1、畢業設計石油化工生產技術專業題目：30 萬噸年合成氣生產工藝的初步設計畢業時間：2011年 7月學生姓名：梁雙宏指導教師：郭文婷班級： 08 石油化工生產技術（ 2）班2010 年 10 月 22日酒泉職業技術學院2011屆各專業畢業論文（設計）成績評定表專姓名梁雙宏班級08 石化（ 2）班石油化工生產技術業指 導 教師 第 一有些格式不合格，請按畢業論文的標準修改，內容比較新穎。次 指 導意見指 導 教師 第 二文字格式及化學式的上下標不合格，請認真修改。次 指 導意見指 導 教師 第 三嚴格按照要求改正，摘要內容過多，表格還需要調整（列寬、行高、表次 指 導格當中文字的位置） 。意見指 導

2、 教師 評 語成績：簽字（蓋章）年月及評分日答 辯 小組 評 價成績：簽字（蓋章）年月意 見 及日評分教 學 系畢 業 實簽字（蓋章）年月踐 環 節日指 導 小組意見學 院 畢業 實 踐簽字（蓋章）年月環 節 指日導 委 員會 審 核意見 .11.1. .21.2. 342.1. .52.2.72.3.10.113.1.113.2.14.154.1.164.217. 185.1.185.2.21.22.23摘要 30得出完善的流程圖，并對流程圖進行詳細的闡述，對污水進行合理的處理，最后對有效設備魯奇爐進行設計計算。關鍵詞：物料衡算；合成氣；生產工藝；設計第一章緒論1.1 水煤氣的用途水蒸氣通過

3、熾熱的焦炭而生成的氣體，主要成份是一氧化碳、氫氣，燃燒后排放水和二氧化碳，有微量 CO、HC和 NOX。燃燒速度是汽油的 7.5 倍，抗爆性好，據國外研究和專利的報導: 壓縮比可達 12.5 。熱效率提高 2040、功率提高 15、燃耗降低 30，尾氣凈化近歐 IV 標準（這些指標還應驗證，但效果是肯定的），還可用微量的鉑催化劑凈化。比醇、醚簡化制造和減少設備，成本和投資更低。壓縮或液化與氫氣相近，但不用脫除 CO，建站投資較低。還可用減少的成本和投資部分補償壓縮 ( 制醇醚也要壓縮 ) 或液化的投資和成本。有毒，工業上用作燃料，又是化工原料。將水蒸氣通過熾熱的煤層可制得較潔凈的水煤氣（主要成

4、分是 CO和 H2），現象為火焰騰起更高，而且變為淡藍色（氫氣和CO 燃燒的顏色）。化學方程式為C+H2O(高溫 ) CO+H2。這就是濕煤比干煤燃燒更旺的原因。煤氣廠常在家用水煤氣中特意摻入少量難聞氣味的氣體，目的是CO和 H2 為無色無味氣體，當煤氣泄漏時能聞到及時發現。甲烷和水也可制水煤氣化學方程式為CH4+H2OCO+3H2環保型水煤氣發生爐氣體燃料的一種。主要成分是氫和一氧化碳。由水蒸氣和赤熱的無煙煤或焦炭作用而得。工業上大多用蒸氣和空氣輪流吹風的間歇法，或用蒸氣和氧一起吹風的連續法。熱值約為 10500 千焦標準立方米。此外，尚有用蒸氣和空氣一起吹風所得的“半水煤氣”。可作為燃料，

5、或用作合成氨、合成石油、有機合成、氫氣制造等的原料。但水煤氣存在著許多隱患，水煤氣發生爐長期運行后極易產生大量硫化氫、焦油、酚水等污染物，影響半徑達 500 米，對農作物、空氣環境和人體等都有較大的損害。它產生的多種廢氣和惡臭，會引起人頭痛、頭暈，居民根本受不了。此外，由于水煤氣主要由一氧化碳、氫氣等易燃氣體組成，一旦泄漏，則極可能發生爆炸和中毒，造成群死群傷事件。 另：一種低熱值煤氣。由蒸汽與灼熱的無煙煤或焦炭作用而得。主要成分為氫氣和一氧化碳，也含有少量二氧化碳、氮氣和甲烷等組分；各組分的含量取決于所用原料及氣化條件。主要用作臺成氨、合成液體燃料等的原料，或作為工業燃料氣的補充來源。工業上

