【文章內容簡介】 排出的含固量較高黑水，送往水處理系統(tǒng)處理后循環(huán)使用。首先黑水送人高壓、真空閃蒸系統(tǒng)，進行減壓閃蒸，以降低黑水溫度，釋放溶性氣體及濃縮黑水，經(jīng)閃蒸后的黑水含固量進一步提高，送往沉降槽澄清，濾清后的水循環(huán)使用。合成氣 工藝流程方塊圖磨煤機碳洗塔氣化爐煤 煤漿 合成氣 水 灰水 灰水灰水處理 渣各工段工藝流程圖詳見附錄2。 工藝流程簡述 磨煤工段圖21 磨煤工段工藝流程圖 V0604添加劑制備槽、A0601添加劑制備槽攪拌器、P0602添加劑制備泵、V0605添加劑槽、P0603添加劑給料泵、H0601磨煤機、V0606磨機出口槽、P0604低壓煤漿泵V0701氣化煤漿槽 磨機中的工藝水包括原水、變換冷凝液和甲醇廢水，原水、（H0601），甲醇廢水直接加入磨機中。 從煤處理工段來（＜10mm）左右的碎煤加入煤倉中，煤倉中的煤經(jīng)過煤稱重給料機（W0503）送入磨煤機。 同時，為了控制煤漿粘度和保持煤漿的穩(wěn)定性需加入添加劑。人工把添加劑（含固量約為30%）加入到添加劑制備槽(V0604)中，并加入原水，在添加劑制備槽攪拌器（A0601）的攪拌下，制備成生產(chǎn)所需的溶液，通過添加劑制備泵(P0602)送到添加劑槽（V0605），緩沖后用添加劑給料泵(P0603)。添加劑的加量以煤漿粘度控制在3501500CP為宜。物料在磨煤機中進行濕法磨煤。在磨煤機中，煤、添加劑和水一同磨制成59％～65％(WT)濃度的水煤漿，通過滾筒篩濾去較大煤粒后，進入磨機出口槽(V0606)，經(jīng)低壓煤漿泵（P0604）（V0701）。 氣化爐與水洗塔工段圖22 氣化爐反應與水洗塔工段流程圖 V0712煤漿儲槽、P0701煤漿給料泵、V0714氧氣緩沖罐、FV0707流量調節(jié)閥、F0701氣化爐、V0708鎖斗、V0709鎖斗沖洗水罐、J0701文丘里管、T0701水洗塔、P0705灰水循環(huán)泵、S0702黑水過濾器、J0702文丘里洗滌器 料漿通過低壓煤漿泵(P0605)進入煤漿槽（V0712）,出煤漿槽的煤漿經(jīng)煤漿給料泵（P0701）加壓后分別送入氣化工藝燒嘴（Z0701）進入氣化爐。空分來的高壓氧氣進氧氣緩沖罐（V0714），緩沖后經(jīng)FV0707調節(jié)流量后分別進入工藝燒嘴（Z0701）。在氣化爐中煤漿與氧發(fā)生如下主要反應：CmHnSr+m/2O2→mCO+(n/2r)H2+rH2SCmHnSr→(m/4r/2)CH4+(mn/4+r/2)C+H2SCO+H2O→H2+CO、1350～1400℃下進行。氣化反應在氣化爐反應段瞬間完成，生成CO、HCOH2O和少量CHH2S等氣體。 離開氣化爐燃燒室的熱氣體和熔渣進入氣化爐下段激冷室，℃以下，并被水蒸汽飽和后出氣化爐,離開氣化爐的氣體經(jīng)文丘里管（J0701）噴水濕潤后直接進水洗塔（T0701），水洗塔為固定篩板塔，進塔氣經(jīng)灰水、變換冷凝液洗滌冷卻后，℃、經(jīng)葉片式除沫器除去氣體夾帶的霧沫后送至變換工段。氣化爐反應中生成的熔渣進入激冷室冷卻后，排入鎖斗（V0708）的渣水段，并定時排入渣池（V0710），渣由撈渣機（L0701）撈出后裝車外運，黑水流至渣池的黑水段，經(jīng)渣池泵輸送至灰水處理進行處理。由灰水處理來的高壓灰水進水洗塔作洗滌水，由水洗塔排出的黑水經(jīng)灰水循環(huán)泵（P0705）增壓后大部分經(jīng)黑水過濾器（S0702）過濾后進入氣化爐激冷環(huán)使氣化氣冷卻降溫，少部分經(jīng)文丘里洗滌器（J0702）洗滌濕潤氣化氣后，氣體混合物立刻進入水洗塔進行氣液分離，氣化爐排出的洗滌水（稱為黑水）經(jīng)流量控制閥(FV0712)排至灰水處理。 