题 目 500kt/a煤合成氨—造气工段初步设计 目 录摘 要: 1关键词： 1Abstract 2第一章 绪 论 31.1氨的性质及用途 31.2古今中外煤气化演进史 31.3合成氨工艺流程 4第二章 工艺选择 52.1工艺方法分类 52.2生产方案的选择 5第三章 常压固定床间歇气化法 63.1制气原理 63.2煤气发生炉构造及燃料的分布 73.3半水煤气制取条件 93.3.1温度 93.3.2吹风速度 93.3.3蒸汽用量 93.3.4燃料层高度 93.3.5气体成分 93.4间歇式制备半水煤气工程循环过程 93.4.1吹风阶段 103.4.2上吹制气阶段 103.4.3下吹制气阶段 103.4.4二次吹气阶段 103.4.5吹净阶段 103.5间歇式制半水煤气的工艺流程 11第四章 工艺计算 124.1既知量 124.1.1送进反应炉中煤的组分占比 124.1.2 吹风气中所含组分及其所占比重 124.1.3 半水煤气中所含组分及其所占比重 124.1.4 各阶段在生产中所用时间 124.1.5计算所用标准 134.1.6产出物组分及含量 134.1.7 灰渣构成 134.1.8 燃料转煤气后的元素量 144.2物料及热量衡算 154.2.1 吹风阶段的计算 154.2.2制气阶段的计算 184.2.3总过程计算 204.3配气计算 244.4消耗定额（按每t氨计算） 244.5吹净时间核算 254.6废热锅炉的热量衡算 254.6.2热量衡算 264.6.3热量平衡和总固体平衡 304.7物料及热量衡算 304.7.1已知条件 30第五章 设备计算选型 335.1煤气炉指标 335.2 煤气台数的确定 335.3 空气鼓风机的选型及台数确定 345.4 废热锅炉的选型 34总 结 36参考文献 37致 谢 38III 500kt/a煤合成氨--造气工段初步设计作者：杨敏 指导老师：章德玉（天水师范学院化学工程与技术学院 甘肃 天水 741000）摘 要:这次毕业设计选择的是产能为50万吨/年原料气（合成氨）的工艺设计，在这次设计中造气部分是本工艺的主干部分。
本设计从所用原料的理化性质入手，介绍整个煤气化发展演进的历史和重大转折，并详细叙述采用的具体工艺方法结合中国氨气生产成本等综合考虑，该设计利用大气压固定床间歇气化技术通过数据库的第一手数据支持，进行了煤气鼓风阶段，产气阶段和煤气发生炉全过程的物料平衡和热平衡计算，然后确定煤气炉，余热锅炉，鼓风机等设备的选型关键词：合成氨；造气工段；流程设计；物质平衡Preliminary design of 500kt/a coal ammonia synthesis -- gas output sectionAuthor:Yang Min Director:Zhang Deyu(Tianshui Normal University Institute of Chemical Engineering and Technology,Tianshui,Gansu,741000)Abstract：The graduation project chose the process design of raw material gas (synthetic ammonia) with a capacity of 500,000 tons per year. In this design, the gas generation part is the main part of the process. This design starts with the physical and chemical properties of the raw materials used, introduces the history and major turning point of the entire coal gasification development and evolution, and details the specific process methods used. Combined with comprehensive considerations such as the production cost of ammonia