年产2万吨合成氨造气工段工艺设计计算--应用化工技术毕业论文.doc

班 级： 学 号：笑嘻嘻小大学毕业设计(论文)题 目 年产2万吨合成氨造气工段工艺设 计算 专 业 应用化工技术 学 生 指导教师 摘要4第一章 绪论.1.1煤炭资源.1.2中国煤化工行业发展前景与特点.1.3合成氨的发展历程.1.4合成氨产品的性能、用途及市场需要.1.5煤炭气化发展史.第二章 合成氨煤炭气化原理与生产方法的选择及论证.2.1煤炭气化原理.2.1.1气化过程主要化学反应.2.1.2气化过程的物理化学基础.2.2合成氨造气所需原料、来源及生产方法的选择与论证.2.2.1合成氨造气所需的主要原料、来源.2.2.2生产方法的介绍.2.2.2.1煤气化方法分类.2.2.2.2固定床气化法.2.2.2.3流化床气化.2.2.2.4气流床气化.2.2.3生产方案的选择与论证.2.2.3.1水煤浆气化技术.2.2.3.2移动床气化技术.2.2.3.3流化床气化技术.2.2.3.4气流床气化技术.第三章 常压固定床间歇气化法.3.1 半水煤气定义.3.2 固定床气化法的特点.3.3 生产半水煤气对原料的选择.3.4 半水煤气制气原理.3.5 发生炉内燃料分布情况.3.6 各主要设备的作用.3.6.1 煤气发生炉.3.6.2 燃烧室.3.6.3 废热锅炉.3.6.4 洗气箱.3.6.5洗涤塔.3.6.6 烟囱.3.6.7 自动机.3.7 间歇式制半水煤气的工艺条件.3.8 生产流程的选择及论证.3.9 间歇式气化的工作循环.3.10 间歇式制半水煤气工艺流程.第四章 合成氨煤炭性质对气化的影响.4.1煤种对气化的影响.4.2煤质对气化的影响.第五章 工艺计算.5.1工艺计算（物料及热量衡算）.5.1.1空气吹风阶段计算.5.1.2蒸汽吹送阶段的计算.5.1.3总过程计算.5.2主要设备计算.5.2.1煤气发生炉.5.2.2余热回收器.第六章 物料流程图.6.1带控制点工艺流程图.6.2设备图.第七章 设备一览表.第八章 合成氨车间布置简述.第九章 安全技术与节能.9.1 安全技术.9.2 节能.第十章 设计总结.致 谢.参考文献.摘要 年产2万吨合成氨造气工段工艺设计煤炭深加工与利用 指导老师：摘要 本设计时年产能力为2万吨合成氨造气工段（合成氨所需原料气-半水煤气）的初步工艺设计。本设计采用常压固定床间歇制气法。根据株化集团合成氨厂现场实习及有关文献资料，完成物料、热量的计算。此设计配有设计说明书一份，图纸二张。说明书内容：1.煤造气的发展及发展趋势；2.造气工段的生产原理，流程选择及生产方法的论证与选择；3.物料衡算、热量 衡算；4.主要设备的计算及选型；5.安全技术及节能；6.技术经济.二张图纸：1.带控制点的物料流程图；2.设备平面布置图；关键词：合成；氨；半水煤气；工艺；设计The Design of Producing Coal Gas about Manufacturing Synthesis of Ammonia 20000T/aChemical engineering and techniques Chen Chao Guide Teacher Liu Hexiu Abstract：This design is a primary design about the synthesis of ammonia 20000T/year techniques accidence contrive. The design owns the process of producing semi-water gas. The design completed the calculation of material and heat quantity according to relevant date. During the design period an instruction and four serials of diagram have been worked out.The instruction includes: 1. The development history of producing coal gas and the developing