由灰水處理來的低壓灰水進入鎖斗沖洗水罐（V0709），在鎖斗需要沖洗時，灰水經(jīng)鎖斗沖洗水罐底部沖入鎖斗進行沖洗。 灰水處理工段圖23 灰水處理工段流程圖 F0701氣化爐、PV0841減壓閥、V0813高溫熱水塔、T0701水洗塔、V0814高溫熱水器、E0806灰水加熱器、V0826高壓閃蒸分離器、V0829除氧水槽、V0815低溫熱水器、V0816真空閃蒸器、P0813真空泵、E0807真空閃蒸冷卻器、V0817真空閃蒸分離器、V0818真空泵分離器、E0808真空泵出口冷卻器、P0812澄清槽給料泵、V0827澄清槽、V0828灰水槽 由氣化爐（F0701）來的黑水經(jīng)減壓閥(PV0841)減壓后至高溫熱水塔（V0813）,，進塔水中溶解的CO、H2S、CO2等氣體閃蒸出來，塔上部設有3塊篩板，加入變換汽提塔汽提后工藝冷凝液，對氣體進行洗滌，出塔氣體溫度175℃。由水洗塔(T0701)來的黑水經(jīng)減壓閥減壓后至高溫熱水器（V0814），進塔水中溶解的COCO、H2S等氣體閃蒸出來，氣體溫度175℃。高溫熱水塔（V0813）和高溫熱水器（V0814）產(chǎn)生的高壓氣體混合后，經(jīng)灰水加熱器（E0806）將高壓灰水加熱至160℃，氣體冷卻到170℃，換熱后氣液混合物進高壓閃蒸分離器（V0826），分離出含有少量COCO、H2S的不凝氣至變換汽提塔，分離出液體至除氧水槽（V0829）。高溫熱水塔、高溫熱器排出的黑水經(jīng)液位控制閥減壓后至低溫熱水器（V0815），,溫度114℃，部分水汽化,由頂部出來的低壓閃蒸汽一部分送至除氧器回收熱量，一部分送至低壓閃蒸汽冷凝器(E0814)。經(jīng)低溫熱水器濃縮后的灰水送至真空閃蒸器（V0816）,在真空泵（P0813）的抽吸下，真空閃蒸器內壓力為－，℃，部分水汽化成蒸汽，并經(jīng)真空閃蒸冷卻器（E0807）的殼程，被循環(huán)冷卻水冷卻，冷凝水進入真空閃蒸分離器（V0817）進行氣液分離。不凝氣由真空泵抽出送至真空泵分離器（V0818），不凝汽放空。真空泵分離器出口液體經(jīng)真空泵出口冷卻器(E0808）冷卻后自流至真空閃蒸分離器（V0817）。，一部分作為真空泵密封水，一部分送至除氧水槽。真空閃蒸排出的黑水，由澄清槽給料泵(P0812)（V0827），固體顆粒緩慢向下沉積，最終由澄清槽杷料機（A0804）推向錐底，排出澄清槽。澄清了的灰水含固約50mg/L，由上部溢流槽流至灰水槽（V0828），然后經(jīng)低壓灰水泵（P0818）大部分輸送至除氧水槽。 工藝參數(shù)、模擬與優(yōu)化 氣化爐模擬概述 本次設計采用ASPEN PLUS進行氣化流程模擬，但是由于氣化爐反應進程中反應較復雜，包括煤的分解、熱裂解、氣化三個過程，從而本次設計中氣化爐模擬是根據(jù)文獻[26]建立如下Texaco水煤漿氣化爐模型如下圖。圖24 Texaco水煤漿氣化爐模型 Plus中的RYield收率反應器模型，這是具有規(guī)定反應程度和轉化率的化學計量反應器模型，其作用是將粉煤分解成單元素分子和灰份并將裂解熱導入GASIFIER模塊。GASIFIER模塊是Aspen Plus中的RGibbs平衡反應器模型，此模型是通過Gibbs自由能最小實現(xiàn)化學和相平衡，GASIFIER模塊求得氣化爐出口煤氣溫度與成分。SEPATATE模塊運用SSplit模型將氣化爐出口產(chǎn)物進行氣一固分流。 ，SUPPLY是水煤漿，O2為進入GASIFIER模塊的氧氣，Water是進入GASIFIER模塊的水。GASPROD為氣化產(chǎn)生的混合物，ASH為灰水。 氣化爐反應工段 來自磨煤機的水煤漿（60%）通過低壓煤漿泵進入煤漿槽,出煤漿槽的煤漿經(jīng)煤漿給料泵加壓后分別送入氣化工藝燒嘴進入氣化爐，空分來的高壓氧氣進氧氣緩沖罐，緩沖后經(jīng)調節(jié)流量后分別進入工藝燒嘴。水煤漿和氧氣在氣化爐的氣流床上在1300℃，熱氣體和熔渣進入氣化爐下段激冷室，℃以下，并被水蒸汽飽和后出氣化爐,氣化爐反應中生成的熔渣進入激冷室冷卻后，排入鎖斗的渣水段，并定時排入渣池，渣由撈渣機撈出后裝車外運，黑水流至渣池的黑水段，經(jīng)渣池泵輸送至灰水處理進行處理。表25 各設備條件設備名稱氣化爐磨煤機撈渣機鎖斗溫度/℃1300300100260壓力/Mpa常壓氣化爐反應器模擬計算結果如下表。表26 氣化爐反應器模擬結果組分灰分CH NOSwt%表27 煤的工業(yè)分析全水(％)灰分(％)揮發(fā)分(％)固定碳(％)表28 氣化爐反應器模擬結果成分COH2CO2CH4質量分數(shù)/% 將粗合成氣經(jīng)水洗塔水洗后的產(chǎn)物質量分數(shù)模擬結果與粉煤氣流床工藝典型的產(chǎn)物分布進行對比可見，各組分的質量分數(shù)模擬計算值與文獻報道值吻較好，相對誤差低于1%。第三章 物料衡算與熱量衡算 物料衡算 物料衡算的任務 化工過程的物料衡算和能量衡算，是利用物理與化學的基本定律，對化工過程單元及其化工過程單元系統(tǒng)的物料平衡與能量平衡進行定量的計算。通過計算，從中找出主副產(chǎn)品的生成量，廢物的排出量，確定原材料的消耗與定額，確定各物流的流量、組成和狀態(tài)，確定每一設備內物質轉換與能量傳遞的參數(shù)。從而為確定操作方式、設備選型以及設備尺寸的確定、管路設施與公用工程的設計提供依據(jù)[1]。 物料衡算是質量守恒定律的一種表現(xiàn)形式，是以質量守恒定律為基礎對物料平衡進行的計算。工藝設計中，物料衡算的目的是根據(jù)原料與產(chǎn)品之間的定量轉化關系，計算原料的消耗量，各種中間產(chǎn)品、主產(chǎn)品和副產(chǎn)品的產(chǎn)量，生產(chǎn)過程中各階段的消耗量以及組成，進而為熱量衡算、其他工藝計算及設備計算打基礎[2]。物料衡算是化工計算中最基本、也是最重要的內容之一，它是能量衡算的基礎。一般在物料衡算之后，才能計算所需要提供或移走的能量。通常，物料衡算有兩種情況，一種是對已有的生產(chǎn)設備或裝置，利用實際測定的數(shù)據(jù)，算出另一些不能直接測定的物料量。用此計算結果，對生產(chǎn)情況進行分析、作出判斷、提出改進措施。另一種是設計一種新的設備或裝置，根據(jù)設計任務，先作物料衡算，求出進出各設備的物料量，然后再作能量衡算，求出設備或過程的熱負荷，從而確定設備尺寸及整個工藝流程。 物料衡算的理論依據(jù)是質量守恒定律，即在一個孤立物系中，不論物質發(fā)生任何變化，它的質量始終不變（不包括核反應，因為核反應能量變化非常大，此定律不適用）。一個完整的物料衡算是進行工藝設計的基礎，尤其在開發(fā)新的工藝流程中，完整的物料衡算常?？梢詭椭檎页鰜G失物料的去向（如對于有些催化反應的物料衡算，?？杉圆檎页鲇袩o微量積碳的副反應等），因此，在工藝設計中應該盡可能的進出物料的平衡[3]。物料衡算是質量守恒定律的一個重要的理論基礎[4]。 物料衡算的原則 （一）物料衡算的質量守恒：物料平衡方程是根據(jù)質量守恒原理建立起來的。