【正文】 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 1 頁 1 日產量 10 萬 Nm3 氣化廠設計 1. 總論 設計依據 （ 1）畢業(yè)實習任務書及畢業(yè)設計大綱 （ 2）參照 江蘇恒盛化肥 有限 公司 的工藝經驗 （ 3） 導師 儲睿智 講師 的指導 造氣工藝論證 煤炭是我國儲量最豐富的能源資源，按目前的產量和已探明的儲量推算，我國煤炭資源可開采近百年，估計在可預期的時間里，煤在我國的能源結構中還占據著主導地位。相反我國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，隨著國民經濟的發(fā)展，石油需求日益高漲，但國內石油的開采利用逐漸趨于遞減模式而不得不轉向國外 進口，耗費大量外匯，給國家的各個方面都帶來不便。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)境污染嚴重，不能緩解和明顯緩解國民經濟對石油的依賴性。 近年來，國家相關部門已經明顯意識到這個問題，從長遠利益出發(fā)，大力發(fā)展煤炭深加工產業(yè)，使煤化工由傳統的能源型向 新型 化工型轉變是我國煤炭利用技術的長遠之計。煤炭氣化作為其中重要的一項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。現在火熱的碳一化學工業(yè)就是在合成氣的基礎上發(fā)展起來的。如 F— T 合成汽油、制 氨、制甲醇、煤氣甲烷化、甲醇制醋酸、合成精細化學品和新材料?? 據設計要求，本合成氣廠采用 邯鄲 無煙煤為氣化原料，水蒸氣作為氣化劑，吹入熾熱碳層分解制取合成氣的工藝，日產量 10 萬 Nm3。生產出的合成氣可為較大規(guī)模的甲醇生產提供原料氣。 煤炭氣化自從 1839 年俄國第一臺空氣鼓風液態(tài)排渣氣化爐問世以來，至今已有 100多年的歷史了，自上世紀 70 年代起，世界各國廣泛開展了煤氣化研究，按煤在氣化爐中的流體力學條件，氣化方法可分為： （ 1） 移動床氣化 也稱固定床氣化，由于煤粒在氣化爐中逐漸往下移而得名。移動床氣化需 要用塊煤為原料，且煤粒盡量均勻。因為細煤粒將會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，在氣化爐內使之懸浮分散在垂直上升的氣流中，由于劇烈的顆粒運動，床層中幾乎沒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℃ 高溫下將煤進一步轉化為 CO、 CO H2等氣體，殘渣以熔渣形式排出氣化爐。 （ 4）熔融床氣化 俗稱浴床氣化或熔融流態(tài)床氣化，其特點是有一溫度較高中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 1 頁 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噴入熔池內，池內熔融物保持高速旋轉。此時，氣液固三相密切接觸，在高溫條件下完成反應，生成 CO 和 H2為主要成分的煤氣。 本廠采用移動床氣化法，該法氣化過程進行比較完全，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，生產穩(wěn)定，操作方便，機械除灰，特別是工業(yè)化經驗豐富。生產的粗煤氣經過除塵，脫硫等凈化工藝后可直接供給甲醇合成廠。而現代較先進的氣化方 法，如德士古法，殼牌法， GSP 法，雖然氣化效率更高，優(yōu)點眾多，當也存在投資大，工業(yè)化經驗不足等缺點，綜合比較，采用移動床間歇法工藝生產水煤氣。 造氣工藝 工藝指標 采用間歇法工藝生產水煤氣的原料要求必須具有低揮發(fā)分產率，一定的塊度，較高的機械強度，好的熱穩(wěn)定性，難結渣和適中的反應性以及較高的灰熔點，具體指標要求如下： 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 1250oC 機械強度（落下實驗） ≥70% 塊度 25～ 75mm或 50～ 100mm 本設計采用 邯鄲 無煙煤，它的各項指標均符合上述要求。 工藝流程 基本原理 水煤氣生產的主要反應是水蒸氣與碳的反應： C+H2O（ g） CO+H2 △ H=－ C+2H2O（ g） CO2+2H2 △ H=－ 可見，水煤氣生產關鍵是水蒸氣的分解，而水蒸氣的分解需要由外界提供熱量。本設計采用間歇送風蓄熱法，分為兩個階段，吹風階段和制氣階段。吹風階段即是將空氣吹入爐中， 與煤發(fā)生燃燒反應，放出大量的反應熱，熱量積蓄于料層內，在制氣時，積蓄于料層內的熱量使水蒸氣進行分解反應，生成水煤氣。待熱量消耗至一定程度時，制氣階段結束，再次向料層吹風，如此循環(huán)，即可。 流程說明 本工段以 邯鄲 無煙煤為原料，以水蒸氣為氣化劑，通過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?？諝庥煽諝夤娘L機從爐底吹入爐內，使爐內碳層燃燒。當碳層溫度達到 1000oC左右時，停止吹空氣，通入水蒸氣，其在爐內與熾熱的碳層發(fā)生反 應： 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 1 頁 3 C+H2O（ g） CO+H2 上述過程由吹風 蒸汽吹凈 上吹 下吹 二次上吹 空氣吹凈六個階段組成。循環(huán)往復進行，使制成的煤氣持續(xù)進入系統。 每個循環(huán)六個階段具體流向如下： （ 1）吹風階段 空氣 由鼓風機從爐底進入爐內，生成吹風氣，由爐頂排出。