in China, this design uses atmospheric pressure fixed-bed intermittent gasification technology. Through the first-hand data support of the database, the material balance and heat balance calculation of the gas blast stage, gas production stage and the whole process of the gas generator are performed, and then the selection of equipment such as gas furnace, waste heat boiler, blower, etc. is determined.Keywords: synthetic ammonia; gas production section; workflow design ;mass equilibrium 第一章 绪 论1.1氨的性质及用途密度小于空气，易液化和有刺激性气味的无色气体氨是重要的化工原料。
合成氨工业促进了氮肥工业的发展1]，那么如何高效有益的生产合成氨是我们需要研究的问题为了得到氨，首先需要一些原料，如N2和H2低温液化、分离和电解水制氢等都是一般的制氮方法虽然电解制氢的流程简单，容易操作，但其单位造价高，消耗的能源也大，因此，通常都是利用水蒸气与原料在高温下反应制取氢气的方法炭、煤、焦炉气、重油等都是合成氨的初始原料，由于原材料的特殊性从而引发了新的难题，究竟如何去除原料中的杂质成为一个难点造气、净化、压缩合成等步骤是合成的基本步骤，这些步骤是决定煤气化生产和转换效率的关键之所在，也是我国的在解决能源短缺、能源利用比较低下，没有形成有效产业化的症结节点，是对我国工业发展，能源有效利用的重要掣肘力量，为了大幅度提高我国在这个领域的能源利用，缓解我国能源利用低下，资源极其匮乏不足的压力，鉴于此现状，本设计主要是对合成氨造气工段问题的深入研究，即把重心聚焦在煤的气化上1.2古今中外煤气化演进史古今中外煤气化演进史综述如下:（1）气化剂选择氧气以增强反应器的性能；（2）附带抵抗力增加；（3）为了增加工作压力，新的气化炉使用了加压气化系统4）必须扩大原料（气化煤）的范围，新开发的气化方法应自觉使用煤粉；（5）新的气化方法应该是绿色的，工艺发展应朝着减少或消除有毒有害物质产生的方向发展。
各国拥有不同的能源系统，自然资源和社会条件，但是可以预见，煤炭将成为21世纪世界上发展和实施的主要资源之一从我国国情出发，应进一步加大这方面的研究和探索力度，掌握以干煤粉或水煤浆为原料，加压气化，如德士古法、壳牌法和液态排渣鲁奇炉气化等方式方法的第二代煤气化工艺2]3]4]，在现有的资源环境，能源利用情况等先决条件未加改变，利用现状未加改善的条件，改善和改进现有的生产工艺和方法，从而在单位资源条件不变时，提高能源的产率是一条切实可行的路径，为了达到这样的效果和目的，我们不得不再次深入研究当下的工艺流程，深入剖析工艺当中所存在的问题，针对问题提出改进方案，提高煤气化的生产和转换效率这对于快速实现四个现代化非常重要1.3合成氨工艺流程 原 天然气 焦炉气 水蒸气料 空气 图1-1以气体为原料合成氨的流程以煤作为原材料，合成氨的主要工艺流程大致可分为三步：第一为造气，即制得符合标准的原料气，这是整个工艺流程的基础；第二净化，将原材料气中的一氧化碳、二氧化碳、硫等杂质脱除到百万级以下，使原料气达到合成既定的标准；第三步为氨的合成，这是整个工艺流程中最为核心的一步，在合成过程中，需要高温和高压以在约45℃的温度下将纯化的合成原料气体压缩至1.5-3.0兆帕。
