【正文】 本設(shè)計說明書是年產(chǎn) 2 萬噸合成氨廠造氣工段的初步設(shè)計。 氨是一種重要的化工原料，特別是生產(chǎn)化肥的原料， 它 是由氫和氮合成。合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)。為了生產(chǎn)氨，一般均以各種燃料為原料。首先，制成含 H2和 CO等組分的煤氣，然后，采用各種凈化方法，除去氣體中的灰塵、 H2S、有機硫化物、 CO、 CO2等有害雜質(zhì)，以獲得符合氨合成要求的潔凈的 1： 3的氮氫混合氣，最后，氮氫混合氣經(jīng)過壓縮至 15Mpa 以上，借助催化劑合成氨。 我國能源結(jié)構(gòu)中，煤炭資源占很大比重。煤的氣化是煤轉(zhuǎn)化技術(shù)中最主要的方面，并已獲得廣泛的應(yīng)用。煤氣化提供潔凈的可以管道輸送的氣體燃料。目前還在建設(shè)采用各種煤氣化技術(shù)的工業(yè)化裝置。煤氣化在各方面的應(yīng)用都依賴于煤氣化技術(shù)的發(fā)展，這主要因為煤氣化環(huán)節(jié)往往在總投資及生產(chǎn)成本中占相當(dāng)大的比重。 我國合成氨工業(yè)原料路線是煤汽油并舉，以煤為主。合成產(chǎn)量 60%以上是以煤為原料，全國現(xiàn)有 1000 多家大中小型以煤為原料的合成氨廠。隨著油價的不斷上漲，今后將停止以油為原料的新設(shè)備建設(shè)，并要求進行以煤代油的技術(shù)改造。 本說明書是在 工藝和設(shè)備計算的基礎(chǔ)上加以工藝論證及選擇而編制的。主要內(nèi)容包括：緒論、設(shè)計任務(wù)及要求、生產(chǎn)方案，生產(chǎn)流程的選擇及論證、制氣生產(chǎn)原理、工藝指標、設(shè)備計算及選型。 第一章 緒論 煤炭資源 煤炭的定義：煤炭 是古代植物埋藏在地下經(jīng)歷了復(fù)雜的生物化學(xué)和物理化學(xué)變化逐漸形成的固體可燃性礦物。一種固體可燃有機巖，主要由植物遺體經(jīng)生物化學(xué)作用，埋藏后再經(jīng)地質(zhì)作用轉(zhuǎn)變而成。 煤炭資源： 煤炭資源，能源礦產(chǎn)資源之一。在世界一次能源消費量中占 25%。 2021年底，世界煤炭總產(chǎn)量為 億噸，消費 量 億噸，貿(mào)易量 億噸。世界探明 可采儲量 為 億噸。其中，主要集中在美國（ 億噸）、俄羅斯（ 億噸）、中國（ 1145 億噸）、澳大利亞（ 904 億噸）、印度（ 億噸）、德國（ 670 億噸）、南非（ 億噸）、烏克蘭（ 億噸）、哈薩克斯坦（ 340 億噸）、波蘭（ 億噸）、巴西（ 億噸）等國。 中國煤化工行業(yè)發(fā)展前景與特點 新型煤化工是指以潔凈能源和化學(xué)品為目標產(chǎn)品， 應(yīng)用煤轉(zhuǎn)化高新技術(shù)，建成未來新興煤炭－能源化產(chǎn)業(yè)；結(jié)合煤炭資源開發(fā)和煤炭生產(chǎn)建設(shè)的發(fā)展，建成若干大型產(chǎn)業(yè)基地或基地群。新型煤化工是煤炭工業(yè)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，走新型工業(yè)化道路的戰(zhàn)略方向。 新型煤化工與傳統(tǒng)煤化工的區(qū)別：新型煤化工通常指煤制油、煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制烯烴、煤制乙二醇等等。傳統(tǒng)煤化工涉及焦炭、電石、合成氨等領(lǐng)域。