經過過熱除塵器 回收余熱后進入廢熱鍋爐，產生 ，而吹風氣本身溫度降至 230oC 后由煙囪排出放空。 （ 2）蒸汽吹凈階段 蒸汽由爐底吹入，將爐內及管道內殘留吹 風氣由煙囪吹出。 （ 3）上吹階段 蒸汽由鍋爐房進入蒸汽緩沖罐，經蒸汽總管再分配到各套系統的 過熱 除塵 器，過熱到180oC 后由爐底進入爐內，生成的水煤氣經過過熱除塵器、廢熱鍋爐除塵和廢熱回收后，經洗氣箱降溫除塵，再經洗氣塔冷卻至 35oC 左右，最后進入緩沖氣柜。 （ 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溫度和氣體組成的穩(wěn)定。蒸汽由爐頂進入爐內，生成的煤氣由爐底導出，經下吹集塵器除塵后，直接進入洗氣箱、洗氣塔，然后匯合于緩沖氣柜。 （ 5）二次上吹 經過蒸汽下吹 后，煤氣爐的底部和管線充滿了水煤氣，此時若直接通空氣則有爆炸的危險，為安全起見，下吹后還應進行一次上吹。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，將爐內剩余煤氣至上吹流向吹入水煤氣系統。 制氣過程的六個階段采用微機油壓控制，通過微機控制油壓閥的關啟來實現流體的流向控制。 循環(huán)時間的分配 合成氣生產工作循環(huán)的各個階段的時間分配隨原料的性質和工藝操作的具體要求而定，采用 180s 的工作循環(huán)。 吹風階段的作用是積蓄盡可能多的熱量，為制氣準備條件，因此要求吹風后料層應具有適當的高溫，同時時間應該盡量的短，以相對增加制氣階段的時間，吹風時間一般占循環(huán)時間的 24%。制氣階段一般以下吹時間稍長為好，因為這樣，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入而不發(fā)生爆炸，二次上吹時間稍長一些為安全，一般占循環(huán)時間的 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，故所需時間最短，大約占 3%，具體分配如表 1： 循環(huán)時間的分配 吹風 上吹 下吹 二次上吹 空氣吹凈 蒸汽吹凈 合計 百分比 % 24 26 39 8 100 時間 s 各階段的操作指標 （ 1）吹風階段的操作指標： 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 1 頁 4 鼓風機出口風壓： 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： 水蒸氣入爐壓力： 上行煤氣出口溫度： 500oC 過熱除塵器出口溫度： 300～ 350oC （ 3）下吹階段操作指標： 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. 工藝計算 原料組成 原料 已知數據 ： 原料已知數據 成分 Cad Had Nad Ad Mad Mar 質量分數， % 以上數據源自 邯鄲郭二莊礦一坑混中快 無煙煤。 由于工藝計算中采用的是煤的收到基和干燥基的數據，而不是空氣干燥基數據，故應進行轉換。 目標數據 目標數據即為收到基和干燥基數據，根據《煤化學》有以下轉換公式： 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） 干燥基數據： 由以上公式和已知數據，可得 ： Cd=CadadM?100100 = ? %=% Hd=HadadM?100100 = ? %=% 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 1 頁 5 Nd=NadadM?100100 = ? %=% Ad=% ， St d=% Od=100%－ Ad － － Cd － Hd － Nd =100%－ %－ %－ %－ %－ %=% （ 2） 收到 基數據 ： 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 故目標數據可列表如下： 組成 C H O N S A M 合計 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 設計已知條件 （ 1）原料組成和熱值 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 1 頁 6 組成 C H O N S A M 合計 重量， %（干） — 重量， %（濕） 原料煤熱值 =175 kcal/kg =25853kJ/kg （ 2）吹風氣組成 成分 H2 CO CO2 O2 N2 CH4 H2S 合計 體積 % （ 3）水煤氣組成 成分 H2 CO CO2 O2 CH4 H2S 合計 體積 % （ 4）灰渣組成 組成 C S A 合計 重量， % （ 5） 氣化 爐進出物料溫度 空 氣： 20℃ ，相對濕度 70%. 吹 風 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℃ 過熱蒸汽 。 . （ 6）帶出物為 3kg 干基原料 注：根據《煤氣設計手冊》，可查得可燃氣的熱值如下： 氣體 H2 CO CH4 H2S 高熱值 , kJ/m3 12778 12643 39775 25347 低熱值 , kJ/m3 10805 12643 35786 223367 則吹風氣和水煤氣的高低位熱值可計算如下： 吹風氣熱值： 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