【文章內(nèi)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)、V0606磨機(jī)出口槽、P0604低壓煤漿泵V0701氣化煤漿槽 磨機(jī)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(jī)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(jī)（W0503）送入磨煤機(jī)。 同時(shí)，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(jī)中進(jìn)行濕法磨煤。在磨煤機(jī)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(jìn)入磨機(jī)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(yīng)與水洗塔工段流程圖 V0712煤漿儲(chǔ)槽、P0701煤漿給料泵、V0714氧氣緩沖罐、FV0707流量調(diào)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(jìn)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(jìn)入氣化爐?？辗謥淼母邏貉鯕膺M(jìn)氧氣緩沖罐（V0714），緩沖后經(jīng)FV0707調(diào)節(jié)流量后分別進(jìn)入工藝燒嘴（Z0701）。在氣化爐中煤漿與氧發(fā)生如下主要反應(yīng)：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(jìn)行。氣化反應(yīng)在氣化爐反應(yīng)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(jìn)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(jìn)水洗塔（T0701），水洗塔為固定篩板塔，進(jìn)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(yīng)中生成的熔渣進(jìn)入激冷室冷卻后，排入鎖斗（V0708）的渣水段，并定時(shí)排入渣池（V0710），渣由撈渣機(jī)（L0701）撈出后裝車外運(yùn)，黑水流至渣池的黑水段，經(jīng)渣池泵輸送至灰水處理進(jìn)行處理。由灰水處理來的高壓灰水進(jìn)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(jìn)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(jìn)入水洗塔進(jìn)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(jìn)入鎖斗沖洗水罐（V0709），在鎖斗需要沖洗時(shí)，灰水經(jīng)鎖斗沖洗水罐底部沖入鎖斗進(jìn)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?zé)崴0701水洗塔、V0814高溫?zé)崴?、E0806灰水加熱器、V0826高壓閃蒸分離器、V0829除氧水槽、V0815低溫?zé)崴?、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?zé)崴╒0813）,，進(jìn)塔水中溶解的CO、H2S、CO2等氣體閃蒸出來，塔上部設(shè)有3塊篩板，加入變換汽提塔汽提后工藝?yán)淠?，對氣體進(jìn)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?zé)崴鳎╒0814），進(jìn)塔水中溶解的COCO、H2S等氣體閃蒸出來，氣體溫度175℃。高溫?zé)崴╒0813）和高溫?zé)崴鳎╒0814）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(jìn)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?zé)崴?、高溫?zé)崞髋懦龅暮谒?jīng)液位控制閥減壓后至低溫?zé)崴鳎╒0815），,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?zé)崴鳚饪s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(nèi)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(jìn)入真空閃蒸分離器（V0817）進(jìn)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(jī)（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(shè)計(jì)采用ASPEN PLUS進(jìn)行氣化流程模擬，但是由于氣化爐反應(yīng)進(jìn)程中反應(yīng)較復(fù)雜，包括煤的分解、熱裂解、氣化三個(gè)過程，從而本次設(shè)計(jì)中氣化爐模擬是根據(jù)文獻(xiàn)[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(yīng)器模型，這是具有規(guī)定反應(yīng)程度和轉(zhuǎn)化率的化學(xué)計(jì)量反應(yīng)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(dǎo)入GASIFIER模塊。GASIFIER模塊是Aspen Plus中的RGibbs平衡反應(yīng)器模型，此模型是通過Gibbs自由能最小實(shí)現(xiàn)化學(xué)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(yùn)用SSplit模型將氣化爐出口產(chǎn)物進(jìn)行氣一固分流。 ，SUPPLY是水煤漿，O2為進(jìn)入GASIFIER模塊的氧氣，Water是進(jìn)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(yīng)工段 來自磨煤機(jī)的水煤漿（60%）通過低壓煤漿泵進(jìn)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(jìn)入氣化爐，空分來的高壓氧氣進(jìn)氧氣緩沖罐，緩沖后經(jīng)調(diào)節(jié)流量后分別進(jìn)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(jìn)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(yīng)中生成的熔渣進(jìn)入激冷室冷卻后，排入鎖斗的渣水段，并定時(shí)排入渣池，渣由撈渣機(jī)撈出后裝車外運(yùn)，黑水流至渣池的黑水段，經(jīng)渣池泵輸送至灰水處理進(jìn)行處理。表25 各設(shè)備條件設(shè)備名稱氣化爐磨煤機(jī)撈渣機(jī)鎖斗溫度/℃1300300100260壓力/Mpa常壓氣化爐反應(yīng)器模擬計(jì)算結(jié)果如下表。表26 氣化爐反應(yīng)器模擬結(jié)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(yīng)器模擬結(jié)果成分COH2CO2CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% 將粗合成氣經(jīng)水洗塔水洗后的產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果與粉煤氣流床工藝典型的產(chǎn)物分布進(jìn)行對比可見，各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)模擬計(jì)算值與文獻(xiàn)報(bào)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(wù) 化工過程的物料衡算和能量衡算，是利用物理與化學(xué)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(jìn)行定量的計(jì)算。