trend.2. The production way of producing semi-water gas、demonstrating and the choosing ,factory chamber plan.3. The calculation of material and the calculation of heat quantity.4. The designing and technological calculation about the main equipments.5. Safety and saving energy.6. Economic estimate.Four serious of diagram includes:1. 20000T/Y ammonia process technique flow heat with controlled point.2. The factory chamber plan diagram.3. The factory spare picture.4. The main equipment installing picture.Key words: synthesis; ammonia、semi-water gas、technology design. 前 言本设计说明书是年产2万吨合成氨厂造气工段的初步设计。氨是一种重要的化工原料，特别是生产化肥的原料，它是由氢和氮合成。合成氨工业是氮肥工业的基础。为了生产氨，一般均以各种燃料为原料。首先，制成含H2和CO等组分的煤气，然后，采用各种净化方法，除去气体中的灰尘、H2S、有机硫化物、CO、CO2等有害杂质，以获得符合氨合成要求的洁净的1：3的氮氢混合气，最后，氮氢混合气经过压缩至15Mpa以上，借助催化剂合成氨。我国能源结构中，煤炭资源占很大比重。煤的气化是煤转化技术中最主要的方面，并已获得广泛的应用。煤气化提供洁净的可以管道输送的气体燃料。目前还在建设采用各种煤气化技术的工业化装置。煤气化在各方面的应用都依赖于煤气化技术的发展，这主要因为煤气化环节往往在总投资及生产成本中占相当大的比重。我国合成氨工业原料路线是煤汽油并举，以煤为主。合成产量60%以上是以煤为原料，全国现有1000多家大中小型以煤为原料的合成氨厂。随着油价的不断上涨，今后将停止以油为原料的新设备建设，并要求进行以煤代油的技术改造。本说明书是在工艺和设备计算的基础上加以工艺论证及选择而编制的。主要内容包括：绪论、设计任务及要求、生产方案，生产流程的选择及论证、制气生产原理、工艺指标、设备计算及选型。 第一章 绪论1.1煤炭资源煤炭的定义：煤炭是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。一种固体可燃有机岩，主要由植物遗体经生物化学作用，埋藏后再经地质作用转变而成。煤炭资源：煤炭资源，能源矿产资源之一。在世界一次能源消费量中占25%。2000年底，世界煤炭总产量为46.61亿吨，消费量46.59亿吨，贸易量5.9亿吨。世界探明可采储量为9842.11亿吨。其中，主要集中在美国（2466.43亿吨）、俄罗斯（1570.10亿吨）、中国（1145亿吨）、澳大利亚（904亿吨）、印度（747.33亿吨）、德国（670亿吨）、南非（553.33亿吨）、乌克兰（343.56亿吨）、哈萨克斯坦（340亿吨）、波兰（143.09亿吨）、巴西（119.50亿吨）等国。1.2中国煤化工行业发展前景与特点新型煤化工是指以洁净能源和化学品为目标产品， 应用煤转化高新技术，建成未来新兴煤炭能源化产业；结合煤炭资源开发和煤炭生产建设的发展，建成若干大型产业基地或基地群。新型煤化工是煤炭工业调整产业结构，走新型工业化道路的战略方向。新型煤化工与传统煤化工的区别：新型煤化工通常指煤制油、煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制烯烃、煤制乙二醇等等。传统煤化工涉及焦炭、电石、合成氨等领域。新型煤化工以生产洁净能源和可替代石油化工产品为主，如柴 油、汽油、航空煤油、液化石油气。新型煤化工的特点：(1）以清洁能源为主要产品。