采用阳泉无烟煤120万m3d合成气厂的工艺设计-学位论文.doc

中国矿业大学2009届本科生毕业设计 第100页采用阳泉无烟煤120万m3d合成气厂的工艺设计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）参照阳泉煤电公司煤气厂的工艺经验（3）导师孟献梁教授的指导1.2造气工艺论证我国有着丰富的煤炭资源，但石油和天然气相对缺乏，煤炭作为能源资源一直在我国国民经济发展中起着举足轻重的作用，目前，我国的能源结构仍以煤炭为主，据预计，到2050年煤炭在一次能源消费中的比重仍将在50%以上。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，本合成气厂采用阳泉无烟煤为气化原料，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0.9Mm3。生产出的合成气可为较大规模的甲醇生产提供原料气。煤炭气化之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3000mm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本设计采用阳泉无烟煤，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流程说明本工段以阳泉无烟煤为原料，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。经过过热除尘器和回收余热后进入废热锅炉，产生1.8kgf/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除尘过热器，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）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，空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：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 表1 循环时间的分配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：4929.8Pa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：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：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已知数据 原料已知数据 成分MadMarSt.dAdCadHadNad质量分数，%0.773.80.7118.1573.332.900.96Qgr.ad=6850卡/克Qnet.ar=6302卡/克以上数据源自阳泉洗煤厂的中块商品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，Qgr.ar=Qgr.ad（1）干燥基数据：由以上公式和已知数据，可得Cd=Cad=73.33=73.90%Hd=Had=2.90=2.92%Nd=Nad=0.96=0.97%Od=100- Ad - St.d - Cd - Hd - Nd =100-18.15-0.71-73.90-2.92-0.97=3.35%又已知Ad=17.91%，St.d =0.31%（2）收到基数据由Xd=Xar,可得X ar=Ad,则Aar=18.15=17.46%St.ar=0.71=0.68% 由Xar=Xad，可得Car=Cad=73.33=71.09%Har=Had=2.90=2.81%Nar=Nad=0.96=0.93%Oar=100- Mar - Aar - St.ar - Car - Har - Nar =100-3.8-17.46-0.68-71.09-2.81-0.93=3.23%原料热值Qgr.ar=Qgr.ad=6850=6640.8卡/克又已知Mar=3.8，Ad=18.15，St.d =0.71 故目标数据可列表如下：组成CHONSAM合计重量，%（干）73.902.923.350.970.7118.15100.00重量，%（湿）71.093.234.030.930.6817.463.80100.00Qgr.ar=6640.8卡/克干基即代表干燥基，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）73.902.923.350.970.7118.15100.00重量，%（湿）71.092.813.230.930.6817.463.80100.00原料煤热值Qgr.ar=6640.8卡/克=6640.84.1868=27803.701kJ/kg（2）吹风气组成成分H2COCO2O2N2CH4H2S合计体积%3.288.3514.600.3572.850.500.07100.00（3）水煤气组成成分H2COCO2O2CH4H2S合计体积%54.80037.2606.4700.4800.8500.140100.00（4）灰渣组成组成CSA合计重量，%19.70.7179.59100.0（5）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, kcal/m33044301895106054低热值, kcal/m32576301885705581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=(0.03283044+0.08353018+0.0059510+0.00076053) 4.1868=1689.93kJ/m3 LHV=(0.03282576+0.08353018+0.0058570+0.00075581) 4.1868=1604.60kJ/m3水煤气热值：HHV=(0.5483044+0.37263018+0.00859510+0.00146054) 4.1868=12066.06kJ/m3 LHV=(0.5482576+0.37263018+0.00858570+0.00145581) 4.1868=10956.07kJ/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3kg，则其中各元素量为：C： 30.739=2.217kgH： 30.0292=0.0876kgO： 30.0335=0.1005kgN： 30.0097=0.0291kgS： 30.0071=0.0213kgA： 30.1815=0.5445kg总重： 3kg（2）灰渣生成量及其中各元素量灰分总重为10017.46%=17.46kg故灰渣量为=21.25kg灰渣中带出的各元素量：C： 21.250.197=4.18625kgS： 21.250.0071=0.150875kg灰： 21.250.7959=16.912875kg共计： 21.25kg（3）气化原料损失于带出物和灰渣中各元素量：C： 2.217+4.18625=6.40325kgH： 0.0876kgO： 0.1005kgN： 0.0291kgS： 0.0213+0.150875=0.172175kgA： 0.5445+16.912875=17.457375 kg共计： 24.25kg（4）原料气化后进入煤气中的各元素量：C： 71.096.40325=64.68675kgH： 2.81+3.800.0876=3.1446kgO： 3.23+3.800.1005=6.5073kgN： 0.930.0291=0.9009kgS： 0.680.172175=0.50783kg共计： 75.75kg2.4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： （0.0835+0.146+0.005）=0.1256kgH： （0.0328+20.005+0.0007）=0.003884kgO： （0.0835+0.146+0.0035）=0.27kgN： 0.7285=0.910625kgS： 0.0007=0.001kg（2）由碳平衡计算吹风气产量.=515.02m3（3）由氢平衡计算空气耗量. =474.01m3（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474.010.01293=6.129kg（5）由氢平衡计算吹风气中水汽含量.收入： 原料带入氢 3.1446kg空气中水汽带入氢 6.129=0.6810kg共计 3.8256kg支出： 吹风气含氢 515.020.003884=2.0003kg吹风气中水汽含氢（差额） 1.8253kg共计 3.8256kg吹风气中水汽总量 1.8253=16.4277kg单位体积吹风气含水汽量 =0.031897kg/m3（6）氧平衡校验.收入： 原料带入氧 6.5073kg空气带入氧 474.010.21=142.203kg空气中水汽带入氧 6.129=5.448kg共计 154.1583kg支出： 吹风气含氧 515.020.27=139.0554kg吹风气中水汽含氧 16.4277=14.6024kg共计 153.6578kg误差 100%=0.325% 可行（7）硫平衡收入： 原料中带入硫 0.5083kg支出： 吹风气中含硫 515.020.001=0.5150kg 误差：100%=1.3 % 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= 1006640.84.1868=2780370.1kJ（2）原料物理热:Q2=MCt=100201.05=2100KJ C无烟煤的比热容（3）干空气物理热:Q3=VCt=474.01201.298=12305.30kJ C干空气的的比热容：0.314.1868=1.298（4）空气中水汽热焓:Q4=MH=6.1292530.1=15506.98kJ H20度下的水气热焓：2530.1 kJ/kg共计 2810282.38kJ支出： （5）吹风气发热量Q5=VHHV(吹风气)=1689.93515.02=870347.75kJ（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：Cp=（0.03280.312+0.3230.0835+0.490.146+0.3370.0035+0.5120.005+0.4060.0007+0.3200.7285）4.1868 =1.448KJ/m3C则Q6=VCPt=515.025501.448=410161.9kJ（7）吹风气中水汽热焓Q7=16.42773590=58975.4KJ 3590550C下水气热焓（8）带出物的化学热Q8=330606=91818kJ（9）带出物的物理热Q9=35501.26=2079kJ（10）灰渣化学热Q10=340684.18625+104670.150875=144196.37kJ（11）灰渣物理热Q11=21.252000.837=3557.3kJ（12）炉壁热损失（取原料发热量的7%）Q12=1006640.84.18680.07=194625.91kJ共计 1775761.63kJ故积聚在料层中的热量QA=2810282.381775761.63=1034520.75kJ吹风效率： 100%=100%=36.81%吹风阶段的热平衡表项目热量，kJ比例，%收入1.原料发热量Q12810282.3898.952.原料物理热Q221000.0743.干空气物理热Q312305.300.4334.空气中水汽热焓Q415506.980.546共计28401944.66100支出1.吹风气发热量Q5870347.7549.0132.吹风气物理热Q6410161.923.0983.吹风气中水汽热焓Q758975.43.3214.带出物的化学热Q8918185.1715.带出物的物理热Q920790.1176.灰渣化学热Q10144196.378.1207.灰渣物理热Q113557.30.20038.炉壁热损失Q12194625.9110.960共计1775761.63100 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： （0.3726+0.0647+0.0085）=0.2388kgH： （0.548+20.0085+0.0014）=0.05057kgO： （0.3726+0.0647+0.0048）=0.3654kgN： S： 0.0014=0.002kg（2）由碳平衡计算水煤气产量=270.88m3（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（270.88-X）m3。上、下吹蒸汽用量相等，均为Wkg，上、下行煤气组成相同。上吹阶段的氢平衡收入： 原料带入氢 3.1446=0.0116Xkg蒸汽带入氢 W=Wkg共计 （0.0116X+）kg支出： 上行煤气含氢 0.05057Xkg煤气中水汽含氢 0.26X=0.0289Xkg共计 0.07947Xkg氢平衡： 0.0116X+=0.07947X =0.06787X下吹阶段的氢平衡收入： 原料带入氢 3.1446（1-）=3.1446-0.0116X水蒸气带入氢 W=W共计 （3.14460.0116X+）kg支出： 下行煤气含氢 （270.88-X）0.05057=13.766-0.0505X煤气中水汽含氢 0.5（270.88-X）=14.792-0.05556X共计 （28.5580.10729X）kg氢平衡 3.1446-0.0116X+=28.558-0.10729X 25.41340.09569X=由上吹阶段和下吹阶段的氢平衡方程解得： X=155.38m3 W=94.91kg由此得到：上行煤气产量为155.38m3。下行煤气产量为270.88155.38=115.5m3。上行煤气占总产量比例为100%=57.36%。下行煤气占总产量比例为157.36%=42.64%。上行煤气中水气量为0.26155.38=40.40kg。下行煤气中水气量为0.50115.5=57.75kg。煤气中含水气总量为40.40+57.75=98.15kg。上吹蒸汽耗量为94.91kg。下吹蒸汽耗量为94.91kg。总蒸汽耗量为94.912=189.82kg上吹蒸汽分解率为100%=57.43%。下吹蒸汽分解率为100%=39.15%。平均蒸汽分解率为100%=48.29%。（4）氧平衡校验收入： 原料带入氧 6.5073kg蒸汽带入氧 189.82=168.73kg共计 175.2373kg支出： 煤气含氧 270.880.3654=98.9796kg煤气中水汽含氧 98.15=87.24kg共计 186.2196kg 误差 ： 100%=5.89%（5）硫平衡收入： 原料带入硫 0.50783kg支出： 煤气含硫 270.880.002=0.54176kg误差 ： 100%=6.26%2.5.2制气阶段的热量衡算收入：（1）原料发热量Q1=1006640.84.1868=2780370.1kJ（2）原料物理热Q2=100201.05=2100kJ（3）水蒸气热焓Q3 上吹蒸汽180，i=2782.5kJ/kg（过热） 下吹蒸汽110，i=2693.4kJ/kg（饱和）Q3=94.912782.5+94.912693.4=519717.7kJ共计 3302187.8kJ支出：（4）水煤气热量Q4=270.8812146.22=3290168.1kJ（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）气体H2COCO2CH4O2H2S2000.3110.3130.4290.4200.3220.3785000.3120.3210.4780.5100.3350.402由加和计算得到：200，Cp1=0.5480.311+0.3130.3726+0.4290.0647+0.4200.0085+0.3220.0048+0.3780.0014=0.320kcal/（m3）=1.340kJ/（m3）500Cp2=0.5480.312+0.3210.3726+0.4780.0647+0.5100.0085+0.3350.0048+04020.0014=0.328kcal/（m3）=1.373kJ/（m3）Q5=155.385001.382+115.52001.348=138506kJ（6）水煤气中水汽热焓Q6 水汽500，i=3487.6kJ/kg 200，i=2795.5kJ/kgQ6=40.403487.6+57.752795.5=302339.17kJ（7）带出物的化学热Q7=91818kJ（8）带出物的物理热Q8=35001.26=1890kJ（9）灰渣化学热Q9=144196.3kJ（10）灰渣物理热Q10=3557.3kJ（11）炉壁热损失（取原料发热量的7%）Q11=194625.91kJ共计 4110985.18kJ故需从料层中吸取的热量QB=4110985.183302187.8=808797.38kJ制气效率： 100%=100%=80.074%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Q12780370.11.水煤气热量Q43290168.12.原料物理热Q221002.干水煤气物理热Q51385063.水蒸气热焓Q3519717.73.水煤气中水汽热焓Q6302339.174.从料层中吸取的热量QB808797.384.带出物的化学热Q7918185.带出物的物理热Q818906.灰渣化学热Q9144196.37.灰渣物理热Q103557.38.热损失Q11194625.91共计4110985.18共计4167100.782.6总过程计算2.6.1原料使用分配原料使用分配 设100kg原料中，制气消耗xkg，则吹风消耗（100x）kg808797.38x=1034520.75（100-x） x=56kg所以，100kg原料中，56kg用于制气，44kg消耗于吹风阶段。2.6.2生产指标计算 每100kg原料的生产指标：吹风气产量 44=226.16m3水煤气产量 56=151.69m3空气耗量 44=208.56m3蒸汽耗量 56=106.30kg总过程效率 100%=65.83%总过程热效率100%=59.06%2.6.3水煤气制造过程的物料平衡（1）碳平衡收入： 原料中碳 71.09kg支出： 水煤气中碳 151.690.2388=36.22kg吹风气中碳 226.610.1256=28.462kg带出物中碳 2.217kg灰渣中碳 4.18625kg共计 71.09kg （2）氢平衡收入： 原料中氢 2.81+3.8=3.232kg空气中水气含氢 208.560.01293=0.2996kg蒸汽含氢 106.30=11.81kg共计 15.3416kg支出： 水煤气含氢 151.690.05057=7.7kg吹风气含氢 226.610.003884=0.8802kg水煤气中水汽含氢 151.69=6.1070kg吹风气中水汽含氢 226.610.031897=0.8031kg带出物中氢 0.0876kg共计 15.5779kg （3）氧平衡收入： 原料中氧 3.23+3.8=6.6078kg空气中氧 208.560.21=62.568kg空气中水汽含氧 208.560.01293=2.3970kg蒸汽中氧 106.3=94.49kg共计 166.0628kg支出： 水煤气中氧 151.690.3236=49.10kg吹风气中氧 226.610.21=61.1847kg水煤气中水汽含氧 151.69=48.8560kg吹风气中水汽含氧 226.610.031897=6.4250kg带出物中氧 0.1005kg共计 165.6662kg 误差： 100%=0.24% （4）氮平衡收入： 原料中氮 0.93kg空气中氮 208.560.79=217.01kg共计 206.88kg支出： 吹风气中氮 226.610.910625=206.36kg带出物中氮 0.0291kg共计 206.389kg 误差： （5）硫平衡收入： 原料中硫 0.68kg支出： 吹风气中硫 226.610.001=0.22661kg水煤气中硫 151.690.002=0.30338kg带出物中硫 0.0213kg灰渣中硫 0.150875kg共计 0.702165kg （6）总过程元素平衡表（单位：kg）项目CHONSA共计收入1.原料71.093.2326.60780.930.6818.151002.空气（含水汽）0.299664.965205.95271.21463.蒸汽11.8194.49103.41共计71.0915.3416166.0628206.360.6817.46476.9944支出1.水煤气36.227.749.100.3033893.323382.吹风气28.4620.880261.1847206.360.22661297.113513.水煤气中水汽6.107048.856054.9634.吹风气中水汽0.80316.42507.22815.带出物2.2170.08760.10050.02910.02130.54453.06.灰渣4.186250.15087516.91287521.25共计71.0915.5779165.6662206.3890.70216517.457375475.88264误差-0.00070.02510.5470.388-0.0006-0.003170.95572.6.4水煤气制造过程的热量平衡收入：原料发热量