在达到上述条件后，在催化剂的作用下，通过在合成塔中的反应可以成功地获得氨该设计是氨合成过程气体产生部分的初步设计，也是整个工艺流程中的第一步第二章 工艺选择2.1工艺方法分类具体分类如下所示5]: A.根据产出气体的热值，分类如下：(1)一种制备热值低于8347千焦/立方米的气体的方法；(2)一种制备16747-33494 千焦/立方米煤气热值的方法；(3)热值高于33494千焦/立方米的气体的制备方法B.按加热模式分类如下：(1)蓄热法 (2)外加热法 (3)富氧空气气化法 C.根据反应器的类型，其分类如下：(1)固定床 (2)流化床 (3)气流床由于煤物理性质差别对固定床等工艺气化过程已无任何影响6]当下，固定床、流化床、气流床这三种气化技术目前已实现工业化，属于比较成熟的技术2.2生产方案的选择水煤浆气化法——气化炉具有结构简单，煤种范围广，水煤浆供给量可控，单炉容量，安全环保，操作灵活，气化工艺简单等特点固定床气化法——有加压与常压之分，对煤的类型有要求，并且不能使用低熔点的煤流化床气化法——生产强度高，原料可直接选取小颗粒碎煤，对煤种的适应性强。
气流床气化法——单炉生产力强，对煤种有普适性、合成气质量好、煤气中含CO＋H2高达85%—88%其它气化方法与固定床法相比，优点有：(1)气化力强；(2)煤种取材范围广；(3)生产灵活性高，启停容易；(4)高碳转化率；(5)环境污染小，更环保选择上述工艺会增加人力和机器费用，但这几种工艺对我国快速健康的发展有极大地促进意义，鉴于我国实情，并从国内实际出发，此次设计使用固定床间歇气化法（常压）较好 第三章 常压固定床间歇气化法常压固定床气化炉主要由空气、蒸汽和氧气组成在高温条件下，气体反应器（大气压）中会发生空气和水蒸气以及许多种化学反应，从而产生稳定的热量和可燃气体，并带有排出残留物的过程在固定床（大气压）下，通过反应获得的煤中的CO，H2和少量CH4是主要活性成分，在合成氨中，半水煤气中的氮气也是活性成分就燃料而言，它是煤气的热值；对于合成气，它是一氧化碳和氢气的体积百分比3.1制气原理以空气为气化剂的煤气化过程的反应方程式汇总如表3-1所示，以水蒸汽为气化剂的反应方程式汇总如和表3-2所示 上面两个化学反应方程式的热平衡条件决定了气体的成分所以反应炉中所含蒸汽与含氮空气组分比应保持在一个适当比例。
3.2煤气发生炉构造及燃料的分布表3-3 煤气发生炉内的情况固体燃料气化时，燃料移动和气化都是顺时针在到达燃料层时，由于气化反应使气化剂发生物理变化燃料层大体上可分为如图3-1列的几个区层8]：(1)干燥层由于水分被蒸发所导致2)干馏层由于水分的大量蒸发并伴有水解发生，就此形成厚度小于干燥3)还原层当气化剂从下方到达碳层的氧化区时，气化剂携带另一种气体，并且发生一氧化碳的还原反应（即还原层）4)氧化层在这里，空气进入并与内部的碳反应生成碳氧化物，但由于氧化速率高，该层比还原层薄水蒸气的存在也会引起碳的氧化反应，因此还原层与碳的氧化层统称为气化区5)灰渣层 此层不发生任何反应，就是散发热空气来保护炉总体来说，这几个层级之间没有明显分层，高度也随外界条件的变化而发生变化3.3半水煤气制取条件3.3.1温度该层温度就是我们所指的工作温度如果炉温持续高水平，一氧化碳在吹入气体中的占比就高，从而使燃烧产热少，热损失比较大实践证明灰熔点高炉温五十摄氏度左右为佳，工业中常用的炉温大致在1000~1200℃10]3.3.2吹风速度 平常吹风速度是快速升高炉温最常见的手段，这对制气时间没有影响，然而，如果炉子的温度迅速升高，则二氧化碳在还原层中的停留时间变短，致使CO量和热量散发变少，产气时间也相应缩短，这样对产率的提高不利。
3.3.3蒸汽用量 产出气体的多少与好坏与蒸汽用量息息相关加大蒸汽供给量是延长生产时间的最佳办法，产量也随之提升另外，蒸汽用量也与燃料活性、炉温成正比3.3.4燃料层高度从实践经验来看，燃料层高度取决于燃料可用粒度、热稳定性等性能的优劣3.3.5气体成分 调节（H2+CO）和氮气比值主要依靠氮气添加量和吹净时间的改变生产中，时刻警惕要保持半水煤气中氧的含量≤0.5%11]，否则，将很难执行后顺序部分，甚至有爆炸的危险3.4制备过程图3−2 各阶段气体流向图3.4.1吹风阶段使用鼓风机从反应器底部吹入空气，到达燃烧层后充分燃烧之后的热量被碳层储存，顶部排出的吹风气中所含灰尘被除尘器去除，然后进入废热管进行水热交换，水被加热产生低压蒸汽，供炉膛产生气体，冷却后吹出的空气被排出3.4.2上吹制气阶段在此过程中，蒸汽和添加了氮气的空气混合并从炉底供应，与燃烧层反应此时，由于加热气体的上升，整个炉的温度降低3.4.3下吹制气阶段 炉顶蒸汽促进反应，气化层下降，炉温相应降低最后，产品水煤气从炉膛底部引出，当它通过灰层时，煤气的温度逐渐降低因此，它跳过废热锅炉，进入气体洗涤箱和气体洗涤塔，洗涤后冷却，并从塔顶单独引入气柜。
