合成氨造气工段化工工艺设计

PAGE论文题目：合成氨造气工段化工工艺设计系别：专业：学号：姓名：指导教师：目录TOC\o"1-2"\h\z第一章造气综述 4第二章生产工艺条件的选择 6概述 62.1气化层的温度 62.2吹风时间和入炉风量 72.3上、下吹制气时间和蒸汽用量 72.4炭层高度 72.5循环时间 72.6生产强度 7第三章气化工艺流程简介 93.1造气工段工艺流程如图所示： 93.2煤气发生炉系统的流程 93.3流程特点 123.4余热连续回收流程 12第四章造气工序(固体燃料）工艺计算 134.1物料及热量衡算 134.2空气吹风阶段的计算 154.3蒸汽吹送阶段的计算 184.4总过程计算 22第五章主要设备的工艺计算和设备选型 285.1煤气发生炉 285.2空气鼓风机 285.3蒸汽过热器 285.4洗气塔 30结束语 33致谢 34参考文献 35附录 36PAGE34合成氨造气工序设计总说明本设计为合成氨造气工序设计，以无烟块煤为原料，工艺选取固定床间歇制气法，造气炉选取φ2610，单台炉的发气量为5000Nm3/h。设计思路是首先以100kg无烟块煤为计算基准，进行物料衡算和能量衡算，再以其计算结果为依据，进行合成氨造气工序的主要设备选型。

第一章造气综述煤气化技术开发较早，在20世纪20年代，世界上就有了常压固定层发生炉，20世纪30年代至50年代，用于煤气化的加压固定床鲁奇炉、常压温克勒沸腾炉和常压气流床K-T炉先后实现了工业化，这批煤气炉型一般称为第一代煤气化技术。第二代煤气化技术始于20世纪60年代，由于当时国际上石油和天然气资源开采及利用于制取合成气技术进步很快，大大降低了制造合成气的投资和生产成本，导致世界上制取合成气的原料转向了天然气和石油为主，使煤气化新技术开发的进程受阻，20世纪70年代全球出现石油危机后，又促使了煤气化新技术开发工作的进程，20世纪80年代，开发的煤气化新技术，有的实现了工业化，有的完成了示范厂的试验，具有代表性的炉型有德士古加压水煤浆气化炉、熔渣鲁奇炉、高温温克勒炉（HTW）及干粉煤加压气化炉等。第二代煤气化技术的主要特点是：提高气化炉的操作压力和温度，提高单炉生成能力，扩大原料煤的品种和粒度使用范围，改善生产的技术经济指标，提高环境质量满足环保要求。近年来国外的煤气化技术的开发和发展，有倾向于以煤粉和水煤浆为原料、以高温高压操作的气流床和流化床炉型为主的趋势。现今世界上用于煤气化工业生产和示范装置的气化炉形式较多，现将其有代表性的主要炉型按燃料层燃煤运动状态分为固定层（或称移动床）、流化床、气流床和熔融床四大类，每类按进料状态、排渣状态和气化压力等级的不同再加以区分。我国现采用较多的是煤气化，如常压固定层气化、加压鲁奇炉及德士古加压水煤浆气化。为了保证中国经济的可持续发展，实施京都议定书，减少燃料对大气的污染，必须大力发展洁净煤技术，煤炭气化是最重要的应用广泛的洁净煤技术，是发展现代煤化工最主要的单元技术。煤炭气化可以生产工业燃料气，民用燃料气，化工合成原料气，合成原料油原料气，氢燃料电池，煤气联合循环发电，合成天然气，火箭燃料气等。煤气化技术广泛应用与化工、冶金、机械、建材等重要工业部门和城市煤气的生产。目前中国拥有各种类型的煤气炉约9000多台，其中化工行业煤气炉约4000余台，以固定床气化炉为主。多数中小型化肥厂和少数大型化肥厂以煤炭为原料，通过煤气化生产合成氨和甲醇，年耗原料煤4000万吨，合成氨产量占全国总产量的60%以上，为中国农业生产提供了充足的化肥。因此煤气化工和洁净煤技术的发展占有十分重要的地位，是实现中国经济可持续发展的主要技术手段之一。固体燃料气化是用气化剂对固体燃料进行热加工的过程。作为氨合成的原料是以空气和蒸汽作为气化剂制的气体，要求气体中(CO+H2)与N2的比例为3.1~3.2。我国小型氮肥厂绝大多数是以无烟煤和焦炭为原料在固定层气化。为了获得较高的气体质量和气化效率，必须使煤气发生炉处于下列两个条件下操作及气化层保持高温和高气化剂(空气、水蒸气)流速；使燃料气化层各处同一截面的气流速度和温度分布均匀。这两个条件的获得，除了与炉子结构(加料，排渣等装置)的合理程度有关外，采用的燃料性质也具有很大影响。常压固定床煤气化技术是以空气、蒸汽、氧气为气化剂，将固体燃料转化成煤气的过程。由于技术成熟可靠，投资小，建设期短，在国内外仍广泛使用，在冶金、机械、建材等行业用于制取煤气，在中小型合成氨厂用于制取合成气，但可以预算，由于对原料要求严格，生产能力小，能耗高等缺点随着时间推移终将被淘汰。