新型煤化工以生产洁净能源和可替代石油化工产品为主，如柴油、汽油、航空煤油、液化石油气、乙烯原料、聚丙烯原料、替代燃料（甲醇、二甲隧、电力、热力等，以及煤化工独具优势的特有化工产品，如芳香短类产品。(2）煤炭一能源化工一体化。新型煤化工是未来中国能源技术发展的战略方向，紧密依托于煤炭资源的开发，并与其它能源、化工技术结合，形成煤炭一能源化工一体化的新兴产业。(3）高新技术及优化集成。新型煤化工根据煤种、煤质特点及目标产品不同，采用不同煤转化高新技术，并在能源梯级利用、产品结构方面对不同工艺优化集成，提高整体经济效益，如煤焦化一煤直接液化联产、煤焦化一化工合成联产、煤气化合成一电力联产、煤层气开发与化工利用、煤化工与矿物加工联产等。同时，新型煤化工可以通过信息技术的广泛利用，推动现代煤化工技术在高起点上迅速发展和产业化建设。(4）建设大型企业和产业基地。新型煤化工发展将以建设大型企业为主，包括采用大型反应器和建设大型现代化单元工厂，如百万吨级以上的煤直接液化、煤间接液化工厂以及大型联产系统等。在建设大型企业的基础上，形成新型煤化工产业基地及基地群，制砂设备。每个产业基地包括若干不同的大型工厂，相近的几个基地组成基地群，成为国内新的重要能源产业。(5）有效利用煤炭资源。新型煤化工注重煤的洁净、高效利用，如高硫煤或高活性低变质煤作化工原料煤，在一个工厂用不同的技术加工不同煤种并使各种技术得到集成和互补，使各种煤炭达到物尽其用，充分发挥煤种、煤质特点，实现不同质量煤炭资源的合理、有效利用。新型煤化工强化对副产煤气、合成尾气、煤气化及燃烧灰渣等废物和余能的利用。(6）经济效益最大化。通过建设大型工厂，应用高新技术，发挥资源与价格优势，资源优化配置，技术优化集成，资源、能源的高效合理利用等措施，减少工程建设的资金投入，降低生产成本，提高综合经济效益，选矿设备。(7）环境友好。通过资源的充分利用及污染的集中治理，达到减少污染物排放，实现环境友好。(8）人力资源得到发挥。通过新型煤化工产业建设，带动煤炭开采业及其加工业、运输业、建筑业、装备制造业、服务业等发展，扩大就业，充分发挥我国人力资源丰富的优势。1.3合成氨的发展历程在探索合成氨崎岖的道路上，它不仅使两位杰出的化学家勒夏特列和能斯特折戟蒙羞，而且使一位对人类社会发展作出巨大贡献，并因此获得诺贝尔化学奖的哈伯堕落成为助纣为虐与人民为敌的可耻下场。后来人们把合成氨称为化学发展史上的“水门事件”。 1900年，法国化学家勒夏特列在研究平衡移动的基础上通过理论计算，认为N2和H2在高压下可以直接化合生成氨，接着，他用实验来验证，但在实验过程中发生了爆炸。他没有调查事故发生的原因，而是觉得这个实验有危险，于是放弃了这项研究工作，他的合成氨实验就这样夭折了。后来才查明实验失败的原因，是他所用混合气体中含有O2，在实验过程中H2和O2发生了爆炸的反应。 稍后，德国化学家能斯特通过理论计算，认为合成氨是不能进行的。因此人工合成氨的研究又惨遭厄运。后来才发现，他在计算时误用一个热力学数据，以致得到错误的结论。 在合成氨研究屡屡受挫的情况下，哈伯知难而进，对合成氨进行全面系统的研究和实验，终于在1908年7月在实验室用N2和H2在600、200个大气压下合成氨，产率仅有2%，却也是一项重大突破。当哈伯的工艺流程展示之后，立即引起了早有用战争吞并欧洲称霸世界野心的德国军政要员的高度重视，为了利用哈伯，德国皇帝也屈尊下驾请哈伯出任德国威廉研究所所长之职。而恶魔需要正好迎合了哈伯想成百万富翁的贪婪心理。从1911年到1913年短短的两年内，哈伯不仅提高了合成氨的产率，而且合成了1000吨液氨，并且用它制造出3500吨烈性炸药TNT。到1913年的第一次世界大战时，哈伯已为德国建成了无数个大大小小的合成氨工厂，为侵略者制造了数百万吨炸药，因而导致并蔓延了这场殃祸全球的世界大战。这就是第一次世界大战德国为什么能够坚持这么久的不解之谜谜底。 当事实真相大白于天下时，哈伯爱到了世界各国科学家的猛烈抨击，尤其当他获得1918年诺贝尔化学奖时，更激起世界人民的愤怒。 人工合成氨实验的成功令人欢欣鼓舞，它对工业、农业生产和国际科技的重大意义是不言而喻的，但对三位杰出的科学家而言则是黑色的“水门事件”。 1949年前，全国仅在南京、大连有两家合成氨厂，在上海有一个以水电解法制氢为原料的小型合成氨车间，年生产能力共为46kt氨。