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1、6万吨合成氨造气工段工艺设计摘 要摘要：本设计6万吨/年合成氨造气工段工艺设计采用块煤送入造气炉制气，该工艺技术成熟，结合湖北宜化丰富的生产和管理经验，在同行业中具有热量回收充分、消耗低、低成本等优势。根据已知参数，利用所学知识对合成氨的工艺流程进行设计，工艺计算，并对设备进行了选型。 关键词：造气炉；已知参数；工艺衡算；设备计算 目 录 摘 要11前言32.物料及热量衡算62.1.被损耗燃料各组分量的计算82.2.炉渣生成量的计算92.3.计算带出物及炉渣中各组分的总重量92.4.燃烧气化后进入煤气中各元素的量103.空气吹分阶段的计算113.1.物料衡算113.2.热量衡算124.蒸汽吹送
2、阶段的计算154.1.物料衡算15热平衡计算195总过程计算21燃料使用分配21吹风气产量21物料平衡225.4 热量平衡245.5 配气计算265.6 消耗定额（以吨氨为基准）276主要设备工艺计算29空气鼓风机的计算29煤气发生炉的计算31废热锅炉的计算32洗气塔357结论40参考文献41致 谢421前言氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产。合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。本次设计采用间歇式固体煤气发生炉造气，余热回收，具有环保、节能的优势。现对造气工段主要工艺做一下简介。1.固定层煤气发生炉制造的煤气根据气化剂不同, 工业煤气一般分以下四种:空气煤
3、气: 以空气为气化剂制取的煤气,合成氨生产中也称吹风气.水煤气: 以水蒸汽为气化剂制取的煤气.混合煤气: 以空气和适量的水蒸汽为气化剂制取的煤气.半水煤气: 组成符合(氢气+氧化碳)与氮气体积比为3.1-3.2的混合煤气,即合成氨原料气2.煤气发生炉自上而下分为干燥层,干馏层,还原层,氧化层,灰渣层.干燥层: 一般不产生气化反应,此区内的燃料因刚加入炉内,故温度低,主要是通过吹风时的吹风气,上吹时的煤气,以及下吹时的过热蒸汽,通过此区域时,将此区域的水蒸发掉,起干燥预热的作用.干馏层: 此区燃料受到热气体连续加热并分解放出低分子烃,在热分解时析出水份,醋酸,硫化氢,甲烷等,气化剂通过此区域时一
4、般不发生反应.还原层: 此区域是气化层发生气化反应的主要区域之一,由氧化层来的CO2还原生成CO及水蒸汽分解为氢气,燃料依靠与热的气体换热被再次预热,此区域的化学反应是: CO2+C=2CO H2O+C=CO+H2 2H2O+C=CO2+2H2CO+H2O=CO2+H2氧化层: 在煤气炉的整个燃料中此区域的温度最高,燃料中的C与空气中的O2产生反应,其反应C+O22=CO22 2C+O222 氧化层与还原层总称为气化层.灰渣层: 燃料经过气化后,剩余物质称为灰渣,灰渣与炉体最下部分称为灰渣层,在生产中起到预热气化剂,保护炉篦和承受燃料层骨架的作用.3.间歇式制气通常分为五个阶段进行:吹风阶段:
5、 空气从炉底吹入,进行气化反应,提高燃料层的温度.上吹制气阶段:蒸汽和加氮空气从炉底送入,经气化反应生成煤气送入气柜.下吹制气阶段: 水蒸气自上而下通过燃料层生成的煤气也送入气柜，其目的是吸收炉内热量可降低炉顶温度,使气化层恢复到正常位置,同时使炭层温度增高,有利于燃尽残碳.二次上吹制气阶段: 蒸气由炉底入炉将炉底下部管道中的煤气排净,为吹风做准备俗称安全上吹.吹净回收阶段: 二次上吹后炉上部分空间出气管道及有关设备都充满煤气,如吹入空气立即放空或送三气将造成浪费,因此转入吹风之前,从炉底部吹入空气,与产生的空气煤气与原来残留的水煤气一并送入气柜加以回收。 造气炉图示(1).原料采用无烟块煤。
