无机化工生产技术与操作.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,无机化工生产技术与操作,3,2,绪论主要内容,1,典型无机化工产品生产技术,原由,本课程教法选择和考核评价方法,典型无机化工产品在国民经济中,的重要地位及其发展概况,无机化工产品种类繁多，生产技术也千差万别，实难以,无机化工生产技术,一书以概之，故改名为,无机化工生产技术与操作,1,典型无机化工产品生产技术,原由,典型无机化工产品生产技术,主要内容,典型无机化工产品主要包括,合成氨、化学肥料、硫酸与硝酸、纯碱与烧碱、主要无机盐等,五个方面。都属于,大宗化学品,和,典型无机化工产品,。,本书重点介绍典型无机化工产品的,生产原理、生产原料路线选择、工艺流程组织、生产运行与操作条件的优化，以及典型设备选型、操作控制要点及常见故障排除措施,等,表,0-1 2008,年我国典型无机产品的产量,/,万,t,合成氨,硫酸,硝酸,纯碱,烧碱,尿素,磷肥,钾肥,复混肥,5179,5100,800,1950,2470,5000,1350(,折,P,2,O,5,),1000,自产,300,进口,700,1500,水泥,碳酸钙,玻璃,150000,轻钙,550,重钙,750,57442.9(,万重量箱,),注：,1,万重量箱平板玻璃约等于,500,吨。,6,3,2,1,4,2,典型无机化工产品在国民经济中的重要地位及其发展概况,合成氨堪称现代化学工业的领头羊,硫酸曾被誉为“工业之母”,硝酸唯一兼有强酸性和强氧化性,化学肥料是现代农业的基石,5,纯碱与烧碱是重要的基本化工原料,无机盐是化学工业的基础,一般认为，现代化学工业的标志,-1913,年德国的哈伯和博施首次采用铁为催化剂、直接以氢气和氮气为原料、在高温高压下成功合成氨。划时代意义的人工固氮技术的重大突破。,合成氨工业化被公认为化学方面最重要的发明之一和对高压化学合成技术上作出的重大贡献，哈伯和博施先后分别于,1918,年和,1931,年荣获诺贝尔化学奖。这种直接合成氨法称为哈伯,-,博施法。,合成氨工业化的成功极大地促进了高压机生产技术、高压化学合成技术和催化剂生产技术的发展，使德国一跃成为当时世界工业强国。,合成氨生产堪称现代无机化学工业的领头羊。,1,合成氨堪称现代化学工业的领头羊,氨的应用,化学肥料,8590%,化工原料,1015%,氨的应用领域,我国,合成氨,工业发展现状,小型合成氨数量,中型合成氨数量,大型合成氨数量,合成氨总产量,/,万,t,世界排名,解放初,2,0,0,4.5,1992,年,1539,55,22,2298,1,2004,年,460,82,30,4200,1,2008,年,5100,1,硫酸产量与合成氨相当，工业化生产已有,270,年历史，曾被誉为“工业之母”。,化肥工业中，每生产一吨硫酸铵，就要消耗纯硫酸,760kg,。,每生产一吨过磷酸钙，消耗硫酸,360kg,；,农药方面如硫酸铜、硫酸锌是植物的杀菌剂，硫酸铊可作杀鼠剂，硫酸亚铁、硫酸铜可作除莠剂；,冶金工业中电解液就需要使用硫酸；,石油工业中每吨原油精炼需要硫酸约,24kg,，每吨柴油精炼需要硫酸约,31kg,；,化学纤维每生产,1t,环氧树脂，需用硫酸,2.68t,，号称“塑料王”的聚四氟乙烯，每生产,1t,，需用硫酸,1.32t,；,2,硫酸曾被誉为“工业之母”,染料工业几乎没有一种染料（或其中间体）的制备不需使用浓硫酸或发烟硫酸。,浓硫酸为浓缩硝酸生产中的脱水剂；,氯碱工业中，以浓硫酸干燥氯气、氯化氢；,无机盐工业中，如冰晶石、,氟化铝,、硼砂、磷酸三钠、磷酸氢二钠、硫酸铅、硫酸锌、硫酸铜、硫酸亚铁以及其他硫酸盐的制备；,许多无机酸和有机酸的制备，也常需要硫酸作原料。,此外，电镀业、制革业、颜料工业、橡胶工业、造纸工业、工业炸药和铅蓄电池制造业等等，都消耗相当数量的硫酸。,我国,硫酸,工业发展现状,硫铁矿为原料,/%,硫磺为原料,/%,冶炼烟气为原料,/%,总产量,/,万,t,世界排名,1995,年,82.1,2001,年,29.4,2004,年,3995,1,2006,年,44.3,2007,年,5100,1,2008,年,24,1,1t,硫磺可以生产,3t,硫酸，,2t,蒸气，,336,度电量，且无三废排放，良好的生产环境与经济效益是硫磺法生产硫酸得到快速发展最主要的因素。