合成氨生產(chǎn)造氣工段的能耗分析及節(jié)能途徑

1、合成氨生產(chǎn)造氣工段的能耗分析及節(jié)能途徑造氣工段是合成氨生產(chǎn)能耗最高，同時又是余熱最多的崗位。努力降低煤氣生產(chǎn)的原料、蒸汽和用電消耗，切實做好余熱回收利用工作，是降低合成氨綜合能耗和生產(chǎn)成本的有效途徑。生產(chǎn)一噸合成氨理論能耗為22.78106kj，但從目前的現(xiàn)實情況看，即使一些較為先進(jìn)的企業(yè)，實際生產(chǎn)的能耗水平也遠(yuǎn)大于此值。所以，無論是從理論上分析還是實踐認(rèn)為，進(jìn)一步降低合成氨能耗的空間較大，深入挖掘降耗潛力，努力降低生產(chǎn)成本，是小氮肥行業(yè)生存發(fā)展的關(guān)鍵。 節(jié)能問題涉及全廠各工序，本文就造氣工段如何提高碳的利用率、減少蒸汽用量、降低電耗方面加以具體闡述。1 提高燃料利用率的途徑 燃料在氣化過程中

2、，轉(zhuǎn)化到半水煤氣組成中的碳量，稱為有效消耗。在實際氣化生產(chǎn)中，還要以其它形式消耗大量的碳，如吹風(fēng)過程中所燃燒的碳、灰渣中末燃盡的碳、隨著氣體帶走的塵粒中含碳等。事實上轉(zhuǎn)化為半水煤氣中的碳量，僅是整個煤氣生產(chǎn)過程中原料消耗的一部分，其比值即為碳的有效利用率。在生產(chǎn)中，希望有效消耗所占總消耗的比例越高越好，這就需要努力提高燃料的利用率，盡量減少其它形式的碳損失。 原料在氣化過程中，轉(zhuǎn)入到半水煤氣中的碳，是以一氧化碳和二氧化碳兩種形式存在的，生成甲烷則是不希望發(fā)生的副反應(yīng)。假如使用的氣化原料品種和氣化條件已確定，則半水煤氣中的一氧化碳和二氧化碳的總量也就相應(yīng)為一定值。根據(jù)目前的煤氣生產(chǎn)水平，半水煤氣

3、中一氧化碳含量一般在28%31%范圍內(nèi)，二氧化碳含量占7%8%之間。若生產(chǎn)一噸氨，半水煤氣的消耗量用v半表示，半水煤氣中一氧化碳和二氧化碳總含量為30%+7.5%37.5%，則每生產(chǎn)一噸氨轉(zhuǎn)入半水煤氣中的碳含量為：0.37512/22.4v半0.2009v半(kg/tnh3)折成標(biāo)準(zhǔn)煤為：0.2009v半0.84=0.239v半(kg/tnh3) 式中0.375是半水煤氣中co+co2組分百分含量； 12碳的原子量； 22.4標(biāo)準(zhǔn)狀況下，每千摩爾體積(nm3) v半噸氨半水煤氣消耗量(nm3)； 0.84噸標(biāo)準(zhǔn)煤的含碳量。 若噸氨消耗半水煤氣3200nm3則在co含量30%，co2含量7.5%

4、的條件下，(ch4不計)，噸氨理論消耗碳量為：0.239 3200=764.8(kg標(biāo)準(zhǔn)煤) 實際生產(chǎn)中，耗碳量并不是都轉(zhuǎn)化到半水煤氣中。 若碳的有效利用率為65%，則噸氨耗標(biāo)準(zhǔn)煤為： 764.80.65=1176.6(kg) 碳的利用率提高到70%，則噸氨耗標(biāo)準(zhǔn)煤為： 764.80.7=1092.6(kg) 碳的有效利用率由65%提高至70%，噸氨標(biāo)準(zhǔn)煤可下降84kg，可見，努力提高碳的利用率是降低消耗的主要途徑。也是提高企業(yè)經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。如一個年產(chǎn)10萬噸合成氨的企業(yè)，煤氣生產(chǎn)過程碳的利用率由65%提高至70%，每年節(jié)約價值為： 100.084800=672(萬元/年) 式中10合成氨年

5、產(chǎn)量； 0.084噸氨節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤，噸； 800按目前噸標(biāo)準(zhǔn)煤入爐價，元。 提高碳的有效利用率需做好以下幾方面的工作； (1)提高吹風(fēng)效率 吹風(fēng)的目的是提高氣化層溫度并積蓄熱量為制氣過程創(chuàng)造條件。吹風(fēng)效率是積蓄于燃料層中的熱量和消耗燃料所具有的熱值之比。其意義可用下式表示：e吹風(fēng)=100(q反- q氣)/ q燃 式中：e吹風(fēng)吹風(fēng)階段的效率%； q燃吹風(fēng)階段消耗的燃料所具有的熱值(kj)； q反吹風(fēng)時反應(yīng)放出的熱量(kj)； q氣吹風(fēng)氣帶走的熱量(kj)。 很明顯，要提高吹風(fēng)效率(e吹風(fēng))，只有努力增大q反，降低q氣和q燃。由吹風(fēng)階段化學(xué)反應(yīng)可知，吹風(fēng)階段每消耗一千摩爾碳所放出的反應(yīng)熱q反，同生成