新型煤化工以生產(chǎn)潔凈能源和可替代石油化工產(chǎn)品為主，如柴 油、汽油、航空煤油、液化石油氣 。 新型煤化工的特點 ： (1）以清潔能源為主要產(chǎn)品。新型煤化工以生產(chǎn)潔凈能源和可替代石油化工產(chǎn)品為主，如柴油、汽油、航空煤油、液化石油氣、乙烯原料、聚丙烯原料、替代燃料（甲醇、二甲隧〉、電力、熱力等，以及煤化工獨具優(yōu)勢的特有化工產(chǎn)品，如芳香短類產(chǎn)品。 (2）煤炭一能源化工一體化。新型煤化工是未來中國能源技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，緊密依托于煤炭資源的開發(fā)，并與其它能源、化工技術(shù)結(jié)合，形成煤炭一能源化工一體化的新興產(chǎn)業(yè)。 (3）高新技術(shù)及優(yōu)化集成。新型煤化工根據(jù)煤種、煤質(zhì)特點及目標產(chǎn)品不同，采用不同煤轉(zhuǎn)化高新技術(shù)，并在能源梯級利用、產(chǎn)品結(jié) 構(gòu)方面對不同工藝優(yōu)化集成，提高整體經(jīng)濟效益，如煤焦化一煤直接液化聯(lián)產(chǎn)、煤焦化一化工合成聯(lián)產(chǎn)、煤氣化合成一電力聯(lián)產(chǎn)、煤層氣開發(fā)與化工利用、煤化工與礦物加工聯(lián)產(chǎn)等。同時，新型煤化工可以通過信息技術(shù)的廣泛利用，推動現(xiàn)代煤化工技術(shù)在高起點上迅速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化建設(shè)。 (4）建設(shè)大型企業(yè)和產(chǎn)業(yè)基地。新型煤化工發(fā)展將以建設(shè)大型企業(yè)為主，包括采用大型反應(yīng)器和建設(shè)大型現(xiàn)代化單元工廠，如百萬噸級以上的煤直接液化、煤間接液化工廠以及大型聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等。 在建設(shè)大型企業(yè)的基礎(chǔ)上，形成新型煤化工產(chǎn)業(yè)基地及基地群，制砂設(shè)備。每個產(chǎn)業(yè)基地包括 若干不同的大型工廠，相近的幾個基地組成基地群，成為國內(nèi)新的重要能源產(chǎn)業(yè)。 (5）有效利用煤炭資源。新型煤化工注重煤的潔凈、高效利用，如高硫煤或高活性低變質(zhì)煤作化工原料煤，在一個工廠用不同的技術(shù)加工不同煤種并使各種技術(shù)得到集成和互補，使各種煤炭達到物盡其用，充分發(fā)揮煤種、煤質(zhì)特點，實現(xiàn)不同質(zhì)量煤炭資源的合理、有效利用。新型煤化工強化對副產(chǎn)煤氣、合成尾氣、煤氣化及燃燒灰渣等廢物和余能的利用。 (6）經(jīng)濟效益最大化。通過建設(shè)大型工廠，應(yīng)用高新技術(shù)，發(fā)揮資源與價格優(yōu)勢，資源優(yōu)化配置，技術(shù)優(yōu)化集成，資源、能源的高效合 理利用等措施，減少工程建設(shè)的資金投入，降低生產(chǎn)成本，提高綜合經(jīng)濟效益，選礦設(shè)備。 (7）環(huán)境友好。通過資源的充分利用及污染的集中治理，達到減少污染物排放，實現(xiàn)環(huán)境友好。 (8）人力資源得到發(fā)揮。通過新型煤化工產(chǎn)業(yè)建設(shè)，帶動煤炭開采業(yè)及其加工業(yè)、運輸業(yè)、建筑業(yè)、裝備制造業(yè)、服務(wù)業(yè)等發(fā)展，擴大就業(yè)，充分發(fā)揮我國人力資源豐富的優(yōu)勢。 