【正文】 。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。此外，隨書附有造氣工段帶控制點工藝流程圖。 年產 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設計 5 1 緒論 煤氣 化發(fā)展史 煤炭氣化，是以煤或焦碳為原料，用氧氣（空氣、富氧或純氧）水蒸汽或氫氣等作為氣化劑（或稱氣化介質），在高溫條件下通過化學反應將煤或焦碳中的可燃部分轉化為氣體燃料的過程。煤炭氣化包括煤的熱解、氣化和燃燒 3 部分。煤炭氣化時所得的可燃氣體稱氣化煤氣。氣化煤氣可用于城市煤氣、工業(yè)燃氣和化工原料氣及聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等。 煤炭氣化至今已有 150 多年的歷史。 19世紀 50 年代第一臺階梯式爐篦的西門子煤氣化發(fā)生爐正式誕生， 20 世紀 20年代研制成功沸騰床氣化爐（ 1926 年溫克勒氣化爐）， 30年代出現(xiàn)了加壓氣化技術， 50 年代 出現(xiàn)了氣流夾帶床粉煤氣化技術。 50 年代后期，由于石油、天然氣工業(yè)的興起，煤制氣技術的開發(fā)研究工作受到沖擊。 70年代初，世界范圍內發(fā)生了“石油危機”，一些工業(yè)發(fā)達國家又重新重視煤炭轉化技術，各種新型的氣化方法和氣化爐型應運而生。其種類繁多，方式各異。 現(xiàn)今，煤氣化所制得煤氣，主要用于如下幾方面：（ 1）生產燃料煤氣：（ 2）生產合成氣：（ 3）生產還原氣或氫：（ 4）聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。 煤氣化技術發(fā)展趨勢 當前國內外煤完全氣化技術發(fā)展的趨勢，概括地可以歸納出如下幾點： （ 1）氣化向大型化方向發(fā)展，因為大型化可以提 高單位設備的生產能力： （ 2）使用氧氣為氣化劑，提高煤氣化爐的操作溫度： （ 3）提高煤氣化操作壓力，幾乎各種類型的新開發(fā)的氣化爐都采用加壓氣化的工藝； （ 4）擴大氣化煤種的范圍，隨著采煤機械化和水力采煤技術的發(fā)展，原煤中的碎煤產率越來越多，為了適應這種趨勢，一些新開發(fā)的新氣化方法都用碎煤或粉煤氣化； （ 5）開發(fā)利用無污染的氣化方法，許多開發(fā)的氣化方法，都考慮了在工藝過程中消除或減少有害物質的產生。 總之，由于各國自然資源和社會條件的不同，具體的能源政策也各不相同， 年產 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設計 6 但可以預料在 21 世紀煤炭仍將成為世界的主要能 源之一。對于我國來說，隨著國民經濟的不斷發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，應積極進行煤氣化的研究，掌握和運用國內外的先進煤氣化及其應用技術，對加快我國實現(xiàn)四個現(xiàn)代化有著重要的意義。 2 生產方法的選擇及論證 生產方法的介紹： 煤氣化法按不同的分類有多種，分敘如下： （ 1）制取低熱值煤氣方法，煤氣熱值低于8347kJ/m3；（ 2）制取中熱值煤氣方法，煤氣熱值 16747334948347kJ/m3；（ 3）制取高熱值煤氣方法，煤氣熱值高于 334948347kJ/m3。 式分類，氣化過程的供熱方式有（ 1）部分氣化方法；（ 2）間接供熱；（ 3）由平行進行的反應器直接供熱；（ 4）熱載體供熱。 ，氣化方法有（ 1）移動床（固定床）；（ 2）流化床；（ 3）氣流床；（ 4）熔融床。 本設計按反應器的分類方法來分別簡要介紹各種方法。 固定床氣化法 煤的固定床氣化是以塊煤為原料。煤由氣化爐頂部間歇加入，氣化劑由爐底送入，氣化劑與煤逆流接觸，氣化過程進行得很完全，灰渣中殘?zhí)忌?，產物氣體的顯熱中的相當部分供給煤氣化前的干燥和干餾，煤氣出口溫度低，而且灰渣的顯熱又預 熱了入爐的氣化劑，因此氣化劑效率高。這是一種理想的完全氣化方式。 （ 1）固定床常壓氣化 此方法比較簡單，但對煤的類型有一定要求，即要求用塊煤，低灰熔點的煤難以使用常壓方法用空氣或空氣 水蒸汽作為氣化劑，制得低熱值煤氣。 （ 2）固定床加壓氣化 固定床加壓氣化最成熟的爐型是魯奇爐。它和常壓移動床一樣，也是自熱式逆流反應床。所不同的是采用氧氣 水蒸汽或空氣 水蒸汽為氣化劑，在 和 9001100℃的濕度條件下連續(xù)氣化方法。 