【正文】 。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(jià)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(jìn)行以煤代油的技術(shù)改造。 本說明書是在工藝和設(shè)備計(jì)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(jì)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(biāo)、設(shè)備計(jì)算及選型。此外，隨書附有造氣工段帶控制點(diǎn)工藝流程圖。 年產(chǎn) 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設(shè)計(jì) 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(zhì)），在高溫條件下通過化學(xué)反應(yīng)將煤或焦碳中的可燃部分轉(zhuǎn)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(shí)所得的可燃?xì)怏w稱氣化煤氣。氣化煤氣可用于城市煤氣、工業(yè)燃?xì)夂突ぴ蠚饧奥?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(jì) 50 年代第一臺(tái)階梯式爐篦的西門子煤氣化發(fā)生爐正式誕生， 20 世紀(jì) 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(shù)， 50 年代 出現(xiàn)了氣流夾帶床粉煤氣化技術(shù)。 50 年代后期，由于石油、天然氣工業(yè)的興起，煤制氣技術(shù)的開發(fā)研究工作受到?jīng)_擊。 70年代初，世界范圍內(nèi)發(fā)生了“石油危機(jī)”，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家又重新重視煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)，各種新型的氣化方法和氣化爐型應(yīng)運(yùn)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(chǎn)燃料煤氣：（ 2）生產(chǎn)合成氣：（ 3）生產(chǎn)還原氣或氫：（ 4）聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。 煤氣化技術(shù)發(fā)展趨勢 當(dāng)前國內(nèi)外煤完全氣化技術(shù)發(fā)展的趨勢，概括地可以歸納出如下幾點(diǎn)： （ 1）氣化向大型化方向發(fā)展，因?yàn)榇笮突梢蕴?高單位設(shè)備的生產(chǎn)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(kuò)大氣化煤種的范圍，隨著采煤機(jī)械化和水力采煤技術(shù)的發(fā)展，原煤中的碎煤產(chǎn)率越來越多，為了適應(yīng)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(zhì)的產(chǎn)生。 總之，由于各國自然資源和社會(huì)條件的不同，具體的能源政策也各不相同， 年產(chǎn) 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設(shè)計(jì) 6 但可以預(yù)料在 21 世紀(jì)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(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及人民生活水平的不斷提高，應(yīng)積極進(jìn)行煤氣化的研究，掌握和運(yùn)用國內(nèi)外的先進(jìn)煤氣化及其應(yīng)用技術(shù)，對加快我國實(shí)現(xiàn)四個(gè)現(xiàn)代化有著重要的意義。 2 生產(chǎn)方法的選擇及論證 生產(chǎn)方法的介紹： 煤氣化法按不同的分類有多種，分?jǐn)⑷缦拢? （ 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(jìn)行的反應(yīng)器直接供熱；（ 4）熱載體供熱。 ，氣化方法有（ 1）移動(dòng)床（固定床）；（ 2）流化床；（ 3）氣流床；（ 4）熔融床。 本設(shè)計(jì)按反應(yīng)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(jìn)行得很完全，灰渣中殘?zhí)忌?，產(chǎn)物氣體的顯熱中的相當(dāng)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(yù) 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(diǎn)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(dòng)床一樣，也是自熱式逆流反應(yīng)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(chǎn) 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設(shè)計(jì) 7 將氣化劑（蒸汽和富氧或氧氣）送入爐內(nèi)，是煤顆粒的爐內(nèi)呈沸騰狀態(tài)進(jìn)行氣化反應(yīng)。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(jié)性煙煤或焦碳經(jīng)給煤機(jī)加入到氣化爐內(nèi)。在爐底部通入空氣或氧氣作介質(zhì)，沒與經(jīng)過預(yù)熱的氣化劑發(fā)生反應(yīng)。 （ 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(jīng)給煤機(jī)加入氣化爐內(nèi)。白云石、石灰石或石灰經(jīng)給料機(jī)輸入爐內(nèi)。沒與白云石類添加物在爐內(nèi)與經(jīng)過預(yù)熱的氣 化劑（氧氣 /蒸汽或空氣 /蒸汽）發(fā)生氣化反應(yīng)。粗煤氣由氣化爐上方逸出進(jìn)入第一旋風(fēng)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(jìn)入第二旋風(fēng)分離器，在此分離出的細(xì)顆粒通過密閉的灰鎖系統(tǒng)將灰渣排出，除去煤塵。煤氣經(jīng)廢熱鍋爐生產(chǎn)水蒸氣以回收余熱，然后經(jīng)水洗塔進(jìn)一步冷卻和除 （ 3）灰團(tuán)聚氣化法 它是在流化床中導(dǎo)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(jié)成含碳量低的球狀灰渣，有選擇性地排出爐內(nèi)。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(jìn)行的熱解和還原反應(yīng)。 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(yīng)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(jìn)料技術(shù)，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(chǎn) 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設(shè)計(jì) 8 （ 2）德士平古法 它是一種濕法（水煤漿）進(jìn)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(diǎn)是：（ 1）適用于各種固體或液體燃料；（ 2）氣體溫度高；（ 3）氣體強(qiáng)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(nèi)進(jìn)行，熔融的 Na2CO2對煤與蒸汽的反應(yīng)具有強(qiáng)烈的催化作用，在較低溫度下就可獲得很快的反應(yīng)速度。