6、產(chǎn)物中一氧化碳和二氧化碳的含量有關(guān)。生成一千摩爾分子二氧化碳放出熱量為393.51103kj，生成一千摩爾一氧化碳僅可放出熱量110.52103kj，后者放出的熱量為前者的28.1%。因此，氣化層溫度控制在適宜的范圍內(nèi)，提高空氣流速(炭層不吹翻的前提下)降低吹風(fēng)氣中的一氧化碳含量是十分重要的。吹風(fēng)氣中一氧化碳含量增加(吹風(fēng)氣中平均co含量應(yīng)小于6.0%)或吹風(fēng)升溫過高，q氣 亦相應(yīng)的提高，吹風(fēng)效率就要降低。在實際生產(chǎn)中，隨著吹風(fēng)時間的延續(xù)，吹風(fēng)氣中一氧化碳含量逐漸升高是不可避免的，降低氣化層溫度可以減少二氧化碳還原為一氧化碳的反應(yīng)，但是，爐溫低制氣質(zhì)量差、蒸汽分解率低、未分解的蒸汽從爐內(nèi)帶走了

7、大量熱量，對降低兩煤消耗，提高煤氣爐氣化強度都是不利的。顯然，吹風(fēng)階段與制氣過程對氣化層溫度要求是矛盾的。為了保持氣化層有較高的溫度，又要減少吹風(fēng)氣中一氧化碳含量，可采用提高風(fēng)機風(fēng)壓、風(fēng)量，減少吹風(fēng)百分比的辦法。但是風(fēng)壓、風(fēng)量過大，一是吹風(fēng)階段帶出物明顯增多，二是爐內(nèi)炭層容易吹翻，很難長期穩(wěn)定運行。而風(fēng)壓、風(fēng)量過小，則會導(dǎo)致煤氣爐氣化強度降低，由于空氣流速慢，利于二氧化碳還原為一氧化碳，吹風(fēng)效率降低，增加了吹風(fēng)階段碳的消耗量，降低了碳的利用率。所以，根據(jù)各廠所用燃料的特性、粒度等條件，選擇適宜的風(fēng)壓、風(fēng)量參數(shù)的鼓風(fēng)機和循環(huán)時間、吹風(fēng)百分比，控制適宜的炭層高度和氣化層溫度、厚度、位置，全方位降低

8、熱量損失，是提高碳的利用率，降低兩煤消耗的主要途徑之一。根據(jù)理論分析和實踐探索，2600mm系列煤氣爐，吹風(fēng)強度控制在38005000nm3/m2h(優(yōu)質(zhì)原料取高限，劣質(zhì)原料取低限)。 2600mm煤氣爐，一般情況下吹風(fēng)效率不到60%，若爐頂、爐下出氣溫度較高時，只有50%左右，即要在炭層中積蓄一份可供制氣用的熱量，往往要燒掉發(fā)熱量兩倍于這份熱量的燃料。因此，炭層中的熱量應(yīng)盡可能地用于制氣，任何熱量來過熱入爐蒸汽或空氣，為制氣反應(yīng)提供熱量，都要比用這些熱量產(chǎn)生蒸汽來得合理。換句話說，從氣化層移走的任何熱量，盡管是可以用來產(chǎn)生蒸汽而加以回收，但也總是因為氣化層中積蓄的熱量效率太低而是不經(jīng)濟的。通

9、過計算，吹風(fēng)時爐上溫度由450降為250，吹風(fēng)效率可提高6%左右。要想達(dá)到理想的吹風(fēng)效率，第一，保持氣化層溫度在適宜的范圍內(nèi)，并選擇適宜的空速，盡量降低吹風(fēng)氣中一氧化碳含量。第二，在煤氣爐高徑比允許的情況下，控制適宜的炭層高度、氣化層厚度、灰渣層厚度，并保持較高的上預(yù)熱層厚度(在風(fēng)機能力允許的情況下)，以增加煤氣爐燃料層蓄熱能力，為提高煤氣爐的氣化效率創(chuàng)造有利條件。 在吹風(fēng)階段，碳與氧的反應(yīng)是燃燒反應(yīng)。實驗證明，這一反應(yīng)在800以上時，幾乎是不可逆的自左向右進(jìn)行，而且屬于擴散控制。因此，在一般煤氣發(fā)生爐操作的溫度下，對二氧化碳生成總反應(yīng)速度來說，氧的擴散速度乃是這個反應(yīng)的主要控制因素。通過對碳

10、與氧反應(yīng)研究表明，這一反應(yīng)在775以下時，屬于動力學(xué)控制。在高于900時，屬于擴散控制，在兩者溫度之間，可認(rèn)為處于過渡區(qū)。 根據(jù)固定層煤氣爐氣化過程的特點認(rèn)為，碳與氧之間首先進(jìn)行燃燒反應(yīng)，然后，產(chǎn)物co2再與氣化層上部的碳原子進(jìn)行還原反應(yīng)。一般認(rèn)為，碳與二氧化碳之間的反應(yīng)速度比碳燃燒速度要慢得多。在2000以下基本屬于動力學(xué)控制，反應(yīng)速度也大致認(rèn)為co2的一級反應(yīng)。 根據(jù)吹風(fēng)過程反應(yīng)的特點，控制適宜的吹風(fēng)強度和氣化層溫度，對提高吹風(fēng)效率，降低原料煤及蒸汽消耗具有重要的意義。(2)提高制氣效率 制氣階段的效率e制氣是指所獲得半水煤氣熱值q氣與氣化時所消耗的燃料所具有的熱值q燃、氣化劑(蒸汽)所帶