中华人民共和国成立以后，合成氨的产量增长很快。为了满足农业发展的迫切需要，除了恢复并扩建旧厂外，50年代建成吉林、兰州、太原、四川四个氨厂。以后在试制成功高压往复式氮氢气压缩机和高压氨合成塔的基础上，于60年代在云南、上海、衢州、广州等地先后建设了20多座中型氨厂。此外，结合国外经验，完成“三触媒”流程（氧化锌脱硫、低温变换、甲烷化）氨厂年产50kt的通用设计，并在石家庄化肥厂采用。与此同时开发了合成氨与碳酸氢铵联合生产新工艺，兴建大批年产520kt氨的小型氨厂，其中相当一部分是以无烟煤代替焦炭进行生产的。70年代开始到80年代又建设了具有先进技术，以天然气、石脑油、重质油和煤为原料的年产300kt氨的大型氨厂，分布在四川、江苏、浙江、山西等地。1983、1984年产量分别为16770kt、18373kt（不包括台湾省），仅次于苏联而占世界第二位。现在已拥有以各种燃料为原料、不同流程的大型装置15座，中型装置57座，小型装置1200多座，年生产能力近20Mt氨。 目前，中国是世界上最大的化肥生产和消费大国，合成氨年生产能力已达4222万吨。但合成氨一直是化工产业的耗能大户。6月7日8日，全国合成氨节能改造项目技术交流会在北京召开，明确了“十一五”期间合成氨节能工程在降耗、环保等方面要达到的具体目标。 会议根据“十一五”期间合成氨能量优化节能工程实施方案规划，确定的这一重点节能工程的目标是：大型合成氨装置采用先进节能工艺、新型催化剂和高效节能设备，提高转化效率，加强余热回收利用；以天然气为原料的合成氨推广一段炉烟气余热回收技术，并改造蒸汽系统；以石油为原料的合成氨加快以洁净煤或天然气替代原料油改造；中小型合成氨采用节能设备和变压吸附回收技术，降低能源消耗。煤造气采用水煤浆或先进粉煤气化技术替代传统的固定床造气技术。到2010年，合成氨行业节能目标是：单位能耗由目前的1700千克标煤吨下降到1570千克标煤吨；能源利用效率由目前的42.0提高到45.5；实现节能570万585万吨标煤，减少排放二氧化碳1377万1413万吨。据了解，十多年来，我国合成氨装置先后经过油改煤、煤改油、油改气和无烟煤改粉煤等多次反复的原料路线改造和节能改造，先后在烃类蒸汽转化工段、变换工段、脱碳工段、控制系统等进行了数十项大型改造。其中造气炉、炉况监测与系统优化、脱硫系统等技改始终是重点。但是，由于装置原料路线、资源供应、运输、资金与技术成熟度等诸多方面原因，合成氨节能技术改造的效果始终未能达到预期目标。到2004年底，合成氨单位能耗平均为1700千克标煤吨，吨氨平均水平与国际先进水平相差600700千克标煤。据了解，合成氨节能改造项目的具体实施由中国化工节能技术协会负责。1.4合成氨产品的性能、用途及市场需要 (1) 氨的产品性能合成氨的化学名称为氨，氮含量为82.3%。氨是一种无色具有强烈刺激性、催泪性和特殊臭气的无色气体，比空气轻，相对密度0.596，熔点77.7；沸点33.4。标准状况下，1米3气氨重0.771公斤；1米3液氨重638.6公斤。极易溶于水，常温（20）常压下，一个体积的水能溶解600个体积的氨；标准状况下，一个体积水能溶解1300个体积的氨氨的水溶液称为氨水，呈强碱性。因此，用水喷淋处理跑氨事故，能收到较好的效果2。氨与酸或酸酐可以直接作用，生成各种铵盐；氨与二氧化碳作用可生成氨基甲铵，脱水成尿素；在铂催化剂存在的条件下，氨与氧作用生成一氧化氮，一氧化氮继续氧化并与水作用，便能得到硝酸。氨在高温下(800以上)分解成氮和氢；氨具有易燃易爆和有毒的性质。氨的自燃点为630，氨在氧中易燃烧，燃烧时生成蓝色火焰。氨与空气或氧按一定比例混合后，遇明火能引起爆炸。常温下氨在空气中的爆炸范围为15.528，在氧气中为13.582。液氨或干燥的气氨，对大部分物质没有腐蚀性，但在有水的条件下，对铜、银、锌等有腐蚀作用3。(2) 氨的用途氨是基本化工产品之一，用途很广。化肥是农业的主要肥料，而其中的氮肥又是农业上应用最广泛的一种化学肥料，其生产规模、技术装备水平、产品数量，都居于化肥工业之首，在国民经济中占有极其重要的地位。各种氮肥生产是以合成氨为主要原料的，因此，合成氨工业的发展标志着氮肥工业的水平。