娄冰年产20万吨合成氨造气炉设计解读.docx
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娄冰年产20万吨合成氨造气炉设计解读
一、绪论
1.1合成氨概述
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。
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。
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C化学技术已经获得相当成功，并且这方面的开发活动至今仍方兴未衰。
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。
1.2煤气化技术发展
煤炭气化，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），在高温条件下通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3部分。
煤炭气化时所得的可燃气体称气化煤气。
当前国内外煤完全气化技术发展的趋势，概括地可以归纳出如下几点：
（1）气化向大型化方向发展，因为大型化可以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，但可以预料在21世纪煤炭仍将成为世界的主要能源之一。
对于我国来说，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，对加快我国实现四个现代化有着重要的意义。
二、生产方法的选择及论证
2.1生产方法的介绍
煤气化方法按不同的分类有多种，分叙如下：
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16747~334948347kJ/m3；（3）制取高热值煤气方法，煤气热值高于334948347kJ/m3。
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。
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；（4）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：
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。
它分固定床常压气化和固定床加压气化。
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。
气流床气化：
所谓加氢气化就是，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＋H2→CH4＋焦
熔浴床气化：
50年代熔浴床煤气气化方法开始得到开发。
熔浴床有熔渣床、熔盐床和熔铁床3类。
2.2生产方案的选择及论证
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。
但是如果采用其它气化方法的话，不但其主体设备及相关必要设备的投资就将大大的增加，而且能耗也将大大的增大。
这对我国氨需求量大、技术又相对有些落后而且资金短缺这一基本国情是不太相符的。
所以，虽然固定床气化法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为成熟。
根据我国基本国情，本设计采用常压固定床间歇气化法。
三、常压固定床间歇气化法
3.1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。
3.2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1以空气为气化剂主要反应方程
序号
反应方程式
1
C＋O2（3.76N2）=CO2（+3.76N2）
2
C＋O=2（3.76N2）=2CO（+3.76N2）
3
C＋CO2（3.76N2）=2CO（+3.76N=2）
4
2C＋3.76N2＋O2＋3.76N2=CO2＋7.52N2
表2以水蒸汽为气化剂主要反应方程式
序号
反应方程式
1
C＋H2O（汽）=CO＋H2
2
C＋2H2O（汽）=CO2＋2H2
3
CO＋2H2O（汽）=CO2＋H2
4
2H2＋O2=2H2O（汽）
5
C＋H2=CH4
6
CO＋3H2=CH4＋H2O
7
CO2＋4H2=CH4＋2H2O（汽）
在气化炉燃烧层中，炭与空气几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=2CO2＋3.76N2
C＋H2O（汽）=CO＋H2
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，但是在实际生产中要求半水煤气（CO＋H2）：
N2≧3.2。
3.3发生炉内燃料分布情况
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，燃料本身图1燃料层分区示意图也逐渐碳化，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，而在还原层里，主要进行CO的还原分反应。
（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。
（4）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。
3.4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，空气鼓风机自下而上通过燃料层，吹风气经燃烧室及废热量后由烟囱放空。
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泄压，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，再经洗气箱及洗涤塔进入气柜。
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，可直接由洗气箱经洗涤塔进入气柜。
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、洗气箱和洗涤塔进入气柜，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而发生爆炸。
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。
四、工艺计算
4.1工艺计算方法及已知条件确定
1.实际数据计算法
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。
2.已知条件的确定
（1）入炉煤组成，重量%
表3入炉煤组成，重量%
C
H
O
N
S
A
W
合计
78.13
1.32
0.43
0.77
0.51
13.24
5.6
100
燃烧热值为28476kJ/㎏
（2）吹风气组成，体积%
表4吹风气组成，体积%
CO2
O2
CO
H2
CH4
N2
合计
H2S
16.55
0.35
6.56
3.34
0.76
72.45
100
0.85g/Nm3
（3）半水煤气真正组成，体积%
表5半水煤气组成，体积%
CO2
O2
CO
H2
CH4
N2
合计
H2S
7.5
0.20
32.10
44
0.54
16.66
100
1.45g/Nm3
（4）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（干汽）；
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；
4.2理想气化过程原料煤消耗量
生产1molNH3消耗的理论氮、氢量可按下式计算。
1/2N2＋3/2H2=NH3
（1）生产1molNH3需0.5molN2，由于氮来源于空气相应带入0.5÷0.78=0.641mol空气，因而带入氧量为0.641×0.21=0.1346mol。
按式C＋O2=CO2求得消耗碳量为0.1346mol。
（2）生产1molNH3需1.5molH2，按式C＋2H2O=CO2＋2H2求得碳的消耗量为0.75mol。
按以上计算过程反应的总式为
0.8846C+1.5H2O+0.641（0.78N2+0.21O2+0.01Ar）=NH3+0.8846CO2+0.0046Ar------①
式①热量未平衡，如使其平衡，则生产1molNH3尚需增加0.0372molC。
式①生产1molNH3需0.8846molC，故生产每吨氨的理论耗碳量为
1000/17×0.8846×12=624KgC/tNH3
（如考虑热平衡尚须增加耗碳26Kg/tNH3，即650Kg/tNH3）
由此，还可从一定半水煤气成分（CO32.1%，CO27.5%）中含碳量和理论耗碳量求出此成分下每吨氨理论耗半水煤气量为
624/127×22.4×1/（0.321+0.075）=2941m3（标）/tNH3
可查得半水煤气制造过程中碳的利用率最大为75%，因而每吨氨的最小耗碳量为
G最小=624/0.75=832KgC/tNH3
折合含碳78.13%的煤为832/0.7813=1064.89Kg煤/tNH3
20万吨NH3所需煤量为：
1064.89×20×104=21297.8×104kg
实际气化过程中由于存在各种热损失，故氨的实际耗煤量G实=G理/η实，η实为实际生产过程的气化效率，一般在60%～70%之间。
所以
G实=21297.8×104/0.65=32765.84×104kg
4.3煤气发生炉的物料及热量衡算
1.带出物数量及其组分
带出物数量：
占加入燃料的2%
带出物组分及各组分重量
表6带出物数量及其组分
元素
组成，重量%
各组分重量（以×104kg计）
C
82.5.
