【正文】 由于造氣工段在整個(gè)合成氨生產(chǎn)中能耗很大，故本設(shè)計(jì)最后從提高燃料有效利用率、降低蒸汽消耗方面闡述了合成氨生產(chǎn)造氣工段降低能耗的途徑，提出了合成氨生產(chǎn)造氣工段節(jié)能增效的應(yīng)對(duì)措施。在煤氣爐的物料衡算中，進(jìn)項(xiàng)為100kg入爐燃料，出項(xiàng)包括灰分、干料、%；能量衡算中，進(jìn)項(xiàng)包括燃料熱值、空氣中水汽的焓、干空氣顯熱、燃料顯熱共計(jì)2904868kJ，出項(xiàng)包括吹風(fēng)氣熱值、帶出物熱值、吹風(fēng)氣中水汽的焓、干吹風(fēng)氣顯熱等共計(jì)1575121 kJ，其差值1329747 kJ為積蓄在煤層中的熱量；在制氣階段，分別對(duì)碳、氫、氧、氮、硫元素進(jìn)行了衡算；熱量衡算中，進(jìn)項(xiàng)包括燃料熱值、燃料顯熱、蒸汽的焓、氮空氣中水汽的焓、干氮空氣顯熱共計(jì)3505330 kJ，出項(xiàng)4305044 kJ,其差值799714 kJ為從煤層中吸取的熱量，%；在配氣計(jì)算中，100千克燃料實(shí)際可制得半水煤氣量為238 m3，半水煤氣的實(shí)際組成為CO2 %、O2 %、CO % 、 H2 %、CH4 %、N2 %。；煤氣爐內(nèi)燃料各層之間并沒(méi)有嚴(yán)格的界限，即沒(méi)有明顯的分層，各層高度隨燃料的種類(lèi)性質(zhì)和氣化條件不同而異；該工藝要求爐溫范圍10001200℃、吹風(fēng)速度以不使炭層出現(xiàn)風(fēng)洞為限、合適的燃料層高度以及適宜的蒸汽用量。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(wú)煙塊煤。據(jù)部分生產(chǎn)廠(chǎng)家的實(shí)測(cè)數(shù)值，一般使用200℃以上的過(guò)熱蒸汽制氣時(shí)，蒸汽分解率可提高5%，噸氨蒸汽的消耗定額約下降250 kg/t[35]。日常生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)氣化層溫度，控制合理的蒸汽入爐量，盡可能地降低蒸汽流速并使之穩(wěn)定，增加赤熱的碳與蒸汽接觸時(shí)間，以提高蒸汽分解率。主要原因是由于動(dòng)力學(xué)控制影響過(guò)大，反應(yīng)不完全，蒸汽用量增大時(shí)，吸熱反應(yīng)增加，導(dǎo)致氣化層溫度下降，繼而導(dǎo)致蒸汽分解率下降。在氣化操作中，影響蒸汽分解率的主要因素為：①氣化層的溫度和厚度；②制氣時(shí)的蒸汽流速；③爐上、爐下空間體積；④入爐蒸汽溫度。由此可見(jiàn)，提高蒸汽分解率，是降低蒸汽用量的主要途徑，也是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵所在。在半水煤氣消耗定額相同的情況下，由于蒸汽分解率的不同，用于造氣工段的蒸汽量具有很大的差異。造氣工段的蒸汽用量可用下式計(jì)算[34]： （54）式中QT 制氣時(shí)噸氨的蒸汽用量，kg/t；V半為半水煤氣的噸氨消耗定額，m3/t；；（H2）為半水煤氣中H2的體積分?jǐn)?shù)，%；Q為制氣過(guò)程平均蒸汽分解率，%。蒸汽用量過(guò)大，大量未分解的蒸汽帶走了爐內(nèi)熱量，使氣化層溫度下降，不僅導(dǎo)致氣化效率降低，而且浪費(fèi)了蒸汽，增加了氣體洗滌塔熱負(fù)荷，使氣體洗滌塔出氣溫度相應(yīng)增高，在一定程度上影響了下工序的有效打氣量。氣化層位置控制不當(dāng)，灰渣層過(guò)薄或厚度不均勻，必然導(dǎo)致?tīng)t底出氣溫度增高，帶出熱量多，降低氣化效率。