第二章生产工艺条件的选择概述固体燃料气化是用气化剂对固体燃料进行热加工的过程。作为氨合成的原料气是以空气和蒸汽作为汽化剂制得的气体，要求气体中（CO和H2）与N2的比例为3.1～3.2。我国小型氮肥厂绝大多数是以无烟煤和焦碳为原料的固定层气化。为了获得较高的气体质量和汽化效率，必须使煤气发生炉处于下列两个条件下操作即气化层保持高温和高气化剂（空气，水蒸汽）流速；使燃料气化层各处同一截面的气流速度和温度分布均匀。这两个条件的获得，除了与炉子结构（加料，派渣等装置）的合理程度有关，采用的燃料的性质也具有很大影响。生产合成氨所需半水煤气对气体中有效气组分有一定的要求，CO和H2越高越好，而CO2和CH4越低越好，在气化过程中是借赤碳与蒸汽反应生成CO和H2或CO2和H2，均为吸热反应使碳层温度下降，碳层温度高，蒸汽分解率高，碳层温度降到一定程度必须停止制气，鼓入空气使C和O产生放热反应，将碳层提温达到赤热，然后切断空气，再通入蒸汽继续制气，在气化过程中有制气吸热和吹风放热提温过程，故称间歇式制气法。如果进行连续气化，气化剂必须采用蒸汽或富空气或氧气，使炉内吸热反应达到平衡。在间歇式煤气发生炉内，需要周期地送入空气和蒸汽。自上一次开始送空气为止，称为一个循环。在一个循环内，送空气阶段所产生的气体称为吹风气。因为把制气用的蒸汽的温度升高到反应温度以及蒸汽同赤热炭反应，都要吸收热量；这就使得气化区温度迅速下降。如果只是从炉底通入蒸汽，有可能使气化区底部未燃的原料，因急剧冷却而熄灭，在下一个循环再通入空气时燃烧不起来，随灰渣排出炉外而损失掉，另外上部原料层不断地被高温的吹风气、煤气所加热，是气化区上移，吹风时放出的热量仅积蓄在上部较薄的原料曾内，使制出的煤气的质量和产量越来越差，热效率也越来越低，因此在蒸汽阶段上吹一段时间后，必须改变蒸汽流向，即将从炉顶送入，煤气从炉底引出，这就是所谓的下吹阶段，下吹的目的是维持炉子或层和温度的稳定和均匀。制气一段时间后，原料层温度下降，需要再送入空气，借空气中的氧和碳反应所放出的热量来提高燃料层温度。但此时由于蒸汽下行后，炉底管道内蓄积着煤气，如果立即送入空气而与煤气相遇就会发生爆炸，故当下吹制气完毕后送入二次上吹蒸汽，先将蓄积在炉底的下吹煤气排净后，再送入空气才安全，但此时如立即将吹风气排入大气则在二次上吹末期积存在炉子上部的煤气将所之损失，因此总是将吹空气阀比烟囱阀早开一些，以便将炉上空间积存的部分二次上吹煤气回首。2.1气化层的温度发生炉中气化层的最高温度不能超过原料的灰熔点。否则将在气化层产生结渣从而使气化剂分布不匀，导致气体产量和质量下降，严重时导致气化作业无法进行。同时气化层温度过高，使吹出温度增高，带出的显热多，热效率下降。一般发生炉内气化层最高温度的控制应根据原料性质而定，但气化层的实际温度一般是很难直接测量的，操作中主要根据探火棒测炉内料层及炉顶、炉底温度的变化以及半水煤气组成的变化来进行判断。半水煤气中二氧化碳含量高低是判断气化层温度高低的重要方法，一般二氧化碳含量控制在8%~12%。炉顶温度控制在200~250℃。2.2吹风时间和入炉风量在吹风和制气过程中，制气吸热必须和吹风放热达到平衡，所以入炉空气总量的多少决定了煤气发生炉生产负荷的高低。调节入炉空气总量的方法有两种：一是调节吹风速度大小；二是调节吹风时间的长短。在维持一定出口温度的前提下，若提高吹风速度，则可缩短吹风时间，这是因为提高风速可缩短吹风中二氧化碳与灼热炭层的接接触时间，减少一氧化碳的生成，增加炉内的热量积蓄。同时也使碳的消耗量减少，还可使制气时间相应延长，有利提高煤气发生炉的生产能力。但过大的风速将使炉内带出物增加。在正常操作情况下，带出物不应超出4%。入炉风量一般每生产1标准米的半水煤气，约耗0.95～1.05m3的空气(带有水夹套的煤气炉)，优质原料取低值，劣质原料取高值。吹风时间的确定，在有空气流量计的情况下，可按空气消耗定额来估算吹风时间。没有空气流量计的情况下，以鼓风机铭牌参数来估算，再按空气消耗定额来估算吹风时间。由于实际生产条件有差异，因为估算得到的吹风时间尚需根据生产效果作适当调节。2.3上、下吹制气时间和蒸汽用量在吹风时间和入炉总风量确定的基础上蒸汽用量的大小将取决于炉温，不要使炉温波动过大，合适的蒸汽用量将使上、下制气平均蒸汽分解率达到50%左右。下吹蒸汽用量约为上吹的1.1～1.5倍，下吹时间在实际生产中根据各种炉型而选定，Φ2.26米煤气炉下吹为34%～42%。在实际生产中，蒸汽入炉压力常有波动，所以操作中应有及时调节流量。2.4炭层高度高炭层有利于炉内燃料层的分区高度得到相对的稳定，使燃料层贮存较多的热量，而炉面和炉底温度不致太高，有利于维持较高的气化层和适应大风量操作的条件。也会延长气化剂与原料的接触时间，有利于提高蒸汽分解率和煤气中有效气体的含量。当采用小粒煤或劣质煤时，由于炭层阻力增大而使气化层局部过热，长致炉内结疤，应适当减低炭层高度。实际操作中炭层高度的选择，须根据所用原料的性质以及操作条件来决定。2.5循环时间循环时间应根据燃料的气化活性而定，气化活性较高的燃料有可能是反应处在过渡控制区或扩控制区，循环时间可以较短，反之较长，炉温控制较高，反应处于扩散控制区，可采用较短的循环时间，一般以120～150秒为宜。