,近几年来，随着我国有色金属工业的迅猛发展，冶炼烟气制酸也获得快速发展，铜陵有色、江西铜业、甘肃金川等硫酸产量在,100,万,t/a,以上的特大型企业，均以冶炼烟气制酸为主，,2008,年我国烟气吸收法制酸已占,24%,。,硫酸装置的大型化、规模化、集约化发展取得了巨大进步。将进一步淘汰,4,万,t/a,的硫铁矿制酸装置，限制,10,万,t/a,硫铁矿制酸装置，硫酸企业有望向“能源工厂”转变，实现以硫资源为主线，以能源循环为辅线，实现了以硫酸为核心的循环经济。,硝酸兼有强酸性和强氧化性的特点，各类酸中产量仅次于硫酸的重要化工原料；,主要用于无机化工制造硝酸铵、硝酸铵、硝酸磷肥、氨磷钾等复合肥料。,在有机工业、染料工业、涂料工业、医药工业、印染工业、橡胶工业、塑料工业、冶金工业中和国防工业等也有广泛用途。,3,硝酸唯一兼有强酸性和强氧化性,我国,硝酸,工业发展现状,常压法,/,万,t,综合法,/,万,t,双加压法,/,万,t,总产量,/,万,t,世界排名,解放初,0.45,0.45,2007,年,705,1,2008,年,400,800,1,至,2008,年底我国已拥有先进的双加压法工艺的硝酸生产装置,20,套，占我国硝酸总产能的,50%,，大大缩短了我国与世界先进水平的差距。但我国还不算是硝酸工业强国，世界发达国家均普遍采用,27,万,t,级和,50,万,t,级硝酸装置，我国年产,27,万,t,双加压法完全国产化硝酸装置目前国内仅有几家企业正在筹建，随着取缔和关闭落后生产装置，淘汰配置低、规模小、能耗高的装置，我国硝酸工业正在向规模化发展,化肥是农作物增产增收的物质基础，,粮食的“粮食”,。,化肥对我国粮食单产增长的贡献率高达,40,50,。使用化肥以提高粮食单产，已经成为确保全球粮食安全的关键和现代农业的基石。,中国能以世界,7%,的耕地养活占世界约,22%,的人口，应该说一半功劳归于化肥。,另外一半功劳呢？,4,化学肥料是现代农业的基石,建国初我国化肥工业只有硫酸铵和硝酸铵两个品种，年产量只有,6000t,。,目前我国化肥生产量约占世界总量的约,1/3,，表观消费量约占,35%,，世界上最大的化肥生产国和消费国。,一是化肥工业的基本特征是“多氮少磷缺钾”；,二是高浓度化肥比例低。,为什么？,三是复合肥料比例低,。,纯碱。建材方面主要用于制造玻璃，这是纯碱的最大消费部门，每,t,玻璃消耗纯碱,0.2t,。,在轻工方面：洗衣粉、三聚磷酸钠、保温瓶、灯泡、白糖、搪瓷、皮革、日用玻璃、造纸等；,在化工方面：制取钠盐、金属碳酸盐、小苏打、硝酸钠、亚硝酸钠、硅酸钠、硼砂、漂白剂、填料、洗涤剂等；,冶金工业：冶炼助熔剂、选矿用浮选剂、炼钢和炼锑用作脱硫剂；,在陶瓷工业中制取耐火材料和釉也要用到纯碱；,印染工业用作软水剂；,制革工业用于原料皮的脱脂、提高铬鞣液碱度；,食用级纯碱用于生产味精、面食等。,5,纯碱与烧碱是重要的无机碱性化工原料,我国,纯碱,工业发展现状,生产企业,生产技术,总产量,/,万,t,世界排名,解放初,2,100,0,8.8,2008,年,49,36,60,1830,1,氨碱法,/%,联碱法,/%,2008,年我国,纯碱企业平均年产量,37.34,万吨,。,氨碱法路线的山东海化集团有限公司的,年产能为,300,万吨,；,联碱法的湖北双环化工集团有限公司,年产能为,100,万吨,。,但在节能减排方面与世界先进水平仍有较大差距。例如：氨碱企业，,液氨平均消耗大于,4.5kg,t,碱,，是世界最好水平的,1.5-2,倍；制碱装备运行周期和稳定性低于国外；自控技术水平参差不齐，劳动效率低下；能源消耗偏高等。,烧碱,使用烧碱最多的部门是,化学药品,制造；,其次是造纸、炼铝、炼钨、人造丝、人造棉和肥皂制造业。,在生产染料、塑料、药剂及有机中间体，旧橡胶再生；,无机盐生产中，制取硼砂、铬盐、锰酸盐、磷酸盐等，也要使用大量的烧碱。如,普通肥皂,；,造纸行业主要是制浆耗碱，,烧碱起苛化作用,；,印染、纺织工业上，用大量碱液去除棉纱、羊毛的油脂；,生产人造纤维也需要烧碱或纯碱。例如，制粘胶纤维首先要用,18,20,烧碱溶液（或纯碱溶液）去浸渍纤维素，使它成为碱纤维素。,我国,烧碱,工业发展现状,生产企业,生产技术,总产量,/,万,t,世界排名,解放初,几家,1.5,0,1.5,2005,年,179,785.4,629.2,1414.6,1,隔膜法,/%,离子膜法,/%,氯产品,数量,盐酸、液氯,、漂白粉,等几种,200,余种，,主要品种,70,多个,我国最早的氯碱工厂是,1930,年投产的上海天原电化厂，日产烧碱,2t,。