以氨为主要原料可以制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥料。还可以将氨加工制成各种含氮复合肥料。此外，液氨本身就是一种高效氮素肥料，可以直接施用，一些国家已大量使用液氨。可见，合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业增产起着重要的作用。氨也是重要的工业原料，广泛用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成树脂、含氮无机盐等工业部门。将氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生产炸药、染料等产品的重要原料。现代国防工业和尖端技术也都与氨合成工业有密切关系，如生产火箭的推进剂和氧化剂，同样也离不开氨。此外，氨还是常用的冷冻剂。合成氨工业的迅速发展，也促进和带动了许多科学技术部门的发展，如高压技术、低温技术、催化技术、特殊金属材料、固体燃料气化、烃类燃料的合理利用等。同时，尿素和甲醇的合成、石油加氢、高压聚合等工业，也是在合成氨工业的基础上发展起来的。所以合成氨工业在国民经济中占有十分重要的地位，氨及氨加工工业已成为现代化学工业的一个重要部门4。（3）市场需要据资料统计:1997 年世界合成氨年产量达103.9Mt。预计2000 年产量将达111.8Mt。其化肥用氨分别占氨产量的81.7%和82.6%。我国1996 年合成氨产量已达30.64Mt,专家预测2000 年将达36Mt,2020 年将增加至45Mt。即今后20 年间将增加到现在的1.5 倍。因而合成氨的持续健康发展还有相当长的路要走。未来我国合成氨氮肥的实物产量将会超过石油和钢铁。合成氨工业在国民经济中举足轻重。农业生产,“有收无收在于水,收多收少在于肥”。所以,合成氨工业是农业的基础。它的发展将对国民经济的发展产生重大影响。因此,我国现有众多的化肥生产装置应成为改造扩建增产的基础。我国七十至九十年代先后重复引进30 多套大化肥装置,耗费巨额资金,在提高了化肥生产技术水平的同时,也受到国外的制约。今后应利用国内开发和消化吸收引进的工艺技术,自力更生,立足国内,走出一条具有中国特色的社会主义民族工业的发展道路。过去引进建设一套大型化肥装置,耗资数十亿元。当今走老厂改造扩建的道路,可使投资节省1/22/3。节省的巨额资金,用作农田水利建设和农产品深加工,将在加速农村经济发展,提高农民生活水平,缩小城乡差距起着重要用。1.5煤炭气化发展史作为占我国能源资源70的煤炭，能否加快推进煤炭气化产业，在减少环境污染的前提下释放更大的能效出来，这无疑对十一五发展规划的起步具有重要的战略意义。 目前，在国内火力发电是重头。据国家发改委副主任张国宝披露，截至去年，在国内总装机容量中，煤电占73.9，水电占24.5，核电占1.6。至于可再生资源发电，其所占的比重微乎其微。 一份数据表明，煤炭火力发电站的能源利用率一般为48至50，使用煤炭气化发电技术可把能源利用率提高大约几个百分点到十几个百分点不等。而煤炭气化过程中产生的氮氧化物和硫化物等有害气体也将比直接燃烧煤炭减少20以上。 我国煤炭气化的正式起步始于上个世纪80年代。当时，在徐州、唐山、山东等10余个矿区先后进行试验。从2000年起，山东新汶矿务局煤炭气化步入产业化应用，实现了连续稳定生产中热值煤气，供民用及内燃机发电。此前唐山刘庄煤矿煤气主要用于工业锅炉燃烧。 一般说来，煤炭气化分为地上与地下气化两种。前者以煤炭作为原料，以氧或氢作气化介质，控制氧化程度，使煤炭转化成为一氧化碳、氢和甲烷等可燃性气体。后者的原理与前者基本一致，区别仅在于是在未经开采的煤层中进行。 由于地下气化集建井、采煤、地面气化三大工艺为一体，通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体，可作为燃料、化工原料、城市煤气或用于提取氢气与建设坑口电厂发电，具有安全性好、投资少、效益高、污染少等特点，目前深受世界各国重视。 从目前进展看，我国地下气化技术仍处于工业试验阶段，不尽如人意。专家分析指出：产业化进程停滞，技术难题尚未破，政策措施不到位，这三大问题是导致上述结果的直接原因。 