较短的循环时间可减少气化层温度的波动，有利于提高蒸汽分解率和煤气的质量。2.6生产强度生产强度应有一定的适度，强调提高设备出力，增大设备的生产强度。这样对生产操作和节能降耗都不利。由于习惯的操作条件，采用过长的吹风时间，这样蒸汽耗量偏大，这是为了防止结疤，不得不加大蒸汽量之故。结果虽然总风量增加了，而蒸汽量却下降了，热量被大量飞灰及蒸汽带走。为此，适当减少吹风时间，相应减少上下吹蒸汽量，虽然煤气炉的生产能力有所降低，但原料和蒸汽的消耗却可大大下降。在节约蒸汽，提高蒸汽分解方面，采用上下吹蒸汽自调收到了很好的效果，值得推广。

第三章气化工艺流程简介3.1造气工段工艺流程如图所示：原料气煤气发生炉热量回收器原料气煤气发生炉热量回收器洗气塔半水煤气洗气塔去气柜图3.13.2煤气发生炉系统的流程固定层间歇法制半水煤气的传统工艺流程中目前绝大多数厂家在上吹制气时采用了加氮气化。加氮时蒸汽本身通过喷嘴抽一部分空气总管中的空气来实现制成半水煤气。其工艺流程气化过程按图中5个阶段分别叙述如下：图3.23.2.1吹风阶段来自鼓风机的加压空气，送入煤气发生炉底部，经与燃料层燃烧并放出大量热量储存于炭层内，生成吹风气有炉顶引出，经旋风除尘器除去灰尘后，进入废热锅炉的管内与管间的水换热，水受蒸发产生的低压蒸汽经气包送蒸汽管道可供本炉制气用。吹风气被冷却后，出废热锅炉，由烟囱放空图3.33.2.2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，气化层上移，炉温下降，生成半水煤气由炉顶引出。除去带出灰尘。进入废热锅炉回受气体中的显热后进入洗气箱致洗气塔洗净和冷却至常温由洗气塔上部引出送入气柜。图3.43.2.3下吹制气阶段蒸汽自炉顶送入，经与灼热的燃烧层反应后，气化层下移，炉温继续下降，生成的水煤气由炉底引出，因下行煤气通过灰渣层降低了温度，不再进入废热锅炉直接接入洗气箱、洗气塔洗净降温，由塔顶引出至气柜。图3.53.2.4二次上吹阶段基本同一次上吹制气阶段，但不加入空气，其目的在于置换炉下部及管道中残余的煤气防止爆炸现象。图3.63.2.5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柜。以上5个阶段的工作循环，由液压或气压形式自动控制，目前正在发展成为电脑程序控制代替自动控制。3.3流程特点本流程采用以设备代替配管，简化了工艺流程，加大了系统气体流动通道截面积，降低了气体的流速，减轻了气体中带出物对金属的磨损和阻塞现象。顺流程的气体中的显热及副产蒸汽和软水加热回收了吹风气、上行和下行气体中的显热。气体温度逐级下降，减轻了系统阻力，提高了半水煤气的产量。因进洗涤塔的气体温度较低，节省了洗涤、冷却用水量等优点。3.4余热连续回收流程3.4.1潜热回收合成氨各工段所含余热，造气工段约占全部余热的42%，而且这部分余热能位较高，如果能充分回收、合理利用，对降低合成氨能耗和成本具有较大影响。目前绝大部分小氮肥厂回收了上行煤气和吹风气的显热。这部分的显热，其中主要是副产低压蒸汽或者过热饱和蒸汽两种形式。对于吹风气潜热回收，主要采用了合成二气（指合成放空气和贮罐气）连续输入，吹风气集中燃烧，燃烧室体外取热的工艺路线。吹风气余热回收流程：由合成工段来合成放空气经储罐缓冲后分离气体中液滴与空气预热器来的加热空气经配比后进入燃烧炉点火燃烧，使燃烧炉提高至使吹风气吹入能燃烧温度后在将造气吹风气配入热空气喷入炉内燃烧。燃烧尾气引出炉外加热入炉空气，锅炉使用软水和使饱和蒸汽过热送入造气。燃烧气经部分余热回收后进入余热锅炉副产低压饱和蒸汽，送入蒸汽过热器，其蒸汽与锅炉房来的饱和蒸汽连续进入蒸汽过热器过热去造气炉制半水煤气。经余热回收后的燃料尾气由引风机引进入烟囱排放。

第四章造气工序(固体燃料）工艺计算计算说明原料采用山西晋城无烟块煤。采用上吹制气加氮的方法进行计算。4.1物料及热量衡算图4.1计算基准：以100kg山西晋城块煤为原料。已知条件：表4-1燃料组成及热值成分CHONSAW合计1.湿重量%70.201.654.660.490.3817.305.321002.干重量%74.141.744.920.520.4018.28__100燃料热值：25281.6kJ/kg表4-2吹风气组成成分H2COCO2O2N2CH4合计H2S体积%2.855.7415.960.4574.270.731000.8971g/m表4-3水煤气组成成分H2COCO2O2N2CH4合计H2S体积%43.5030.758.80.4515.690.811001.363/m3表4-4炉渣组成成分CSA合计重量%23.700.2676.04100各物料进出炉的温度：空气：30℃相对湿吹风气：450℃上行煤气：400℃下行煤气：250℃炉渣：250℃蒸汽：压力：0.10MPa温度：220℃热焓：I=2914.01kJ/kg(查过热水蒸气表）表4-5生产循环时间序号操作名称吹风上吹下吹二次上吹空气吹净合计1%203040641002时间,s2436487.24.8120燃料在炉中被带出的损失量，3kg干燃料。