,离子交换膜法制碱技术，具有设备占地面积小、能连续生产、生产能力大、产品质量高、能适应电流波动、能耗低、污染小等优点，是氯碱工业发展的方向。,目前我国隔膜法烧碱产量占,55%,，离子膜法烧碱所占比例占到,45%,，后者具有继续发展的潜力。,氯碱工业企业平均生产规模,7.9,万,t,a,；,大多数企业的规模较小，与国外大型烧碱企业相比差距非常之大，日本、欧盟的前,5,家企业分别集中了它们烧碱生产能力的,50%,，美国的,5,家大公司集中了美国烧碱生产能力的,80%,，而我国前,5,家企业的生产能力不到全国总生产能力的,16%,。,二、本课程教法选择和考核评价方法,采用什么样的教学方法？,由同学们共同选择,一是传统的教学方法：,二是新型的项目化教学方法：,三、项目化教学特点和考核评价方法,1,、项目化教学必须进行,整体教学设计,“课程的整体教学设计”包括课程目标设计、课程内容设计、能力训练项目设计、进程表设计、第一节课梗概、考核方案设计、工具材料等主要内容。,本课程的特点是：项目不多，但项目庞大、工艺复杂。如“合成氨”部分在传统的学科教学中将安排,3640,课时，如此得复杂庞大的项目不可能一次课就能完成。因此，结合本课程的实际，采取将一个大项目分为若干个任务。,2,、必须突出能力目标，而不是知识目标,传统的“知识本位课程教学”以表达知识、传授知识、消化知识、理解知识、记忆知识、再现知识等为已任。,高职课程教学必须突出能力目标，而不是知识目标。能力本位课程要求任课教师按照课程教学的能力目标重新设计课程考核方式，必须重新设计出适用于项目化教学的“学生能力考核方式”。,3,、教学过程必须体现“教、学、做”一体化,为了有效地训练职业能力，在课程教学过程中要尽可能“边做边学”、“在做中学”。,项目化教学一般要求采用,小班授课,，需要在多媒体教室或理实一体化教室中进行，以便“教、学、做”实现有机融合。,小班授课效果会更好？,4,、项目化教学课程内容的载体是项目和任务,在传统的知识本位学科中，知识的载体是语言、文字、图形和公式，这些知识主要是通过教师在课堂的讲课来传授的。但职业能力不能传授，“高分低能”的根源。,学生的职业能力是训练出来，而不是靠教师“讲”出来的，而训练能力的载体是“项目和任务”。,学生只能在完成真实的、大型的、综合的、典型的、有趣的、具有挑战性的项目和任务过程中，才能真正训练出解决本专业实际问题所需的综合能力。,5,、学生是课程教学过程的主体,在知识本位课程中，教师是课程教学的主体,在项目化课程中，,学生是课程教学过程的主体,学生要花大量时间用于课外查阅资料、讨论提纲、撰写论文、制做,ppt,；,在课堂上教师只是一名“导演”，其职责主要用于精心的课堂组织、画龙点睛式的点拔，广大学生才是“主演”，课堂时间的,7080%,是学生在进行分组汇报、讨论、甚至争论，基本上达到,“知识是学生学会的，能力也是学生练出来的”,目的；,剩余,2030%,的课堂时间才由主讲教师进行最后的总结和评价，并布置下次课内容等。,6,、师生身份的置换,项目化教学过程中，师生身份一般必须进行置换。,主讲教师可以身为董事长、总经理、或项目发包方，主讲教师不再是,老师，而是,总。,一个班级就是一家技术开发公司，班长和团支书（或党支书）可以分别担任副总经理、党委书记，学生需要进行分组，一个班假如有,40,名同学，可分为,56,个组，每个组设一名项目经理、一名副经理，,12,名工程师，,23,名技术人员等。,不论是主讲教师，还是学生，每人都有一个全新的身份，每人都要制作一张身份卡，注明公司名称、姓名、职务等，上课就是进行项目论证的过程，每人都必须配戴身份卡。,身份置换如何操作？,7,、考核评价方法,项目化教学考核评价方法可分为三个方面,一是各项目或任务完成情况考核评分表；,二是各项目或任务记分总表；,三是平时表现记录表，该项由指导教师把握，一般约占总分的,20%,。,表,1-2,任务完成情况考核评价表（样表）,序号,考核项目,权重,/%,优秀,/90,良好,/80,中等,/70,及格,/60,不及格,/50,单项成绩,1,完成任务的态度,10,2,报告的质量,40,3,分析与选择能力,10,4,资料查阅与应用能力,10,5,回答问题的质量,5,6,应变与语言表达能力,5,7,课堂纪律,10,8,与人合作与自学能力,5,9,经济与环保意识,5,班级：姓名：项目号：任务号：,注：与人合作能力得分由项目执行经理（项目组长）评定，其它方面由教师评定。