求煤中的硫份在气化过程中转化为含硫气体,不但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,并应在净化过程中将其除去。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,不但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。因此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23-50mm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[4],本设计采用无烟块煤。2.7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[3]。气化效率用X表示:X=Q半/(Q燃＋Q蒸)×100%(2-3)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[5]。为了保存以上的要求,气化过程的工艺条件有:①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。另外,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。故炉温一般应比灰熔点低50℃左右,工业上采用炉温范围1000-1200℃。②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,经过提高吹风速度,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。吹风速度采用炉温范围1000-1200℃。③蒸汽用量蒸汽用量是改进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。④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家长,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,则采用炉温范围1000-1200℃。⑤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。⑥气体成分主要调节半水煤气中(H2+CO)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(≤0.5%),否则将引起后序工段的困难,氧含量过高还有爆炸的危险。2.8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,经与燃料层燃烧放出大量的热量储存于炭层内,生成吹风气由炉顶出,经旋风除尘器除去灰尘后,进入废热锅炉的管间的水换热,水受热蒸汽产生的低压蒸汽经气包蒸汽管道可供本炉制气用。吹风气被冷却降温后出废热锅炉,由烟囱放空。②上吹制气阶段蒸汽与加氮空气一起自炉底送入,经与灼热的燃烧层反应后,气体层上移,炉温下降,生成半水煤气由炉顶引出除去带出灰尘。进入废热锅炉回收气体中的显热后进入洗气塔洗净和冷却至常温由洗气塔上部引出送出气柜。③下吹制气阶段蒸汽自炉顶送入,经灼热的气化层反应,气化层下移,炉温继续下降,生成的水煤气由炉底引出,因下行煤气经过灰渣层降低温度,不再进入废热锅炉直接进入洗气塔洗净降温,由塔顶引出至气柜。④二次吹气阶段基本同一次上吹制气阶段,但不加入氮空气,其目的在于置换下部及管道中残存的煤气,防止爆炸现象。⑤吹净阶段其工艺流程同上吹制气阶段,但不用蒸汽而改用空气,以回收系统中的煤气至气柜。以上5个阶段的工作循环,由液压或气压两种形式自动机控制,当前正在发展成微型程序制代替自动机控制[16]。间歇式制气工作循环各阶段气体的流向如图2.2所示。图2.2制气工作循环气体流向图阀门开闭情况见下表2.3表2.3各阶段阀门开启情况阶段1234567吹风OXXOOXX一次上吹XOXOXOX下吹XXOXXOO二次上吹XOXOXOX空气吹净OXXOXOX注:O阀门开启:X阀门关闭2.9炉内燃料分布情况炉内燃料分布情况见图2.3图2.3燃料层分区示意图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。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。⑤灰渣层氧化层下面就是灰渣层,没有化学反应发生,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[21]。第3章工艺计算3.1煤气发生炉的物料及热量衡算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:①入炉煤组成见下表3.1[5]表3.1入炉煤组成,重量%CHONSAW合计78.131.320.430.770.5113.245.6100燃烧热值28476kJ/㎏②吹风气组成见表3.2表3.2吹风气组成,体积%CO2O2COH2CH4N2合计H2S16.540.356.563.340.7672.451000.85g/Nm3③半水煤气真正组成见表3.3[6]表3.3半水煤气组成,体积%CO2O2COH2CH4N2合计H2S7.50.2032.10430.5416.661001.45g/Nm④各物料进出炉的温度空气25℃;相对湿度80%,空气含水汽量0.0213kg(水汽)/kg吹风气,上行煤气流600℃;下吹煤气200℃;灰渣200℃;上行蒸汽120℃;饱和蒸汽的焓2730kJ/kg;下吹蒸汽550℃;过热蒸汽的焓3595kJ/kg;⑤生产循环时间%,时间(s)表3.4生产循环时间吹风上吹下吹二次上吹吹净合计46.8s46.8s64.8s14.4s7.2s180s⑥计算基准:100kg⑦带出物数量及其组分带出物数量:2kg带出物组分及各组分重量见下表3.5[7]表3.5带出物数量及其组分元素组成,重量%各组分重量,kgC82.5.2×0.8250=1.65H1.662×0.0166=0.03O0.472×0.0047=0.01N0.802×0.008=0.02S0.572×0.0057=0.01灰分14.002×0.14=0.28合计1002带出物热值30030kJ/㎏⑧灰渣组成及其各组分重量表3.6灰渣组成(重量%)CS灰分合计14.500.3085.20