表4-6被损耗燃料中各组分之重量序号元素组成，重量%各组分重量，kg1C83.503×83.50%=2.5052H1.563×1.56%=0.04683O0.473×0.47%=0.01414N0.803×0.80%=0.0245S0.553×0.55%=0.01656A13.123×13.12%=0.3936合计1003炉渣生成量炉渣生成量=22.2453kg炉渣中各组分之重量C：22.2453×0.237=5.2721S：22.2453×0.0026=0.0578A：22.2453×0.7604=16.92合计：22.2453(9)带出物及炉渣中各组分之总重量C：2.505+5.2721=7.4771H：=0O：=0.014kgN：=0.024kgS：0.0165+0.0578=0.0743A：0.3936+16.92=17.3136合计：24.9678(10)燃料气化后进入煤气中各元素C：70.2-7.4771=62.7229H：1.65+5.32×2/18-0.0468=2.1943O：4.66+5.32×16/18-0.014=9.3749N：0.49-0.024=0.466S：0.38-0.0743=0.3057合计：75.0638计算误差=-0.03%4.2空气吹风阶段的计算4.2.1物料恒算每标准米3吹风气中所含元素量C=12/22.4(0.0574+0.1596+0.0073)=0.1202H=2/22.4(0.0285+0.0073×2)+0.0008971×2/34=0.0039O=32/22.4(0.0045+0.1596+0.5×0.0574)=0.2754N=28/22.4×0.7427=0.9284S=0.0008971×32/34=0.0008443由碳平衡计算吹风气产量=521.82m由氮衡计算空气需要=490.12由空气带入水气量空气温度：30℃湿度：80%由《物化手册》查得空气中水气含量为0.0213kg(水气)/kg(干气)空气带入水气量490.12×1.293×0.0213=13.4983式中1.293——空气的密度。氢的平衡进项：燃料带入氢2.1943空气中水气带入氢13.4983×2/18=1.4998合计：2.1943+1.4998=3.6941出项：吹风气中氢521.82×0.0039=2.1183吹风气中水汽中含氢3.6941-2.1183=1.5758合计：2.1183+1.5758=3.6941吹风气中水汽量=14.1822每标准米吹风气中水气含量=0.02718氧平衡进项：燃料带入氧9.3749空气中带入氧490.12×0.21×32/22.4=147.036k空气中水气带入氧13.4938×16/18=11.9945合计：9.3749+147.036+11.9945=168.4054出项：吹风气中氧521.82×0.2754=143.709吹风气中水气中含氧14.1822×16/18=12.6064合计：143.709+12.6064=156.3154kg误差：硫平衡进项：燃料带入硫0.3057出项：吹风气中含硫量0.0008443×521.82=0.44064.2.2热量衡算进项：燃料发热量：100×25281.6=2528160kJ燃料显热：100×30×1.0467=314.01kJ式中1.0467为燃料的比热容kJ/(m3)(由杨学圃编《发生炉气及水煤气工业》估算得出)。干空气焓式中1.2979为空气的比热容，kJ/(m3(标)℃)(由《物化手册》附图1-5-10查得)。空气中水气焓：13.4938×2555.6227=34485.062kJ式中2555.6227为30℃合计2562959.1kJ(2)出项吹风气发热量：521.82×1346.4081=702582.7kJ由表2-4-1查得各组分气体之高热值，计算单位吹风气发热量单位吹风气发热量 1276.74×H2+12644.14×CO+3958.34×CH41276.74×0.0285+12644.14×0.0574+3958.34×0.0073=1346.408kJ/m3干吹风气的焓521.82×1.4455×450=339430.86kJ式中1.4455——吹风气的平均比热容，kJ/(m3(标)℃)。由《物化手册》附图1-5-9~17查得各组分气体的平均比热容。