11、入的熱量q蒸及吹風(fēng)階段時積蓄于燃料層可利用熱量q利用三者之和之比。e制氣= q氣/(q燃+q蒸+ q利用)100% q利用=q反+q氣+q損 q反制氣反應(yīng)吸收的熱量，kj/mol； q氣水煤氣及未分解蒸汽帶出的熱量，kj/mol； q損夾套等熱量損失，kj； q利用吹風(fēng)儲存到燃料層的熱量，kj。 從上式中可以看出，要提高制氣效率，必須提高q氣，即提高單位制氣量和水煤氣中的有效成份一氧化碳、氫氣含量。制氣過程中，在q燃消耗和氣化劑蒸汽所帶入熱量q蒸一定的前提下，提高制氣效率就是提高吹風(fēng)時積蓄于燃料層內(nèi)可以利用的熱量q利用的有效利用率。 吹風(fēng)時積蓄于燃料層內(nèi)可以利用的熱量q利用，應(yīng)相當(dāng)于氣化反應(yīng)時

12、所吸收的熱量、反應(yīng)后水煤氣和末分解的水蒸汽所帶走的熱量與損失熱之和。換言之，夾套損失熱一定，提高制氣效率就是控制適宜的氣化層溫度，提高蒸汽分解率，降低爐上、爐下溫度，減少熱量損失，提高水煤氣的數(shù)量和質(zhì)量。 碳與蒸汽之間的反應(yīng)，在4001000的溫度范圍內(nèi)反應(yīng)速度仍很慢，因此，為動力學(xué)控制。溫度超過1100以后，反應(yīng)速度較快，開始為擴散控制。 在高溫下進(jìn)行水蒸汽與碳的反應(yīng)達(dá)到平衡時，殘余水蒸汽量少，即水蒸汽分解率高，水煤氣中h2和co的含量多。在相同溫度下，隨著壓力的升高，氣體中的h2o、co2及ch4含量增加，而h2及co的含量減少。所以，制得co和h2含量高的水煤氣，從平衡角度認(rèn)為，應(yīng)在低壓

13、高溫下進(jìn)行。 從間歇式固定層煤氣生產(chǎn)實踐來看，在采用活性較高的冶金焦為原料時，在同樣溫度下，適當(dāng)?shù)靥岣邭饣瘎┤霠t速度，可以在不影響氣體質(zhì)量(煤氣中co含量并不減少)的條件下，提高氣化強度。而使用活性較差的無煙塊煤時，在同樣溫度下提高氣化劑入爐速度，氣體質(zhì)量和氣化強度下降甚快，特別是從在爐內(nèi)溫度稍有下降，而氣體質(zhì)量和氣化強度立即降低幅度較大的情況下看，反應(yīng)速度前者可能處于擴散或過渡區(qū)，而后者處于動力學(xué)控制區(qū)。 所以，在制氣時控制較高的氣化層溫度和較低的氣化劑流速，是提高制氣效率、氣體質(zhì)量和蒸汽分解率的重要途徑。 (3)降低灰渣中的返炭率 灰渣中的含碳量與灰量之比，稱為返炭率?；以械姆堤柯矢?，多

14、屬煤氣爐爐底防漏裝置存有缺陷或操作工藝不合理，煤氣爐氣化不良所造成的。粒徑較大的返炭雖然可以回收利用，但已帶出部分熱量，造成一定的熱量損失；灰渣中的小粒返炭不易回收，隨灰處理掉，雖然可以再利用，但回收利用價值低。因此，努力降低灰渣可燃物，是提高碳利用率的重要一環(huán)。 造成灰渣可燃物高的原因大致有以下幾個方面：煤氣爐爐底防漏裝置選擇安裝不當(dāng)或在使用中損壞，造成排灰不勻或發(fā)生漏炭、塌炭，致使返炭率高；加料方式不當(dāng)，致使炭層四周與中間高低分布不符合要求，使氣化劑分布不均勻，爐內(nèi)局部過熱結(jié)疤、結(jié)塊、灰渣層厚度失衡，兩側(cè)排灰不均勻；上、下吹百分比或上、下吹蒸汽用量選配不當(dāng)；原料粒度過大，氣化層溫度低，燃燒

15、不完全；爐條機排灰速度與燃料氣化后所生成灰渣的速度不相適應(yīng)，排灰量過大；排灰不及時，致使灰箱內(nèi)積灰，煤氣爐內(nèi)灰渣層局部上移，造成氣化層的破壞；爐溫控制不當(dāng)，造成結(jié)疤、結(jié)塊，導(dǎo)致氣化劑分布不勻，氣化不良或爐溫控制過低，蒸汽用量過大，燃料反應(yīng)不完全即排出。 總之，造成返炭率高是多因素的。在日常操作中，須針對各自的實際情況，查準(zhǔn)造成返炭率高的主要因素，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，使灰渣返炭率降到小于15%以內(nèi)，理想的目標(biāo)應(yīng)達(dá)到10%左右。 (4)降低吹風(fēng)及制氣帶出物 提高風(fēng)速可以減少二氧化碳還原一氧化碳的機率。但隨著風(fēng)速的提高，帶出物必然增多。所以，風(fēng)速的選擇應(yīng)適當(dāng)，以帶出物較少和不吹翻炭層為原則。 為了減