3.4.4二次吹气阶段为防止爆炸现象出现，含氮空气在上吹制气这个时候是千万不能加的3.4.5吹净阶段这个阶段类似于吹气阶段，不同的是，把空气换用成蒸汽3.5间歇式制半水煤气的工艺流程为了放空吹风气，要有进行吹风和制气作业的两套管路以供轮流使用五个的阶段在每个循环都有，因此在工艺流程中阀门的数量必须得到保证，并且要经自动控制机对工艺流程实现全程控制 间接性半水煤气产生的工艺流程图如图3−3所示如流程图3-3，固燃由气炉的上部和上部之间的间隙通过供料器进入炉子，吹气时鼓风机的压缩空气从下部渗透到炉膛燃料层的上部去做热量恢复后，烟囱将其排空燃烧室的盖子起着安全阀的作用，在爆炸时，它还可以起到泄压的作用，减少了对设备的损坏当气体被蒸汽吹走时，添加了蒸汽和氮气的空气进入燃气灶的底部，回收的气体通过燃烧室和废热锅炉的废热，并通过洗气箱和洗涤塔，到达煤气柜当进行第二次顶部吹气时，顶部吹气与气体流动方向一致当吹出气体时，燃烧室的上部成为蒸汽的目的地当使用上下吹气获取气体时，添加含氮空气，然后在蒸汽停止后关闭蒸汽供应时间，以防止气体和空气爆炸燃料气化后，灰渣由刮板通过旋转的炉栅刮入灰箱，并有规律地排放到炉外第四章 工艺计算4.1既知量4.1.1送进反应炉中煤的组分占比 具体重量组分比如下表所列： 燃烧热值 28476kJ/kg4.1.2 吹风气中所含组分及其所占比重 吹风气中组分体积比重如下表所列：4.1.3 半水煤气中所含组分及其所占比重 半水煤气中组分体积比重如下表所列：4.1.4 各阶段在生产中所用时间 生产阶段具体时间如下表所列：4.1.5计算所用标准 300kg原材料。
4.1.6产出物组分及含量 产出干料6千克 产出物组分及含量如下表所列：带出物热值30030kJ/kg4.1.7 灰渣构成如下表所列：灰渣重量（13.214−0.8538）0.63=19.62(kg） 组分重量碳 19.620.3520=6.91(kg)硫 19.620.0180=0.35(kg)灰分 19.620.6300=12.36（kg） 总计：19.62kg4.1.8 燃料转煤气后的元素量 C 78.30−4.929+6.91=66.46 H 1.3+5.65618−0.102=3.08O 0.4+5.561618−0.0312=5.39 N 0.80−0.0468=0.7532 S 0.40−0.0372+0.045=0.3178 合计：76.001 计算误差=[100－（76.001＋19.62＋2）]/100=2.4%4.2物料及热量衡算4.2.1 吹风阶段的计算 2. 由碳平衡计算吹风气量： 3. 由氮平衡计算空气用量： [5220.9044－（0.80－0.0468）][（0.80+0.0468）28/22.4]=445.30m3 空气带入水汽量：445.31.2930.0213=12.26 m3 4. 氢平衡（计量单位为kg） 进项： 1.料带进氢量：3.082.空气带氢量：12.26618=4.09总计：7.17出项：（吹风气中） 1.氢含量：5220.00175=0.9135 2.含水汽量：7.17－0.9135=6.2565 总计：7.17 水汽含量：6.2565186=18.7695 每标准水汽含量：18.7695522=0.0360 5．氧平衡 进项： 1.燃料带进来的氧量：5.39 2.含氧量（空气）：445.30.40.53222.4=127.229 3.水汽含氧量（空气）：14.7016.018.0=13.070 总计：179.660 出项：（吹风气中） 1含氧量：586.00.2870=168.180 2.