655.32×0.8250=540.64
H
1.66
655.32×0.0166=10.88
O
0.47
655.32×0.0047=3.08
N
0.80
655.32×0.008=5.24
S
0.57
655.32×0.0057=3.74
灰分
14.00
655.32×0.14=91.74
合计
100
655.32
带出物热值30030kJ/㎏摘自钟蕴英、关梦嫔、崔开仁、王惠中编.煤化学.
2.灰渣组成及其各组分重量
表7灰渣组成。
重量%
C
S
灰分
合计
14.60
0.3
85.2
100
灰渣重量（按灰分平衡计算）:
（32765.84×0.1324-91.74）×104÷0.852=4984.1×104kg
灰渣各组分重量（以×104kg计）
C4984.1×0.146=722.7
S4984.1×0.003=14.95
灰分4984.1×0.852=4246.45
合计：
4984.1×104kg
3.燃料气化后转入煤气中的元素量（以×104kg计）
C25599.95－（540.64＋722.7）=24336.61
H432.51＋（1834.89×2/18）－10.88=625.51
O140.89＋（1834.89×16/18）－3.08=1768.82
N252.3－5.24=247.06
S167.11－（3.74＋14.95）=148.42
合计：
27126.42×104kg
计算误差=[32765.84－（27126.42＋4984.1＋655.32）]/100×100%=0%
4.4吹风阶段的物料及热量衡算
4.4.1物料衡算
1.每Nm3吹风气中含有的元素量（以kg计）
C[12×（0.1655＋0.0656＋0.0076）]/22.4=0.128
H[2×（0.0334＋0.0076×2）]/22.4＋0.00085×2/34=0.00438
O[32×（0.0035＋0.1655＋0.0656×0.5）]/22.4=0.288
N28/22.4×0.7245=0.906
S0.00085×32/34=0.0008
2.由碳平衡计算吹风气量：
24336.61×104/0.128=190130×104Nm3
3.由氮平衡计算空气用量：
（190130×0.906－247.06）×104/（0.79×28/22.4）=174188×104Nm3
空气带入水汽量：
174188×104×1.293×0.0213=4797.29×104（1.293为空气密度）
4.氢平衡（以×104kg计）
进项：
a.燃料带入氢量：
625.51
b．空气中水蒸汽带入氢量：
4797.29×2/18=533.03
合计：
1158.54×104kg
出项：
a.吹风气中含氢量：
190130×0.00438=832.77
b.吹风气中水汽含氢量：
158.54－832.77=325.77
合计：
1158.54×104kg
吹风气中水汽含量：
325.77×18/2=2931.93
每标准m3吹风气中水汽含量：
2931.93/190130=0.0154
5．氧平衡（以×104kg计）
进项：
a.燃料带入氧量：
1768.82
b.空气中含氧量：
174188×0.21×32/22.4=52256.4
c.空气中水汽含氧量：
4797.29×16/18=4264.26
合计：
58289.48×104kg
出项：
a.吹风气中氧量：
190130×0.288=54757.44
b.吹风气中水汽含氧量：
2931.93×16/18=2606.16
合计：
57363.6×104kg
误差：
（58289.48－57363.6）/58289.48×100%=1.59%
6．硫平衡（以×104kg计）
进项：
a.燃料带入硫量：
148.42
出项：
a.吹风气中含硫量：
190130×0.0008=152.1
误差：
（152.1－148.2）/148.2×100%=2.5%
4.4.2热量衡算
1.进项（以×104kJ计）
a.燃料热值：
32765.84×28476=933040060
b.燃料显热：
32765.84×25×1.05=860103（1.05为燃料的比热）
c.干空气显热：
174188×25×1.30=5661110（1.30为空气的比热）
d.空气中水汽的焓：
4797.29×2562.84=12294687
合计：
951855960×104kJ
2.出项（以×104kJ计）
a.吹风气热值：
190130×1180.78=224501701
1m3吹风气热值为：
12810×0.0334＋12684×0.0656＋39984×0.0076=1180.78
b.干吹风气显热：
190130×1.408×600=267703
1m3：
0.1655×2.066＋0.0035×1.420＋0.0656×1.360＋0.0334×1.302＋0.0076×2.255＋0.7245×1.352=1.408kJ/m3℃
c.吹风气中水汽的焓：
2931.93×3696=10836413（3696为600℃时过热蒸汽的焓）
d.带出物热值：
30030×655.32=19679260
e.带出物显热：
655.32×1.05×600=412852（1.05为燃料的比热）
f.灰渣中可燃物热值：