用文字表達如下：進入系統(tǒng)的質量流量—排出系統(tǒng)的質量流量=系統(tǒng)內質量的積累 對于穩(wěn)態(tài)過程，系統(tǒng)內質量的積累為零。此時有 進入系統(tǒng)的質量流量=排出系統(tǒng)的質量流量。 （二）物料衡算基準：在物料、能量衡算過程中，恰當?shù)倪x擇計算基準可以使計算簡化，同時也可以減少計算的誤差。在一般的化工工藝計算中，選擇基準大致有以下幾種。 （1）時間基準 對于連續(xù)生產(chǎn)過程，以秒、小時、天等的一段時間間隔的投料量或者產(chǎn)品量作為計算的基準。對于間歇操作過程，一般可以以一釜、一批料的生產(chǎn)周期作為基準。（2）質量基準 對液體或者固體介質，可以取某一基準物流的質量為100kg，然后計算其他物流的質量?；鶞饰镔|可以使產(chǎn)品，也可以是原料，也可以是任何一個中間物流。一般情況下，取某一已知變量最多（或未知變量最少）的物流作為基準最合適。對于有化學反應的過程，由于化學反應按物質的量（mol）進行的，因此用物質的量作為基準更為方便。 （3）體積基準 對于氣體物料，可采用標準體積基準，這時應將實際情況下的體積換算成為標準狀態(tài)下的體積。在標準狀態(tài)下，103m3標準體積的氣體。氣體混合物中組分的體積分數(shù)與摩爾分數(shù)在數(shù)值上是相同的。 （三）物料衡算的基本步驟 進行物料衡算時，為了避免錯誤，便于檢查核對，必須采取正確的計算步驟。一般按以下程序進行。（1）確定衡算的對象和范圍，如一個單元設備，一套裝置或一個系統(tǒng)，并畫出計算對象的草圖。對于整個生產(chǎn)流程，要畫出物料流程示意圖（或流程方框圖）。繪制物料流程圖時，要著重考慮物料的種類和走向，輸入和輸出要明確 （2）確定計算任務，明確哪些是已知項，哪些是待求項，選擇適當?shù)臄?shù)學公式，力求計算方法簡便。 （3）確定過程所設計的組分，并對所有的組分依次編號。 （4）對物流流股進行編號，并標注物流變量。 （5）收集數(shù)據(jù)資料，包括兩類：一類為設計任務所規(guī)定的已知條件；另一類為與過程有關的物理化學參數(shù)。具體包括以下內容： 生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時間； 有關定額的技術指標； 原輔材料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品的規(guī)格，包括原料的有效成分和雜質含量，氣體或者液體混合物的組成等； 與過程有關的物理化學參數(shù)。如臨界參數(shù)、密度或者比體積、狀態(tài)方程參數(shù)、蒸氣壓、氣液平衡常數(shù)或者平衡關系，黏度、擴散系數(shù)等。在收集有關數(shù)據(jù)時，應該注意其可靠性、準確性和適用范圍。一些特殊物質的物化數(shù)據(jù)難以獲得或者查找不全時，可以根據(jù)物理化學的基本定律進行計算。 （6）列出過程的全部獨立物料平衡方程式及其其他相關公式。 物料衡算 工業(yè)上為評價及計算，常常采用一些工業(yè)指標，用來衡量生產(chǎn)情況：（1）轉化率 （2）收率（3）選擇性（4）限制反應物（5）過量反應物物料衡算的方法：（1）直接推算法（2）原子平衡法（3）平衡常數(shù)法（4）帶有循環(huán)、放空及旁路的物料平衡（5）聯(lián)系組分法本次物料衡算需要求取以下數(shù)據(jù)： （1） 產(chǎn)氣率：產(chǎn)氣率是指進入氣化爐的單位質量的原料所生成的干基合成氣在標準狀況下的（0℃，1個大氣壓）體積。 （2）有效產(chǎn)氣率：是指單位質量（1千克干基原料）的原料生成的