水汽含氧量：9.091618=8.08合计：176.26总计：8641262.17吹风效率：6311027.828542800100%=73.88%热量平衡表见表4−74.2.2制气阶段的计算 热量衡算（以300Kg入炉燃料为基准） 进项：(1)燃料热值：30028476=8542800(2)燃料显热：3001.0525=7875(3)蒸汽的焓：339.92730＋339.93595=214986.75(4)干氮空气显热：2101.325=6825（1.30为空气的比热）(5)氮空气中水汽的焓：1.9282564=4943总计：8777429.75（8）热损失85428000.08=683424合计：5076841.76需从煤层中吸取的热量（kJ）8777429.75−5076841.76=3700587.99制气效率：8777429.75/（8542800＋2450228.01＋214986.75）100%=70.45%4.2.3总过程计算每300kg燃料中生产半水煤气所占比例为78.17%，制吹风气占比是21.83%4.2.3.2.每300kg燃料的生产指标 吹风气：5220.2183=113.95N m3 半水煤气：3400.7817=265.78N m3 氮空气：700.7817=54.72 蒸汽：226.60.7817=177.13 吹风时空气：5330.2183=116.354.2.3.3效率：（113.959935.16）（8542800＋214986.750.7817）100%=57.4%总计：66.46出项： （1）半水煤气中碳含量：643.620.097=62.43 （2）吹风气中碳含量：113.950.115=13.10合计：75.53误差：（75.53－66.46）75.53100%=12.01% （2）半水煤气中水气含氢量：643.62120.22/3402/18=25.29（3）吹风气中含氢量：643.620.00175=1.126合计：476.58合计：352.54误差：352.54－181.08352.54100%=48.64%合计 ：08560误差：（1.0641－0.8560）1.0641100%=19.56%合计：10730244.86误差：（10730244.86－9128488.49）/10730244.86100%=14.93%4.3配气计算实际得到半水煤气：643.62＋84.57=727.20CO2=0.0752＋0.16350.13171＋0.1314100%=8.55%O2 =0.002＋0.00450.13171＋0.1314100%=0.236%CO=0.3205＋0.06560.13171＋0.1314100%=29.08%H2=0.442＋0.03340.13171＋0.1314100%=39.44% CH4=0.0052＋0.00760.13171＋0.1314100%=0.5479%N2=0.1546＋0.72550.13171＋0.1314=22.10%4.4消耗定额4.5吹净时间核算风气量：84.57Nm3 吹风气量占总吹风气量：84.57643.62100.00%=13.14% 吹净时的风量为初始的75%，气量占吹风气总量： （40.75）/（26+40.75）100%=13.04%数据相近，所以既定循环时间百分比大致符合此次设计的需求,具体数据如下表4-9所列：4.6废热锅炉的热量衡算（4）A=38.0/74.0100%=51.4%（A：上吹得到的气体占半水煤气总的比重）（5）A=3470100%=48.6%（A为上吹未解蒸汽占未分解蒸汽总量）（6）起始煤气被加入废锅时的温度：六百摄氏度，出为二百摄氏度（11）煤完全气化时消耗空气的量：590.1Nm3或590.122.4=26.34kmol （12）废锅进水时的温度为一百零二摄氏度，此时废锅中4.6.2热量衡算已知上吹未分解蒸汽占总量的47.3%，则未分解蒸汽的显热和潜热为（kJ）：554708.630.473=262377.18 （5）吹风气的显热计算结果见表4−13： 总计：189475.1 显热=344.73/18(1－55.09%) 20032.51 =55923.79 潜热=344.73（1－55.09%）2499.3=386937.23 显热＋潜热=（55923.79＋386937.23）0.473=209473.26总计：66665.04.6.3热量平衡和总固体平衡热量平衡:402844.8＋431.82X=213449.6＋433.45X＋196.74.5Y （4-7）总固体平衡：150X=2000（X－Y） （4-8） 解方程得：X=102.46kg Y=94.87kg则每300千克燃料产蒸汽量：94.873=284.61kg耗软水量：102.463=307.38kg。