目前，國(guó)內(nèi)已有企業(yè)采用自動(dòng)連續(xù)加炭方式，炭層高度、氣化層位置、灰渣層厚度、煤氣爐負(fù)荷等選擇控制得較為合理，實(shí)現(xiàn)了爐頂、爐底出氣溫度之和小于460℃，入爐實(shí)物噸氨消耗在11001150 kg范圍內(nèi)，達(dá)到了較高的控制水平[33]。 減少熱量損失①選擇與風(fēng)機(jī)相適應(yīng)的炭層高度(一般從風(fēng)帽頂向上炭層高度為18002600 mm)。煤氣爐負(fù)荷重，氣化劑流速快，帶出物就多，特別是下吹制氣時(shí)，蒸汽用量大則流速快，下吹帶出物相應(yīng)增多。⑤掌握好下灰質(zhì)量，將灰中結(jié)渣率控制在65%以上，減少灰中的細(xì)灰量。③選擇機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性較好的燃料，嚴(yán)格把握入爐燃料的加工質(zhì)量，減少粉末入爐，力求料層阻力均勻。①Φ3000 mm系列煤氣爐風(fēng)機(jī)可選450550 m3/min，風(fēng)壓在2528 kPa范圍內(nèi)。 降低吹風(fēng)及制氣帶出物提高風(fēng)速可以減少二氧化碳還原為一氧化碳的幾率，但隨著風(fēng)速的提高，必然導(dǎo)致帶出物增多，故風(fēng)速的選擇應(yīng)以帶出物較少和不吹翻炭層為原則。⑥爐溫控制不當(dāng)，造成結(jié)疤、結(jié)塊，導(dǎo)致氣化劑分布不勻，氣化不良或爐溫控制過(guò)低，蒸汽用量過(guò)大，燃料反應(yīng)不完全時(shí)即排出爐外。⑤爐條機(jī)排灰速度與燃料氣化后所生成灰渣的速度不相適應(yīng)，排灰量過(guò)大。③上、下吹百分比或上、下吹蒸汽用量選配不當(dāng)。①煤氣爐爐底防漏裝置選擇安裝不當(dāng)或在使用中損壞，造成排灰不勻或發(fā)生漏炭、塌炭，致使返炭率升高。因此，努力降低灰渣可燃物，是提高碳利用率的重要一環(huán)。粒徑較大的返炭雖然可以回收利用，但已帶出了部分熱量，造成一定的熱量損失。 降低灰渣返炭率灰渣中的含碳最與灰量之比稱(chēng)為返炭率。特別是在爐內(nèi)溫度稍有下降，而氣體質(zhì)量和氣化強(qiáng)度立即比較大幅度降低的情況下，前者的反應(yīng)速度可能處于擴(kuò)散區(qū)或過(guò)渡區(qū)，而后者則處于動(dòng)力學(xué)控制區(qū)。從間歇式固定層煤氣生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看，在采用活性較高的冶金焦為原料時(shí)，在同樣溫度下，適當(dāng)?shù)靥岣邭饣瘎┤霠t速度，可以在不影響氣體質(zhì)量(煤氣中CO含量并不減少)的條件下，提高氣化強(qiáng)度。在相同溫度下，隨著壓力的升高，氣體中的H2O，CO2和CH4含量增加，而H2和CO的含量減少。溫度超過(guò)1100℃以后，反應(yīng)速度較快，開(kāi)始為擴(kuò)散控制。換言之，夾套損失熱一定，提高制氣效率就是控制適宜的氣化層溫度，提高蒸汽分解率，降低爐上、爐下溫度，減少熱量損失，提高水煤氣的數(shù)量和質(zhì)量。在制氣過(guò)程中，在Q燃消耗和氣化劑蒸汽所帶入熱量Q蒸一定的前提下，提高制氣效率就是提高吹風(fēng)時(shí)積蓄于燃料層內(nèi)可以利用的熱量Q利用的有效利用率。 （52） （53）式中，Q反為制氣反應(yīng)吸收的熱量，kJ/mol；Q氣為水煤氣及未分解蒸汽帶出的熱量，kJ/mol；Q損為夾套等熱量損失，kJ ；Q利用為吹風(fēng)氣儲(chǔ)存到燃料層的熱量，kJ。