34020×722.7＋10500×14.95=24743229（34020，10500分别为碳和硫的发热值）
g.灰渣显热：
4984.1×0.94×200=937011（0.94为灰渣的比热）
h.热损失（取燃料发热量的8%）:
933040060×0.08=74643205
a～h合计：
1575121×104kJ
3.积蓄在煤层中的热量：
951855960－356021374=595834586
4.吹风效率：
595834586/933040060×100%=63.86%
5.热量平衡表：
表8热量平衡表
进项（以×104kJ计）
出项（以×104kJ计）
燃料热值933040060
吹风气热值224501701
燃料显热860103
干吹风气显热267703
干空气显热5661110
吹风气中水汽的焓10836413
空气中水汽的焓12294687
带出物热值19679260
带出物显热412852
灰渣中可燃物热值24743229
灰渣显热93701
热损失74643205
积蓄在煤层中的热量595834586
合计951855960
合计951855960
4.5制气阶段的物料及热量衡算
4.5.1物料衡算
1.每Nm3半水煤气中含有的元素量（以kg计）
C=12/22.4×（0.075＋0.321＋0.0054）=0.215
H=2/22.4×（0.43＋2×0.005）＋2/34×0.00145=0.0390
O=32/22.4×（0.002＋0.075＋0.321×0.5）=0.340
N=28/22.4×0.1666=0.2083
S=32/34×0.00145=0.00136
2.由碳平衡计算半水煤气产量：
24336.61/0.215=113194Nm3
3.由氮平衡计算氮空气用量：
（113194×0.2083－247.06）/（0.79×28/22.4）=23627Nm3
氮空气中含水汽量：
23627×1.293×0.0213=650.71
4.氢平衡
（1）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（113194－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。
（2）上行制气阶段氢平衡（以×104kg计）
进项：
a.燃料带入氢量：
625.51×X/113194=0.00553
b.水蒸汽带入氢量：
W×2/18=W/9
c.氮空气中水蒸汽含氢量：
650.71×2/18×X/113194=0.00064X
合计：
W/9＋0.00617X
出项：
a.半水煤气中氢量：
0.0390X
b.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＋0.00617X=0.067X
W=0.54747X--------------------------①
（3）下行制气阶段氢平衡（以×104kg计）
进项：
a.燃料带入氢量625.51－0.00553X
b.蒸汽带入氢量W×2/18=W/9
c.氮空气中水汽含氢量：
650.71×2/18－0.00064X=72.3－0.00064X
合计：
W/9＋2.13-0.0062X
出项：
a.半水煤气中氢量（113194－X）×0.0390=13.424414.57－0.0390X
b.半水煤气中水汽含氢量（0.42×2/18）×（113194－X）=5285.39－0.047X
合计9696.96－0.086X
平衡：
W/9＋697.81－0.00617X=9696.96－0.086X
W=80992.35－0.71847X--------------------------②
（4）解方程①和②得：
X=63978×104kg
W=35026×104kg
由此得：
上行半水煤气产量：
63978×104Nm3
上行半水煤气产量占总产量的百分数：
63978/113194×100%=56.5%
下行半水煤气产量：
113194×104－63978×104=49216×104kg
下行半水煤气产量占总产量的百分数：
49216/113194×100%=43.5%
上行半水煤气中水蒸汽量：
0.25×63978×104=15994.5×104kg
下行半水煤气中水蒸汽量：
0.42×49216×104=20670.72×104kg
上+下：
15994.5×104＋20670.72×104=36665.22×104kg
蒸汽总耗量：
35026×104×2=70052×104kg
上吹蒸汽分解率：
（35026－15994.5）/35026×100%=54.34%
下吹蒸汽分解率：
（35026－20670.72）/35026×100%=40.98%
平均蒸汽分解率：
[70052－（15994.5＋20670.72）]/70052×100%=47.66%
5.氧平衡（以×104kg计）
进项：
a.燃料中带入氧量：
1768.82
b.蒸汽带入氧量：
70052×16/18=62268.44
c.氮空气中氧含量：
23627×0.21×32/22.4=7088.1
d.氮空气中水汽含氧量：
650.1×16/18=578.41
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