6、，水煤氣的生產一般采用間歇周期式固定床生產技術。爐子結構采用UGI 氣化爐的型式。在氣化爐中，碳與蒸汽主要發生如下的水煤氣反應：C+H2OCO+H2 （高溫） C+2HOCO2+2H （高溫）以上反應均為吸熱反應，因此必須向氣化爐內供熱。通常，先送空氣入爐，燒掉部分燃料，將熱量蓄存在燃料層和蓄熱室里，然后將蒸汽通入灼熱的燃料層進行反應。由于反應吸熱，燃料層及蓄熱室溫度下降至一定溫度時，又重新送空氣入爐升溫，如此循環。當目的是生產燃料氣時，為了提高煤氣熱值，有時提高出爐煤氣溫度，借以向熱煤氣中噴入油類，使油類裂解，即得所謂增熱水煤氣。近年來，正在開發高溫氣冷堆的技術，用氦為熱載體將核反應熱轉送至

7、氣化爐作為熱源，以生產水煤氣。1.2 水煤氣的市場需求1.2.1國內需求從三種可燃氣體與用氣人口不斷增加的柱狀圖分析、結論：隨著人口近幾年的不斷增加，所需要的燃料不斷增加，又由于石油的枯竭有必要研究一種新的燃料-合成氣代替石油氣。1.2.2. 國外需求從其他國家對合成氣的需求量分析國外水煤氣需求餅狀圖從上圖得出結論：由于石油的枯竭，考慮到節約能源的問題，國外對合成氣的需求不斷增加。結論：合成氣它是制作甲醇等的原料將來銷售渠道一定很好，所以我選擇研究生產合成氣。第二章煤炭氣化原理2.1氣化過程主要化學反應使用不同的氣化劑可制取不同的種類的煤氣，主要反應都相同。煤炭氣化過程可分為均相和非均相反應兩

8、種類型。即非均相的氣 -固相反應和均相氣 -氣相反應。生成煤氣的組成取決于這些反應的綜合過程。由于煤結構復雜，其中含有碳、氫、氧和硫等多種元素，在討論基本化學反應時，一般僅考慮煤種主要元素碳和在氣化反應前后發生的煤的干餾或熱解，即煤得氣化過程僅有碳、 水蒸氣和氧參加， 碳與氣化劑發生一次反應，反應物再與燃料中的碳或其他氣態產物發生二次反應。主要反應如下：一次反應：C+O2CO 2 H=394.1kJmolC+H 2O=CO+H 2 H=-135.0 kJmolC+12O 2COH=110.4 kJmolC+2H 2OCO 2+2H 2H=-96.6 kJmolC+2H 2 =CH 4H=84.

9、3 kJmolH 2+12O2 =H2OH=245.3 kJmol二次反應：C+CO 2= 2COH=-173.3 kJmol2CO+O 2= 2CO2H=566.6 kJmolCO+H 2O= H2+CO2H=38.4 kJmolCO+3H 2= CH 4+H 2OH=219.3 kJmol3C+2H 2OCH 4+2COH=-185.6 kJmol2C+2H 2O= CH 4+CO 2H=-12.2 kJmol根據以上反應產物，煤炭氣化過程可用下式表示：煤C+CH 4+CO+CO 2+H 2+H 2O在氣化過程中，如果溫度、壓力不同，則煤氣產物中碳的氧化物即一氧化碳與二氧化碳的比率也不同。

10、在氣化時，氧與燃料中的碳在煤的表面形成中間碳樣配合物CxOy,然后再不同條件下發生熱解，生成一氧化碳和二氧化碳。即：CxOymCO 2+nCO因為煤種有雜質硫存在，氣化過程還可能同時發生以下反應：S+O2 =SO2SO2+3H2 =H2S+2H2OSO2+2CO=S+2CO22H2S+SO2 =3S+2H2OC+S=CS2CO+S=COSN2+3H 2 =2NH 3N2+H 2O+2CO=2HCN+32O 2N2+xO2=2NOx2.2 氣化過程的物理化學基礎煤的反應性是指煤的化學活性，使煤與氣化劑中的氧、水蒸氣、二氧化碳等的反應能力。煤的反應性是決定汽化方法的一個重要應素。影響反應性的因素很

11、多，如煤化毒、煤得巖相組成、煤的熱解及處理條件、 內表面即煤中礦物中累計含量等。煤得氣化的總過程有兩種類型的反應，即非均相反應和均相反應，前者是氣化劑或氣態反應物與固態煤或煤焦的反應；后者是氣態產物之間的相互作用或氣化劑的反應。煤得汽化過程是一個熱化學過程， 影響其化學過程的因素很多， 除了氣化介質，燃料接觸方式影響外，其工藝條件的影響也必須考慮。為了清楚的分析、選擇工藝條件，先首分析煤炭氣化過程的化學平衡及反應速度。2.2.1氣化反應的化學平衡在煤炭氣化過程中，有相當多的反應是可逆反應。特別是在煤得二次反應中，幾乎均為可逆反應。可在一定條件下，當正反映速度與逆反應速度相等時，化學反應達到化學