,表,1-3,各项目或任务记分总表（样表）,姓名,项目,1,项目,2,项目,3,项目,4,项目,5,项目,6,项目,7,项目,8,项目,9,项目,10,项目,11,表,1-4,、平时表现记录表（样表）,任务,姓名,职务,汇报发言,补充发言,自由发言,表现,回答问题情况,一,项目号：任务号：时间：年 月 日 第 周 节 地点,三、本课程总的能力目标、知识目标、方法能力目标,1,、能力目标,能根据典型无机产品生产特点和当地能源供应等具体条件，合理选择原料及工艺路线、能够进行生产工艺流程的组织、工艺条件优化、主要设备选型。,稍加实际训练就能够进行岗位操作、开停车操作及常见故障排除等生产操作。,2,、知识目标,了解典型无机产品在化学工业中的,重要地位与发展趋势,；,掌握典型无机产品,原料的多样性及生产工艺路线选择原则；,掌握的,主要反应器的基本结构及其操作控制要点,；,掌握典型无机产品生产,工艺条件的选择,；,掌握典型无机产品生产,工艺流程的组织,；,掌握典型无机产品制取过程中,节能关键技术,；,了解典型无机产品生产过程,主要异常现象及故障排除,；,具有,较强的安全意识与环保意识,；,3,、方法能力目标：,具有较强的信息检索能力与加工能力；,具有较强的自我学习和自我提高能力；,具有较强的发现问题、分析问题和解决问题的能力；,具有较强的发散性思维能力和创新意识；,具有撰写专业论文、制作汇报,ppt,的能力,。,4,、社会能力目标：,具有团队精神和与人合作能力；,具有与人交流沟通能力；,具有较强的口头和文字表达能力。,选 择？,1,、选择传统教学法？,轻车熟路、学习压力小、但可能学习效果不太理想。,2,、选择项目化教学法？,探索中新方法、难度大、任务重，但学到的知识、煅炼能力可能较多。,一、合成氨工业概貌二、项目化教学分组三、项目化教学具体路径介绍,世界大多数合成氨厂以气体燃料为主要原料。,我国的能源结构特点是“富煤、少油、缺气”。,我国的合成氨生产原料已经形成了以煤为主、油气并存的中国特色。,我国合成氨厂原料组成大致为：气,油,煤,=14,19,67,。,中国特色的合成氨原料结构仍然富有强大的生命力。,合成氨生产过程的三个基本步骤,原料气的制取：,制备含有,H,2,、,N,2,、,CO,、,CO,2,等成分的粗原料气。根据原料气制取所用主要原料不同，合成氨工艺可分煤头合成氨、气头合成氨和油头合成氨。,原料气的净化：,指除去原料气中,H,2,、,N,2,以外的杂质，包括脱硫、,CO,变换、,CO,2,的脱除、原料气精制等步骤。其中每一步工艺都有多种选择，原料气净化方法的多样性使合成氨工艺显得纷繁复杂和多姿多彩。,氨的合成与分离：,精制后的氢氮气经压缩到必要的压力和预热到必要的温度后，在催化剂作用下合成氨。,从合成塔出来的混合气体中氨约占,1418%,，未反应的氢氮气经分离氨后循环使用。,二、合成氨生产的典型流程,1,、以煤原料的合成氨流程,图,1-1,中型合成氨的原则流程,半水煤气制备（造气）工艺流程,图,1-2,以煤为原料生产,碳酸氢铵,的小型合成氨原则流程图,2,、以,天然气,为原料的合成氨流程,3,、以,重油,为原料的合成氨原则流程,三、合成氨工艺的特点,连续化的大规模生产,工艺复杂、技术密集,装置投资费用高,安全生产要求高,耗能大户、节能潜力巨大,典型的无机生产工艺,合成氨工艺的特点说明,工艺复杂、技术密集：,氨合成反应很简单，但实现工业化生产却具有工艺复杂、技术密集的特点。一是粗原料气的净化工艺复杂、要求高、科技含量高，二是高温高压的操作条件对设备制造和操作管理要求高，三是需要用到多种催化剂，其工艺条件相当苛刻。,连续化大生产：,合成氨工业具有高度连续化大生产的特点，要求原料供应充足、较高的自动控制水平和科学管理水平，才能确保长周期安全运行，获得较高的生产效益,。,典型的无机生产工艺,：,合成氨生产中既有气固相、气液相非催化反应，也有催化反应，既有常压反应，更多的是高温高压反应，同时工艺中涵盖了流体输送、传热、传质、分离、冷冻、压缩等诸多化工单元操作，是非常典型的无机化工工艺。,耗能大户、节能潜力巨大,：,合成氨工业占整个化工工业总能耗的一半，是实至名归的耗能大户。每吨液氨的理论能耗为,21.28GJ,，目前实际吨氨能耗约在,28-60GJ,之间，能耗是评价合成氨工艺先进性的最重要指标。