【正文】 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 1 日產(chǎn)量 10 萬(wàn) Nm3 氣化廠設(shè)計(jì) 1. 總論 設(shè)計(jì)依據(jù) （ 1）畢業(yè)實(shí)習(xí)任務(wù)書(shū)及畢業(yè)設(shè)計(jì)大綱 （ 2）參照 江蘇恒盛化肥 有限 公司 的工藝經(jīng)驗(yàn) （ 3） 導(dǎo)師 儲(chǔ)睿智 講師 的指導(dǎo) 造氣工藝論證 煤炭是我國(guó)儲(chǔ)量最豐富的能源資源，按目前的產(chǎn)量和已探明的儲(chǔ)量推算，我國(guó)煤炭資源可開(kāi)采近百年，估計(jì)在可預(yù)期的時(shí)間里，煤在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中還占據(jù)著主導(dǎo)地位。相反我國(guó)的石油等其它重要的一次能源明顯不足，一方面，作為及其重要的能源物資和化工原料，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油需求日益高漲，但國(guó)內(nèi)石油的開(kāi)采利用逐漸趨于遞減模式而不得不轉(zhuǎn)向國(guó)外 進(jìn)口，耗費(fèi)大量外匯，給國(guó)家的各個(gè)方面都帶來(lái)不便。另一方面，目前煤炭利用方式以粗放為主，利用效率低下，環(huán)境污染嚴(yán)重，不能緩解和明顯緩解國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)石油的依賴(lài)性。 近年來(lái)，國(guó)家相關(guān)部門(mén)已經(jīng)明顯意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益出發(fā)，大力發(fā)展煤炭深加工產(chǎn)業(yè)，使煤化工由傳統(tǒng)的能源型向 新型 化工型轉(zhuǎn)變是我國(guó)煤炭利用技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)。煤炭氣化作為其中重要的一項(xiàng)正向著良好的方向蓬勃發(fā)展。而利用水煤氣發(fā)生爐制得的合成氣（ CO+H2）是作為重要的化工原料氣而存在的?，F(xiàn)在火熱的碳一化學(xué)工業(yè)就是在合成氣的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。如 F— T 合成汽油、制 氨、制甲醇、煤氣甲烷化、甲醇制醋酸、合成精細(xì)化學(xué)品和新材料?? 據(jù)設(shè)計(jì)要求，本合成氣廠采用 邯鄲 無(wú)煙煤為氣化原料，水蒸氣作為氣化劑，吹入熾熱碳層分解制取合成氣的工藝，日產(chǎn)量 10 萬(wàn) Nm3。生產(chǎn)出的合成氣可為較大規(guī)模的甲醇生產(chǎn)提供原料氣。 煤炭氣化自從 1839 年俄國(guó)第一臺(tái)空氣鼓風(fēng)液態(tài)排渣氣化爐問(wèn)世以來(lái)，至今已有 100多年的歷史了，自上世紀(jì) 70 年代起，世界各國(guó)廣泛開(kāi)展了煤氣化研究，按煤在氣化爐中的流體力學(xué)條件，氣化方法可分為： （ 1） 移動(dòng)床氣化 也稱(chēng)固定床氣化，由于煤粒在氣化爐中逐漸往下移而得名。移動(dòng)床氣化需 要用塊煤為原料，且煤粒盡量均勻。因?yàn)榧?xì)煤粒將會(huì)隨煤氣由煤氣爐頂帶出，增加了煤的損失。 （ 2）流化床氣化 是以小顆粒煤為氣化原料，在氣化爐內(nèi)使之懸浮分散在垂直上升的氣流中，由于劇烈的顆粒運(yùn)動(dòng)，床層中幾乎沒(méi)有溫度梯度和濃度梯度。 （ 3）氣流床氣化 一種并流式氣化，氣體（氧和蒸汽）將煤粉（ 70%以上小于 200目）帶入高溫氣化爐，在 1500~1900℃ 高溫下將煤進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為 CO、 CO H2等氣體，殘?jiān)匀墼问脚懦鰵饣癄t。 （ 4）熔融床氣化 俗稱(chēng)浴床氣化或熔融流態(tài)床氣化，其特點(diǎn)是有一溫度較高中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 2 （ 1600~1700℃ ） 且高度穩(wěn)定的熔池，粉煤和氣化劑以切線方向高速?lài)娙肴鄢貎?nèi)，池內(nèi)熔融物保持高速旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，氣液固三相密切接觸，在高溫條件下完成反應(yīng)，生成 CO 和 H2為主要成分的煤氣。 本廠采用移動(dòng)床氣化法，該法氣化過(guò)程進(jìn)行比較完全，灰渣中殘?zhí)可?，氣化效率高，是一種理想的氣化方法。爐型選用 φ 2260mm的 UGI 水煤氣爐。作為第一代氣化爐與其它工藝相比，效率不是最高，但該工藝成熟，生產(chǎn)穩(wěn)定，操作方便，機(jī)械除灰，特別是工業(yè)化經(jīng)驗(yàn)豐富。生產(chǎn)的粗煤氣經(jīng)過(guò)除塵，脫硫等凈化工藝后可直接供給甲醇合成廠。而現(xiàn)代較先進(jìn)的氣化方 法，如德士古法，殼牌法， GSP 法，雖然氣化效率更高，優(yōu)點(diǎn)眾多，當(dāng)也存在投資大，工業(yè)化經(jīng)驗(yàn)不足等缺點(diǎn)，綜合比較，采用移動(dòng)床間歇法工藝生產(chǎn)水煤氣。 造氣工藝 工藝指標(biāo) 采用間歇法工藝生產(chǎn)水煤氣的原料要求必須具有低揮發(fā)分產(chǎn)率，一定的塊度，較高的機(jī)械強(qiáng)度，好的熱穩(wěn)定性，難結(jié)渣和適中的反應(yīng)性以及較高的灰熔點(diǎn)，具體指標(biāo)要求如下： 固定碳（干基） ≥70% 水分 7% 灰分（干基） 20% 揮發(fā)分（干基） 8% 硫分（干基） ≤1% 熱穩(wěn)定性 ≥60% 灰熔點(diǎn) 1250oC 機(jī)械強(qiáng)度（落下實(shí)驗(yàn)） ≥70% 塊度 25～ 75mm或 50～ 100mm 本設(shè)計(jì)采用 邯鄲 無(wú)煙煤，它的各項(xiàng)指標(biāo)均符合上述要求。 工藝流程 基本原理 水煤氣生產(chǎn)的主要反應(yīng)是水蒸氣與碳的反應(yīng)： C+H2O（ g） CO+H2 △ H=－ C+2H2O（ g） CO2+2H2 △ H=－ 可見(jiàn)，水煤氣生產(chǎn)關(guān)鍵是水蒸氣的分解，而水蒸氣的分解需要由外界提供熱量。本設(shè)計(jì)采用間歇送風(fēng)蓄熱法，分為兩個(gè)階段，吹風(fēng)階段和制氣階段。吹風(fēng)階段即是將空氣吹入爐中， 與煤發(fā)生燃燒反應(yīng)，放出大量的反應(yīng)熱，熱量積蓄于料層內(nèi)，在制氣時(shí)，積蓄于料層內(nèi)的熱量使水蒸氣進(jìn)行分解反應(yīng)，生成水煤氣。待熱量消耗至一定程度時(shí)，制氣階段結(jié)束，再次向料層吹風(fēng)，如此循環(huán)，即可。 流程說(shuō)明 本工段以 邯鄲 無(wú)煙煤為原料，以水蒸氣為氣化劑，通過(guò)固定床層間歇式氣化爐制成水煤氣。 本廠采用 25～ 75mm 的中塊煤，原料送入吊煤斗，提升至造氣廠房三層，從加煤孔加入爐內(nèi)。空氣由空氣鼓風(fēng)機(jī)從爐底吹入爐內(nèi)，使?fàn)t內(nèi)碳層燃燒。當(dāng)碳層溫度達(dá)到 1000oC左右時(shí)，停止吹空氣，通入水蒸氣，其在爐內(nèi)與熾熱的碳層發(fā)生反 應(yīng)： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 3 C+H2O（ g） CO+H2 上述過(guò)程由吹風(fēng) 蒸汽吹凈 上吹 下吹 二次上吹 空氣吹凈六個(gè)階段組成。循環(huán)往復(fù)進(jìn)行，使制成的煤氣持續(xù)進(jìn)入系統(tǒng)。 