毕业设计论文-日产量10万nm3气化厂设计论文.doc

中国矿业大学2011届本科生毕业设计 第1页日产量10万Nm3气化厂设计1. 总论1.1设计依据（1）毕业实习任务书及毕业设计大纲（2）参照江苏恒盛化肥有限公司的工艺经验（3）导师储睿智讲师的指导1.2造气工艺论证煤炭是我国储量最丰富的能源资源，按目前的产量和已探明的储量推算，我国煤炭资源可开采近百年，估计在可预期的时间里，煤在我国的能源结构中还占据着主导地位。相反我国的石油等其它重要的一次能源明显不足，一方面，作为及其重要的能源物资和化工原料，随着国民经济的发展，石油需求日益高涨，但国内石油的开采利用逐渐趋于递减模式而不得不转向国外进口，耗费大量外汇，给国家的各个方面都带来不便。另一方面，目前煤炭利用方式以粗放为主，利用效率低下，环境污染严重，不能缓解和明显缓解国民经济对石油的依赖性。近年来，国家相关部门已经明显意识到这个问题，从长远利益出发，大力发展煤炭深加工产业，使煤化工由传统的能源型向新型化工型转变是我国煤炭利用技术的长远之计。煤炭气化作为其中重要的一项正向着良好的方向蓬勃发展。而利用水煤气发生炉制得的合成气（CO+H2）是作为重要的化工原料气而存在的。现在火热的碳一化学工业就是在合成气的基础上发展起来的。如FT合成汽油、制氨、制甲醇、煤气甲烷化、甲醇制醋酸、合成精细化学品和新材料据设计要求，本合成气厂采用邯郸无烟煤为气化原料，水蒸气作为气化剂，吹入炽热碳层分解制取合成气的工艺，日产量10万Nm3。生产出的合成气可为较大规模的甲醇生产提供原料气。煤炭气化自从1839年俄国第一台空气鼓风液态排渣气化炉问世以来，至今已有100多年的历史了，自上世纪70年代起，世界各国广泛开展了煤气化研究，按煤在气化炉中的流体力学条件，气化方法可分为：（1）移动床气化 也称固定床气化，由于煤粒在气化炉中逐渐往下移而得名。移动床气化需要用块煤为原料，且煤粒尽量均匀。因为细煤粒将会随煤气由煤气炉顶带出，增加了煤的损失。（2）流化床气化 是以小颗粒煤为气化原料，在气化炉内使之悬浮分散在垂直上升的气流中，由于剧烈的颗粒运动，床层中几乎没有温度梯度和浓度梯度。（3）气流床气化 一种并流式气化，气体（氧和蒸汽）将煤粉（70%以上小于200目）带入高温气化炉，在15001900高温下将煤进一步转化为CO、CO2、H2等气体，残渣以熔渣形式排出气化炉。（4）熔融床气化 俗称浴床气化或熔融流态床气化，其特点是有一温度较高（16001700）且高度稳定的熔池，粉煤和气化剂以切线方向高速喷入熔池内，池内熔融物保持高速旋转。此时，气液固三相密切接触，在高温条件下完成反应，生成CO和H2为主要成分的煤气。 本厂采用移动床气化法，该法气化过程进行比较完全，灰渣中残炭少，气化效率高，是一种理想的气化方法。炉型选用2260mm的UGI水煤气炉。作为第一代气化炉与其它工艺相比，效率不是最高，但该工艺成熟，生产稳定，操作方便，机械除灰，特别是工业化经验丰富。生产的粗煤气经过除尘，脱硫等净化工艺后可直接供给甲醇合成厂。而现代较先进的气化方法，如德士古法，壳牌法，GSP法，虽然气化效率更高，优点众多，当也存在投资大，工业化经验不足等缺点，综合比较，采用移动床间歇法工艺生产水煤气。1.3造气工艺1.3.1工艺指标采用间歇法工艺生产水煤气的原料要求必须具有低挥发分产率，一定的块度，较高的机械强度，好的热稳定性，难结渣和适中的反应性以及较高的灰熔点，具体指标要求如下：固定碳（干基）70%水分7%灰分（干基）20%挥发分（干基）1250oC机械强度（落下实验）70%块度2575mm或50100mm本设计采用邯郸无烟煤，它的各项指标均符合上述要求。1.3.2工艺流程1.3.2.1基本原理水煤气生产的主要反应是水蒸气与碳的反应：C+H2O（g） CO+H2 H=131.5MJ/kmolC+2H2O（g）CO2+2H2 H=90.0MJ/kmol 可见，水煤气生产关键是水蒸气的分解，而水蒸气的分解需要由外界提供热量。本设计采用间歇送风蓄热法，分为两个阶段，吹风阶段和制气阶段。吹风阶段即是将空气吹入炉中，与煤发生燃烧反应，放出大量的反应热，热量积蓄于料层内，在制气时，积蓄于料层内的热量使水蒸气进行分解反应，生成水煤气。待热量消耗至一定程度时，制气阶段结束，再次向料层吹风，如此循环，即可。