100.00灰渣重量(按灰分平衡计算),kg(13.24-0.28)/0.852=15.2灰渣各组分重量,kgC15.2×0.145=2.20S15.2×0.003=0.05灰分15.2×0.852=12.95合计:15.2⑨燃料气化后转入煤气中的元素量,kgCHONS合计:82.79计算误差:3.2物料及热量衡算3.2.1吹风阶段的计算(物料衡算)①每Nm3吹风气中含有的元素量,kgCHON28/22.4×0.7245=0.906S0.00085×32/34=0.0008②由碳平衡计算吹风气量:74.28/0.128=580Nm3③由氮平衡计算空气用量:[580×0.906－(0.77－0.02)]/(0.79×28/22.4)=530Nm3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(kg)进项:燃料带入氢量:1.91空气中水蒸汽带入氢量:14.6×2/18=1.62合计:3.53出项:吹风气中含氢量:580×0.00438=2.54吹风气中水汽含量:3.53－2.54=0.99合计:3.53吹风气中水汽含量:0.99×18/2=8.91每标准m3吹风气中水汽含量:8.91/580=0.0154⑤氧平衡(以kg计)进项:燃料带入氧量:5.40空气中含氧量:530×0.21×32/22.4=159空气中水汽含氧量:14.6×16/18=12.98合计:177.38出项:吹风气中氧量:580×0.288=167.04吹风气中水汽含氧量:8.91×16/18=7.92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%3.2.2热量衡算进项(以kJ计):①燃料热值:100×28476=2847600②燃料显热:100×25×1.05=2625(1.05为燃料的比热[17])③干空气显热:530×25×1.30=17225(1.30为空气的比热[17])④空气中水汽的焓:14.6×2562.84=37418合计:2904868出项(以kJ计):①吹风气热值:580×1180.78=6848521m3②干吹风气显热:580×1.408×600=4899840.1655×2.066＋0.0035×1.420＋0.0656×1.360＋0.0334×1.302＋0.0076×2.255＋0.7245×1.352=1.408kJ/m3③吹风气中水汽的焓:8.91×3696=32931(32931为600℃时过热蒸汽的焓[17])④带出物热值:30030×2=6006028164.6/(1－0.056)=29835.38⑤带出物显热:2×1.05×600=1260(1.05为燃料的比热[17])⑥灰渣中可燃物热值:34020×2.20＋10500×0.05=75369(34020,10500分别为碳和硫的发热值[17])⑦灰渣显热:15.2×0.94×200=2858(0.94为灰渣的比热[17])⑧热损失(取燃料发热量的8%)2847600×0.08=227808①～⑧合计:1575121 ⑨积蓄在煤层中的热量:2904868－1575121=1329747以上各部分热量见表3.6表3.6热量平衡表(kJ)进项出项燃料热值2847600吹风气热值684852燃料显热2625干吹风气显热489984干空气显热17225吹风气中水汽的焓32931空气中水汽的焓37418带出物热值60060带出物显热12600灰渣中可燃物热值75369灰渣显热2858热损失227808积蓄在煤层中的热量1329747合计2904868合计2904868⑩吹风效率:1329747/2847600×100%=46.6%3.3制气阶段的计算(以100kg入炉燃料为基准)3.3.1物料衡算①每Nm3半水煤气中含有的元素量,kgC12/22.4×(0.075＋0.321＋0.0054)=0.215HO32/22.4×(0.002＋0.075＋0.321×0.5)=0.340N28/22.4×0.1666=0.2083S32/34×0.00145=0.00136②由碳平衡计算半水煤气产量:74.28/0.215=344Nm3③由氮平衡计算氮空气用量:(344×0.2083－0.75)/(0.79×28/22.4)=72Nm3氮空气中含水汽量:72×1.293×0.0213=1.982④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/Nm3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:燃料带入氢量:1.91×X/344=0.00555X水蒸汽带入氢量:W×2/18=W/9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:半水煤气中氢量:0.0390X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=0.067XW=0.556X(3-1)下行制气阶段氢平衡(以kg计)进项:燃料带入氢量1.91－0.00555X蒸汽带入氢量W×2/18=W/9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:水煤气中氢量(344－X)×0.0390=13.42－0.0390X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=29.47－0.086XW=246－0.78X(3-2)解方程(3-1)和(3-2)得:X=184W=102.4由此得:上行半水煤气产量:184Nm3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=67.246＋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:燃料中带入氧量:5.40蒸汽带入氧量:204.8×16/18=182.04氮空气中氧含量:72×0.21×32/22.4=21.6氮空气中水汽含氧量:1.982×16/18=1.76合计:210.80出项:半水煤气中氧量:344×0.34=118.96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=0.473.3.2热量衡算进项(以kJ计):①燃料热值:100×28476=2847600②燃料显热:100×