合成氨的發(fā)展歷程 在探索合成氨崎嶇的道路上，它不僅使兩位杰出的化學(xué)家勒夏特列和能斯特折戟蒙羞，而且使一位對人類社會發(fā)展作出巨大貢獻，并因此獲得諾貝爾化學(xué)獎的哈伯墮落成為助紂為虐 與人民為敵的可恥下場。后來人們把合成氨稱為化學(xué)發(fā)展史上的 “ 水門事件 ” 。 1900 年，法國化學(xué)家勒夏特列在研究平衡移動的基礎(chǔ)上通過理論計算，認為 N2 和 H2在高壓下可以直接化合生成氨，接著，他用實驗來驗證，但在實驗過程中發(fā)生了爆炸。他沒有調(diào)查事故發(fā)生的原因，而是覺得這個實驗有危險，于是放棄了這項研究工作，他的合成氨實驗就這樣夭折了。后來才查明實驗失敗的原因，是他所用混合氣體中含有 O2，在實驗過程中 H2 和 O2發(fā)生了爆炸的反應(yīng)。 稍后，德國化學(xué)家能斯特通過理論計算，認為合成氨是不能進行的。因此人工合 成氨的研究又慘遭厄運。后來才發(fā)現(xiàn)，他在計算時誤用一個熱力學(xué)數(shù)據(jù)，以致得到錯誤的結(jié)論。 在合成氨研究屢屢受挫的情況下，哈伯知難而進，對合成氨進行全面系統(tǒng)的研究和實驗，終于在 1908 年 7月在實驗室用 N2 和 H2在 600℃ 、 200個大氣壓下合成氨，產(chǎn)率僅有 2%，卻也是一項重大突破。當(dāng)哈伯的工藝流程展示之后，立即引起了早有用戰(zhàn)爭吞并歐洲稱霸世界野心的德國軍政要員的高度重視，為了利用哈伯，德國皇帝也屈尊下駕請哈伯出任德國威廉研究所所長之職。而惡魔需要正好迎合了哈伯想成百萬富翁的貪婪心理。從 1911 年到 1913 年 短短的兩年內(nèi)，哈伯不僅提高了合成氨的產(chǎn)率，而且合成了 1000 噸液氨，并且用它制造出 3500噸烈性炸藥 TNT。到 1913 年的第一次世界大戰(zhàn)時，哈伯已為德國建成了無數(shù)個大大小小的合成氨工廠，為侵略者制造了數(shù)百萬噸炸藥，因而導(dǎo)致并蔓延了這場殃禍全球的世界大戰(zhàn)。這就是第一次世界大戰(zhàn)德國為什么能夠堅持這么久的不解之謎謎底。 當(dāng)事實真相大白于天下時，哈伯愛到了世界各國科學(xué)家的猛烈抨擊，尤其當(dāng)他獲得 1918 年諾貝爾化學(xué)獎時，更激起世界人民的憤怒。 人工合成氨實驗的成功令人歡欣鼓舞，它對工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國際 科技的重大意義是不言而喻的，但對三位杰出的科學(xué)家而言則是黑色的 “ 水門事件 ” 。 1949 年前，全國僅在南京、大連有兩家合成氨廠，在上海有一個以水電解法制氫為原料的小型合成氨車間，年生產(chǎn)能力共為 46kt 氨。中華人民共和國成立以后，合成氨的產(chǎn)量增長很快。為了滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需要，除了恢復(fù)并擴建舊廠外， 50 年代建成吉林、蘭州、太原、四川四個氨廠。以后在試制成功高壓往復(fù)式氮氫氣壓縮機和高壓氨合成塔的基礎(chǔ)上，于 60 年代在云南、上海、衢州、廣州等地先后建設(shè)了 20 多座中型氨廠。此外，結(jié)合國外經(jīng)驗，完成 “ 三觸媒 ” 流 程（氧化鋅脫硫、低溫變換、甲烷化）氨廠年產(chǎn) 50kt 的通用設(shè)計，并在石家莊化肥廠采用。