1.3.2.2流程说明本工段以邯郸无烟煤为原料，以水蒸气为气化剂，通过固定床层间歇式气化炉制成水煤气。本厂采用2575mm的中块煤，原料送入吊煤斗，提升至造气厂房三层，从加煤孔加入炉内。空气由空气鼓风机从炉底吹入炉内，使炉内碳层燃烧。当碳层温度达到1000oC左右时，停止吹空气，通入水蒸气，其在炉内与炽热的碳层发生反应：C+H2O（g） CO+H2上述过程由吹风 蒸汽吹净 上吹 下吹 二次上吹 空气吹净六个阶段组成。循环往复进行，使制成的煤气持续进入系统。每个循环六个阶段具体流向如下：（1）吹风阶段 空气由鼓风机从炉底进入炉内，生成吹风气，由炉顶排出。经过过热除尘器回收余热后进入废热锅炉，产生2.0kgf/cm2的蒸汽，而吹风气本身温度降至230oC后由烟囱排出放空。（2）蒸汽吹净阶段 蒸汽由炉底吹入，将炉内及管道内残留吹风气由烟囱吹出。（3）上吹阶段 蒸汽由锅炉房进入蒸汽缓冲罐，经蒸汽总管再分配到各套系统的过热除尘器，过热到180oC后由炉底进入炉内，生成的水煤气经过过热除尘器、废热锅炉除尘和废热回收后，经洗气箱降温除尘，再经洗气塔冷却至35oC左右，最后进入缓冲气柜。（4）下吹阶段 蒸汽下吹能克服气化层的上移，减少了原料的损失并保证了炉内温度和气体组成的稳定。蒸汽由炉顶进入炉内，生成的煤气由炉底导出，经下吹集尘器除尘后，直接进入洗气箱、洗气塔，然后汇合于缓冲气柜。（5）二次上吹 经过蒸汽下吹后，煤气炉的底部和管线充满了水煤气，此时若直接通空气则有爆炸的危险，为安全起见，下吹后还应进行一次上吹。其气体流向同一次上吹阶段。（6）空气吹净阶段 空气从炉底吹入炉内，将炉内剩余煤气至上吹流向吹入水煤气系统。制气过程的六个阶段采用微机油压控制，通过微机控制油压阀的关启来实现流体的流向控制。1.3.2.3循环时间的分配合成气生产工作循环的各个阶段的时间分配随原料的性质和工艺操作的具体要求而定，采用180s的工作循环。吹风阶段的作用是积蓄尽可能多的热量，为制气准备条件，因此要求吹风后料层应具有适当的高温，同时时间应该尽量的短，以相对增加制气阶段的时间，吹风时间一般占循环时间的24%。制气阶段一般以下吹时间稍长为好，因为这样，可使灰渣中的含碳量降低。为了保证吹净阶段空气由煤气炉下部进入而不发生爆炸，二次上吹时间稍长一些为安全，一般占循环时间的8%左右，吹净阶段为了排除炉顶空间的水煤气，吹净阶段为了排除炉顶空间的水煤气，故所需时间最短，大约占3%，具体分配如表1：循环时间的分配吹风上吹下吹二次上吹空气吹净蒸汽吹净合计百分比%24263981.81.2100时间s43.246.870.214.43.242.16180.0 1.3.2.4各阶段的操作指标（1）吹风阶段的操作指标：鼓风机出口风压：4479.8Pa煤气炉出口温度：550oC废热锅炉温度：230oC（2）上吹阶段操作指标：水蒸气入炉压力：0.18kgf/cm2上行煤气出口温度：500oC过热除尘器出口温度：300350oC（3）下吹阶段操作指标：水蒸气入炉压力：0.18kgf/cm2下吹煤气出口温度：200oC洗气箱出口温度：75oC洗气塔出口温度：35oC2. 工艺计算2.1原料组成2.1.1原料已知数据： 原料已知数据 成分CadHadNadSt.dAdMadMar质量分数，%74.421.550.920.4818.821.99 4.39以上数据源自邯郸郭二庄矿一坑混中快无烟煤。由于工艺计算中采用的是煤的收到基和干燥基的数据，而不是空气干燥基数据，故应进行转换。2.1.2目标数据 目标数据即为收到基和干燥基数据，根据煤化学有以下转换公式：以X代表S，A，C，H，N，Q。Xd=Xad，Xar=XadXd=Xar， Qgrad=6330kcal/kg（1）干燥基数据：由以上公式和已知数据，可得：Cd=Cad=74.42%=75.93%Hd=Had=1.55%=1.58% Nd=Nad=0.92%=0.94%Ad=18.82% ， Std=0.48%Od=100% Ad St.d Cd Hd Nd =100%18.82%0.48%75.93%1.58%0.94%=2.25%（2）收到基数据：由Xd=Xar,可得A ar=Ad,则Aar=18.82%=17.99%St.ar=0.48%=0.46% 