通過計(jì)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(shè)備內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)換與能量傳遞的參數(shù)。從而為確定操作方式、設(shè)備選型以及設(shè)備尺寸的確定、管路設(shè)施與公用工程的設(shè)計(jì)提供依據(jù)[1]。 物料衡算是質(zhì)量守恒定律的一種表現(xiàn)形式，是以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)對物料平衡進(jìn)行的計(jì)算。工藝設(shè)計(jì)中，物料衡算的目的是根據(jù)原料與產(chǎn)品之間的定量轉(zhuǎn)化關(guān)系，計(jì)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(jìn)而為熱量衡算、其他工藝計(jì)算及設(shè)備計(jì)算打基礎(chǔ)[2]。物料衡算是化工計(jì)算中最基本、也是最重要的內(nèi)容之一，它是能量衡算的基礎(chǔ)。一般在物料衡算之后，才能計(jì)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(shè)備或裝置，利用實(shí)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(jì)算結(jié)果，對生產(chǎn)情況進(jìn)行分析、作出判斷、提出改進(jìn)措施。另一種是設(shè)計(jì)一種新的設(shè)備或裝置，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，先作物料衡算，求出進(jìn)出各設(shè)備的物料量，然后再作能量衡算，求出設(shè)備或過程的熱負(fù)荷，從而確定設(shè)備尺寸及整個(gè)工藝流程。 物料衡算的理論依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在一個(gè)孤立物系中，不論物質(zhì)發(fā)生任何變化，它的質(zhì)量始終不變（不包括核反應(yīng)，因?yàn)楹朔磻?yīng)能量變化非常大，此定律不適用）。一個(gè)完整的物料衡算是進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，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(yīng)的物料衡算，常可籍以查找出有無微量積碳的副反應(yīng)等），因此，在工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡可能的進(jìn)出物料的平衡[3]。物料衡算是質(zhì)量守恒定律的一個(gè)重要的理論基礎(chǔ)[4]。 物料衡算的原則 （一）物料衡算的質(zhì)量守恒：物料平衡方程是根據(jù)質(zhì)量守恒原理建立起來的。用文字表達(dá)如下：進(jìn)入系統(tǒng)的質(zhì)量流量—排出系統(tǒng)的質(zhì)量流量=系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量的積累 對于穩(wěn)態(tài)過程，系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量的積累為零。此時(shí)有 進(jìn)入系統(tǒng)的質(zhì)量流量=排出系統(tǒng)的質(zhì)量流量。 （二）物料衡算基準(zhǔn)：在物料、能量衡算過程中，恰當(dāng)?shù)倪x擇計(jì)算基準(zhǔn)可以使計(jì)算簡化，同時(shí)也可以減少計(jì)算的誤差。在一般的化工工藝計(jì)算中，選擇基準(zhǔn)大致有以下幾種。 （1）時(shí)間基準(zhǔn) 對于連續(xù)生產(chǎn)過程，以秒、小時(shí)、天等的一段時(shí)間間隔的投料量或者產(chǎn)品量作為計(jì)算的基準(zhǔn)。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(zhǔn)。（2）質(zhì)量基準(zhǔn) 對液體或者固體介質(zhì)，可以取某一基準(zhǔn)物流的質(zhì)量為100kg，然后計(jì)算其他物流的質(zhì)量?；鶞?zhǔn)物質(zhì)可以使產(chǎn)品，也可以是原料，也可以是任何一個(gè)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(zhǔn)最合適。對于有化學(xué)反應(yīng)的過程，由于化學(xué)反應(yīng)按物質(zhì)的量（mol）進(jìn)行的，因此用物質(zhì)的量作為基準(zhǔn)更為方便。 （3）體積基準(zhǔn) 對于氣體物料，可采用標(biāo)準(zhǔn)體積基準(zhǔn)，這時(shí)應(yīng)將實(shí)際情況下的體積換算成為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，103m3標(biāo)準(zhǔn)體積的氣體。氣體混合物中組分的體積分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)在數(shù)值上是相同的。 （三）物料衡算的基本步驟 進(jìn)行物料衡算時(shí)，為了避免錯(cuò)誤，便于檢查核對，必須采取正確的計(jì)算步驟。一般按以下程序進(jìn)行。（1）確定衡算的對象和范圍，如一個(gè)單元設(shè)備，一套裝置或一個(gè)系統(tǒng)，并畫出計(jì)算對象的草圖。對于整個(gè)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(shí)，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(jì)算任務(wù)，明確哪些是已知項(xiàng)，哪些是待求項(xiàng)，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)公式，力求計(jì)算方法簡便。 （3）確定過程所設(shè)計(jì)的組分，并對所有的組分依次編號。 （4）對物流流股進(jìn)行編號，并標(biāo)注物流變量。 （5）收集數(shù)據(jù)資料，包括兩類：一類為設(shè)計(jì)任務(wù)所規(guī)定的已知條件；另一類為與過程有關(guān)的物理化學(xué)參數(shù)。具體包括以下內(nèi)容： 生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)時(shí)間； 有關(guān)定額的技術(shù)指標(biāo)； 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(zhì)含量，氣體或者液體混合物的組成等； 與過程有關(guān)的物理化學(xué)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(guān)系，黏度、擴(kuò)散系數(shù)等。在收集有關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)該注意其可靠性、準(zhǔn)確性和適用范圍。一些特殊物質(zhì)的物化數(shù)據(jù)難以獲得或者查找不全時(shí)，可以根據(jù)物理化學(xué)的基本定律進(jìn)行計(jì)算。 （6）列出過程的全部獨(dú)立物料平衡方程式及其其他相關(guān)公式。 物料衡算 工業(yè)上為評價(jià)及計(jì)算，常常采用一些工業(yè)指標(biāo)，用來衡量生產(chǎn)情況：（1）轉(zhuǎn)化率 （2）收率（3）選擇性（4）限制反應(yīng)物（5）過量反應(yīng)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(jìn)入氣化爐的單位質(zhì)量的原料所生成的干基合成氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的（0℃，1個(gè)大氣壓）體積。 （2）有效產(chǎn)氣率：是指單位質(zhì)量（1千克干基原料）的原料生成的