6、（2）.基本数据主要是参照湖北宜化以及煤炭科学研究所的实测结果，并作了相应的适当调整。加氮方法是采用上吹加氮，即开始上吹的同时，吹风暂不关闭，继续由空气管路向炉内送空气，一并回收到系统中去。加氮时间可根据半水煤气成份要求随时调整。显然，这种方法不如上、下吹全过程均匀加氮的效果好，但简单方便，亦可以满足生产需要。为简化计算，按照蒸汽吹送阶段均匀加氮来进行计算。计算基准：以100kg块状无烟煤为原料。本设计中块煤来源于山西，根据鄂尔多斯联合化工造气工艺指标分析参数以及相关调整制定已知条件如下：表2-1燃料组成及热值序号成份CHONSA1W合计1重量（%）湿1002重量（%）干100其中：A1为灰份
7、 W为水份表2-2吹风气组成成份H2COCO2 N2CH4O2合计H2S体积（%）1003(标)表2-3水煤气组成成份H2COCO2 N2CH4O2合计H2S体积（%）1003(标)表2-4炉渣组成成份CSA合计重量%85100表2-5 各种物料进炉的温度名称温度空气 30吹风气450上行煤气400下行煤气250炉渣250蒸汽压力 （0.10MPa）220查过热蒸汽过热焓値表得焓値：表2-6生产循环时间序号操作名称吹风上吹下吹二次上吹空气吹净合计1%203140631002时间 ,S30609150燃烧在炉中被带出的损失量按照4kg计算，其为干燃料，根据表1-1燃料组成及热值计算求得。其中被损
8、耗燃料中各组分之重量为：表2-7被损耗燃料中各组分之重量序号元素组成，重量%各组分重量，kg1C42H43O44N45S46A24合计1004按照标准100kg燃料计算其中为100kg块状无烟煤中灰份量（湿基）。为燃烧在炉中被带出的损失量按照4kg计算时灰份量。为炉渣组成中灰份量。由此可以炉渣中各组分的生成量为：C: S: A: 由此可得：根据表1-7被损耗燃料中各组分之重量计算和上式炉渣生成量的计算求带出物及炉渣中各组分的总重量。C: H: O: N: S: A: 总计：根据上式计算的带出物及炉渣中各组分的总重量和式2-1求得：C:H:O:N:S:总计：计算误差：C: H: O: N: S:
9、 （标准）（标准）计算由空气带入水汽量空气 （相对湿度：80%）30由物化手册查得空气中水汽含量为：0.0213kg(水汽)/kg（干气）空气带入水汽量为：进：燃料带入氢1.9459kg （2.4计算已得）空气中水汽带入氢 合计：出：吹风气中的氢 吹风气中水汽含氢合计为： 吹风气中水汽含量故可得每标准吹风气中水汽含量为：进：燃料带入氧4.9643kg （2.4计算已得）空气中带入氧 空气中水汽带入氧 合计：出：吹风气中的氧: 吹风气中水汽含氧合计为： 误差：1.1.2. 硫的平衡进：燃料带入硫0.4288kg （2.4计算已得）出：吹风气中带入硫 燃料发热量：燃料显热：式中1.0467为燃料的
10、比热容： 根据燃料情况估算。干空气焓式中1.2979为空气的比热容，查化工原理得。空气中水汽焓：30时的干饱和蒸汽的焓合计2879030KJ吹风气发热量：有表2-2吹风气组成查得各组分气体之高热值，计算单位吹风气发热量单位吹风气发热量: (表)干吹风气的焓：其中：1.4455为吹风气的平均热值，标准。由附录1-5-9-17查得各组分气体的平均比热容。干吹风气平均比热容吹风气中水汽焓：450时的过热蒸汽的焓（物理化学手册）。飞灰发热量（干燃料发热量）飞灰显热：燃料的比热容炉渣中可燃物的发热量式中33913、10467分别为碳和硫的发热值炉渣的显热：煤渣的比热容散失热（取燃烧发热量的6%）表3-1
11、空气吹分阶段的热量平衡表进项 ， KJ出项 ， KJ1.燃料发热量 28164607.炉渣的显热 37333煤气中所含元素量C: H: O: N: S: （标准）（标准）4.1.4空气带入水汽量为：设定已知和假设条件上行煤气量（标准）上行煤气含水量（标准）干上下吹蒸汽量相等各为下行煤气量（标准）下行煤气含水量（标准）干为计算方便起见，上下吹时气体成分假设相同，上吹、下吹加N作为均匀加入计算。上行阶段进项燃料带入氢 蒸汽带入氢 空气中水汽带入氢合计：出项: 煤气中氢 煤气中水汽含氢合计：平衡：下行阶段进项：燃料带入氢蒸汽带入氢空气中水汽带入氢出项：煤气中含氢煤气中水汽含氢量合计：平衡：解方程（1