16、少帶出物，在生產(chǎn)中，可以采用以下措施：選擇合適的風(fēng)機，2600mm系列煤氣爐，風(fēng)機可選450m3/min550m3/min，風(fēng)壓在25kpa28kpa范圍內(nèi)；根據(jù)原料特性，掌握適當(dāng)?shù)娘L(fēng)量，控制與風(fēng)機相適應(yīng)的炭層高度；選擇機械強度、熱穩(wěn)定性較好的燃料；嚴(yán)格把握入爐燃料的加工質(zhì)量，減少粉末入爐；力求料層阻力均勻；選擇設(shè)計合理的爐箅，既要排渣、破渣能力強，氣化劑分布均勻，還要減少下吹帶出量；掌握好下灰質(zhì)量，將灰中結(jié)渣率控制在65%以上，減少灰中的細(xì)灰量；選擇適宜的氣化強度，煤氣爐負(fù)荷重，氣化劑流速快，帶出物就多，特別是下吹制氣時，蒸汽用量大流速快，下吹帶出物相應(yīng)增多；采取相應(yīng)措施，改進(jìn)上行出氣方式，

17、提高爐內(nèi)除塵效率。 (5)減少熱量損失 為了減少熱量損失，首先要選擇與風(fēng)機相適應(yīng)的炭層高度(一般從風(fēng)帽頂向上炭層高度1800mm2400mm)，其次選擇合理適宜的運行工藝和氣化條件，使?fàn)t氣爐處于良好的蓄熱狀態(tài)，即維持較高的氣化層溫度，而爐頂、爐底溫度都處于較低的范圍。目前，采用自動連續(xù)加炭方式，炭層高度、氣化層位置、灰渣層厚度、煤氣爐負(fù)荷等選擇控制較為合理的廠家，爐頂、爐底出氣溫度之和已小于460，入爐實物噸氨消耗控制在1100kg1150kg范圍內(nèi)，達(dá)到了較高的水平。 如果氣化層上移或局部上移，勢必造成爐頂溫度增高，氣流帶出熱量增多的狀況。反應(yīng)熱損失多，氣化效率下降。氣化層位置控制不當(dāng)，灰渣

18、層過薄或厚度不均勻，必然導(dǎo)致爐底出氣溫度增高，帶出熱量多，降低氣化效率。 此外，蒸汽用量過大，也是造成熱量損失的一個重要方面。蒸汽用量過大，大量未分解蒸汽帶走了爐內(nèi)熱量，使氣化層溫度下降，不但氣化效率降低，而且浪費了蒸汽，并使氣體洗滌塔增加了熱負(fù)荷，氣體洗滌塔出氣溫度相應(yīng)增高，一定程度地影響下工序的有效打氣量。2 降低蒸汽消耗的途徑 合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)中，煤氣生產(chǎn)的蒸汽消耗占全廠總量的65%以上，因此，降低蒸汽消耗定額是造氣工段的重點工作之一。 造氣工段的蒸汽用量可用下式計算： qt=v半h2%/100100/q18/22.4 式中qt制氣時蒸汽用量，kg/t(nh3)； v半半水煤氣消耗定額nm

19、3/t(nh3)； h2半水煤氣中h2含量，%； q制氣過程平均蒸汽分解率，%。 由上式可知：造氣工段的蒸汽用量與半水煤氣消耗量成正比；與蒸汽分解率成反比。在半水煤氣消耗定額相同的情況下，由于蒸汽分解率的不同，用于造氣工段的蒸汽量有很大的差異。 例如：半水煤氣消耗定額為3200nm3/噸氨，半水煤氣含氫40%時，蒸汽分解率為40%，蒸汽耗量為： qt=320040/100100/4018/22.4=2571kg/t(nh3) 若蒸氣分解率提高到50%，則蒸氣耗量為： qt=320040/100100/5018/22.4=2057kg/t(nh3) 由以上算式可知，蒸汽分解率由40%提高至50%

20、，噸氨節(jié)蒸汽514kg。 如年產(chǎn)十萬噸合成氨廠，蒸汽價格按100元/t計算，每年可節(jié)約價值：100.514100=514萬元/年。 由此可見，提高蒸汽分解率，是降低蒸汽用量的主要途徑，也是提高企業(yè)經(jīng)濟效益的關(guān)鍵所在。 在間歇式煤氣爐制氣過程中，碳與水蒸汽的反應(yīng)，基本上屬于動力學(xué)控制區(qū)，控制較高的爐溫，可以提高反應(yīng)速度。 在氣化操作中，影響蒸汽分解率的主要因素：一、氣化層溫度和厚度。二、制氣時的蒸汽流速。三、爐上、爐下空間體積。四、入爐蒸汽溫度。 從理論討論可知，實際氣化過程的氣化效率隨蒸汽的用量增加而降低。主要原因是動力學(xué)控制影響過大，反應(yīng)不完全，蒸汽用量增大時，吸熱反應(yīng)增加，導(dǎo)致氣化層溫度下