我国大型合成氨能耗水平已接近世界先进水平，但,500,多家中小型合成氨厂的实际吨氨能耗约为理论能耗的,2,倍，具有巨大的节能潜力。,合成氨压力的多样化,在德国合成氨技术基础上，世界各国陆续开发了低压法（,100atm,）、中压法（,200300atm,）和高压法（,8501000atm,）；,实际上大型合成氨厂都采用低压法，中小型合成氨厂都采用中压法；,60,年代后，大型离心压缩机的发展使合成氨工艺规模空前提高，出现了日产,1000t,以上的大型装置，使合成氨成本大幅下降，促进了氨在化肥等众多领域的广泛使用。,液体,气体,固体,下次课任务：如何选择合成氨生产原料,如何确定合成氨工艺路线？,如何选择合成氨原料？,固体,燃料,焦炭,块煤,粉煤,型煤,问题与思考,1,、什么叫半水煤气？有何特点？,2,、,怎样才能得到合格的半水煤气？,3,、间歇式生产半水煤气工艺如何进行组织,？,4,、,焦炭、块煤、型煤、粉煤有何共同点，为什么现在更多的企业采用型煤制气？,合成氨工艺,的特点，从安全及生产稳定、保证产品质量等方面考虑，生产操作必须由具有一定专业技能的操作工进行作业；,企业一般不允许实习学生动手操作,；,学校也不可能建立真实的、庞大而昂贵的生产性实训基地,。为这门课程的学习带来了一定的难度。,项目二 半水煤气的生产,项目二主要内容,1,2,3,间歇式生产半水煤气工艺流程,一、半水煤气的生产原理,二、煤气化的工业方法,一、什么叫半水煤气？,以焦炭或煤为原料，在一定的高温条件下通入空气、水蒸气或富氧空气,-,水蒸汽混合气，经过一系列反应生成含有,CO,、,CO,2,、,H,2,、,N,2,及,CH,4,等混合气体。,气化过程中所使用的空气、水蒸气或富氧空气,-,水蒸汽混合气等称为,气化剂,。气化过程所得到的混合气体，称为,煤气,。,用于实现煤气化过程的主要设备称为,煤气发生炉,。,煤气的成分取决于燃料和气化剂的种类及气化工艺条件。,各种煤气的基本情况,气化剂,煤气特点,主要用途,空气煤气,空气,热值较低,与其它气体混合使用,水煤气,水蒸汽,CO+H,2,85%,合成甲醇、工业制氢,混合煤气,空气,-,水蒸汽,燃烧气,气体燃料,半水煤气,空气,-,水蒸汽,（,CO+H,2,）,/N,2,=3.13.2,合成氨专用,低氮半水煤气,富氧空气,-,水蒸汽,（,CO+H,2,）,/N,2,=3.54.5,联醇工艺,中热值煤气,富氧空气,-,水蒸汽,发热值高,城市煤气,空气煤气,：以空气为气化剂进行不完全燃烧所生成的煤气，其主要成分为,N,2,、,CO,、,CO,2,，及少量,H,2,，其发热值较低，主要与其它气体混合使用。,水煤气,：以蒸汽为气化剂制得的煤气，其主要成分为,CO,和,H,2,，二者含量之和高于,85%,，,N,2,含量低，主要用于合成甲醇等化工合成气，以及工业上大规模制取氢气。,混合煤气,：以空气和适量水蒸气的混合物为气化剂生成的煤气，也称发生炉煤气，其发热值比空气煤气高，工业上作为燃烧气，主要用作气体燃料。,半水煤气,：介于水煤气和混合煤气之间的煤气，可以直接用这两种煤气按一定的比例混合而成，也可以用水蒸气加适量空气或富氧空气作为气化剂制得。其基本特征是,（,CO+H,2,）,/N,2,=3.13.2,，用于合成氨生产。,低氮半水煤气,：其生产原理与半水煤气完全相同，不同的是其中氮气含量较低,，（,CO+H,2,）,/N,2,=3.54.5,，用于联醇工艺。,中热值煤气,：以富氧空气和水蒸气作为气化剂制得的煤气，因其发热值高，且,CO,含量相对较低，故用于城市煤气。,二、煤气化的原理,吹风反应,以一定量的空气或富氧空气为气化剂，碳和氧之间发生剧烈,放热反应,，为制气反应提供能量，也称,吹风反应,。其主要反应如下：,C+O,2,=CO,2,+393.777 kJ/mol,（主反应）（,2-1,）,C+CO,2,=2CO-172.28 kJ/mol,（,2-2,）,2C+O,2,=2CO+221.189 kJ/mol,（,2-3,）,制气反应,炽热的碳将氢从水蒸气中还原出来，在煤气生产中称之为蒸汽分解，主要还原反应：,C+H,2,O(g)=CO+H,2,-131.390 kJ/mol,（主反应）,C+2H,2,O(g)=CO,2,+H,2,-90.196 kJ/mol,2C+2H,2,=CH,4,+74.90 kJ/mol,该反应是,吸热反应,，产物是,水煤气,，是半水煤气的有效成分。