【正文】 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，以獲得符合氨合成要求的潔凈的 1： 3的氮氫混合氣，最后，氮氫混合氣經過壓縮至 15Mpa 以上，借助催化劑合成氨 。 我國能源結構中，煤炭資源占很大比重。煤的氣化是煤轉化技術中最主要的方面，并已獲得廣泛的應用。煤氣化提供潔凈的可以管道輸送的氣體燃料。目前還在建設采用各種煤氣化技術的工業(yè)化裝置。煤氣化在各方面的應用都依賴于煤氣化技術的發(fā)展，這主要因為煤氣化環(huán)節(jié)往往在總投資及生產成本中占相當大的比重。 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備建設，并要求進行以煤代油的技術改造。 本說明書是 在工藝和設備計算的基礎上加以工藝論證及選擇而編制的。主要內容包括：緒論、設計任務及要求、生產方案，生產流程的選擇及論證、制氣生產原理、工藝指標、設備計算及選型。 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歷了復雜的生物化學和物理化學變化逐漸形成的固體可燃性礦物。一種固體可燃有機巖，主要由植物遺體經生物化學作用，埋藏后再經地質作用轉變而成。 煤炭資源： 煤炭資源，能源礦產資源之一。在世界一次能源消費量中占 25%。 2021年底，世界煤炭總產量為 億噸， 消費量 億噸，貿易量 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品為目標產品， 應用煤轉化高新技術，建成未來新興煤炭－能源化產業(yè) ；結合煤炭資源開發(fā)和煤炭生產建設的發(fā)展，建成若干大型產業(yè)基地或基地群。新型煤化工是煤炭工業(yè)調整產業(yè)結構，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、合成氨等領域。新型煤化工以生產潔凈能源和可替代石油化工產品為主，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品。新型煤化工以生產潔凈能源和可替代石油化工產品為主，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)勢的特有化工產品，如芳香短類產品。 (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、化工技術結合，形成煤炭一能源化工一體化的新興產業(yè)。 (3）高新技術及優(yōu)化集成。新型煤化工根據煤種、煤質特點及目標產品不同，采用不同煤轉化高新技術，并在能源梯級利用、產品結構方面對不同工藝優(yōu)化集成，提高整體經濟效益，如煤焦化一煤直接液化聯(lián)產、煤焦化一化工合成聯(lián)產、煤氣化合成一電力聯(lián)產、煤層氣開發(fā)與化 工利用、煤化工與礦物加工聯(lián)產等。同時，新型煤化工可以通過信息技術的廣泛利用，推動現(xiàn)代煤化工技術在高起點上迅速發(fā)展和產業(yè)化建設。 (4）建設大型企業(yè)和產業(yè)基地。新型煤化工發(fā)展將以建設大型企業(yè)為主，包括采用大型反應器和建設大型現(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)產系統(tǒng)等。 在建設大型企業(yè)的基礎上，形成新型煤化工產業(yè)基地及基地群，制砂設備。每個產業(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，成為國內新的重要能源產業(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煤作化工原料煤，在一個工廠用不同的技術加工不同煤種并使各種技術得到集成和互補，使各種煤炭達到物盡其用，充分發(fā)揮煤種、煤質特點，實現(xiàn)不同質量煤炭資源的合理、有效利用。新型煤化工強化對副產煤氣、合成尾氣、煤氣化及燃燒灰渣等廢物和余能的利用。 (6）經濟效益最大化。通過建設大型工廠，應用高新技術，發(fā)揮資源與價格優(yōu)勢，資源優(yōu)化配置，技術優(yōu)化集成，資源、能源的高效合理利用等措施，減少工程建設的資金投入，降低生產成本，提高綜合經濟效益，選礦設備。 (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。通過新型煤化工產業(yè)建設，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發(fā)展史上的 “ 水門事件 ” 。 1900 年，法國化學家勒夏特列在研究平衡移動的基 礎上通過理論計算，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。 稍后，德國化學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數(shù)據，以致得到錯誤的結論。 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，產率僅有 2%，卻也是一項重大突破。當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，哈伯不僅提高了合成氨的產率，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。 