由Xar=Xad，可得Car=Cad=74.42%=72.600%Har=Had=1.55%=1.51%Nar=Nad=0.92%=0.90%Mar=4.39%，Aar =17.99%，St.ar =0.46% Oar=100 Mar AarSt.arCar Har Nar =100%4.39%17.99%0.46%72.600%1.51%0.90%=2.15%原料热值Qgr.ar=Qgr.ad=6330=6175 kcal/kg故目标数据可列表如下：组成CHONSAM合计重量，%（干）75.931.583.350.940.4818.82 100.00重量，%（湿）72.6001.513.220.900.4617.994.390100.00Qgr.ar=6175 kcal/kg =61754.1868=25853kJ/kg干基即代表干燥基，湿基即为收到基2.2设计已知条件（1）原料组成和热值组成CHONSAM合计重量，%（干）75.931.582.250.940.4818.82 100.00重量，%（湿）72.6001.512.150.900.4617.994.39100.00原料煤热值Qgr.ar=175 kcal/kg =25853kJ/kg（2）吹风气组成成分H2COCO2O2N2CH4H2S合计体积%3.28.1215.250.4972.130.40.041100.00（3）水煤气组成成分H2COCO2O2CH4H2S合计体积%55.335.747.400.50.980.08100.00（4）灰渣组成组成CSA合计重量，%18.50.680.9100.0（5）气化炉进出物料温度空 气： 20，相对湿度70%.吹 风 气： 550上行煤气： 500下行煤气： 200灰 渣： 200蒸 汽： 下吹蒸汽为110饱和蒸汽.； 上吹蒸汽为180过热蒸汽。.（6）带出物为3kg干基原料注：根据煤气设计手册，可查得可燃气的热值如下：气体H2COCH4H2S高热值, kJ/m312778126433977525347低热值, kJ/m3108051264335786223367则吹风气和水煤气的高低位热值可计算如下：吹风气热值：HHV=(0.03212778+0.081212643+0.00439775+0.0004125347)=1605 kJ/m3 LHV=(0.03210805+0.081212643+0.00435786+0.00041223367) =1525 kJ/m3水煤气热值：HHV=(0.553012778+0.357412643+0.009839775+0.000825347) =11994 kJ/m3 LHV=(0.553010805+0.357412643+0.009835786+0.0008223367) =10864 kJ/m32.3基本数据计算以100kg原料为计算基准.（1）带出物带出的各元素量： 带出物为4kg，则其中各元素量为：C： 40.7593=3.037 kgH： 40.0158=0.063 kgO： 400.0225=0.09 kgN： 40.0094=0.038 kgS： 30.0048=0.019 kgA： 30.1882=0.753 kg总重： 4 kg（2）灰渣生成量及其中各元素量灰分总重为10017.99%=17.99kg故灰渣量为=21.31 kg灰渣中带出的各元素量：C： 21.310.185=3.942 kgS： 21.310.006=0.128 kgA： 21.310.809=17.24 kg共计： 21.31 kg（3）气化原料损失于带出物和灰渣中各元素量：C： 3.037+3.942=6.979 kgH： 0.063 kgO： 0.09 kgN： 0.038 kgS： 0.019+0.128=0.147 kgA： 0.753+17.24=17.99 kg共计： 25.31 kg（4）原料气化后进入煤气中的各元素量：C： 72.6006.979=65.621 kgH： 1.51+4.390.063=1.935 kgO： 2.15+4.390.09=5.962 kgN： 0.900.038=0.862 kgS： 0.460.147=0.313 kg共计： 74.693 kg2.4吹风阶段计算2.4.1吹风阶段的物料衡算（1）每m3吹风气中所含各元素的量：C： （0.0812+0.1525+0.004）=0.1273 kgH： （0.0322+0.0044+0.000412）=0.003608 kgO： （0.0812+0.15252+0.008592）=0.2844 kgN： 0.7213=0.9016 kgS： 0.00041=0.0005857 kg（2）由碳平衡计算吹风气产量.