干吹风气的平均比热容CP=(0.0285×29.2239+0.0574×29.9775+0.1596×44.5894+0.0045×31.0661+0.742729.7305+0.0073×46.8922)/22.4=32.233/22.4=1.4390kg/(m3(标)℃吹风气中水气焓14.1822×3384.1904=47995.265kJ式中3384.1904——450℃时过热蒸汽的焓KJ/kg(见《物化手册》)。飞灰发热量(干燃料发热量)25281.626174.138×3=78522.41kJ飞灰显热3×450×1.0467=1413.045kJ式中33913、10467分别为碳和硫的发热kJ/kg炉渣中可燃物的发热量33913×5.2721+10467×0.0578=179397.72kJ式中0.9630——煤渣的比热容kJ/（kg.℃）。散失热(取燃料发热量的6%)合计：(3)积聚在炭层中的热量2562959.1-1492380.598=1070578.6kJ(4)吹风效率表4-7热量平衡表进项，kJ出项，kJ燃料发热量2528160燃料显热3140.1干空气焓1963.90空气中水气焓34485.062吹风气发热量702582.7干吹风气的焓339430.86吹风气中水气焓47995.265飞灰发热量78522.41飞灰显热1413.045炉渣中可燃物的发热量179397.72炉渣的显热4026.57散失热151689.6积聚在炭层中的热量142380.598合计2586628.7合计2586628.74.3蒸汽吹送阶段的计算4.3.1物料平衡(1)标准米3煤气中所含元素量C：12/22.4(0.3075+0.088+0.0081)=0.216kg H：2/22.4(0.435+2×0.0081)+2/34×0.001363=0.0404O：32/22.4(0.3075×0.5+0.088+0.0045)=0.3518N：28/22.4×0.1569=0.1961S：32/34×0.001363=0.00128(2)由碳平衡计算实际水煤气产量62.7229/0.216=290.3(3)由氮平衡计算带入空气量(4)空气带入水气量57.213×1.293×0.0213=1.5757(5)氢平衡已知和假设条件上行煤气量为xm3上行煤气含水量为0.26kg/m3(标)(干)上下吹蒸汽量相等各为Wkg下行煤气产量290.3838-xm3下行煤气含水量0.51kg(标)(干)为计算方便起见，上、下吹时气体成分假设相同，上吹、下吹加N作为均匀加入计算。上行阶段进项燃料带入氢蒸汽带入氢W×2/18=W/9kg空气中水汽带入氢合计：出项：煤气中氢0.0404xkg煤气中水汽含氢0.26×2/18x=0.02889xkg合计：0.0404x+0.02889x=0.06929xkg平衡：W=0.5505xkg下行阶段：进项燃料带入氢蒸汽带入氢W×2/18=W/9空气中水汽带入氢1.5757×2/18-0.0005652xkg=0.1751-0.0005652xkg出项：煤气中氢(0.51×2/18)(309.772-x)=17.554-0.05667xkg煤气中水汽含氢合计：35.108-0.1133xkg平衡：35.108-0.1133x=W/9+2.3694-0.008243xkgW/9=32.7368-0.1051xkgxW=294.66-0.946xkg解方程式(1)、(2)0.5505x=294.66-0.946xkg1.4965x=294.66x=196.8994m3W=108.3931由此得上行煤气产量：196.8994(标)上行煤气产量占总产量的百分数：下行煤气产量：290.3838-196.8994=93.4864下行煤气产量占总产量的百分数：上行煤气中水气含量：0.26×196.8994=51.1938下行煤气中水气含量：0.51×93.4864=47.6781煤气中总水气量：51.1938+47.6781=98.8719上吹蒸汽量：99.5910kg下吹蒸汽量：99.5910kg蒸汽总耗量：99.5910+99.5910=111.7139kg上吹蒸汽分解率：下吹蒸汽分解率：平均蒸汽分解率：(5)氧平衡进项：燃料带入氧：9.3749蒸汽带入氧：空气带入氧：空气中水气带入氧1.5757×16/18=1.401合计：9.3749+177.051+17.1639+1.401=204.991出项：煤气中氧290.3838×0.3518=103.9872煤气中水气含氧98.8719×16/18=87.8861合计：87.8861+103.9872=191.873误差：(6)硫平衡煤料带入硫0.3057合计：0.03057出项：煤气中硫0.001283×290.3838=0.37284.3.2热平衡(1)进项燃料发热量：100×25281.6=2528160kg燃料显热：100×30×1.0467=3140.1kJ蒸汽焓