25×1.05=2625③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[17])④干氮空气显热:72×25×1.30=2344(1.30为空气的比热[7])⑤氮空气中水汽的焓:1.982×2564=5081(2564为水蒸汽的焓[7])合计:3505330出项:①半水煤气热值:344×9795.77=33697461标准m3半水煤气热值为:12810×0.43＋12684×0.321＋39984×0.0054=9795.77②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·℃③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[7])④带出物热值:30030×2=60060⑤带出物显热:600×1.05×2=1260(1.05为带出物的比热[7])⑥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[7])⑦灰渣显热:15.2×0.97×200=2948.8(0.97为灰渣的比热[7])⑧热损失(取燃料发热值的8%)2847600×0.08=227808合计:4305044⑨需从煤层中吸取的热量(kJ)4305044－3505330=799714以上各部分热量见表3.7表3.7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4305044⑩制气效率:3505330/(2847600＋799714＋647680)×100%=81.6%3.4总过程计算3.4.1燃料使用分配及生产指标①设100kg燃料用于制半水煤气为Xkg由热量平衡得:799714X=(100－X)×132974(3-3)X=62.4每100kg燃料用于制半水煤气为62.4%,用于制吹风气为37.6%②每100kg燃料的生产指标吹风气产量:580×0.376=218Nm3半水煤气产量:344×0.624=214.6Nm3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%3.4.2物料衡算(kg)①碳平衡进项:燃料中碳含量:74.28出项:半水煤气中碳含量:214.6×0.215=46.14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:燃料中氢含量:1.91 空气中水汽含氢量:199×1.293×0.0213×2/18=0.61氮空气中水汽含氢量:44.9×1.293×0.0213×2/18=0.14蒸汽含氢量:127.8×2/18=14.2合计:16.86出项:半水煤气中氢含量:214.6×0.0390=8.37 半水煤气中水气含氢量:214.6×113.2/344×2/18=7.85吹风气中含氢量:218×0.00438=0.95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:燃料中氧含量5.40空气中氧含量:199×0.21×32/22.4=59.7蒸汽中含氧量:127.8×16/18=113.6空气中水汽含氧量:199×1.293×0.0213×16/18=4.87氮空气中水汽含氧量:44.9×1.293×0.0213×16/18=1.10氮空气中氧量:44.9×0.21×32/22.4=13.47合计:198.14出项:半水煤气中氧含量:214.6×0.340=72.96半水煤气中水汽含氧量:214.6×113.2/344×16/18=62.77吹风气中氧含量:218×0.288=62.78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:燃料中氮含量:0.75空气中氮含量:199×0.79×28/22.4=196.51氮空气中氮含量:44.9×0.79×28/22.4=44.34合计:241.60出项:半水煤气中氮含量:214.6×0.2083=44.70吹风气中氮含量:218×0.906=197.50合计:242.2误差:(242.2－241.60)/241.6×100%=0.2%⑤硫平衡进项:燃料中硫含量:0.45出项:吹风气中硫含量:218×0.0008=0.1744半水煤气中硫含量:214.6×0.00136=0.2918合计:0.46误差:(0.46－0.45)/0.45×100%=2.2%3.4.3热量衡算(kJ)进项:燃料热值:2847600燃料显热:100×25×1.05=2756干空气显热:199×25×1.30=6467空气中水汽的焓:199×1.293×0.0213×2564=14052.4干氮空气显热:44.9×25×1.30=1459.25氮空气中水汽的焓:44.9×1.293×0.0213×2564=3170.6蒸汽的焓:127.8×0.5×2730＋127.8×0.5×3595=4041675合计:3279673.25出项:吹风气热值:218×1180.78=257410.04干吹风气显热:218×1.408×600=184166.4吹风气中水汽的焓:218×0.0154×32931=110555.95半水煤气热值:214.6×9795.77=2102172.24干半水煤气显热:214.6×0.534×1.223×600＋214.6×0.466×1.346×200=111011.81半水煤气中水汽焓:214.6×0.534×0.25×3696+214.6×0.466×0.42×2890=227271.5带出物热值:30030×2=60060带出物显热:600×1.05×2=1260灰渣中可燃物热值:34020×2.2＋10500×0.05=75369灰渣显热:15.2×0.98×200=2858热损(取燃料发热的8%)2847600×0.08=227808合计:3359942.94误差:(3359942.94－3279673.25)/3359942.94×100%=2.3%3.5配气计算半水煤气中(CO＋H2):N2取3.1:1吹风气中CO＋H2=6.56＋3.34=9.90N2=72.45半水煤气中CO＋H2=32.1＋43=75.1N2=16.66设每标准水煤气中配入吹风气量为XNm39.90X＋75.1=3.1×(16.66＋72.5X)(3-4)X=0.1092100千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