流化床氣化 流化床氣化又稱沸騰床氣化，它是以小顆粒煤為 原料， 年產 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設計 7 將氣化劑（蒸汽和富氧或氧氣）送入爐內，是煤顆粒的爐內呈沸騰狀態(tài)進行氣化反應。它是一種介于逆流操作和順流操作這兩種情況之間的操作。 （ 1）溫克勒法 溫克勒法是最早開發(fā)的流化方法，在常壓下，把煤粒度為 08mm的褐煤、弱粘結性煙煤或焦碳經給煤機加入到氣化爐內。在爐底部通入空氣或氧氣作介質，沒與經過預熱的氣化劑發(fā)生反應。 （ 2）高溫溫克勒法 將含水分 8512%的褐煤輸入到充壓至 的密閉料鎖系統(tǒng)后，經給煤機加入氣化爐內。白云石、石灰石或石灰經給料機輸入爐內。沒與白云石類添加物在爐內與經過預熱的氣 化劑（氧氣 /蒸汽或空氣 /蒸汽）發(fā)生氣化反應。粗煤氣由氣化爐上方逸出進入第一旋風分離器，在此分離出的較粗顆粒、灰粒循環(huán)返回氣化爐。粗煤氣再進入第二旋風分離器，在此分離出的細顆粒通過密閉的灰鎖系統(tǒng)將灰渣排出，除去煤塵。煤氣經廢熱鍋爐生產水蒸氣以回收余熱，然后經水洗塔進一步冷卻和除 （ 3）灰團聚氣化法 它是在流化床中導入氧化性高速氣流，使煤灰在軟化而未熔融的狀態(tài)下在錐形床層中相互熔聚而粘結成含碳量低的球狀灰渣，有選擇性地排出爐內。它與固態(tài)排渣相比，降低了灰渣的碳損失。 （ 4）加氫氣化法 所謂的流化床氣化就是煤氣化 過程中汽化劑（蒸汽和氧）將煤或煤漿帶入氣化爐進行的熱解和還原反應。 氣流床氣化 所謂加氫氣化就是在煤氣化過程中直接用氫或富含 H2的氣體作為氣化劑，生成富含 CH4的煤氣化方法，其總反應方程式可表示為：煤＋ H2→ CH4＋焦 （ 1） K— T法 此法是最早工業(yè)化的氣流床氣化方法，它采用干法進料技術，因在常壓下操作，存在問題較多。它是 1948 年德國海因里希 柯柏斯和托切克博士提出的一種氣流床氣化粉煤的方法。 年產 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設計 8 （ 2）德士平古法 它是一種濕法（水煤漿）進料的加壓氣化工藝。氣化爐是由美國德平古石油公司所屬德平古 開發(fā)公司開發(fā)的氣流床氣化爐。 熔浴床氣化 50 年代熔浴床煤氣氣化方法開始得到開發(fā)。熔浴床有熔渣床、熔鹽床和熔鐵床 3 類。下面分別介紹這 3 類床的某些制氣方法。 （ 1）羅米方法 此法為常壓粉煤熔渣浴氣法，此法有單簡式和雙簡式兩種爐型。此方法的特點是：（ 1）適用于各種固體或液體燃料；（ 2）氣體溫度高；（ 3）氣體強度高。 （ 2）覬洛格法 此法為 — 加壓熔浴氣化法。它是在熔融的 Na2CO2 鹽浴內進行，熔融的 Na2CO2對煤與蒸汽的反應具有強烈的催化作用，在較低溫度下就可獲得很快的反應速度。此法目前尚處于開發(fā) 研究階段，實驗能否成功，關鍵在于氣化爐。 （ 3） ATGAS 熔鐵床氣化法 ATGAS 法的實質是把煤粉與石灰石、蒸汽氧（或空氣）一起吹到熔鐵內，使煤的揮發(fā)份逸出，殘留的碳溶解在熔鐵中被氣化。此法效率高，有害物質少，氣化反應在常壓下進行。煤種適用范圍廣，且氣化爐結構簡單。因此，此工藝被認為有可能放大到工業(yè)化生產。 生產方案的選擇及論證 與固定床氣化相比其它氣化方法的優(yōu)點是：（ 1）氣化能力大；（ 2）氣化用煤廣；（ 3）生產靈活性強，開停車容易；（ 4）碳轉化率高；（ 5）環(huán)境污染小。但是如果采用這些方法不但其主體 設備及相關必要設備的投資就將大大增加而且能耗也將大大增大。這對我國氨需求量大而技術又相對落后而且資金短缺這一基本國情是不相符的。所以，雖然固定床其工藝較其它氣化工藝有其不足之處且工藝較為落后。但其氣化工藝較之其它工藝更成熟。根據我國基本國情及當地情況本設計采用常壓固定床間歇氣化法。 3 常壓固定床間歇氣化法 半水煤氣定義 半水煤氣是以水蒸氣為主加入適量的空氣為氣化劑與赤熱的炭反應，所生成 年產 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設計 9 的煤氣稱為半水煤氣，它是合成氨的原料氣，其成分中 CO2+H2一般在 68%左右。用于合成氨的半水煤氣要求氫氮比為 3： 1。 