,其它副反应,在燃料气化过程中，副反应，产生少量或微量的,H,2,S,和有机硫化物、氰化物、氨,等杂质组分。,三、煤气化反应速率,煤气化反应属于,气固相非催化反应,，包括碳与氧的反应，碳与水蒸气的反应，碳与,CO,2,的反应。,反应速率不仅化学反应活性关，而且也与气体扩散速度有关。究竟是,扩散控制、化学反应控制,？还是,过渡控制,？,吹风反应,温度变化范围约为,8001200,，属于,过渡控制和扩散控制,。,制气反应,温度一般控制在,1200800,之内，自始至终都属于,化学反应控制,状态。,碳与,CO,2,反应生成,CO,的过程,。在造气工业条件下，该反应始终都处于,化学反应控制,状态。,四、半水煤气生产的特点,半水煤气的特征：,（,CO+H,2,）,/N,2,=3.13.2,；,从气化系统的热平衡来看，吹风反应是放热反应，制气反应是吸热反应，如果外界不提供热源，而是通过前者的反应热为后者提供反应所需要的热量，并维持系统的自热平衡的话，理论上，,1mol,氧气,的吹风反应热仅可供,1.68mol,碳,和水蒸气进行制气反应，其,（,CO+H,2,）,/N,2,=1.43,3.13.2,。,反之，若欲获得组成合格的半水煤气，该系统就不能维持自热平衡。,如何化解供热与制气之间存在矛盾,？,化解供热与制气之间,矛盾的方法,间歇制气,法,富氧空气,或纯氧连续气化,法,间歇制气法,在间歇式固定床煤气发生炉中，,吹风反应和制气反应是交替进行的。,首先进行吹风反应，将燃料层温度（即炉温）提到必要的温度（如,11001200,），所得吹风气大部分放空。,吹风反应停止后，送入蒸汽进行制气反应，吸热反应，料层的温度、反应速度和水煤气质量（煤气中,CO+H,2,含量）都将下降。,水煤气,+,部分吹风气,=,半水煤气,。如此交替进行吹风和制气反应，故称间歇制气法。在我国目前中小型氮肥企业、联醇企业得到广泛应用。,富氧空气或纯氧连续气化法,空气中,氧气气含量过低,是以空气和水蒸汽为气化剂时不能实现连续制取合格半水煤气的根本原因。,如果采用,富氧空气或纯氧来代替空气,作为气化剂，以上问题将迎刃而解，并且可以实现连续制气。,富氧空气中氧气的浓度需要多少呢？,若,（,CO+H,2,）,/N,2,=3.1,，则富氧空气中氧气理论含量为：,1/(1+1.68)=36.6%,。,实际生产中连续气化法所需富氧空气中氧气含量约,50%,，此即为富氧空气,-,蒸汽连续气化法。,五、间歇式制半水煤气的方法,间,歇,式,制,半,水,煤,气,的,方,法,部分回收吹风气法,空气煤气和水煤气混合法,加氮空气法,部分回收吹风气法,该法利用吹风气部分回收送入气柜，大部分吹风气经回收余热后排空，而回收吹风气的量取决于对半水煤气成分的要求。,若（,CO+H,2,）,/N,2,=3.1,，,吹风气理论回收率约,45.7%,。,实际吹风气回收率仅为,10%20%,，,联醇工艺中吹风气回收的比例更低。,加氮空气法,该法是在,制气过程中配入适量空气,，提供半水煤气所需要氮气，而吹风气经回收余热后全部排放。,加氮空气的量为多少呢？,理论上,1mol,水蒸气加氮空气量为,0.81mol,。实际上，加氮空气的量要少于理论值。,在制气过程中加氮操作的另一个重要原因是利用加氮操作反应为制气反应提供热量、减小炉温波动以稳定炉况。,但必须注意的是：,加氮过程应稍晚于水蒸气通入，而稍早于水蒸气停止前停止加氮操作，以避免加氮空气与煤气接触而发生爆炸，即,加氮空气阀门适当地迟开早关,一些。,空气煤气和水煤气混合法（该法应用较少，在此不加介绍）,六、间歇式造气炉的工作循环,间歇式造气炉包括吹风和制气两大步骤。,实际上每个循环分成以下五个阶段：,吹风、一次上吹制气、下吹制气、二次上吹制气、空气吹净,为什么每个循环要分成五个阶段？,为了安全起见和炉况稳定。,先认识一下造气炉的基本结构,煤气炉内燃料分区示意图,煤气发生炉各阶段气体流向示意图,表,1-2,煤气发生炉各阶段阀门开闭情况,阶段,阀门开闭情况,1,2,3,4,5,6,7,吹风,一次上吹,下吹,二次上吹,空气吹净,注：,阀门开启；,阀门关闭。,1,三、间歇式造气炉的工作循环,吹风阶段：空气 煤气炉底部,灰渣层,气,氧化层,(,燃烧气化反应,),还原层（,CO,2,还原反应）炉顶,。,吹风反应提高炭层温度的同时，其中的氧气几乎被消耗殆尽，,CO,2,还原反应,吹风气中,CO,含量迅速增长，所以，吹风气必须经燃烧室或者集中到废热锅炉中回收显热和,CO,的潜热后才能放空。