12、）（2）（标准）由此得：上行煤气产量：（标）上行煤气产量占总量的百分数下行煤气产量：（标）下行煤气产量占总产量的百分数上行煤气中水汽含量:下行煤气中水汽含量:煤气中总水汽量:上吹蒸汽量：下吹蒸汽量：蒸汽总耗量：上吹蒸汽分解率：下吹蒸汽分解率：平均蒸汽分解率进项：燃料带入氧 蒸汽带入氧空气带入氧空气中水汽带入氧合计：出项：煤气中氧煤气中水汽含氧合计：误差：煤料带入硫 合计 煤气中硫 燃料发热量 燃料显热 蒸汽焓 干空气焓 其中：1.2979为由物化手册附录1-5-10查得， （标准）。空气中水汽焓合计水煤气发热量式中9624.8517为水煤气热值，由下式得：单位煤气发热量上下行干煤气焓上行煤气焓
13、上行煤气的平均比热容（标）下行煤气焓下行煤气的平均比热容 由物化手册附录查得各气体在0-250的平均比热容上下行干气焓：上行：下行：250时的过热蒸汽的焓上下行煤气总水汽焓：飞灰燃料的显热炉渣中可燃物的发热量炉渣显热：散失热量（取燃烧发热量的5.256%）合计：表4-1空气吹分阶段的热量平衡表进项 ， KJ出项 ， KJ1.燃料发热量 28164607.炉渣的显热 3733.055总过程计算每100kg燃料中用于制半水煤气为xkg根据热平衡得：得每100kg燃料用于制取水煤气为每100kg燃料用于制取吹风气为（标）吹风耗空气量（标）水煤气产量（标）加氮空气耗量（标）蒸汽耗量（标）总过程效率碳平
14、衡进项:出项：水煤气含碳：吹风气中含碳： 氢平衡进项：燃料中氢 空气中水汽带入氢加氮空气中水汽带入氢蒸汽带入氢出项：水煤气中含氢水煤气中水汽带入氢吹风气中含氢吹风气中水汽含氢氧平衡进项：燃料中氧 空气中水汽带入氧加氮空气中水汽带入氧蒸汽带入氧出项：水煤气中含氧水煤气中水汽带入氧吹风气中含氧吹风气中水汽含氧误差：氮平衡进项：燃料中氮 空气中水汽带入氮加氮空气中水汽带入氮出项：水煤气中含氮吹风气中含氮硫平衡进项： 出项：吹风气中硫含量水煤气中硫含量5.4 热量平衡进项燃料发热量 燃料显热 干空气焓 空气中水汽焓 加氮干空气焓 加氮空气中水汽焓蒸汽焓 合计： 出项吹风气发热量干吹风气焓吹风气中水汽焓
15、水煤气发热量干水煤气焓 其中，上行 下行 水煤气中水汽焓其中：上行 其中：下行 飞灰可燃物发热量 飞灰燃料的显热量 炉渣中可燃物的发热量 炉渣的显热量 散失热量 表5-1热量平衡表进项 ， KJ出项 ， KJ1.燃料发热量 28164602.干吹风气的热焓 125899.44 5.5 配气计算配气量计算半水煤气中 吹风气中有效成份水煤气中有效成份设单位水煤气中配入吹风气量为（标）需要配入的吹风气量为：（标）100kg燃料可制取半水煤气为：（标）5.6 消耗定额（以吨氨为基准）半水煤气吨氨耗为吨氨原料煤消耗 折合含碳量为84%的标准燃料煤空气消耗量（标准）蒸汽消耗量吹净时间核算配入水煤气中的吹风
16、气为，占吹风气总量的百分数为：吹净时风量的65%左右，根据循环时间计算，吹净气量占吹风气总量百分数：二者接近，吹风回收气量即为配入水煤气中的吹风气量，故已定循环时间百分比基本适应。煤气炉指标（各气体的瞬时流量）合成氨能力为6万吨/年，采用块煤，吨氨需要半水煤气量为3350Nm3，小时半水煤气量为3350 Nm3/h620100Nm3/h。根据湖北宜化生产的2.8m煤气发生炉实际情况，单台煤气发生炉产气量为：5500 Nm3/h需要2.8m煤气发生炉台数：2010055003.65 即4台采用5台煤气发生炉，预留1台作为备用。表2-6生产循环时间序号操作名称吹风上吹下吹二次上吹空气吹净合计1%2