固定床氣化法的特點 固定床氣化法其煤氣發(fā)生爐的排渣和加料不是連續(xù)的，而是間斷的排渣和加料，其致密的煤層在氣化過程中是靜止不動的，隨著氣化反應的進行，以溫度化分的各區(qū)域將逐漸上移，必須經過間歇排渣和加炭后各區(qū)域才恢復到原來的位置。 生產半水煤氣對原料的選擇 間歇法生產半水煤氣對原料的要求： （ 1）對水分的要求 燃料中水分含量過高，會影響煤氣發(fā)生爐的氣化效率，在氣化過程中因水分蒸發(fā)吸熱造成爐溫下降使燃料消耗增加，爐子操作條件惡化，影響水煤氣產量和質量。因此，要求入爐煤的水分含量小于 3～ 5%。 （ 2）對揮發(fā)份的要求 燃料中如果揮發(fā)份含量高，則由于甲烷和焦油的含水兩增加而不僅會增加動力燃料消耗，而且降低爐子的制氣能力影響氨的產量。因此，要求燃料中揮發(fā)份較低為宜。 （ 3）對灰份的要求 煤中含灰分其主要成份為二氧化硅、氧化鐵、氧化鋁、氧化鈣和氧化鎂等無機物質。這些物質的含量對灰份有決定性影響?；曳莞叩娜剂?，不僅增加運輸費用，而且使氣化條件變得復雜，所以要求燃料中灰份較低為宜。 （ 4）對硫份的要求 煤中的硫份在氣化過程中轉化為含硫氣體，不僅對設備和系統(tǒng)管道有腐蝕作用，而且會使催化劑中毒。在合成氨生產系 統(tǒng)中，根據流程 特點，對含硫量有一定的要求，并應在凈化過程中將其除去。 （ 5）對化學活性的要求 化學活性高的燃料，有利于氣體物質和氣化率的提高。至于對氣化效率的影響，則因所選用的煤氣發(fā)生爐爐型不同而有所差異。 年產 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設計 10 （ 6）對機械強度的要求 機械強度高，以免燃料在爐內或上料過程中受碰撞和擠壓而發(fā)生碎裂，機械強度低會使爐內阻力和氣體帶出物增加，氣化能力下降，消耗增高。 （ 7）對熱穩(wěn)定性要求 熱穩(wěn)定性是指燃料在受高溫后粉碎的程度。熱穩(wěn)定性差的燃料，不僅增加炭阻力和氣體帶出物，而且會堵塞爐膛和系統(tǒng)管道，增加動力消耗，影響 制氣產量。 （ 8）對粘結性的要求 粘結性是煤在高溫下干餾粘結的性能，粘結性較強的原料煤，氣化過程中煤相互粘結后生成焦，破壞燃料的透氣性，妨礙氣化劑的均勻分布，影響氣體成分和制氣產量。所以要求煤的粘結性較低為宜。 （ 9）對燃料粒度的要求 合成氨原料煤首先對煤種要求是無煙煤，其次對粒度則要求采用塊煤和粉煤的成型，特別以 2350mm 的粒度最好。 總之，對間歇式生產水煤氣，若要使生產取得良好的氣化指標，應采用熱穩(wěn)定性好、機械強度高、不粘結、粒度均勻、水分較少、灰分和揮發(fā)分不高，灰分熔點較高的原料，本設計采用無煙塊 煤。 半水煤氣制氣原理 固體燃料的氣化過程實際上主要是碳與氧的反應和碳與蒸汽的反應，這兩個反應稱為固體燃料的氣化反應。 表 1 以空氣為氣化劑主要反應方程 序號 反應方程式 1 C＋ O2（ ） =CO2（ +） 2 C＋ O2=（ ） =2CO（ +） 3 C＋ CO2=（ ） =2CO（ +=2） 4 2C＋ ＋ O2＋ =CO2＋ 表 2 以水蒸汽為氣化劑主要反應方程式 年產 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設計 11 灰渣層 氧化層 干餾層 干燥層 還原層 序號 反應方程式 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） 在氣化爐燃燒層中，炭與空氣幾水蒸汽的混合物相互作用時的產物稱為半水煤氣，其化學反應按下列方程式進行： 2C＋ O2＋ =2CO2＋ C＋ H2O（汽） =CO＋ H2 這種煤氣的組成由上列兩反應的熱平衡條件決定。由于半水煤氣是生產合成氨的原料氣，因此，要 求入爐蒸汽與空氣（習慣上稱為氮空氣）比例恰當以滿足半水煤氣中（ CO＋ H2）： N2=3 要求，但是在實際生產中要求半水煤氣（ CO＋ H2）：N2≧ 。 發(fā)生爐內燃料分布情況 圖 1 燃料層分區(qū)示意圖 （ 3）還原層 氣化劑從下面進入碳層氧化區(qū)中已含有各種氣體成分，而在還原層里，主要進行 CO 的還原反應。 （ 4）氧化層 在這里層中，從下面來的空氣與彈反應，生成碳的氧化物，在煤氣發(fā)生爐中固體燃料氣化過程，燃料與氣化呈相反方向和順時針方向運動，當氣化劑經過燃料層時，進行燃料的氣化反應，同時 伴隨物理變化，燃料層大致可分為如圖所示的 5 個區(qū)層 （ 1） 干燥層 新加入的燃