21、降，繼而導(dǎo)致蒸汽分解率下降，這是造成蒸汽消耗量增加的重要原因之一。日常生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)氣化層溫度，控制合理的蒸汽入爐量，盡可能降低蒸汽流速并使之穩(wěn)定，增加赤熱的碳與蒸汽接觸時間，提高蒸汽分解率。 采用過熱蒸汽制氣，是提高蒸汽分解率和制氣效率的有效措施，過熱蒸汽不僅避免了入爐蒸汽帶水，而且由于提高了入爐蒸汽的熱焓，減少了爐溫波動。據(jù)部分生產(chǎn)廠家的實測數(shù)值，一般使用200以上的過熱蒸汽制氣時，蒸汽分解率可提高5%，蒸汽的消耗定額可下降250kg/t(nh3)左右。3 降低電耗途徑 造氣工段電耗主要是空氣鼓風(fēng)機用電。降低空氣鼓風(fēng)機電耗的主要途徑有二：一，選用合適參數(shù)的(風(fēng)量、風(fēng)壓)風(fēng)機，科學(xué)確立風(fēng)機與

22、煤氣爐臺數(shù)的合理匹配。二，降低吹風(fēng)階段系統(tǒng)阻力。以下從二方面加以闡述： 節(jié)能措施之一：選用適宜的空氣鼓風(fēng)機和與合理臺數(shù)的煤氣爐相匹配。目前合成氨生產(chǎn)廠家，2600mm系列煤氣爐選用風(fēng)機從d400d700(或c400c700)，風(fēng)壓25kpa30kpa不等。從廠家實踐到理論推算，各項工藝指標(biāo)控制較好的廠家，其噸氨在吹風(fēng)階段耗空氣量在1900nm32300nm3范圍內(nèi)，噸氨消耗半水煤氣按3200nm3/h推算，空氣與半水煤氣之比為0.594：10.719：1。設(shè)2600mm爐的氣化強度為1320nm3時，即每小時產(chǎn)半水煤氣7000 nm3，那么每小時耗空氣量為4158nm3/h5033nm3/h。

23、設(shè)空氣與半水煤氣之比為0.65，噸氨消耗半水煤氣3200nm3，噸氨耗空氣量為0.653200=2080(nm3)，2600爐每小時產(chǎn)氨2.19tnh3/h，吹風(fēng)需空氣量為2.192080=4555(nm3/h)，風(fēng)機在實際情況下，風(fēng)量為24000nmm3/h，循環(huán)時間150秒，吹風(fēng)百分比為20%，即30秒：24000/360030(3600/150)=1800(nm3/h)。通過計算，2600mm煤氣爐2600mm煤氣爐2.1924=52t(nh3)/d的情況下，選配實際風(fēng)量24000nm3/h的風(fēng)機，可基本滿足生產(chǎn)要求。據(jù)了解，大部分生產(chǎn)系統(tǒng)一臺鼓風(fēng)機供四爐用風(fēng)，正常情況下，吹風(fēng)階段與上位

24、爐的上吹加氮過程重疊，所以，選d450d550，風(fēng)壓在25kpa28kpa的風(fēng)機，可滿足2600mm煤氣爐經(jīng)濟負(fù)荷的要求。如風(fēng)機風(fēng)壓、風(fēng)量過大，煤氣爐會經(jīng)常吹翻，被迫采用進(jìn)出口閥節(jié)流控制風(fēng)量，無論進(jìn)口節(jié)流還是出口節(jié)流，均為浪費功效，致使電耗增高。 節(jié)電措施之二：盡量降低吹風(fēng)階段系統(tǒng)阻力，充分發(fā)揮鼓風(fēng)機的最大效能。 降低系統(tǒng)阻力是降低鼓風(fēng)機電耗的主要措施。風(fēng)機在運行中，實際風(fēng)量達(dá)不到額定風(fēng)量，其原因除風(fēng)機設(shè)計參數(shù)與實際氣化條件不相適應(yīng)外，主要是風(fēng)機進(jìn)口至空氣煤氣出口之間阻力偏大引起的。 系統(tǒng)中的阻力包括兩部分。部分是設(shè)備和煤氣爐炭層的阻力，另一部分是管路、閥門的阻力。 化肥廠的工藝管路，分高、低

25、壓兩部分，其中煤氣生產(chǎn)系統(tǒng)為低壓，而銅洗合成為高壓。以往各廠對兩種系統(tǒng)管網(wǎng)的處理沒有區(qū)別對待，統(tǒng)一強調(diào)管路布置追求“橫平豎直”。部分廠家對降低造氣系統(tǒng)管網(wǎng)阻力的特殊意義沒有足夠的認(rèn)識。 對于像煤氣爐吹風(fēng)階段低壓系統(tǒng)管路的處理，不能像對待高壓管路那樣要求整齊規(guī)劃，而應(yīng)著重考慮減少管路系統(tǒng)及閥門的阻力，否則，不僅耗能大，更重要的是會影響風(fēng)機的工作特性。吹風(fēng)階段系統(tǒng)阻力過高，會有兩方面的嚴(yán)重后果，一方面限制了風(fēng)量的提高，如圖1所示：由于系統(tǒng)阻力的增高，其風(fēng)機風(fēng)量由q2減少到q1，另一方面增加了電耗，管路損失p管損折合成電耗n損可用下式計算： n阻力損qsp阻力損/102(kw) 式中風(fēng)機效率(一般風(fēng)