煤炭地下气化的目的在于应用和产业化。近几年来，国内不少企业，这其中不乏煤炭的大型企业，纷纷看好煤炭地下气化技术，但煤炭价格的不断飚升，效益唾手可获，因此继续挖煤，不愿意冒太大的风险，投资止步不前。 据调查，煤炭地下气化在实现商业化前必须攻克五大难点，这就是气化炉型与结构、单炉产量服务年限与成本、提高煤气质量与数量、地下气化炉密闭与安全、地下气化炉气化工艺测控。 对地下气化的研究，一般需要建立煤炭气化试验研究基地。选择12个有代表性的煤种（烟煤、无烟煤等）、煤层（厚度、倾角等）和用户（民用燃料、发电、化工原料）作为试验基地，开展多项技术攻关与研究。但缺乏支持力度，尚为空白。 相关资料显示，在国际上，煤炭地下气化技术，俄罗斯、美国、德国和日本处于领跑者的地位。 据悉，美国的煤炭气化技术现拥有移动床气化装置、流体床气化装置、夹带气化装置三大类。而煤炭的综合气化装置具有第二代气化技术的特点，能确保发电厂机组发电能力达到100兆瓦至300兆瓦，可与现有的商业性发电厂竞争。 开发煤炭气化复合发电技术是日本电力公司的主攻方向。这是指首先在气化炉里用1600到1800的高温把煤炭气化，使之推动燃气轮机发电；然后，再利用废气废热制造水蒸气，推动蒸汽轮机发电。 据统计，我国排放的二氧化硫的90、氮氧化物的70来自燃煤，这其中50左右来自火电厂，电厂每发1000瓦时火电向大气中排放0.1公斤二氧化硫。在去年，其排放总量接近1600万吨。按此速度，到2025年前后，我国二氧化硫排放量将超过美国，居全球第一。 为此，专家再次发出呼吁，煤炭深加工及煤炭气化刻不容缓，它不仅是我国未来能源产业的重要出路，更是当前减少大气污染的重要途径第二章 合成氨煤炭气化原理与生产方法的选择及论证2.1煤炭气化原理煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。煤炭气化时，必须具备三个条件，即气化炉、气化剂、供给热量，三者缺一不可。2.1.1气化过程主要化学反应（1）C+H2OCO+H2 （2）Na2CO3+H2S=NaHCO3+NaHS （3）利用水煤气合成二甲醚的三步反应如下： 2H2(g) + CO(g) CH3OH(g)；H90.8 kJmol-1 2CH3OH(g)CH3OCH3(g) + H2O(g)；H 23.5 kJmol-1 CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)；H 41.3 kJmol-1总反应：3H2(g) + 3CO(g) CH3OCH3(g) + CO2(g)的H -246.4 kJ mol-1 ；一定条件下的密闭容器中，该总反应达到平衡，要提高CO的转化率，可以采取的措施是减少CO2的浓度；分离出二甲醚。2.1.2气化过程的物理化学基础煤炭在煤气发生炉内气化的过程有两类型的反应，即非均相反应和均相反应。前者是气化剂与煤炭或者煤焦的反应，后者是气态反应产物之间的相互作用或气化剂的反应。煤炭的气化过程是一个热化学过程，影响其化学过程的因素有很多，除了气化介质、燃料接触方式影响外，其工业条件的影响也必须考虑。总的来说煤炭在煤气发生炉的反应主要表现为煤炭与水蒸汽的反应、煤炭与一氧化碳的反应、煤炭与二氧化碳的反应、煤炭与氢气的反应等几个主要反应。2.2合成氨造气所需原料、来源及生产方法的选择与论证2.2.1主要原料及来源(1) 合成塔进口气体组成合成塔进口气体组成包括氢氮比、惰性气体含量与初始氨含量。当氢氢比为3时，对于氨合成反应，可得最大平衡氨含量，但从动力学角度分析，最适宜氢氨比随氨含量的不同而变化。如果略去氢及氨在液氨中溶解损失的少量差异，氨合成反应氢与氮总是按3：1消耗，新鲜气氢氮比应控制为3，否则循环系统中多余的氢或氮就会积累起来，造成循环气中氢氮比的失调。惰性气体(CH4、Ar)来源于新鲜原料气，它们不参与反应因而在系统中积累。惰性气体的存在，无论从化学平衡还是动力学上考虑均属有弊。但是，维持过低的惰气含量又需大量排放循环气导致原料气消耗量增加。如果循环气中惰性气体含量一定，新鲜气中惰性气体含量增加，根据物料平衡关系，新鲜气消耗随之增大。因此，循环气中惰性气体含量应根据新鲜气惰性气体含量、操作压力、催化剂活性等条件而定。