根據(jù)吹風(fēng)過(guò)程反應(yīng)的特點(diǎn)，控制適宜的吹風(fēng)強(qiáng)度和氣化層溫度，對(duì)提高吹風(fēng)效率，降低原料煤及蒸汽消耗具有重要的意義。一般認(rèn)為，碳與二氧化碳之間的反應(yīng)速度比碳燃燒速度要慢得多。通過(guò)對(duì)碳與氧反應(yīng)研究表明，這一反應(yīng)在775℃以下時(shí)，屬于動(dòng)力學(xué)控制；在高于900℃時(shí)，屬于擴(kuò)散控制；在這兩個(gè)溫度區(qū)域之間時(shí)，可認(rèn)為處于過(guò)渡區(qū)。實(shí)驗(yàn)證明，這一反應(yīng)在800℃以上溫度時(shí)，幾乎是不可逆地自左向右進(jìn)行，而且屬于擴(kuò)散控制。要達(dá)到理想的吹風(fēng)效率，可采取如下措施：①保持氣化層溫度在適宜的范圍內(nèi)，并選擇適宜的空速，盡量降低吹風(fēng)氣中一氧化碳含量；②在煤氣爐高徑比允許的情況下，控制適宜的炭層高度、氣化層厚度和灰渣層厚度；③保持較高的上預(yù)熱層厚度(在風(fēng)機(jī)能力允許的情況下)，以增加煤氣爐燃料層蓄熱能力，為提高煤氣爐的氣化效率創(chuàng)造有利條件[29]。換句話(huà)說(shuō)，從氣化層移走的任何熱量，盡管可以用來(lái)產(chǎn)生蒸汽并加以回收，但由于氣化層中積蓄的熱量效率太低因而是不經(jīng)濟(jì)的。為了使炭層中積蓄一份可供制氣用的熱量，往往要燃燒掉二倍于這份熱量的燃料。h(優(yōu)質(zhì)原料取高限，劣質(zhì)原料取低限)[28]。根據(jù)所用燃料的特性、粒度等條件，選擇適宜的風(fēng)壓、風(fēng)量參數(shù)的鼓風(fēng)機(jī)、循環(huán)時(shí)間、吹風(fēng)百分比，控制適宜的炭層高度和氣化層溫度、厚度、位置，全方位降低熱量損失，是提高碳的利用率，降低兩煤消耗的主要途徑之一。然而風(fēng)壓、風(fēng)量過(guò)大，不僅會(huì)導(dǎo)致吹風(fēng)階段帶出物明顯增多，而且爐內(nèi)炭層容易吹翻，難以維持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；而風(fēng)壓、風(fēng)量過(guò)小，則會(huì)導(dǎo)致煤氣爐氣化強(qiáng)度降低。顯然，吹風(fēng)階段與制氣過(guò)程對(duì)氣化層溫度要求是矛盾的。在實(shí)際生產(chǎn)中，隨著吹風(fēng)時(shí)間的延續(xù)，吹風(fēng)氣中一氧化碳含量逐漸升高是不可避免的。因此，將氣化層溫度控制在適宜的范圍內(nèi)，提高空氣流速(在炭層不吹翻的前提下)，降低吹風(fēng)氣中的一氧化碳含量是十分重要的。由吹風(fēng)階段化學(xué)反應(yīng)可知，吹風(fēng)階段每消耗1kmol碳所放出的反應(yīng)熱Q反，同生成產(chǎn)物中一氧化碳和二氧化碳的含量有關(guān)。吹風(fēng)效率是積蓄于燃料層的熱量和消耗燃料所具有的熱值之比，其意義可用下式表示[31]： (51)式中，E吹風(fēng)為吹風(fēng)階段的效率，%；Q燃為吹風(fēng)階段消耗的燃料所具有的熱值，kJ；Q反為吹風(fēng)階段化學(xué)反應(yīng)放出的熱量， kJ ；Q氣為吹風(fēng)氣帶走的熱量，kJ。提高碳的有效利用率的途徑包括提高吹風(fēng)效率和控制氣效率、降低灰渣返炭率、減少吹風(fēng)和制氣帶出物、減少熱量損失等方面，以下分別闡述[25][26]。