與此同時開發(fā)了合成氨與碳酸氫銨聯(lián)合生產(chǎn)新工藝，興建大批年產(chǎn) 5～ 20kt 氨的小型氨廠，其中相當(dāng)一部分是以無煙煤代替焦炭進行生產(chǎn)的。 70年代開始到 80 年代又建設(shè)了具有先進技術(shù)，以天然氣、石腦油、重質(zhì)油和煤為原料的年產(chǎn) 300kt 氨的大型氨廠，分布在四川、江蘇、浙江、山西等地。198 1984 年產(chǎn)量分別為 16770kt、 18373kt（不包括臺灣?。瑑H次于蘇聯(lián)而占世界第二位?，F(xiàn)在已擁有以各種燃料為原料、不同流程的大型裝置 15座， 中型裝置 57 座，小型裝置 1200 多座，年生產(chǎn)能力近 20Mt 氨。 目前，中國是世界上最大的化肥生產(chǎn)和消費大國，合成氨年生產(chǎn)能力已達4222 萬噸。但合成氨一直是化工產(chǎn)業(yè)的耗能大戶。 6月 7日～ 8日，全國合成氨節(jié)能改造項目技術(shù)交流會在北京召開，明確了 “ 十一五 ” 期間合成氨節(jié)能工程在降耗、環(huán)保等方面要達到的具體目標。 會議根據(jù) “ 十一五 ” 期間《合成氨能量優(yōu)化節(jié)能工程實施方案》規(guī)劃，確定的這一重點節(jié)能工程的目標是：大型合成氨裝置采用先進節(jié)能工藝、新型催化劑和高效節(jié)能設(shè)備，提高轉(zhuǎn)化效率，加強余熱回收利用；以天 然氣為原料的合成氨推廣一段爐煙氣余熱回收技術(shù)，并改造蒸汽系統(tǒng)；以石油為原料的合成氨加快以潔凈煤或天然氣替代原料油改造；中小型合成氨采用節(jié)能設(shè)備和變壓吸附回收技術(shù)，降低能源消耗。煤造氣采用水煤漿或先進粉煤氣化技術(shù)替代傳統(tǒng)的固定床造氣技術(shù)。到 2021 年，合成氨行業(yè)節(jié)能目標是：單位能耗由目前的 1700 千克標煤／噸下降到 1570 千克標煤／噸；能源利用效率由目前的 ％提高到 ％；實現(xiàn)節(jié)能 570 萬～ 585 萬噸標煤，減少排放二氧化碳 1377 萬～ 1413 萬噸。 據(jù)了解，十多年來，我國合成氨裝置先后經(jīng)過油改煤、煤 改油、油改氣和無煙煤改粉煤等多次反復(fù)的原料路線改造和節(jié)能改造，先后在烴類蒸汽轉(zhuǎn)化工段、變換工段、脫碳工段、控制系統(tǒng)等進行了數(shù)十項大型改造。其中造氣爐、爐況監(jiān)測與系統(tǒng)優(yōu)化、脫硫系統(tǒng)等技改始終是重點。但是，由于裝置原料路線、資源供應(yīng)、運輸、資金與技術(shù)成熟度等諸多方面原因，合成氨節(jié)能技術(shù)改造的效果始終未能達到預(yù)期目標。到 2021 年底，合成氨單位能耗平均為 1700 千克標煤／噸，噸氨平均水平與國際先進水平相差 600～ 700千克標煤。據(jù)了解，合成氨節(jié)能改造項目的具體實施由中國化工節(jié)能技術(shù)協(xié)會負責(zé)。 合成氨產(chǎn)品的性 能、用途及市場需要 (1) 氨的產(chǎn)品 性能 合成氨的化學(xué)名稱為氨，氮含量為 %。氨是一種無色具有強烈刺激性、催淚性和特殊臭氣的無色氣體，比空氣輕，相對密度 ，熔點－ ℃；沸點－ ℃。標準狀況下， 1米 3氣氨重 公斤； 1 米 3液氨重 公斤。極易溶于水，常溫（ 20℃）常壓下，一個體積的水能溶解 600 個體積的氨；標準狀況下，一個體積水能溶解 1300 個體積的氨氨的水溶液稱為氨水，呈強堿性。因此，用水噴淋處理跑氨事故，能收到較好的效果 [2]。 