：199.182×2914.0128=580418.9kJ干空气焓：69.439×30×1.2979=2703.7463kJ式中1.2979为由《物化手册》附图1-5-10查得，kJ/m3(标)空气中水气焓合计：1.5757×2555.6227=4026.8947KJ(2)出项：水煤气发热量：290.3838×9624.8517=2798637.4kJ式中9624.8517为水煤气热值，由下式得：单位煤气发热量：12769.74×H2+12644.14×CO+39858.34×CH412769.74×0.435+12644.14×0.3075+39858.34×0.0081=9765.7624kJ上下行干煤气焓上行煤气焓196.8994×1.3739×400=108208.04式中1.3739为上行煤气的平均比热容，kJ/（kg.℃）由下式计算得：由《物化手册》附图1-5-9～17查得各气体在0~450℃的恒压平均比热容CP=(29.0232×H2%+29.3568×CO%+41.0745×CO2%+30.0657×O2%+29.2736×N2%+40.866×CH4%)/22.4=(29.0232×0.435%+29.3568×0.3075%+41.0745×0.088%+30.0657×30.1868%+29.2736×0.1569%+40.866×0.0081%)/22.4=1.4722kJ/(m3℃下行煤气焓：108208.04+42189.87=150397.91kJ(3)煤气中水气焓上行：51.1938×3276.5897=157911.31kJ下行：47.6781×2973.4654=141769.18kJ式中3276.5897，2973.4654，分别为400℃和250℃过热蒸汽的焓kJ/kg上下行煤气总水焓：157911.31+141769.18=299680.49kJ(4)飞灰可燃物的发热量3×29677.778=89033.33飞灰燃料的显热3×450×1.0467=1413.05kJ炉渣中可燃物的发热量33913.08×5.2721+10467×0.0578=179398.14kJ炉渣显热22.245×250×0.9630=4026.568kJ散失热量2528160×0.0526=132981.216kJ(5)需从碳层中吸取热3807935.654-3419310.1=388625.554kJ(6)制气效率表4-8热量平衡表进项，kJ出项，kJ燃料发热量2528160燃料显热3140.1蒸汽焓580418.9干空气焓2703.7463空气中水气焓4887.3792合计3419310.1从碳层中吸热量388625.554燃料热量2798637.4干煤气焓150397.91煤气中水气焓299680.49飞灰可燃物的发热量89033.33飞灰燃料的显热1413.05炉渣中可燃物的发热量119398.14炉渣显热4026.568散失热量132981.216合计3807935.654合计3807935.6544.4总过程计算4.4.1燃烧使用分配每100kg燃料中用于制半水煤气为xkg根据热平衡得652517.46x=(100-x)×1317994.51970512x=131799450x=66.89kg每100kg燃料中用于制半水煤气为66.89kg每100kg燃料中用于制吹风气为33.11kg每100kg燃料的生产指标4.4.2各物质产量吹风气产量521.82×0.3311=172.7746m吹风空气耗量490.12×0.3311=162.28m水煤气产量290.3838×0.6689=194.24m加氮空气耗量57.213×0.6689=38.27蒸汽耗量199.182×0.6689=133.23kg总过程效率4.4.3物料衡算碳平衡进项：62.7229合计：62.7229出项：水煤气含碳194.24×0.216=41.9558吹风气含碳172.77×0.1202=20.7670合计：62.7227氢平衡进项：燃料中氢：2.空气中水汽带入氢162.28×1.293×0.0213×2/18=0.加氮空气中带入氢38.27×1.293×0.0213×2/18=0.1蒸汽带入氢133.23×2/18=14.8033合计：15.4170出项：水煤气中含氢194.24×0.0404=7.水煤气中水汽含氢吹风气中含氢194.24×0.0039×2/18=0.8吹风气中水汽含氢172.77×0.0203×2/18=0.3897合计：1氧平衡进项：燃料中氧9.374空气中带入氧空气中水汽带入氧162.28×1.293×0.0213×16/18=3.9727加氮空气中带入氧38.27×1.293×0.0213×16/18=0.9369加氮空气中水汽带入氧38.27×1.293×0.0213×16/18=0.9369蒸汽带入氧133.23×16/18=118.4267合计：1出项：水煤气中含氧194.24×0.3518=68.33水煤气中水汽含氧kg吹风气中含氧172.7746×0.2754=47.5821吹风气中水汽含氧172.7746×0.02718×16/18=4.