=23.43100千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%3.6消耗定额(按每t氨计算)每吨氨耗半水煤气3300Nm3①燃料:3300/238×100=1387kg折合含碳85%的燃料为:1②蒸汽:3300/238×127.8=1772kg第4章设备计算与选型4.1煤气炉指标计算Φ3mU.G.I煤气发生炉每台每小时产半水煤气7500Nm3,其工艺指标见表4.1[18][19]表4.1Φ3mU.G.I型煤气发生炉的工艺指标生产能力6500-7500燃料消耗量3.1-4.5t/h炉体内径3000mm夹套锅炉受热面积19m炉篦形式宝塔式灰盘转速0-1410r/min炉灰盘传动电动机J02-41-4.4kw炉灰盘传动减速机PM350-IV-2g夹套锅炉蒸汽压力40-60kPa(表压)设备外形尺寸(长×宽×高)7235×4497×10700mm炉膛高度4970mm有效容积20m3煤气出口内径1050mm已知条件:①循环周期及各阶段时间分配 表4.2循环周期及各阶段时间分配程序吹风上吹下吹二次上吹吹净合计%26263684100秒46.846.864.814.47.2180②根据计算所得:吹风气产量:218半水煤气产量:238加氮水煤气:214.6消耗量(空气消耗):199蒸汽量:127.8③每个循环平均产气量:7500×3/60=375Nm3④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)=21774.3Nm3(干)/h⑤水蒸汽流量:上吹(包括二次上吹):375/238×127.8×3600×0.5/(46.8＋14.4)=5922Nm3/h下吹:375/238×127.8×0.5×3600/64.8=5593Nm3/h⑥吹风气流量375/238×218×3600/(46.8＋7.2×0.7)=23853Nm3/h⑦上行煤气流量375/238×214.6×0.534×3600/(46.8＋14.4)=10621.2Nm3/h⑧下行煤气流量375/238×214.6×0.466×3600/64.8=8753.8Nm3/h关于上面计算有以下几点说明:①以上流量未考虑滤、漏损失。②煤气产量在加煤后各循环中并不相同,以上指标是平均值。4.2煤气台数的确定本设计采用Φ3000mm的U.G.I炉。已知条件:每小时产半水煤气量7500Nm3,年产36万吨合成氨厂,每吨氨需3300m360000×3300/(300×24)=165000①炉堂面积F=2/4=/4×32=7.07m2②生产强度7500/7.07=1061Nm3/台m2.h煤气炉在生产中加入煤和除灰要停车,一天的生产时间没有24小时,实际生产时间取22小时,另外,由于气化炉不能长期达到最大产气量,取富裕系数为0.95,则:(165000×24)/(7500×0.95×22)=25.26取26根据需要,备用2台因此本设计共有煤气发生炉28台。煤气炉结构见图4.1图4.1煤气炉结构示意图4.3空气鼓风机的选型及台数确定采用无烟煤为原料,煤气炉吹风气压在19.62千帕左右,根据实际情况,选用鼓风机吹风出口压力稍大于19.62千帕,故选用D700—14型鼓风机,风量4m3/h,出口风压22.56千帕。①干空气用量(吹风空气)25℃空气相对湿度80%21774.3Nm3(干)/h大气压力760mmHg②二次空气用量根据实践二次风量可取一次风量的15%左右21774.3×15%=3266.1Nm3/h③空气含水蒸汽量25℃空气相对湿度80%湿含量H=0.0213kg/kg(干空气)(21774.3＋3266.1)×1.293×0.0213=689.6kg/h689.6/18×22.4=858.17Nm3/h④湿空气用量21774.3＋3266.1＋858.17=25898.6Nm3/h实际情况下空气用量25898.6×(273＋25)/273×760/760=28270Nm3/h空气损失取18%(泄漏)V=28270/(1－18%)=34475.6Nm3/h⑤鼓风机的台数26×34475.6/4=21.34取22台第5章能耗分析与节能途径5.l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,还要以其它形式消耗大量的碳,如吹风过程中所燃烧的碳、灰渣中未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,尽量减少其它形式的碳损失。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两种形式存在的,生成甲烷则是副反应。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。根据国内当前的煤气生产水平,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[24]。例如,生产1t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1t氨转入半水煤气中的碳含量为:O.375×(12/22.4)×V半=O.V半(kg/t)折成标准煤:0.V半/0.84=0.239V半(kg/t)式中,O.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半为吨氨半水煤气消耗量,m3;0.84为吨标准煤的含碳量。若吨氨消耗半水煤气3300m3,则在CO含量30%,CO2含量7.5%的条件下(CH0.239×3300=788.7(kg)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:788.7/O.65=1213.4(kg)碳的利用率提高到70%,则吨氨耗标准煤为:788.7/0.7=l126.7(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86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[25][26]。5.1.1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。