17、03140631002时间 ,S30609150根据表2-6生产循环时间每100kg块煤的生产指标为：生产量： 加氮水煤气 （标） 半水煤气 （标） 吹风气 消耗量：吹风空气（包括吹净）蒸汽量 每个循环平均产半水煤气量吹风空气流量吹净时风量为吹风时风量的65%左右加氮空气流量蒸汽流量上吹蒸汽流量（包括二次上吹）下吹蒸汽流量吹风气流量（标）上行煤气流量下行煤气流量关于上面的计算有以下几点需要说明： 以上计算流量未考虑设备工况不稳定时会有泄露。 煤气产量在加煤后各循环中并不相同，以上指标是平均值。 假定上吹阶段为均匀加氮过程。6主要设备工艺计算6.1.1干空气用量：以一台炉上吹加氮计。由5.6可得
18、：（干）6.1.2 空气含水量（干）则含水量为：（标准）图6-1空气-水系统的湿度-温度图（100KPa）6.1.3 湿空气用量（标准）当海拔高度低于3000米以下时，海拔高度每升高12米，大气压降低133pa，根据已知海拔高度选择400米及下降4433pa， 即为：可以中意机电（湖北）鼓风机制造生产的D600 共2台，1台备用。夹套锅炉的作用：降低氧化层的温度，防止灰渣粘壁并副产蒸汽。夹套锅炉的液位控制在1/22/3。规定夹套锅炉回收热量为煤气炉散热量的50%，软水采用离子交换工艺出水控制水质及监控电导率(其规定工艺指标为10us/cm)，温度进口30，总固体150ppm，锅炉产蒸汽压力为0
19、.2MPa(绝压)饱和蒸汽。排污水总固体2000ppm。炉膛面积,则：生产强度 /台根据此参数可以选择由山东博山渣浆泵厂生产的2800造气炉，夹套水蒸发量为，副产的0.2Mpa蒸汽冬季用于取暖，其余返回造气锅炉。夹套产汽量及耗水量根据100kg燃料为基准的热量计算已求得煤气炉散失热量， 假设进口脱盐水量为，产汽量为进项：回收散失热量： 软水显热： 合计 出项：蒸汽热焓： 式中为0.2Mpa蒸汽饱和蒸汽焓 排污水热焓： 式中498.4944为0.2Mpa沸水的焓，合计：平衡： （1）总固相平衡： （2）联立求解得: 由计算已得吨氨耗原煤每台炉每小时产氨折合每小时：副产蒸汽 消耗软水：排污：6.3
20、1已知条件废热锅炉的作用：回收吹风气和上吹煤气的显热，产生蒸汽，为煤气炉制气和其他化工生产提供一部分蒸汽来源，废热锅炉炉身倾斜7度，用于促进对流，提高热交换率，并使炉身和汽包重心达到平衡，避免基础受力不均而塌陷，以致发生锅炉倒塌的严重事故，废热锅炉的外壁包有石棉制品隔热保温层，防止热量损失。废热锅炉的液位控制在1/31/。煤气炉是间歇生产，废热锅炉能力应满足最大热负荷的需要。在造气的操作的各阶段以吹风气阶段的热负荷为最大，故废热锅炉传热面积可以根据以吹风气为条件进行计算。已知计算得到的吹风气流量每标准干吹风气中水汽含量故由空气吹风阶段的计算可得每标准吹风气中水汽含量为：表6-1废热锅炉工艺参数
21、名称温度气体进口温度450气体出口温度230炉内压力产气压力软水进口温度总固体排污水总固体30150ppm1500 ppm6.32产气量及耗水量 根据以100kg燃料为基准的热量平衡计算以及总固体平衡计算设进口软水量为xkg，产气量为ykg热量平衡进项（1）.干吹风气显热由5.2计算100kg燃料吹风气产量为：（标）时的平均热熔，（2）.吹风气中水汽热焓的过热蒸汽焓，kg/Kj每标准吹风气中水汽含量，。（3）.干上行煤气显热 为100kg燃料上行煤气量，时的平均热熔，。（4）.上行煤气中水汽热焓 （5）.软水显热。合计： 出项（1）.干吹风气显热时的平均热熔，（2）.吹风气中水汽热焓的过热蒸汽
22、焓，K每标准吹风气中水汽含量，。（3）.干上行煤气显热时的平均热熔，。（4）.上行煤气中水汽热焓 （5）.蒸汽热焓饱和蒸汽 的焓为：2759.7，KJ/kg （6）.排污水热焓沸水的焓KJ/kg（7）.热损失取3%合计：平衡： （1）总固相平衡： （2）每100kg燃料排出污水：2.13 kg由计算已得吨氨耗原煤每台炉每小时产氨折合每小时：副产蒸汽 消耗软水：排污：则换热器可以选择为列管式吹风气平均温度：吹风气平均体积流量 管采用573.5,气体流速取12m/s,170管子根数：管间距取t=70mm，管板填充系数取=90%，取n=500，D=1800mm，L=6m，换热面积为。6.41第一洗气