當事實真相大白于天下時，哈伯愛到了世界各國科學家的猛烈抨擊，尤其當他獲得 1918 年諾貝爾化學獎時，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)、農業(yè)生產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，年生產能力共為 46kt 氨。中華人民共和國成立以后，合成氨的產量增長很快。為了滿足農業(yè)發(fā)展的迫切需要，除了恢復并擴建舊廠外， 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式氮氫氣壓縮機和高壓氨合成塔的基礎上，于 60 年代在云南、上海、衢州、廣州等地先后建設了 20 多座中型氨廠。此外，結合國外經驗，完成 “ 三觸媒 ” 流程（氧化鋅脫硫、低溫變換、甲烷化）氨廠年產 50kt 的通用設計，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)合生產新工藝 ，興建大批年產 5～ 20kt 氨的小型氨廠，其中相當一部分是以無煙煤代替焦炭進行生產的。 70年代開始到 80 年代又建設了具有先進技術，以天然氣、石腦油、重質油和煤為原料的年產 300kt 氨的大型氨廠，分布在四川、江蘇、浙江、山西等地。198 1984 年產量分別為 16770kt、 18373kt（不包括臺灣省），僅次于蘇聯(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，年生產能力近 20Mt 氨。 目前，中國是世界上最大的化肥生產和消費大國，合成氨年生產 能力已達4222 萬噸。但合成氨一直是化工產業(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 “ 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)能設備，提高轉化效率，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，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)能設備和變壓吸附回收技術，降低能源消耗。煤造氣采用水煤漿或先進粉煤氣化技術替代傳統(tǒng)的固定床造氣技術。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。 據了解，十多年來，我國合成氨裝置先后經過油改煤、煤改油、油改氣和無煙煤改粉煤等多次反復的原料路線改造和節(jié)能改造，先后在烴類蒸汽轉化工段、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、運輸、資金與技術成熟度等諸多方面原因，合成氨節(jié)能技術改造的效果始終未能達到預期目標。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)能技術協(xié)會負責。 合成氨產品的性能、用途及市場需要 (1) 氨的產品 性能 合成氨的化學名稱為氨，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。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 氨是基本化工產品之一，用途很廣?；适寝r業(yè)的主要肥料，而其中的氮肥又是農業(yè)上應用最廣泛的一種化學肥料，其生產規(guī)模、技術裝備水平、產品數(shù)量，都 居于化肥工業(yè)之首，在國民經濟中占有極其重要的地位。各種氮肥生產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。可見，合成氨工業(yè)是氮肥工業(yè)的基礎，對農業(yè)增產起著重要的作用。 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，而硝酸又是生產炸藥、染料等產品的重要原料。現(xiàn)代國防工業(yè)和尖端技術也都與氨合成工業(yè)有密切關系，如生產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技術部門的發(fā)展，如高壓技術、低溫技術、催化技術、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)的基礎上發(fā)展起來的。所以合成氨工業(yè)在國民經濟中占有十分重要的地位，氨及氨加工工業(yè)已成為現(xiàn)代化學工業(yè)的一個重要部門 [4]。 （ 3） 市場需要 據資料統(tǒng)計 :1997 年世界 合成氨年產量達 。預計 2021 年產量將達 。其化肥用氨分別占氨產量的 %和 %。我國 1996 年合成氨產量已達 ,專家預測 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)展還有相當長的路要走。未來我國合成氨氮肥的實物產量將會超過石油和鋼鐵。合成氨工業(yè)在國民經濟中舉足輕重。農業(yè)生產 ,“有收無收在于水 ,收多收少在于肥”。所以 ,合成氨工業(yè)是農業(yè)的基礎。它的發(fā)展將對國民經濟的發(fā)展產生重大影響。因 此 ,我國現(xiàn)有眾多的化肥生