合计：1误差：氮平衡进项：燃料中氮0.446kg空气中水汽带入氮量162.28×0.79×28/22.4=16加氮空气中带入氮量38.27×0.79×28/22.4=37.79合计：1出项：水煤气中含氮量194.24×0.1961=38.0905吹风气中含氮量172.7746×0.9284=160合计：198.49硫平衡燃料中硫含量0.3057合计：0.3057出项：吹风气中硫含量0.0008443×172.7746=0.1459水煤气中硫含量0.001283×224.29=0.2878合计：0.43374.4.4热量平衡进项：燃料发热量：2528160kJ燃料显热：3140.1kJ干空气焓：162.28×1.293×0.0213×2555.6227=11421.94kJ空气中水气焓162.28×1.293×0.0213×2555.6227=11421.94kJ加氮干空气焓38.27×1.2979×30=1490.119kJ加氮空气中水气焓：38.27×1.293×0.0213×2555.6227=2693.6013kJ蒸汽焓133.23×2914.0128=388233.93kJ合计：2558327.7kJ出项：吹风起中水气焓172.7746×1346.4081=232625.12kJ干吹风气焓172.7746×1346.4081=232625.12kJ吹风气中水气焓172.7746×0.02718×3384.1904=15892.204kJ水煤气发热量194.24×9624.8517=1869531.2kJ干水煤气焓67592.55+28091.867=95684.42kJ其中：上行194.24×0.597×1.3739×400=63727.68kJ下行194.24×0.403×1.3534×250=26485.605kJ水煤气中水气焓104887.28+125906.31=230793.59kJ其中：上行194.24×0.597×0.26×3279.9391=98889.94kJ下行194.24×0.403×0.51×2973.4654=118707.12kJ飞灰可燃物发热量89033.33kJ飞灰燃料的显热量3×0.3311×1.0467×450×3×0.6689×1.047×400=1308.0243kJ炉渣中可燃物发热量108306.15kJ炉渣的显热量4026.568kJ散失热量132981.216kJ合计：表4-9热平衡表进项kJ出项kJ料发热量2528160燃料显热3140.1干空气热焓6477.56空气中水气焓11427.94加氮干空气焓1490.119加氮干空气中水气焓2693.6013蒸汽热焓388233.93吹风气发热量232625.12干吹风气的焓232625.12吹风气中水气焓15892.204水煤气发热量1869531.2干水煤气热焓95684.42水蒸汽中水汽热焓230793.59飞灰发热量89033.33飞灰显热1308.0243炉渣中可燃物发热量108306.1510.炉渣的显热4026.56811.散失热量132981.21612.计算误差0.9合计2942798.72942798.94.4.5配气计算配气计算半水煤气中(CO+H2)：N2=3.2：1吹风气中有效成分CO+H2=5.74+2.85=8.59N2=74.27水煤气中有效成分CO+H2=30.75+43.5=74.25N2=15.69设单位水煤气中配入吹风气量为：xm3(标)8.59x+74.25=3.2(15.69+74.27x)x=0.1050100kg燃料制气时产量194.24m194.24×0.1050=20.40m100kg燃料可制的半水煤气为194.24+20.40=214.64m半水煤气组分H2=CO=CO2=O2=N2=CH4=

第五章主要设备的工艺计算和设备选型5.1煤气发生炉炉膛内径：φ2610mm单炉发气量为：5000m单炉生产能力：1.697tNH3/（h台）年产4万吨氨型合成氨厂的合成氨生产能力为：5.556tNH3/h造气炉台数的确定：5.556÷1.697=3.274(台)选用四台生产，一台备用,共五台每个循环单炉平均生产半水煤气：5000÷60×2=166.67Nm3根据物料衡算每100kg燃料的生产指标为：吹风气产量521.82×0.3311=172.7746m吹风空气耗量490.12×0.3311=162.28m水煤气产量290.3838×0.6689=194.24m加氮空气耗量57.213×0.6689=38.27m蒸汽耗量199.182×0.6689=133.23kg空气流量：吹气用空气流量：166.67÷194.24×162.28×3600÷20=25064.339Nm3/h加氮空气流量：上吹：166.67÷194.24×38.27×0.597×=2151.69Nm3/h下吹：166.67÷194.24×38.27×0.403×=902.3Nm3/h5.2空气鼓风机空气鼓风机的选择以满足三台炉子同时生产时的最大风量进行选择，最大风量时为一台吹风，一台上吹加氮，一台下吹加氮。