此法目前尚處于開發(fā) 研究階段，實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒?，關(guān)鍵在于氣化爐。 （ 3） ATGAS 熔鐵床氣化法 ATGAS 法的實(shí)質(zhì)是把煤粉與石灰石、蒸汽氧（或空氣）一起吹到熔鐵內(nèi)，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(zhì)少，氣化反應(yīng)在常壓下進(jìn)行。煤種適用范圍廣，且氣化爐結(jié)構(gòu)簡單。因此，此工藝被認(rèn)為有可能放大到工業(yè)化生產(chǎn)。 生產(chǎn)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(diǎn)是：（ 1）氣化能力大；（ 2）氣化用煤廣；（ 3）生產(chǎn)靈活性強(qiáng)，開停車容易；（ 4）碳轉(zhuǎn)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(shè)備及相關(guān)必要設(shè)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(shù)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(jù)我國基本國情及當(dāng)?shù)厍闆r本設(shè)計(jì)采用常壓固定床間歇?dú)饣ā? 3 常壓固定床間歇?dú)饣? 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(yīng)，所生成 年產(chǎn) 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設(shè)計(jì) 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(diǎn) 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(dòng)的，隨著氣化反應(yīng)的進(jìn)行，以溫度化分的各區(qū)域?qū)⒅饾u上移，必須經(jīng)過間歇排渣和加炭后各區(qū)域才恢復(fù)到原來的位置。 生產(chǎn)半水煤氣對原料的選擇 間歇法生產(chǎn)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(huì)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(chǎn)量和質(zhì)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(huì)增加動(dòng)力燃料消耗，而且降低爐子的制氣能力影響氨的產(chǎn)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(jī)物質(zhì)。這些物質(zhì)的含量對灰份有決定性影響?；曳莞叩娜剂希粌H增加運(yùn)輸費(fèi)用，而且使氣化條件變得復(fù)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(zhuǎn)化為含硫氣體，不僅對設(shè)備和系統(tǒng)管道有腐蝕作用，而且會(huì)使催化劑中毒。在合成氨生產(chǎn)系 統(tǒng)中，根據(jù)流程 特點(diǎn)，對含硫量有一定的要求，并應(yīng)在凈化過程中將其除去。 （ 5）對化學(xué)活性的要求 化學(xué)活性高的燃料，有利于氣體物質(zhì)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(chǎn) 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設(shè)計(jì) 10 （ 6）對機(jī)械強(qiáng)度的要求 機(jī)械強(qiáng)度高，以免燃料在爐內(nèi)或上料過程中受碰撞和擠壓而發(fā)生碎裂，機(jī)械強(qiáng)度低會(huì)使?fàn)t內(nèi)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(huì)堵塞爐膛和系統(tǒng)管道，增加動(dòng)力消耗，影響 制氣產(chǎn)量。 （ 8）對粘結(jié)性的要求 粘結(jié)性是煤在高溫下干餾粘結(jié)的性能，粘結(jié)性較強(qiáng)的原料煤，氣化過程中煤相互粘結(jié)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(chǎn)量。所以要求煤的粘結(jié)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(chǎn)水煤氣，若要使生產(chǎn)取得良好的氣化指標(biāo)，應(yīng)采用熱穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、不粘結(jié)、粒度均勻、水分較少、灰分和揮發(fā)分不高，灰分熔點(diǎn)較高的原料，本設(shè)計(jì)采用無煙塊 煤。 半水煤氣制氣原理 固體燃料的氣化過程實(shí)際上主要是碳與氧的反應(yīng)和碳與蒸汽的反應(yīng)，這兩個(gè)反應(yīng)稱為固體燃料的氣化反應(yīng)。 表 1 以空氣為氣化劑主要反應(yīng)方程 序號(hào) 反應(yīng)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(yīng)方程式 年產(chǎn) 15 萬噸合成氨造氣工序工藝設(shè)計(jì) 11 灰渣層 氧化層 干餾層 干燥層 還原層 序號(hào) 反應(yīng)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(shí)的產(chǎn)物稱為半水煤氣，其化學(xué)反應(yīng)按下列方程式進(jìn)行： 2C＋ O2＋ =2CO2＋ C＋ H2O（汽） =CO＋ H2 這種煤氣的組成由上列兩反應(yīng)的熱平衡條件決定。由于半水煤氣是生產(chǎn)合成氨的原料氣，因此，要 求入爐蒸汽與空氣（習(xí)慣上稱為氮空氣）比例恰當(dāng)以滿足半水煤氣中（ CO＋ H2）： N2=3 要求，但是在實(shí)際生產(chǎn)中要求半水煤氣（ CO＋ H2）：N2≧ 。 發(fā)生爐內(nèi)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(jìn)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(jìn)行 CO 的還原反應(yīng)。 （ 4）氧化層 在這里層中，從下面來的空氣與彈反應(yīng)，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(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)氣化劑經(jīng)過燃料層時(shí)，進(jìn)行燃料的氣化反應(yīng)，同時(shí) 伴隨物理變化，燃料層大致可分為如圖所示的 5 個(gè)區(qū)層 （ 1） 干燥層 新加入的燃