26、機效率75%左右)； n阻力損不同阻力折成電耗； qs為相應(yīng)于p阻力損的每秒鐘的風(fēng)量，m3/s； 102單位換算常數(shù)(1kw=102kgm/s)。 下表列出了不同p阻力損時的折合電耗n阻力損在系統(tǒng)阻力較低時，可選用風(fēng)壓較低的風(fēng)機。比如，整個系統(tǒng)阻力，在采取措施后阻力降低了3kpa，風(fēng)機輸送風(fēng)壓可由28kpa降至25kpa。降低系統(tǒng)阻力，合理選配適應(yīng)本廠工藝要求的空氣鼓風(fēng)機是一項重要的節(jié)電措施。4 主要工藝指標(biāo)與消耗的關(guān)系 造氣工段的主要工藝指標(biāo)控制的優(yōu)劣，對產(chǎn)氨量和消耗指標(biāo)影響很大。為了引起重視，本節(jié)通過一些簡單計算來加以說明。4.1 氫氮比 半水煤氣中的氫氮比是合成氨生產(chǎn)中一項重要控制指標(biāo)。

27、當(dāng)氫氣與氮氣的體積比為3：1時，氨的平衡濃度最大。如果氫氣和氮氣任一組份過量，參加反應(yīng)的氮氫氣體在總氣體中的百分率就要減少。一般情況下，氫氣和氮氣約占合成塔氣體的80%左右，如果扣除循環(huán)氣中惰性氣和氨氣，把剩余的氫氮氣按3：1的比例合成反應(yīng)，則氫氣應(yīng)為其中的75%，氮氣為25%。若氫氣過量3%，則氫氮氣中氫氣含量為78%、氮氣含量為22%，而與22%氮氣發(fā)生反應(yīng)的只有66%氫，那么，參與反應(yīng)的氫氮氣體則占總氣體的88%。若氫氮混和氣中氮氣含量過剩3%，則其組分為氮28%及氫72%，72%的氫氣只能與24%的氮氣化合，則參加反應(yīng)的氫氮為96%。顯然，氮的過量要比氫的過量好得多。 另外，從氨合成反

28、應(yīng)速度看，在非平衡的狀態(tài)下，適當(dāng)增加氮的分壓，對觸媒吸附氮的速度有利，因為氮的活性吸附是氨合成反應(yīng)過程中的控制步驟。氫氮氣體比例稍低于“3”，可以提高氣體中氮的分壓，使更多的氮擴散到觸媒表面，增加吸附機會，提高合成率。由于合成率的提高，壓縮機的電耗也相應(yīng)降低。 氫氮比過高，對合成反應(yīng)非常不利。如循環(huán)氣中氫75%、惰性氣20%、氮氣5%時，5份氮氣只能與15%氫反應(yīng)，即參加反應(yīng)的組份僅有20%，其余80%的氣體并不參加反應(yīng)，合成率明顯下降，合成壓力升高，放空量增加，不僅放掉了大量的氫氣，影響氨產(chǎn)量，而且造成各項消耗指標(biāo)的升高，因此，循環(huán)氣中氫氮比控制在2.42.8之間較為適宜。但氫氮氣體是以3：

29、1比例合成為氨的，所以補充氣的氫氮比仍以“3”為宜。4.2 有效氣體含量 有效氣體一般指半水煤氣中一氧化碳和氫。在噸氨耗氣一定的情況下，噸氨消耗半水煤氣量與有效氣含量有直接關(guān)系。 半水煤氣理論利用率(n)可用下式表示：式中co2半、o2半、co半半水煤氣中各項氣體的體積百分比； x變換率； 再生氣回收率。 假設(shè)半水煤氣中的成份為：co2，7.8%；o2，0.3%；co，30%； h2，40%；n2，21.5%o 變換率x為95%，再生氣回收率 90%。則：若噸氨耗精煉氣2900，則噸氨消耗半水煤氣為：2900/0.9115=3182nm3 另：假如半水煤氣成份為：co2，12.3%；o2，0.

30、7%；co，26%； h2，40%；n2，21%。 變換率x為90%，再生氣不回收0。代入上式得半水煤氣理論利用率：那么噸氨消耗半水煤氣為：2900/0.83=3494nm3 后一種情況噸氨多耗半水煤氣312nm3?？梢?，半水煤氣中有效成份的變化對半水煤氣消耗有顯著影響。4.3 氧含量 半水煤氣中的氧是十分有害的氣體。它進(jìn)入變換工段與觸媒進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，一個體積的氧氣消耗兩個體積的有效成份，而且放出大量的熱量，變換處理不及時將會燒壞觸媒，為了控制觸媒層溫度上漲，加大蒸汽量，將導(dǎo)致低變觸媒返硫化，影響變換觸媒活性，所以，努力降低半水煤氣中氧含量，對安全生產(chǎn)，降低消耗具有重要意義。 氧與變換觸媒

31、的反應(yīng)如下：由式可見，一摩爾分子氧消耗兩摩爾分子一氧化碳，放出了十三倍于變換反應(yīng)的熱量，半水煤氣中的0.1%(干基)的氧，在一般常用的蒸汽條件下，在變化爐內(nèi)生成的反應(yīng)熱可使氣體升高67，必須加入過量蒸汽來帶走這部分熱量。據(jù)計算，半水煤氣中氧含量增加0.1%，噸氨要多耗蒸汽100kg左右，若一噸煙煤可產(chǎn)七噸蒸汽，對于一個年產(chǎn)十萬噸合成氨廠一年多耗煙1000000.17=1429煤噸，每噸煙煤按450元計，每年減少效益：1429450=64.28萬元/年。 半水煤氣中的氧氣含量在變換工序消耗有效成份一氧化碳的理論計算： 每噸氨消耗有效成份(co)為： 32000.0012=6.4nm3/噸氨 6.