由于原料气制备与净化方法不同，新鲜气中惰性气体含量也各个相同，循环气中所控制的惰性气体含量也有差异。当其它条件一定时，进塔气体中氨含量越高，氨净值越小，生产能力越低。初始氨含量的高低取决于氨分离的方法。对于冷冻法分离氨，初始氨含量与冷凝温度和系统压力有关。为过分降低冷凝温度而过多地增加氨冷负荷在经济上也并不可取。操作压力300atm时，一般进塔氨含量控制在3.23.8；150atm时，为2.03.2。(2) 硫化物和碳氧化物含量无论那一种原料所得原料气，都含有一定数量的硫化物。虽然原料气中硫化物含量不高，但对合成氨生产危害却很大。硫化物是各种催化剂的毒物，硫化氢能腐蚀设备管道。以烃类为原料的蒸汽转化法制取原料气，镍催化剂对硫含量限制十分严格，要求烃原料中总硫含量为0.5PPm(重量)以下。为防止CO和CO2对催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得多余20ppm5。生产合成氨，首先必须制备氢、氮原料气。氮气来源于空气，可以在低温下将空气液化、分离而得，或者在制氢过程中直接加入空气来解决。氢气来源于水或含有烃类的各种燃料，它取决于用什么方法制取。最简便的方法是将水电解，但此法由于电能消耗大、成本高而受到限制。现在工业上普遍采用以焦炭、煤、天然气、重油等原料与水蒸汽作用的气化方法。2.2.2生产方法的介绍：2.2.2.1煤气化法按不同的分类有多种，分叙如下：1.按制取煤气的热值分类为（1）制取低热值煤气方法，煤气热值低于8347kJ/m3；（2）制取中热值煤气方法，煤气热值16747334948347kJ/m3；（3）制取高热值煤气方法，煤气热值高于334948347kJ/m3。2.按供热方式分类，气化过程的供热方式有（1）部分气化方法；（2）间接供热；（3）由平行进行的反应器直接供热；（4）热载体 供热。3.按反应器的形式分类，气化方法有（1）移动床（固定床）；（2）流化床；（3）气流床。2.2.2.2 固定床气化法 煤的固定床气化是以块煤为原料。煤由气化炉顶部间歇加入，气化剂由炉底送入，气化剂与煤逆流接触，气化过程进行得很完全，灰渣中残碳少，产物气体的显热中的相当部分供给煤气化前的干燥和干馏，煤气出口温度低，而且灰渣的显热又预热了入炉的气化剂，因此气化剂效率高。这是一种理想的完全气化方式。（1）固定床常压气化 此方法比较简单，但对煤的类型有一定要求，即要求用块煤，低灰熔点的煤难以使用常压方法用空气或空气-水蒸汽作为气化剂，制得低热值煤气。（2）固定床加压气化固定床加压气化最成熟的炉型是鲁奇炉。它和常压移动床一样，也是自热式逆流反应床。所不同的是采用氧气-水蒸汽或空气-水蒸汽为气化剂，在2.0-3.0Mpa和9001100的温度条件下连续气化方法。2.2.2.3 流化床气化 流化床气化又称沸腾床气化，它是以小颗粒煤为原料，将气化剂（蒸汽和富氧或氧气）送入炉内，是煤颗粒的炉内呈沸腾状态进行气化反应。它是一种介于逆流操作和顺流操作这两种情况之间的操作。（1）温克勒法温克勒法是最早开发的流化方法，在常压下，把煤粒度为0-8mm的褐煤、弱粘结性烟煤或焦碳经给煤机加入到气化炉内。在炉底部通入空气或氧气作介质，没与经过预热的气化剂发生反应。（2）高温温克勒法将含水分8512%的褐煤输入到充压至0.98Mpa的密闭料锁系统后，经给煤机加入气化炉内。白云石、石灰石或石灰经给料机输入炉内。没与白云石类添加物在炉内与经过预热的气化剂（氧气/蒸汽或空气/蒸汽）发生气化反应。粗煤气由气化炉上方逸出进入第一旋风分离器，在此分离出的较粗颗粒、灰粒循环返回气化炉。粗煤气再进入第二旋风分离器，在此分离出的细颗粒通过密闭的灰锁系统将灰渣排出，除去煤尘。煤气经废热锅炉生产水蒸气以回收余热，然后经水洗塔进一步冷却和除（3）灰团聚气化法它是在流化床中导入氧化性高速气流，使煤灰在软化而未熔融的状态下在锥形床层中相互熔聚而粘结成含碳量低的球状灰渣，有选择性地排出炉内。它与固态排渣相比，降低了灰渣的碳损失。2.2.2.4 气流床气化 所谓气流床气化就是在煤气化过程中直接用氢或富含H2的气体作为气化剂，生成富含CH4的煤气化方法，其总反应方程式可表示为：煤H2CH4焦（1）KT法此法是最早工业化的气流床气化方法，它采用干法进料技术，因在常压下操作，存在问题较多。