吹风效率是积蓄于燃料层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[31]:(5-1)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1kmol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lkmol二氧化碳放出热量为393.51GJ,生成lkmol一氧化碳仅放出热量110.52GJ,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。降低气化层温度能够减少二氧化碳还原为一氧化碳的反应,可是,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,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,不但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。根据所用燃料的特性、粒度等条件,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。Φ3000mm系列煤气炉的吹风强度宜控制在3800-5000m3/㎡·一般情况下,Φ3000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,往往要燃烧掉二倍于这份热量的燃料。炭层中的热量应尽可能地用于制气,采用其它任何热量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,尽管能够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。经过计算,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:①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;②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;③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,对于二氧化碳生成总反应速度来说,氧的扩散速度是该反应的主要控制因素。经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℃以下时基本属于动力学控制,反应速度也大致为CO2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。5.1.2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)所带人的热量Q蒸以及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[27]。(5-2)(5-3)式中,Q反为制气反应吸收的热量,kJ/mol;Q气为水煤气及未分解蒸汽带出的热量,kJ/mol;Q损为夹套等热量损失,kJ;Q利用为吹风气储存到燃料层的热量,kJ。从上式中能够看出,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能够利用的热量Q利用的有效利用率。吹风时积蓄于燃料层内能够利用的热量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-l000℃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1100℃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H2O,CO2和CH4含量增加,而H2和CO的含量减少。为制得CO和H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,能够在不影响气体质量(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[30]。5.1.3降低灰渣返炭率灰渣中的含碳最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能够回收利用,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,虽然能够再利用,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[31]。①煤气炉炉底防漏装置选择安装不当或在使用中损坏,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%,理想的目标应达到10%左右。5.1.4降低吹风及制气带出物提高风速能够减少二氧化碳还原为一氧化碳的几率,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,在生产中能够采用以下措施选择合适的风机[32]。①Φ3000mm系列煤气炉风机可选450-550m3/m②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。5.1.5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1800-2600mm②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、炉底温度又都处于较低的范围。当前,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1100-1150kg③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,不但导致气化效率降低,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。5.2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[34]:(5-4)式中QT制气时吨氨的蒸汽用量,kg/t;V半为半水煤气的吨氨消耗定额,m3/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,%。由上式可知,造气工段的蒸汽用量与半水煤气消