32、4100000=640000nm3/年 設(shè)噸氨消耗有效成份2000nm3，消耗的有效成份年可產(chǎn)氨： 640000/2000=320噸 上式中3200nm3為噸氨消耗半水煤氣量,nm3； 2000nm3為噸氨耗氫氣量，nm3。 單位體積的一氧化碳在變換中可以產(chǎn)生相同體積的氫氣。 另外，半水煤氣中氧含量達(dá)到一定值后，會形成爆炸性氣體，直接威脅安全生產(chǎn)。所以，采取有效措施，努力降低半水煤氣中氧含量，是煤氣生產(chǎn)的一項重要工作。 控制和降低半水煤氣氧含量的措施：保持氣化層的適宜分布，力求氣化均勻，避免炭層吹翻、風(fēng)洞的現(xiàn)象出現(xiàn)；確保下行煤氣閥與吹風(fēng)閥安全聯(lián)鎖完好靈敏，且保持下行煤氣閥嚴(yán)密不漏氣；上吹加氮閥

33、采用雙閥，確保關(guān)閉狀態(tài)下不滲漏；減少爐底“死區(qū)”(下行閥、吹風(fēng)閥距爐底距離)，并采取蒸汽吹凈措施，消除爐下“死區(qū)”存積空氣，避免下吹時將空氣趕入氣柜；保持吹風(fēng)閥與安全擋板安全聯(lián)鎖靈敏好用；采用下吹加氮廠家，必須保證下吹加氮閥不漏氣；且下吹加氮結(jié)束后有足夠的蒸汽吹凈時間。4.4 甲烷含量 甲烷是合成氨生產(chǎn)中的惰性氣體，它不毒害觸媒，也不參加合成反應(yīng)，但不易清除。甲烷在合成系統(tǒng)中逐漸積累，會降低氫氮氣的分壓，使氨的合成率降低，同時，由于它不參加反應(yīng)，當(dāng)通過合成塔時，將帶走塔內(nèi)熱量，造成觸媒溫度下降，還使壓縮機和循環(huán)機做虛功。為達(dá)到系統(tǒng)平衡而被迫放空，使部分氫氮氣同時放空而損失。每生產(chǎn)一噸氨循環(huán)氣的

34、放空量可按下式計算： v放空v補充補充放空 式中v放空噸氨放空氣的體積，nm3； v補充噸氨補充混合氣的體積，nm3； 補充補充氣中惰性氣含量，%； 放空放空氣中惰性氣含量，%。 實際上因有一部分惰性氣溶解于液氨中(約三分之一)，所以，實際放空氣體積要較上式計算值要低。 由上式可知，在補充氣量固定時，噸氨循環(huán)氣放空量與補充氣中惰性氣體的含量成正比。補充氣中的惰性氣體是來自半水煤氣，假設(shè)循環(huán)氣中惰性氣含量維持在15%，噸氨補充氣為2900nm3，當(dāng)補充氣中惰性氣體含量為1%，噸氨放空量為：29001%15%=193.3nm3。 若補充氣中惰性氣含量增至1.5%，則放空量為：29001.5%15%

35、=290nm3。 即每產(chǎn)噸氨可多放掉96.7nm3的循環(huán)氣。可見，努力降低半水煤氣中甲烷含量是很有意義的(循環(huán)氣中惰性氣組份主要是甲烷和氬氣)。 半水煤氣中甲烷含量，主要取決于燃料的揮發(fā)份高低，其次是爐溫的高低。甲烷生成反應(yīng)為：甲烷生成是一個體積縮小的放熱反應(yīng)，降低壓力，提高溫度，有利于抑制甲烷的生成。4.5 空氣濕度 大氣是干空氣和水蒸汽的混合物，這種混合物稱之為濕空氣。濕空氣中含水量多少，對造氣工藝操作和消耗有一定的影響。在濕空氣中，單位質(zhì)量干空氣所帶有的水汽含量，稱為濕含量或絕對濕度，簡稱濕度。在總壓一定時，空氣中水汽分壓與同溫度水的飽和蒸汽壓之比，稱相對濕度。相對濕度表示了空氣的不飽和

36、程度?？諝獾臐穸纫话阍?0%80%范圍內(nèi)，隨地區(qū)、氣溫、季節(jié)、天氣變化而不同。 例1：夏天氣溫30，查表知：空氣的濕度為80%時，每nm3濕空氣中水汽含量為0.02432kg；假設(shè)噸氨吹風(fēng)耗空氣2300nm3，則帶入的水汽量為： 23000.02432183.11103mol 蒸氣在氣化層與碳的反應(yīng)式為： 那么帶入的水汽吸收熱量為： 3.11103131.3408.343103kj 標(biāo)準(zhǔn)煤低位發(fā)熱值取29.19103kj/kg，則多消耗實物煤：408.3/29.1984/72=16.32kg/t(nh3) 式中72為實際燃料固定碳； 84為標(biāo)準(zhǔn)煤固定碳。 當(dāng)吹風(fēng)效率為55%時，實際多消耗實物煤