,2,一次上吹阶段,：将放空阀倒换为制气阀向气柜送气。水蒸气 煤气炉底部 灰渣层 气化层（制气反应）炉顶。,由于炉温高、气化反应速度快、蒸汽分解率较高、所得水煤气质量好，生成的水煤气经除尘和回收显热后送入气柜。,一次上吹过程中，由于水蒸气温度较低，加上制气反应大量吸热，使气化区温度显著下降，而燃料层上部却因灼热的煤气通过使温度有所上升，导致炉层热点（气化层）上移，煤气带走的显热损失显著增加，因此，在上吹制气进行一段时间后，应改变气体方向。,3,下吹阶段：上吹结束后，关闭下部蒸汽阀，打开上部蒸汽阀和下吹煤气阀，从炉顶自上而下送入蒸汽。饱和蒸汽先经燃烧室预热为过热蒸汽、再经燃料层预热后到达气化区进行气化反应，同时使上层燃料层温度降低，并使炉层热点重新回到正常位置，而生成水煤气通过灰层时使灰层温度提高，有利于燃尽残碳，煤气经除尘降温后送气柜。下吹制气阶段炉温高、蒸汽温度高、煤气质量好，所以下吹时间要长于一次上吹时间。,4,二次上吹阶段：下吹制气后，如果立即进行吹风，空气将与残留在炉底的下行煤气相遇，导致爆炸。所以，为了将炉底部的下吹煤气吹净并回收送入气柜，以防止吹入空气时发生爆炸，进行二次上吹制气是必要的，其目的是回收炉底煤气和进行安全准备。,5,空气吹净阶段：二次上吹制气后，煤气发生炉上部空间、出气管道及有关设备都充满了煤气，如立即进行吹风阶段，不仅造成浪费，且这部分煤气排至烟囱和空气接触时也可能发生爆炸。因此，在转入吹风之前，从炉底自下而上吹入空气，所产生的空气煤气与原来残留的水煤气一并送入气柜，这一阶段叫做空气吹净阶段。空气吹净的主要目的是为了回收炉上部及管道中剩余的煤气，在半水煤气的生产过程中属于加氮操作，是调节氢氮比的关键步骤。,空气吹净完成后，立即转入下一个循环的吹风阶段，如此周而复始。,每个工作循环所生成的煤气成分也呈周期性变化，这是间歇式制气的特征。,六、间歇式制半水煤气工艺条件的优化,炉温的优化,煤气炉的炉温是指燃料层中气化层的温度（吹风阶段为氧化层）。,在吹风和制气过程中化气层本身沿着轴向移动，其炉温高低也随之变化，其中以吹风末期炉温最高，制气阶段末期的炉温最低。,炉温高，则煤气质量好、产量高、蒸汽分解率高。,实际炉温,决定于燃料熔点,吹风量与吹风强度的优化,吹风时间长短、吹风数量多少和吹风强度大小是决定炉温高低、制气强度的主要因素。,过量吹风或吹风时间过长等并不一定能提高气化层温度，甚至反而可能有所下降，即过量吹风不利于制气反应。,在吹风量一定的情况下，采取,强风短吹,是缩短吹风时间、提高制气强度、减少热能损失的有效方法,循环中温度波动示意图,蒸汽自调优化和调节炉况,制气过程中炉温的逐渐下降，制气反应的速度和蒸汽分解率都呈逐级下降的趋势，,如果蒸汽吹入的速度保持均匀一致的话，将导致蒸汽分解率下降显著，炉况波动幅度增大。,采取蒸,汽自动调节措施,，使蒸汽用量随着制气过程逐渐递减。在实际生产中,提倡采用蒸汽调节手段而不是吹风调节手段来调节炉况，,以利于炉子的稳定生产。,合适的蒸汽流量自调曲线示意图,燃料层高度的优化,燃料层高度取决于,加炭,频率与数量、,出灰,的频率与数量。,在风机能力大、原料煤质量好、粒度大而均匀及炭层阻力小时，宜采用高炭层的操作条件。反之，宜采用中、低炭层的操作条件。,如果加炭与出灰不足，炉子会出现烧枯现象，即炉顶温度升高，炉子结疤；反之，过多的加炭和出灰，会导致渣中含碳量增加。,为了稳定造气工况，应根据原料煤种类和工艺流程特点，建立定时加炭和出灰制度，炭层高度主要通过炉条机的转速来调整。例如，碳化煤球，其灰分含量高，应勤加炭多出灰，才能获得较高的生产强度。,循环时间的分配优化,每一个吹风与制气工作循环所需时间，称为循环时间。一般而言，循环时间长，则气化层温度、煤气质量波动大；反之，循环时间短，气化温度波动小和煤气质量比较稳定，但循环时间短，阀门开关过于频繁，易于损坏。根据自控水平、维持炉内工况稳定和燃料性能优劣等方面来优化循环时间，一般循环时间为,2.53.0min,。,循环时间一经确定，由微机自动控制，一般不应作随意调整。循环时间确定后，循环的各阶段时间是相互制约、此长彼短，其分配主要取决于燃料的性质,不同燃料气化的循环时间分配表,燃料品种,工作循环中各阶段时间分配,/%,吹风,上吹,下吹,二次上吹,空气吹净,无烟煤，粒度,2575mm,24.525.5,2526,36.537.5,79,34,无烟煤，粒度,1550mm,22.523.5,2426,40.542.5,79,34,无烟煤，粒度,1525mm,25.526.5,2627,35.536.5,79,34,石灰碳化型煤,27.529.5,2526,36.537.5,79,34,煤气成分的调节,煤气成分通常采用调节空气吹净时间的方法来控制，改变制气过程中加氮空气量也是方法之一。