每個(gè)循環(huán)六個(gè)階段具體流向如下： （ 1）吹風(fēng)階段 空氣 由鼓風(fēng)機(jī)從爐底進(jìn)入爐內(nèi)，生成吹風(fēng)氣，由爐頂排出。經(jīng)過(guò)過(guò)熱除塵器 回收余熱后進(jìn)入廢熱鍋爐，產(chǎn)生 ，而吹風(fēng)氣本身溫度降至 230oC 后由煙囪排出放空。 （ 2）蒸汽吹凈階段 蒸汽由爐底吹入，將爐內(nèi)及管道內(nèi)殘留吹 風(fēng)氣由煙囪吹出。 （ 3）上吹階段 蒸汽由鍋爐房進(jìn)入蒸汽緩沖罐，經(jīng)蒸汽總管再分配到各套系統(tǒng)的 過(guò)熱 除塵 器，過(guò)熱到180oC 后由爐底進(jìn)入爐內(nèi)，生成的水煤氣經(jīng)過(guò)過(guò)熱除塵器、廢熱鍋爐除塵和廢熱回收后，經(jīng)洗氣箱降溫除塵，再經(jīng)洗氣塔冷卻至 35oC 左右，最后進(jìn)入緩沖氣柜。 （ 4）下吹階段 蒸汽下吹能克服氣化層的上移，減少了原料的損失并保證了爐內(nèi)溫度和氣體組成的穩(wěn)定。蒸汽由爐頂進(jìn)入爐內(nèi)，生成的煤氣由爐底導(dǎo)出，經(jīng)下吹集塵器除塵后，直接進(jìn)入洗氣箱、洗氣塔，然后匯合于緩沖氣柜。 （ 5）二次上吹 經(jīng)過(guò)蒸汽下吹 后，煤氣爐的底部和管線充滿了水煤氣，此時(shí)若直接通空氣則有爆炸的危險(xiǎn)，為安全起見(jiàn)，下吹后還應(yīng)進(jìn)行一次上吹。其氣體流向同一次上吹階段。 （ 6） 空氣 吹凈階段 空氣從爐底吹入爐內(nèi)，將爐內(nèi)剩余煤氣至上吹流向吹入水煤氣系統(tǒng)。 制氣過(guò)程的六個(gè)階段采用微機(jī)油壓控制，通過(guò)微機(jī)控制油壓閥的關(guān)啟來(lái)實(shí)現(xiàn)流體的流向控制。 循環(huán)時(shí)間的分配 合成氣生產(chǎn)工作循環(huán)的各個(gè)階段的時(shí)間分配隨原料的性質(zhì)和工藝操作的具體要求而定，采用 180s 的工作循環(huán)。 吹風(fēng)階段的作用是積蓄盡可能多的熱量，為制氣準(zhǔn)備條件，因此要求吹風(fēng)后料層應(yīng)具有適當(dāng)?shù)母邷?，同時(shí)時(shí)間應(yīng)該盡量的短，以相對(duì)增加制氣階段的時(shí)間，吹風(fēng)時(shí)間一般占循環(huán)時(shí)間的 24%。制氣階段一般以下吹時(shí)間稍長(zhǎng)為好，因?yàn)檫@樣，可使灰渣中的含碳量降低。 為了保證吹凈階段空氣由煤氣爐下部進(jìn)入而不發(fā)生爆炸，二次上吹時(shí)間稍長(zhǎng)一些為安全，一般占循環(huán)時(shí)間的 8%左右， 吹凈階段為了排除爐頂空間的水煤氣， 吹凈階段為了排除爐頂空間的水煤氣，故所需時(shí)間最短，大約占 3%，具體分配如表 1： 循環(huán)時(shí)間的分配 吹風(fēng) 上吹 下吹 二次上吹 空氣吹凈 蒸汽吹凈 合計(jì) 百分比 % 24 26 39 8 100 時(shí)間 s 各階段的操作指標(biāo) （ 1）吹風(fēng)階段的操作指標(biāo)： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 4 鼓風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓： 447 煤氣爐出口溫度： 550oC 廢熱鍋爐溫度： 230oC （ 2）上吹階段操作指標(biāo)： 水蒸氣入爐壓力： 上行煤氣出口溫度： 500oC 過(guò)熱除塵器出口溫度： 300～ 350oC （ 3）下吹階段操作指標(biāo)： 水蒸氣入爐壓力： 下吹煤氣出口溫度： 200oC 洗氣箱出口溫度： 75oC 洗氣塔出口溫度： 35oC 2. 工藝計(jì)算 原料組成 原料 已知數(shù)據(jù) ： 原料已知數(shù)據(jù) 成分 Cad Had Nad Ad Mad Mar 質(zhì)量分?jǐn)?shù)， % 以上數(shù)據(jù)源自 邯鄲郭二莊礦一坑混中快 無(wú)煙煤。 