它是1948年德国海因里希-柯柏斯和托切克博士提出的一种气流床气化粉煤的方法。（2）德士古气化法它是一种湿法（水煤浆）进料的加压气化工艺。气化炉是由美国德平古石油公司所属德平古开发公司开发的气流床气化炉。2.2.3 生产方案的选择及论证2.2.3.1水煤浆气化法技术该技术具有气化炉结构简单、煤种适应较广、水煤浆进料以控制安全、单炉生产能力大环保性能好、操作弹性大及气化过程碳转化率较高等特点。2.2.3.2移动床气化法技术移动床气化法分为压和常压两种，该技术对煤的类型有一定要求，要用块煤，底灰熔点的煤难以使用。2.2.3.3流化床气化法技术该技术有生产强度较固定床大，可直接使用小颗粒碎煤为原料、对煤种的适应性强等特点。2.2.3.4气流床气化法技术该技术有煤种适应范围较宽、合成气质量好、煤气中含有效成分（COH2）高达85%88%、单炉生产能力强等特点。总之与固定床气化相比其它气化方法包括水煤气加压气化法、移动床气化法、硫化床气化法、气流床气化法的优点是：（1）气化能力大；（2）气化用煤广；（3）生产灵活性强，开停车容易；（4）碳转化率高；（5）环境污染小。但是如果采用这些方法不但其主体设备及相关必要设备的投资就将大大增加而且能耗也将大大增大。这对我国氨需求量大而技术又相对落后而且资金短缺、煤资源丰富这一基本国情是不相符的。所以，虽然固定床其工艺较其它气化工艺有其不足之处且工艺较为落后。但其气化工艺较之其它工艺更成熟。根据我国基本国情及当地情况本设计采用常压固定床间歇气化法。第三章 合成氨常压固定床间歇气化法3.1 半水煤气定义半水煤气是以水蒸气为主加入适量的空气为气化剂与赤热的炭反应，所生成的煤气称为半水煤气，它是合成氨的原料气，其成分中CO2+H2一般在68%左右。用于合成氨的半水煤气要求氢氮比为3：1。3.2 固定床气化法的特点固定床气化法其煤气发生炉的排渣和加料不是连续的，而是间断的排渣和加料，其致密的煤层在气化过程中是静止不动的，随着气化反应的进行，以温度化分的各区域将逐渐上移，必须经过间歇排渣和加炭后各区域才恢复到原来的位置。3.3 生产半水煤气对原料的选择间歇法生产半水煤气对原料的要求：（1）对水分的要求一般焦炭和无烟煤正常水分含量均在临界水分以下，如果燃料中水分含量过高，会影响煤气发生炉的气化效率，在气化过程中因水分蒸发吸热造成炉温下降使燃料消耗增加，炉子操作条件恶化，影响水煤气产量和质量。因此，要求入炉煤的水分含量小于35%。（2）对挥发分的要求煤中所含挥发分得多少与煤的碳化程度有关，用含高挥发分的煤制取的半水煤气中甲烷含量过高，它既消耗动力又浪费了原料，并且降低炉子的生产能力。因此，一般要求煤中灰分含量不得超过6%。（3）对灰分的要求煤中含灰分其主要成分为二氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化钙和氧化镁等无机物质。这些物质的含量对灰熔点有决定性影响。灰分高的燃料，不仅增加运输费用，而且使气化条件变得复杂，所以一般要求煤中灰分含量不得超过15%20%。（4）对硫分的要求煤中的硫分在气化过程中转化为含硫气体，不仅对设备和系统管道有腐蚀作用，而且会使催化剂中毒。在合成氨生产系统中，根据流程特点，对含硫量有一定的要求。（5）对化学活性的要求化学活性高的燃料，有利于气体物质和气化率的提高。至于对气化效率的影响，则因所选用的煤气发生炉炉型不同而有所差异。（6）对机械强度的要求机械强度高，以免燃料在炉内或上料过程中受碰撞和挤压而发生碎裂，机械强度低会使炉内阻力和气体带出物增加，气化能力下降，消耗增高。（7）对热稳定性要求热稳定性是指燃料在受高温后粉碎的程度。热稳定性差的燃料，不仅增加炭阻力和气体带出物，而且会堵塞炉膛和系统管道，增加动力消耗，影响制气产量。（8）对粘结性的要求粘结性是煤在高温下干馏粘结的性能，粘结性较强的原料煤，气化过程中煤相互粘结后生成焦，破坏燃料的透气性，妨碍气化剂的均匀分布，影响气体成分和制气产量。所以要求煤的粘结性较低为宜。（9）对燃料粒度的要求合成氨原料煤首先对煤种要求是无烟煤，其次对粒度则要求采用块煤和粉煤的成型，特别以2350mm的粒度最好。总之，对间歇式生产水煤气，若要使生产取得良好的气化指标