排污水：307.38－284.61=22.77kg废热锅炉热量平衡表见表4-16所示4.7衡算4.7.1已知燃料产水蒸汽：50.83=152.4kg 排污水：54.93－152.4=12.3kg 消耗软水：54.93=164.7kg 第五章 设备计算选型5.1煤气炉指标本次工艺选用Φ3000UGI炉，单台产水煤气7000Nm3/h，具体性能如下表所列：5.2 煤气台数的确定采用Φ3000的UGI炉，产量7000 Nm3/h已知：每小时产半水煤气量（一年按300天算）时： 5000003300（30024）=229167 m3台数的确定：（1）炉堂面积 F=2/4=32/4=7.07m2（2）生产强度 70007.07=990.1Nm3/台.M2.h（3）（229167.024.0）（7000.00.9522.0）=37.590取38为了防止意外发生，多预备2台以备不时之需，故总共需要38+2=40台5.3 空气鼓风机的选型及台数确定本次设计选取D700—14型鼓风机1. 干空气用量在25℃和80% 相对湿度下，17704Nm3(干)/h ，气压760mmHg2. 二次空气用量由经验得：1770415%=2655.63. 空气含水蒸汽量在25℃和80% 相对湿度下，湿含量H=0.0213kg/kg（干空气） （17704＋2655.6）1.2930.0213=560.73kg/h 560.73/1822.4=697.8kg/h4. 湿空气用量 （17704＋2655.6）＋697.8=21057.4Nm3/h实际用量 22985.7（273＋25）/273760/760=22985.7Nm3/h空气泄露损耗为18% V=28270/（1－18%）=28031.3Nm3/h5. 鼓风机台数 3828031.3/42000=25.4取26台5.4 废热锅炉的选型1.已知：进水温度：102℃ 常压每300千克燃料产蒸汽量：284.61kg每台煤气发生炉的实际生产能力为：22916724/(380.9522)=6925 Nm3/h 消耗燃料：6925/242.75=28.53kg/h 锅炉产出蒸汽的量为：28.530284.61=8119.9233 kg/h则索尔维式废热锅炉可以满足上述的各项要求指标，具体工艺指标如下表所列：参考文献[1] 陈五平编著. 无机化工工艺学, 中册, (第三版)[M]. 化学工业出版社, 2001.45-71.[2] 埃利奥特M.A,徐晓编著,吴奇虎.煤利用化学(上册)[M].北京:化学工业出版社,1991.123-142.[3] 许世森,张东亮,任永强等编著.大规模煤气化技术[M].北京:化学工业出版社,2006.28-31.[4] 曹建涛.半焦细粉在流化床气化炉射流区再转化的基础研究[D].太原:中国科学院研究生院,2009.[5] 郭树才编著.煤化工工艺学[M]..化学工业出版社出版,1991,1-250.[6] 龚欣,郭晓镭,代正华,等.新型气流术粉煤加压气化技术[J].现代化工,2005,25(3):51-53.[7] 陈德祥,陈秀编著.煤化工工艺学[M]..煤炭工业出版社出版,1998,36-48.[8] 黄仲九,房鼎业编著.化学工艺学[M]..北京高等教育出版社,2008,45-49.[9] 谭世语编著.化工工艺学[M].重庆大学出版社,2004.13-17.[10] 谭世语编著.化工工艺学[M].重庆大学出版社,2004，67-82.[11] 赵忠祥编著.氮肥生产概论[M].化学工业出版社,1995，12-28.[12] 关梦嫔,钟蕴英,崔开仁,等编著.煤化学[M].中国矿业大学出版社出版,1988,158-174.[13] 梅安华编著.小合成氨厂工艺技术与设计手册[M].北京:化学工业出版社,1995.8-45.[14] 王志鑫.合成氨各工段仪表应用现状研究[J].山东工业技术,2018(15):34-37.[15] 杨传举,张考全.造气原料煤耗及节煤途径的探讨[J].小氮肥设计技术,2004(05):11-19.[16] 路晓青.合成氨生产过程控制方法的研究[D].河北科技大学,2015.[17] 贺鑫平,余涛,王煊,黄垒等. 水煤浆气化生产合成氨装置变换炉及变换工艺分析[J].煤化工,2017,45(06):6-11.37。