由于工藝計(jì)算中采用的是煤的收到基和干燥基的數(shù)據(jù)，而不是空氣干燥基數(shù)據(jù)，故應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 目標(biāo)數(shù)據(jù) 目標(biāo)數(shù)據(jù)即為收到基和干燥基數(shù)據(jù)，根據(jù)《煤化學(xué)》有以下轉(zhuǎn)換公式： 以 X 代表 S， A， C， H， N， Q。 Xd=XadadM?100100 ， Xar=Xad 100100 aradMM?? Xd=XararM?100100 ， Qgr ad=6330kcal/kg （ 1） 干燥基數(shù)據(jù)： 由以上公式和已知數(shù)據(jù)，可得 ： Cd=CadadM?100100 = ? %=% Hd=HadadM?100100 = ? %=% 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 5 Nd=NadadM?100100 = ? %=% Ad=% ， St d=% Od=100%－ Ad － － Cd － Hd － Nd =100%－ %－ %－ %－ %－ %=% （ 2） 收到 基數(shù)據(jù) ： 由 Xd=XararM?100100 ,可得 A ar=Ad 100100arM? ,則 Aar=?%=% =?%=% 由 Xar=XadadarMM??100100，可得 Car=CadadarMM??100100= ??%=% Har=HadadarMM??100100= ??%=% Nar=NadadarMM??100100= ??%=% Mar=%， Aar =%， =% Oar=100－ Mar－ Aar－ － Car － Har － Nar =100%－ %－ %－ %－ %－ %－ %=% 原料熱值 =adarMM??100100=6330 ??=6175 kcal/kg 故目標(biāo)數(shù)據(jù)可列表如下： 組成 C H O N S A M 合計(jì) 重量， %（干） — 重量， %（濕） =6175 kcal/kg =6175=25853kJ/kg 干基即代表干燥基，濕基即為收到基 設(shè)計(jì)已知條件 （ 1）原料組成和熱值 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 6 組成 C H O N S A M 合計(jì) 重量， %（干） — 重量， %（濕） 原料煤熱值 =175 kcal/kg =25853kJ/kg （ 2）吹風(fēng)氣組成 成分 H2 CO CO2 O2 N2 CH4 H2S 合計(jì) 體積 % （ 3）水煤氣組成 成分 H2 CO CO2 O2 CH4 H2S 合計(jì) 體積 % （ 4）灰渣組成 組成 C S A 合計(jì) 重量， % （ 5） 氣化 爐進(jìn)出物料溫度 空 氣： 20℃ ，相對(duì)濕度 70%. 吹 風(fēng) 氣： 550℃ 上行煤氣： 500℃ 下行煤氣： 200℃ 灰 渣： 200℃ 蒸 汽： 下吹蒸汽為 110℃ 飽和蒸汽 .； 上吹蒸汽 為 180℃ 過(guò)熱蒸汽 。 . （ 6）帶出物為 3kg 干基原料 注：根據(jù)《煤氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》，可查得可燃?xì)獾臒嶂等缦拢? 氣體 H2 CO CH4 H2S 高熱值 , kJ/m3 12778 12643 39775 25347 低熱值 , kJ/m3 10805 12643 35786 223367 則吹風(fēng)氣和水煤氣的高低位熱值可計(jì)算如下： 吹風(fēng)氣熱值： HHV=(12778+12643+39775 +25347)=1605 kJ/m3 LHV=(10805+12643+35786 +223367) =1525 kJ/m3 水煤氣熱值： HHV=(12778+12643+39775 +25347) =119