取管道消耗5%空气总量：=29598.24Nm3/h风机台数：开一台，备用一台，共两台风机型号：D500-215.3蒸汽过热器上行半水煤气流量为：×194.24×0.597×=8955.179Nm3/h最大半水煤气气量：干基：8955.179Nm3/h湿基：8955.179×(1+0.25×)=11731.28Nm3/h实际生产的半水煤气流量：干基：3300×5.556×0.597=10945.88Nm3/h含水量：10945.88×0.25=2736.47Nm3/h设可过热的蒸汽量为xkg干水煤气带入热10945.88×400×0.3396=1486888.34kcal/h水汽带入热:2736.47×782.6=2141561.42kcal/h蒸汽过热气炉体规格的选择：半水煤气平均温度：=325℃湿半水煤气流量：11731.28××=23837.75Nm3/h即6.62Nm3/s火管采取φ45×3.5无缝钢管，初选流速15m/s管子根数的计算:n===390根管板计算:管间距取58mm,管板填充系数为90%。则管板直径为：1.05×0.058×=1.34m取管板1350mm壳体直径的计算：管板折边取100mm炉体内壁直径为1350+2×100=1550mm，取设备外径φ1600D=0.058(20-1+1)+2×0.06075=1.2815传热系数计算：火管总面积（截面）：（437-4）××(0.045+0.0035×2)2=0.4919m2M=15.472kg/mol管内传热系数(对流)气体重量流量：G=13150.16×××=5.13kg/(Sm3)Um=249.37×10-7=kg/sRe==7.82×103<104因而气体在管内为过渡区f=1-=0.9411所以Pr=0.4313α=49.7371kcal/(m2h℃)α=0.9411×46.7371=42.58kcal/(m2h℃)PH2O=0.2373LH2O=0.01016mPCO2=0.1360LCO2=0.005设管内壁温为271则管壁与气体平均温度=298℃αH2O=1.3kcal/(m2h℃)αCO2=2.2kcal/(m2h℃)管内给热系数α=1.3+2.2=3.5kcal/(m2h℃)αi=63.62kcal/(m2h℃)管外传热系数平均温度=171.5℃管外为蒸汽h取1000mm流国最大截面积SS=1×1.45×(1-)=0.325m当量直径de==0.03743m蒸汽流量：G==4.3964kg/(m2s)传热面积的计算平均温差：t==148.7℃Q=2×4236.33×(0.3396×400-0.3333×250)+2×4236.33×0.25×(782.6-701.2)=5.98721×105t=t-=325-=273.1℃与原来假设271℃基本相符过热器规格选取选取换热面积为230m2因管外传热系数小于管内传热系数α/α=1.81<2,故换热面积按平均直径计算：管长H==4.24m园整H=5m;则蒸汽过热器规格为：壳体内径为D=1600mm;炉管φ45×3.5;长5m;共437根,换热面积：285.4m25.4洗气塔已知数据：进气塔气体温度95℃出塔40℃水进洗气塔温度为30℃出塔50气体进洗气塔压力为650mmH2O出塔350mmH2O最大气量：进洗气塔的气量一般为两台下吹，一台上吹加氮，最大气量为一台上吹加氮制气一台二次上吹制气，一台下吹加氮制气，两台同时上吹时间即使重合也很短。本设计取两台上吹制气（上吹加氮与二次上吹取平均气量），一台下吹制气计算。上吹制气（干基）8955.179Nm3/h下吹制气（干基）×194.24×0.403×=4030.08Nm3/h干基最大气量：2×8955.179+4030.08=21940.44Nm3/h进塔气体含水量：(8955.179×0.25+4030.08×0.5316)×1.05=4600.24kg塔底最大气量(湿基)：(24573.24+4600.24×)××=3105.88Nm3/h冷却水用量的计算：塔顶最大气体流量的计算：40℃出口状态下：=V==1869.34Nm3/h塔顶最大气量为：21940.44+1569.34=23509.78Nm3/h热量衡算进项：半水煤气带入热：24573.24×95×0.3266=762433.9