37、：16.32/0.55=29.67kg/t(nh3) 例2：冬天氣溫0，空氣濕度取50%，查表知：濕空氣中水蒸汽含量為0.0049kg/m3 2300nm30.004950%=5.6 kg/t(nh3) 經(jīng)估算，冬天0時空氣濕度50%，帶入的水蒸汽相當(dāng)于夏天30(濕度80%)時的10%左右。日產(chǎn)300噸氨的裝置，夏天氣溫高、空氣濕度大，比冬天空氣溫度、濕度低時，一天多耗實物煤在5噸左右。5 煤氣爐負(fù)荷(吹風(fēng)百分比例的大小)與燃料煤、蒸汽消耗的關(guān)系 煤氣爐負(fù)荷是指煤氣爐的生產(chǎn)能力(nm3/h或噸氨/臺爐日)。由于爐型的不同，常以氣化強度(即單位面積內(nèi)的產(chǎn)量nm3/m2h)來界定負(fù)荷的高低。在日常

38、操作過程中，當(dāng)吹風(fēng)率一定的情況下，一般采用延長或縮短吹風(fēng)時間的方式調(diào)節(jié)煤氣爐負(fù)荷的大小。適當(dāng)提高氣化強度，增加單爐生產(chǎn)負(fù)荷，以減少煤氣爐的運行臺數(shù)，提高造氣工段的總熱量利用率，是煤氣生產(chǎn)人員的努力方向。但是，選擇單爐負(fù)荷過高，吹風(fēng)時間過長，從理論分析和實踐證明，均不利于原料煤和蒸汽量的降低。 設(shè)：空氣鼓風(fēng)機風(fēng)量為24000nm3/h； 循環(huán)時間為150s； 噸氨耗蒸汽2000kg； 噸氨消耗半水煤氣3200nm3； 吹風(fēng)空氣與半水煤氣的體積比為0.65：1； 燃料層空隙率為0.3； 氣化層溫度平均1100，蒸汽的比重取0.25kg/m3； 2.62600型煤氣爐； 23(24-1)，考慮到每小

39、時需留有一個循環(huán)除渣和清理設(shè)備。 根據(jù)以上設(shè)定條件，將以下兩種運行方案作一比較： 吹風(fēng) 上吹 下吹 二次上吹 吹凈方案(一)100% 25 24 39 8 4 150s 37.5 36 58.5 12 6方案(二)100% 20 26.5 41.5 8 4150s 30 40 62 12 6 半水煤氣耗蒸氣為：2000kg/3200nm3=0.625kg/nm3 吹風(fēng)空氣量為：24000nm3/3600s=6.67nm3/s 空氣需蒸氣量為：0.625/0.65=0.962(kg/m3) 上吹+下吹+二次上吹共需加入蒸汽量為： 方案()37.56.660.962240.5(kg/循環(huán)) 方案(

40、二)306.660.962=192(kg/循環(huán)) 產(chǎn)氣量：方案（一）37.56.660.6523=8845nm3/h 方案（二）306.660.6523=7076nm3/h 制氣階段蒸汽流速的比較： 方案(一)每個循環(huán)制氣時間為： 36+58.5+12=106.5秒 在制氣時氣化層蒸汽流速為： 240.5/(0.25106.5)(1.323.140.3)5.66(m/s) 方案(二)每個循環(huán)制氣時間為： 40+62+12=114秒 在制氣時氣化層蒸汽流速為： 192/(0.25114)(1.323.140.3)4.23(m/s) 粗略計算得知：方案(一)優(yōu)點是氣化強度高，缺點是上下吹蒸汽在氣化

41、層流速快，意味著蒸汽分解率低，在平均溫度一定的情況下，增加了蒸汽消耗，未分解的水蒸汽帶走了氣化層熱量，致使氣化層內(nèi)熱量的有效利用率降低，造成燃料煤和蒸汽消耗的增高。煤氣爐吹風(fēng)率一定，吹風(fēng)時間長短爐溫波動如圖2： 說明：圖2是選擇循環(huán)時間為150s，吹風(fēng)時間設(shè)置40s和30s的爐溫波動對比示意。 綜上所述，選擇適宜的煤氣爐運行負(fù)荷，是降低燃料煤和蒸汽消耗重要措施之一。實踐表明，當(dāng)鼓風(fēng)機與其它氣化條件匹配較為合理時，吹風(fēng)百分比控制在20%左右較為經(jīng)濟。6 循環(huán)時間與兩煤消耗的關(guān)系 所謂循環(huán)時間，是指個周期各個階段時間的總和。煤氣爐內(nèi)的溫度在個周期內(nèi)的波動范圍，隨循環(huán)時間的長短有一定差異。為了便于比較，將180s和120s兩種循環(huán)形式做對比，如示意圖3：在煤氣爐負(fù)荷一定的情況下，短循環(huán)可使?fàn)t溫波動小，利于煤氣爐的穩(wěn)定，這是多年來提倡“三高短”操作法的理論依據(jù)之。但是，短循環(huán)只是個相對概念，選擇循環(huán)時間過短，亦帶來一些弊端，下面就120s和150s循環(huán)時間做簡單分析： 近