=515.48m3（3）由氮平衡计算空气耗量. =469.77m3（4）由空气带入的水汽量.20干空气含饱和水汽0.01847kg/m3，在相对湿度为70%时，空气含水汽0.018470.7=0.01293kg/m3。 由空气带入的水汽总量为469.770.01293=6.074 kg（5）由氢平衡计算吹风气中水汽含量.收入： 原料带入氢 1.935 kg空气中水汽带入氢 6.074=0.675 kg共计 2.610 kg支出： 吹风气含氢 515.480.003608= 1.860 kg吹风气中水汽含氢（差额） 0.750 kg共计 2.610 kg吹风气中水汽总量 0.750=6.75 kg单位体积吹风气含水汽量 =0.0131 kg/m3（6）氧平衡校验.收入： 原料带入氧 5.962 kg空气带入氧 469.770.21=140.931 kg空气中水汽带入氧 6.074=5.399 kg共计 152.29 kg支出： 吹风气含氧 515.480.2844=146.693 kg吹风气中水汽含氧 6.75=6.00 kg共计 152.60 kg误差 100%=0.20% 可行（7）硫平衡收入： 原料中带入硫 0.313 kg支出： 吹风气中含硫 515.480.0005857=0.315 kg 误差： 100%=-0.63% 可行2.4.2吹风阶段的热量衡算收入：（1）原料发热量:Q1=100Qgr.ar= 10025853=2585300 kJ（2）原料物理热:Q2=MCt=100201.05=2100 kJ C无烟煤的比热容（3）干空气物理热:Q3=VCt=469.77201.30=12214 kJ C干空气的的比热容：0. 0.614.1868=1.30（4）空气中水汽热焓:Q4=MH=6.0742530.1=15368 kJ H20度下的水气热焓： 2530.1 kJ/kg共计 2614982 kJ 支出：（5）吹风气发热量：Q5=VHHV(吹风气)=1605515.48=827345 kJ（6）吹风气物理热：Q6=VCPtCp值由加权法求得，已知550度下列各气体的Cp如下： 气体H2COCO2O2CH4H2SN2Cp0.3120.3230.4900.3370.5120.4060.320则吹风气热容：Cp=（0.3120.032+0.3230.0812+0.490.1525+0.3370.006+0.0920.004+0.4060.00041+0.3200.7213）4.1868 =1.56KJ/m3C则Q6=VCPt=515.485501.56=442282 kJ（7）吹风气中水汽热焓Q7=6.753595.6=24270 kJ 3595.6550C下水气热焓（8）带出物的化学热Q8=430606=122424 kJ（9）带出物的物理热Q9=45501.26=2772 kJ（10）灰渣化学热Q10=340683.942+104670.128=135636 kJ（11）灰渣物理热Q11=21.312000.837=3567 kJ（12）炉壁热损失（取原料发热量的7%）Q12=258531000.07=180971 kJ共计 1739267 kJ故积聚在料层中的热量：QA=26149821739267=875715 kJ吹风效率： 100%=100%=33.87%吹风阶段的热平衡表项目热量，kJ比例，%收入1.原料发热量Q1258530098.862.原料物理热Q221000.083.干空气物理热Q3122140.474.空气中水汽热焓Q4153680.59共计2614982100.00支出1.吹风气发热量Q582734547.572.吹风气物理热Q644228225.433.吹风气中水汽热焓Q7242701.404.带出物的化学热Q81224247.045.带出物的物理热Q927720.166.灰渣化学热Q101356367.807.灰渣物理热Q1135670.218.炉壁热损失Q1218097110.41共计1739267100.00.2.5制气阶段计算2.5.1制气阶段的物料衡算（1）单位体积水煤气所含元素量（m3）C： 0.3574+0.074+0.0098)=0.2364 kgH： 0.55302+0.00984+0.00082)=0.0512 kgO： 0.3574+0.0742+0.0052)=0.3682 kg N：S： 0.0008=0.00114 kg（2）由碳平衡计算水煤气产量=277.59 m3（3）由氢平衡计算水蒸气耗量及上、下行煤气产量设：上行煤气中含水汽0.26kg/m3，下行煤气中含水汽0.50kg/m3，上行煤气产量为Xm3，下行煤气产量为（277.59X）m3。上、下吹蒸汽用量相等，均为W kg，上、下行煤气组成相同。上吹阶段的氢平衡收入： 原料带入氢 1.935= 0.006971X kg蒸汽带入氢 W= W kg共计 （0.006971X+）kg支出： 上行煤气含氢 0.0512X kg煤气中水汽含氢 0.26X=0.02889X kg共计 0.0801X kg 氢平衡： 0.006971X+=0.0801X =0.0731X下吹阶段的氢平衡收入： 原料带入氢 1.935（1）=1.9350.006971X kg水蒸气带入氢 W=W kg共计 （1.9350.006971X+）kg支出： 下行煤气含氢 （277.59X）0.0512=14.2130.0512X kg煤气中水汽含氢 0.5（277.59X）=15.4220.05556X kg共计 （29.6350.1086X）kg 氢平衡 1.9350.006971X+=29.6350.1086X =27.70.0998X由上吹阶段和下吹阶段的氢平衡方程解得： X=160.208 m3 W=105.40 kg由此得到：上行煤气产量为： 160.208 m3。下行煤气产量为：277.59160.208=117.382 m3。上行煤气占总产量比例为：100%=57.71%。下行煤气占总产量比例为： 157.71%=42.29%。上行煤气中水汽量为： 0.26160.208=41.65 kg。下行煤气中水汽量为： 0.50117.382=58.69 kg。煤气中含水汽总量为： 41.65+58.69=100.34 kg。上吹蒸汽耗量为： 105.40 kg。下吹蒸汽耗量为： 105.40 kg。总蒸汽耗量为： 105.402=210.8 kg上吹蒸汽分解率为：100%=60.48%。下吹蒸汽分解率为：100%=44.32%。平均蒸汽分解率为：100%=52.40%。（4）氧平衡校验收入： 原料带入氧 5.962 kg蒸汽带入氧 210.8=187.38 kg共计 193.342 kg支出： 煤气含氧 277.590.3682=102.21 kg煤气中水汽含氧 100.34=89.19 kg共计 191.399 kg误差 ： 100%=1.02%（5）硫平衡收入： 原料带入硫 0.313 kg支出： 煤气含硫 277.590.00114=0.317 kg误差 ： 100%=-1.26%2.5.2制气阶段的热量衡算收入：（1）原料发热量Q1=10025853=2585300 kJ（2）原料物理热Q2=100201.05=2100 kJ（3）水蒸气热焓Q3 上吹蒸汽180，i=2835.8 kJ/kg（过热） 下吹蒸汽110，i=2691.28 kJ/kg（饱和）Q3=105.402835.8+105.402691.28=582554 kJ共计 3169954 kJ支出：（4）水煤气热量Q4=277.5911994=2908785 kJ（5）干水煤气物理热Q5 上行煤气500，下行煤气200，各煤气成分的热容如下：（kcal/（m3）由加和计算得到：气体H2COCO2CH4O2H2S2000.3110.3130.4290.4200.3370.3785000.3120.3210.4780.0900.3710.402200，Cp1=0.3110.5530+0.3130.3574+0.4290.074+0.4200.0098+0.3370.005+0.6780.0008=0.330kcal/（m3）=1.381 