23、塔（洗气箱）6.411已知条件（1）.进气总管92012mm（2）.气柜压力300mm水柱（3）.洗气塔至气柜间管道阻力100mm水柱（4）.洗气塔阻力100mm水柱（5）.进气管水封高度65mm （6）.上行煤气流量下行煤气流量（7）. 上行煤气含水量（标准）干下行煤气含水量（标准）干（8）.出洗气箱气体温度 80（9）.冷却水温度 32（10）.上行煤气通过时，洗气箱排水温度 50取洗气箱直径 H=4m（1）.出洗气箱上行煤气流量出废热锅炉上行煤气干气： 水汽： .进洗气箱上行煤气热焓有废热锅炉计算，出废热锅炉上行煤气温度为230.干气显热 的平均分子热熔.水汽热焓 0-230时过热蒸汽的
24、焓合计 .出洗气箱上行煤气热焓.干气显热 的平均分子热熔.水汽热焓 0-80时过热蒸汽的焓合计 .出洗气箱上行煤气中水汽含量 进洗气箱焓差：洗涤水带出热量 耗于蒸发水份的热量蒸发水量2640为80时过热蒸汽的焓出洗气箱上行煤气中所带水汽量 出洗气箱上行煤气流量 （2）.出洗气箱下行煤气流量及排水温度出炉煤气下行煤气干气 水汽 .进洗气箱下行煤气热焓有废热锅炉计算，出废热锅炉下行煤气温度为150.干气显热 的平均分子热熔.水汽热焓 0-150时过热蒸汽的焓合计 .出洗气箱下行煤气热焓.干气显热 的平均分子热熔.水汽热焓出洗气箱气体中水汽含量 1.0738出洗气塔气体压力，80饱和蒸汽压，水汽热焓
25、 .冷凝水显热 冷凝水量 冷凝水显热 合计 .出洗气箱下行煤气流量（3）.出洗气箱总气量干煤气 水汽 合计 6.42第二洗气塔供四台煤气炉所产半水煤气冷却用，通过洗气塔的最大热负荷的气量应为二台炉上吹两台炉下吹之和。现采用两个洗气塔并联。进塔气体量 565kmol进塔气体温度 80出塔气体温度 35冷却水温度 32出塔气中水汽含量1.0638出洗气塔气体压力，0.0573,35时的饱和蒸汽压，进塔气中的水蒸气冷凝量：出塔气体量 进热：（1）.干气显热 (2). 水汽热焓 （3）.冷却水显热采用440032 喷头 4400为喷头流量，冷却水显热：合计 出热 ： （1）.干气显热：的平均分子热熔（
26、2）.水汽热焓：(3).冷凝水显热：设出塔温度为t20235tkJ出口塔径流量：根据经验气体流速为根据洗气塔设计K取：代入数据得 取12m。7结论在本次设计中通过多方搜集资料，应用化工原理、化工工艺学、过程设备设计等学科知识，从设计条件出发计算出各工段前后物料各项参数，计算合成氨造气工段各主要设备的尺寸。选择了造气工艺间歇式固体煤气发生炉，以及进行了工艺恒算，设备的选型计算，以上有详细计算。由于合成氨是成熟工艺，参考文献资料较多，在本设计中，主要参考了小合成氨厂工艺技术与设计手册。由于时间有限，设计可能不完善，请各位老师指出。谢谢！参考文献1 梅安华，小合成氨厂工艺设计手册，化学工业出版社，1
27、995年2姚玉英主编.化工原理M，天津科技出版社，1992年3 陈敏恒等编.化工原理.清华大学出版社，2002年4郑津洋等编.过程设备设计.化学工业出版社，2005年5陈英南等编.常用化工单元设备的设计.华东理工大学出版社，2002年6董大勤等编.压力容器与化工设备实用手册化学工业出版社，2000年7郑晓梅主编.化工制图.化学工业出版社， 2006年8谭世语等编.化工工艺学.重庆大学出版社，2004年致 谢本次设计是本人在工厂通过网络在老师的精心指导下和同事的协助下完成的。老师渊博的知识，言传身教的学者风范，严谨求实的作风，高尚的人品，以及高度的责任感将永远激励我自强不息。值此设计完成之际，谨向斯钦老师致以诚挚的敬意和衷心的感谢，并祝愿他身体健康！还要感谢我同学和同事的大力配合与帮助，是我们共同努力完成了本次设计。祝福他们前程似锦！同时，也感谢在百忙之中来参加评审的各位老师，在此向你们表示诚挚的谢意！最后，向所有参考文献的作者致以谢意!