,还应尽量降低煤气中,CH,4,、,CO,2,和,O,2,含量，特别是,O,2,含量要小于,0.5%,，否则，不仅有爆炸危险，而且将给变换催化剂带来严重危害。,七、间歇式生产半水煤气工艺流程的组织,1,、小型合成氨厂节能型工艺流程,间歇式生产半水煤气的工艺流程包括,煤气发生炉、余热回收装置、煤气除尘降温装置及煤气贮罐,等设备。目前我国小型合成氨厂普遍采用如下节能型工艺流程图,1,煤气发生炉；,2,旋风除尘器；,3,安全水封；,4,废热锅炉；,5,洗涤塔；,6,烟窗；,7,集尘器；,8,汽包；,9,蒸汽缓冲槽；,10,尾气贮槽；,11,分离器；,12,燃烧室；,13,蒸汽过热器；,14,烟气锅炉；,15,空气预热器；,16,软水加热器；,17,引风机；,18,二次风机,此流程的特点：,在于对生产过程的余热进行了全面、合理的回收。,一是回收煤气的显热，用于副产低压蒸汽；,二是对吹风气显热和潜热进行回收，主要采用“,合成二气,（,放空气,和,弛放气,经分离氨和回收氢气以后，其主要成分是甲烷）连续输入，吹风气集中燃烧，燃烧室体外取热”的工艺路线。,如生产正常、管理良好、造气工段基本可达到蒸汽自给。,2,、中型合成氨厂采用的,UGI,流程,1,煤气发生炉；,2,燃烧室；,3,洗气箱；,4,废锅；,5,洗气塔；,6,燃料贮仓；,7,烟囱,五、煤气发生炉的结构与操作控制要点,1,、煤气发生炉的结构,间歇式造气炉属于移动床或固定床气固反应设备，分为炉顶、炉体和炉底三部分，其结构示意图如图,1-12,所示。,煤气发生炉的结构示意图,灰 盘,炉 箅,煤,气,发,生,炉,的,主,要,附,件,煤气发生炉的控制,1,煤气化过程的一个工作循环,-,吹风、,一次上吹、下吹、二次上吹、空气吹,净等,5,个阶段全部由电脑编程并按步骤,进行。,2,加料和排渣为间歇操作,3,安全生产及环境保护,气体的储存容器,-,气柜,气柜的工作原理,1,、固定层加压鲁奇炉富氧连续制气,图,1-14,鲁奇炉结构示意图,1,煤箱；,2,分布器；,3,水夹套；,4,灰箱；,5,洗涤器,采用纯氧和水蒸气为化气剂，其原料可采用烟煤、褐煤、贫煤、瘦煤、无烟煤和焦炭等多种煤种，其粒度范围为,550mm,的碎煤、块煤或型煤，采用固态排渣，操作压力为,210Mpa,、操作温度一般为,9001200,。制气过程中，煤在炉内缓慢下移，形成一个相对的“固定”床层，故称固定床加压气化。,鲁奇炉的制气能力与富氧空气中氧的浓度有关，氧浓度越大，其制气能力越大。,鲁奇炉现已发展到,Mark-V,型，炉直径达,5m,，单日投煤量达,2160t,，单炉最大产粗煤气量达,117000m3,（标）,/h,，对于日产,1000t,总氨的生产装置，只需要四台,3800mm,的气化炉，其中三台生产，一台备用。,2,、水煤浆气流床德士古富氧连续气化法,水煤浆德士古富氧（纯氧）连续气化法是将粉煤、水、分散剂和减粘剂等配制成可用泵输送的高浓度水煤浆（煤浓度达,70%,），加压后喷入气化炉内，与富氧（纯氧）进行燃烧和部分氧化反应，在,13001400,下进行气化反应，生产原料气，液态排渣的加压纯氧流床气化。,关键技术是高浓度水煤浆技术、水煤浆喷嘴技术、熔渣在高压下排出技术。,3,、加压气流床粉煤气化技术,主要由壳牌公司开发成功并推广应用，是当今世界最先进的第三代煤化工艺之一。其技术特点如下：,采用干粉进料及气流床气化，对煤种适应性强。,能量利用率高。采用高温加压气化，热效率很高。可使碳转化率达,99%,。,合成气中有效成分,CO+H,2,可高达,90%,，且煤气中甲烷含量低，不含焦油、荼、酚等有机杂质。,单炉生产能力大。气化炉烧嘴寿命长达,8000h,以上，运转周期长，最大炉型达到了,3000t/d,的投煤量。年产,30,万,t,总氨的合成氨厂或甲醇厂只需一台气化炉即可。,环境效益好。,Shell,炉的不足之处有：国产化率低，进口设备多 等。,3,、原料气制取过程中的节能技术,高炉温,采取强风短吹,自动调节蒸汽流量,高炭层,吹风气集中回收技术,采用过热蒸汽,问题与思考,1、,2、,3、,项目三,半水煤