kJ/（m3）500Cp2=0.3120.5530+0.3210.3574+0.4780.074+0.0900.0098+0.3710.005+0.4020.0008=0.322 kcal/（m3）=1.347 kJ/（m3）Q5=160.2085001.381+117.38242001.347=142246 kJ（6）水煤气中水汽热焓Q6 水汽500，i=3487.6 kJ/kg 200，i=2874.7kJ/kgQ6=41.653487.6+58.692874.7=313975kJ（7）带出物的化学热Q7=122424 kJ（8）带出物的物理热Q8=45501.26=2772 kJ（9）灰渣化学热Q9=135636kJ（10）灰渣物理热Q10=3567kJ（11）炉壁热损失（取原料发热量的7%）Q11=25853000.07=180971 kJ共计 3810376 kJ故需从料层中吸取的热量QB=38103763169954=640422 kJ制气效率： 100%=100%=76.38%制气阶段的热平衡表收入项目热量，kJ支出项目热量，kJ1.原料发热量Q125853001.水煤气热量Q429087852.原料物理热Q221002.干水煤气物理热Q51422463.水蒸气热焓Q35825543.水煤气中水汽热焓Q63139754.从料层中吸取的热量QB6404224.带出物的化学热Q71224245.带出物的物理热Q827726.灰渣化学热Q91356367.灰渣物理热Q1035678.热损失Q11180971共计3810376共计38103762.6总过程计算2.6.1原料使用分配 设100 kg原料中，制气消耗x kg，则吹风消耗（100x）kg640422x=875715（100x） x=57.76 kg所以，100 kg原料中，57.76 kg用于制气，42.24 kg消耗于吹风阶段。2.6.2生产指标计算 每100 kg原料的生产指标：吹风气产量 42.24=217.74 m3水煤气产量 57.76=160.34 m3空气耗量 42.24=198.43 m3蒸汽耗量 57.76=121.76 kg总过程效率 100%=74.39%总过程热效率100%=44.99%2.6.3水煤气制造总过程的物料平衡（1）碳平衡收入： 原料中碳 72.60 kg支出： 水煤气中碳 160.340.2364=37.90 kg吹风气中碳 217.740.1273=27.72 kg带出物中碳 3.037 kg灰渣中碳 3.942 kg共计 72.60 kg （2）氢平衡收入： 原料中氢 1.51+4.39=1.998 kg空气中水汽含氢 198.430.01293=0.285 kg蒸汽含氢 121.76=13.53 kg共计 15.813 kg支出： 水煤气含氢 160.340.0512=8.209 kg吹风气含氢 217.740.003608=0.786 kg水煤气中水汽含氢 160.34=6.440 kg吹风气中水汽含氢 217.740.0131=0.317 kg带出物中氢 0.063 kg共计 15.815 kg （3）氧平衡收入： 原料中氧 2.15+4.39=6.052 kg空气中氧 198.430.21=59.529 kg空气中水汽含氧 198.430.01293=2.281 kg蒸汽中氧 121.76=108.231 kg共计 176.093 kg支出： 水煤气中氧 160.340.3682=59.037 kg吹风气中氧 217.740.2844=61.925 kg水煤气中水汽含氧 160.34=51.518 kg吹风气中水汽含氧 217.740.0131=2.535 kg带出物中氧 0.09 kg共计 172.914 kg 误差： 100%=0.56% （4）氮平衡收入： 原料中氮 0.90 kg空气中氮 198.430.79=195.95 kg共计 196.850 kg支出： 吹风气中氮 217.740.9016=196.314 kg带出物中氮 0.038 kg共计 196.352 kg 误差： 100%=0.25% （5）硫平衡收入： 原料中硫 0.46 kg支出： 吹风气中硫 217.740.0005857=0.128 kg水煤气中硫 160.340.00114=0.18