氨與酸或酸酐可以直接作用，生成各種銨 鹽；氨與二氧化碳作用可生成氨基甲銨，脫水成尿素；在鉑催化劑存在的條件下，氨與氧作用生成一氧化氮，一氧化氮繼續(xù)氧化并與水作用，便能得到硝酸。氨在高溫下 (800℃以上 )分解成氮和氫； 氨具有易燃易爆和有毒的性質(zhì)。氨的自燃點為 630℃，氨在氧中易燃燒，燃燒時生成藍色火焰。氨與空氣或氧按一定比例混合后，遇明火能引起爆炸。常溫下氨在空氣中的爆炸范圍為 ～ 28％，在氧氣中為 ～ 82％。液氨或干燥的氣氨，對大部分物質(zhì)沒有腐蝕性，但在有水的條件下，對銅、銀、鋅等有腐蝕作用 [3]。 (2) 氨的用途 氨是基本化工 產(chǎn)品之一，用途很廣?；适寝r(nóng)業(yè)的主要肥料，而其中的氮肥又是農(nóng)業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)肥料，其生產(chǎn)規(guī)模、技術(shù)裝備水平、產(chǎn)品數(shù)量，都居于化肥工業(yè)之首，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位。各種氮肥生產(chǎn)是以合成氨為主要原料的，因此，合成氨工業(yè)的發(fā)展標志著氮肥工業(yè)的水平。以氨為主要原料可以制造尿素、硝酸銨、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨等氮素肥料。還可以將氨加工制成各種含氮復(fù)合肥料。此外，液氨本身就是一種高效氮素肥料，可以直接施用，一些國家已大量使用液氨?？梢姡铣砂惫I(yè)是氮肥工業(yè)的基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)起著重要的作用。 氨也是重要 的工業(yè)原料，廣泛用于制藥、煉油、純堿、合成纖維、合成樹脂、含氮無機鹽等工業(yè)部門。將氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生產(chǎn)炸藥、染料等產(chǎn)品的重要原料?，F(xiàn)代國防工業(yè)和尖端技術(shù)也都與氨合成工業(yè)有密切關(guān)系，如生產(chǎn)火箭的推進劑和氧化劑，同樣也離不開氨。此外，氨還是常用的冷凍劑。 合成氨工業(yè)的迅速發(fā)展，也促進和帶動了許多科學(xué)技術(shù)部門的發(fā)展，如高壓技術(shù)、低溫技術(shù)、催化技術(shù)、特殊金屬材料、固體燃料氣化、烴類燃料的合理利用等。同時，尿素和甲醇的合成、石油加氫、高壓聚合等工業(yè)，也是在合成氨工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。所以合成氨工業(yè)在國 民經(jīng)濟中占有十分重要的地位，氨及氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的一個重要部門 [4]。 （ 3） 市場需要 據(jù)資料統(tǒng)計 :1997 年世界合成氨年產(chǎn)量達 。預(yù)計 2021 年產(chǎn)量將達 。其化肥用氨分別占氨產(chǎn)量的 %和 %。我國 1996 年合成氨產(chǎn)量已達 ,專家預(yù)測 2021 年將達 36Mt,2020 年將增加至 45Mt。即今后 20 年間將增加到現(xiàn)在的 倍。因而合成氨的持續(xù)健康發(fā)展還有相當(dāng)長的路要走。未來我國合成氨氮肥的實物產(chǎn)量將會超過石