若碳的有效利用率為65%，則噸氨耗標(biāo)準(zhǔn)煤為：(kg) 碳的利用率提高到70%，則噸氨耗標(biāo)準(zhǔn)煤為：(kg) 如果碳的有效利用率由65%提高至70%，則噸氨標(biāo)準(zhǔn)煤可下降86kg。例如，生產(chǎn)1t氨，半水煤氣的消耗量用V半表示，半水煤氣中一氧化碳和二氧化碳總含量為 30%+%=% 則每生產(chǎn)1t氨轉(zhuǎn)入半水煤氣中的碳含量為：(12/)V半=(kg/t) 折成標(biāo)準(zhǔn)煤：(kg/t) 式中，+CO2組分百分含量；12為碳的原子量；，每千摩爾體積，m3；V半為噸氨半水煤氣消耗量，m3；。假如使用的氣化原料品種和氣化條件已確定，則半水煤氣中的一氧化碳和二氧化碳的總量也就相應(yīng)為一定值。在生產(chǎn)中，希望有效消耗所占總消耗的比例越高越好，這就需要努力提高燃料的利用率，盡量減少其他形式的碳損失。在實(shí)際氣化過(guò)程中，還要以其他形式消耗大量的碳，如吹風(fēng)過(guò)程中所燃燒的碳、灰渣中未燃盡的碳以及隨著氣體帶走的塵粒中所含的碳等。采用無(wú)煙煤為原料，根據(jù)實(shí)際情況，故選用D700—14型鼓風(fēng)機(jī)，風(fēng)量42000 m3/h。已知條件： 每小時(shí)產(chǎn)半水煤氣量7500 Nm3,年產(chǎn)36萬(wàn)噸合成氨廠(chǎng)，每噸氨需3300 m3的半水煤氣，由于設(shè)備檢修等原因，全年生產(chǎn)時(shí)間不可能為365天，取300天計(jì)。②煤氣產(chǎn)量在加煤后各循環(huán)中并不相同，以上指標(biāo)是平均值。℃下行半水煤氣比熱：＋＋＋＋＋=已知條件的確定: ①[5]，重量%CHONSAW合計(jì) 100燃燒熱值 28476kJ/㎏ ② ，體積%CO2O2COH2CH4N2合計(jì)H2S100③[6]， 體積%CO2O2COH2CH4N2合計(jì)H2S43100④各物料進(jìn)出爐的溫度空氣25℃；相對(duì)濕度80%，（水汽）/kg（干汽）；吹風(fēng)氣，上行煤氣流600℃；下吹煤氣200℃；灰渣200℃；上行蒸汽120℃；飽和蒸汽的焓2730kJ/kg；下吹蒸汽550℃；過(guò)熱蒸汽的焓3595kJ/kg；⑤生產(chǎn)循環(huán)時(shí)間%，時(shí)間（s）吹風(fēng)上吹下吹二次上吹吹凈合計(jì)180s⑥計(jì)算基準(zhǔn)：100kg入爐燃料⑦帶出物數(shù)量及其組分帶出物數(shù)量：2kg絕對(duì)干料[7]元素組成，重量%各組分重量，kgC.2=H2=O2=N2=S2=灰分2=合計(jì)1002帶出物熱值30030kJ/㎏⑧灰渣組成及其各組分重量 灰渣組成（重量%）CS灰分合計(jì)灰渣重量（按灰分平衡計(jì)算），kg（）/=灰渣各組分重量，kgC =S =灰分 =合計(jì)：⑨燃料氣化后轉(zhuǎn)入煤氣中的元素量，kgC H O N S 合計(jì)：計(jì)算誤差： 吹風(fēng)階段的計(jì)算（物料衡算）①每Nm3吹風(fēng)氣中含有的元素量，kgC H O N 28/=S 32/34=②由碳平衡計(jì)算吹風(fēng)氣量：③由氮平衡計(jì)算空氣用量：[580－（－）]/（28/）=530Nm3空氣帶入水汽量：530=()④氫平衡（kg）進(jìn)項(xiàng)：燃料帶入氫量： 空氣中水蒸汽帶入氫量：2/18=合計(jì)： 出項(xiàng)：吹風(fēng)氣中含氫量：580=吹風(fēng)氣中水汽含量：－=合計(jì)：吹風(fēng)氣中水汽含量：18/2=每標(biāo)準(zhǔn)m3吹風(fēng)氣中水汽含量：⑤氧平衡（以kg計(jì)）進(jìn)項(xiàng)：燃料帶入氧量: 空氣中含氧量: