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年产20万吨合成氨造气工段工艺设计(终稿69)

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湖南科技大学本科生毕业设计(论文)

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。 (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23~50mm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,应采用热稳定性好、机械强度高、不粘结、粒度均匀、水分较少、灰分和挥发分不高,灰分熔点较高的原料,本设计采用无烟块煤。

4.4 半水煤气制气原理

固体燃料的气化过程实际上主要是碳与氧的反应和碳与蒸汽的反应,这两个反应称为固体燃料的气化反应。

表4.1 以空气为气化剂主要反应方程

序号 1 2 3 4

反应方程式

C+O2(3.76N2)=CO2(+3.76N2) C+O=2(3.76N2)=2CO(+3.76N2) C+CO2(3.76N2)=2CO(+3.76N=2) 2C+3.76N2+O2+3.76N2=CO2+7.52N2

表4.2 以水蒸汽为气化剂主要反应方程式

序号 1 2 3 4 5 6 7

反应方程式 C+H2O(汽)=CO+H2 C+2H2O(汽)=CO2+2H2 CO+2H2O(汽)=CO2+H2 2H2+O2=2H2O(汽)

C+H2=CH4 CO+3H2=CH4+H2O CO2+4H2=CH4+2H2O(汽)

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湖南科技大学本科生毕业设计(论文)

在气化炉燃烧层中,炭与空气几水蒸汽的混合物相互作用时的产物称为半水煤气,其化学反应按下列方程式进行:

2C+O2+3.76N2 = 2CO2+3.76N2 C+H2O(汽)= CO+H2

这种煤气的组成由上列两反应的热平衡条件决定。由于半水煤气是生产合成氨的原料气,因此,要求入炉蒸汽与空气(习惯上称为氮空气)比例恰当以满足半水煤气中(CO+H2):N2=3要求,但是在实际生产中要求半水煤气(CO+H2):N2 ≥3.2。

4.5 发生炉内燃料分布情况

干燥层 干馏层 还原层 氧化层 灰渣层 在煤气发生炉中固体燃料气化过程,燃料与气化呈相反方向和顺时针方向运动,当气化剂经过燃料层时,进行燃料的气化反应,同时伴随物理变化,燃料层大致可分为如图所示的5个区层 (1)干燥层 新加入的燃料由于下层高温燃料和炉壁 的辐射热以及下面的高温气流的导热,使燃料中的水分蒸发,形成干燥层,干燥层的厚度与加入燃料的量有关。 (2)干馏层 干燥层下面温度较高,燃料中的水分蒸发至差不多后,在高温条件下,燃料便发生分解,放出挥发分,燃料本身也逐渐碳化,干馏层厚度小于干燥层。 图4.1燃料层分区示意图 (3)还原层 气化剂从下面进入碳层氧化区中已含有各种气体成分,而在还原层里,主要进行CO的还原反应。

(4)氧化层 在这里层中,从下面来的空气与弹反应,生成碳的氧化物,因为氧化速度较快,故其厚度比还原层薄如用水蒸汽作气化剂时,在该层中还进行碳与水蒸汽的氧化反应。一般将还原层和氧化层通称之为气化区。

(5)灰渣层 氧化层下面就是灰渣层,没有化学反应发生,起作用是能分布热空气和保护炉。

必须指出,各层之间并没有严格的界限,即没有明显的分层,各层高度随燃料的种类性质和气化条件不同而异。见表3.3。

4.6 各主要设备的作用

4.6.1 煤气发生炉

在间歇法工艺中,用于生产半水煤气的发生炉主要为U.G.I水煤气炉。我国自行设计和制造了炉径为Φ1500,Φ2260,Φ3000,Φ3600等一系列半水煤气炉,他们的结构

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湖南科技大学本科生毕业设计(论文)

与UGI半水煤气炉基本相同。

水煤气发生炉的结构大致分为五个部分,起各部分的作用分叙如下: (1)炉体

炉壳由钢板焊制,上部衬有耐火砖和保温砖硅藻砖,使炉壳免受高温的损害。外面包有石棉制品隔热保温衬铸刚护圈,内部衬有耐火砖和隔热层。 (2)夹套锅炉

夹套锅炉传热面积约为19m2。外壁包有石棉制品隔热保温层,防止热量损失,夹套锅炉的作用主要是降低氧化层温度,以防止熔渣粘壁并副产蒸汽,夹套锅炉两侧设有探火孔,用于测量火层,了解火层分布和温度情况上部装有液位计,水位自动调节器和安全阀等附件。 (3)底盘

底盘和炉壳通过大法兰连成一体,用紫铜薄板包石棉布填料密封。底盘底部有气体中心管与吹风和下吹管线呈倒Y型连接,中心管下部装有通风阀和清理门。底盘两侧有灰斗,底盘上没有溢流排污管和水封桶,可以排泄冷凝水和油污,并防止气体外透,起安全作用。

(4)机械除灰装置

包括能够转动的灰盘和炉条及固定不动的会犁。灰犁固定在出灰口上,利用它与旋转灰盘之间的相对运动,以减弱机械磨损。 (5)传动装置

机械除灰装置的旋转是由电机提供动力。通过减速箱蜗杆、蜗轮来完成的。传动装置附有注油器,以减弱机械磨损。 4.6.2 燃烧室

燃烧室的上部都呈锥行,中部为柱体,内衬有耐火砖及蓄热用的格子砖。燃烧室的作用:

(1)向吹风气添加二次空气,使其中的CO等可燃物在其中燃烧,所生成的热量被积蓄在格子砖内。

(2)利用所蓄积的热量,预热下吹蒸汽和加氮空气,提高 气体的入炉温度,提高分解率。

(3)除去煤气中的细灰,以减少对废热锅炉的损害。

气体从下部入口切线方向进室,避免直接冲撞室壁,以减少对耐火砖的磨损,并使气体在室内分布均匀。燃烧室的顶盖起着泄压作用,当系统发生爆炸时,爆炸压力超过盖子弹簧的作用力,盖子张开,降低压力,避免设备损坏。

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表4.3 发生炉内情况

区域

区域名称用途及进行的过程

化学反应 最终反应:

分配气化剂,防止炉蓖受高温的影响,在本区域中,借灰渣预热气化剂。

C+O2+3.76N2=CO2+

3.76N2

2C+O2+3.76N2=2CO+

3.76N2

氧化层

(燃烧层)

还原区

碳被气化剂中的氧氧化成二氧化碳及

一氧化碳并放出热量。 二氧化碳还原成一氧化碳或水蒸气分解为氢,燃料依靠热的气体而被预热。 燃料依靠热气体换热进行分解,并析

干馏区

出下列物质:1水分;2醋酸、甲醇、甲醛及苯酚;3树脂;4气体(CO、CO2、H2S、CH4、C2H4、氨氮和氢)。

干燥区

依靠气体的显热来蒸发燃料中的水分

有时,煤气中部分一氧化碳

自由空间

起聚积煤气的作用。

与蒸汽进行反应: H2O+CO=CO2+H2

CO2+C=2CO H2O+C=CO+H2 2H2O+C=CO2+2H2

Ⅰ 灰渣层

4.6.3 废热锅炉

废热锅炉主要用于回收吹风气和上行半水煤气的显热,生产18Mpa的蒸汽,为制气和其他用途提供一部分蒸汽来源。

煤气生产中常用火管立式废热锅炉,炉体为一直立的圆筒,用钢板焊接,两头装有钢板封头,内部装有若干根无缝钢管。高温气从上而下与管间的水进行逆流热交换,汽水混合物从上循环管进入气包产生蒸汽。分离下来的 水及向气泡补充的新鲜水(软水)由下循环流入废热锅炉下部管间。进炉气体一般为500~700℃出炉后可降至200℃左右。 由于废热锅炉上部装有气泡,为保持炉体重心达到平衡,避免基础受力不均而下陷,故安装时,锅炉炉体倾斜7°,用以促进对流,使热交换效率提高。 4.6.4 洗气箱

洗气箱的作用是防止水封以后的煤气倒回煤气炉和空气发生爆炸,并兼冷却除尘的作用。

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