12、平衡。mA+nB = pC+qDV 正 =k 正PamPbnV 逆 =k 逆PcpPdq化學平衡時：k 正PamPbn= k 逆PcpPdqKp= k 正 k 逆=PcpPdqPamPbn式中 Kp- 化學平衡常數Pi-各氣體組分分壓k 正、 k 逆-分別為正、逆反應速率常數2.2.2 溫度的影響溫度是影響氣化過程煤氣產率和化學組成的決定因素。溫度對化學平衡的關系如下：lgKp=- H2.303RT+C式中R氣體常數， 8.314kj(kmol.K)T-絕對溫度， K; H - 反應熱效應，放熱為負。吸熱為正 C- 常數從上式可以看出，若H 為負值時，為放熱反應，溫度升高，Kp 減小，對于這類

13、反應，一般來說降低反應溫度有利于反應的進行。反之若 H 為正值時，即吸熱反應，溫度升高， Kp 值增大。2.2.3 壓力的影響平衡常數 Kp 不僅是溫度函數， 而且隨溫度變化而變化。 壓力對于液相反應影響不大，而對于氣相反應平衡的影響比較顯著的。根據化學平衡原理，升高壓力平衡向氣體體積減小的方向進行 ;反之，降低壓力，平衡向氣體體積增加方向進行。在煤炭氣化的一次反應中，所有反應均為增大體積的反應，故增加壓力，不利于反應進行。可有下列公式得出：Kp=KNP V式中Kp用壓力表示的平衡常數KN- 用物質的量表示的平衡常數反應過程中氣體物質分子數的增加（或體積的增加）理論產率決定于KN ，并隨 KN

14、 的增加而增大，當反應體系的平衡壓力 P 增加時， pV 的值由 V 決定。如果 v0，增加壓力 P 后， pV 減小，則由于是不變的，如果 KN 必然增加，因此加壓有利。即加壓使平衡向體積減少或分子數減小的方向移動。如果 v0，則正好相反，加壓將使平衡向反應物方向移動，因此，加壓對反應不利，這類反應適宜在常壓甚至至減壓下進行。如果 v=0，反應前后體積或分子數無變化，則無影響。2.3 質量傳遞過程反應歷程1.氣化反應時，在固體（碳）表面進行的非均相氣化反應分為以下幾個步驟 :2.氣體反應物向固體（碳）表面轉移或擴散。3.氣體反應物被吸附在固體（碳）表面。4.被吸附的氣體反應物在固體碳表面起反

15、應而形成中間配合物。5.中間配合物的分解或與氣相中到達固體（碳）表面的氣體分子發生反應。6.反應物從固體（碳）表面解吸并擴散到其相。7.氣化反應速度除了與第（ 3）（4）步的化學反應速度有關外，還取決于第（ 1）（2）（5）步的物理擴散過程。煤炭氣化時，包括了碳的氧化二氧化碳還原水蒸氣分解三個主要氣固相過程，現分別說明如下。2.3.2碳在氣化過程中的氧化實驗證明，碳與氧的反應與溫度氧氣分壓及流體動力條件有關，不同條件下，所獲得的煤氣中碳的氧化物比例 （）：（）。一般認為，碳與氧作用首先在煤的表面形成未知組成的中間碳氧配合物，而后再分解的同時產生CO 和 CO2，反應過程如下式表示xC+y2Cx

16、Oy mCO 2+nCO在 t1600(零級反應 )時，nco=2nco,2反應速率方程如下： Va=kspn式中 p反應氣體中氧的分壓，KPan反應級數， 01 之間；Ks反應速率常數，可表示為修正的阿累尼烏斯公式， Ks=ATN exp（-ERT ）；A頻率因子，由實驗確定；E反應活化能；T 反應溫度， K；N反應指數，大多研究者取為零2.3.3 二氧化碳在氣化過程中的還原碳將二氧化碳還原成一氧化碳是重要的二次反應，該反應很大程度上確定了所獲得的煤氣的質量。在這一還原反應中，溫度對反應的影響很大，在較低溫度下，還原速度較小，當溫度大于300時，還原反應以顯著速度進行，其還原過程是復雜的多項

17、反應，形成固體表面配合物 CxOy 及 其分解產物。其中，化學吸收過程分為三步，第一步是CO 2 和燃料中的碳在碳表面形成六環形的碳氧初次配合物，第二步是六環形的碳氧配合物分解形成放射性的CO 和活性二次碳氧配合物；第三步是非活性碳氧配合物分解形非活性的分子和的游離原子。反應速度公式如下： （ c）式中分別為表面氧化物分解生成并逸入氣相及的解吸等過程的個別階段的常數。2.3.4水蒸氣分解過程碳與水蒸氣反應由下列多相化學反應組成一次反應C+H 2O=H 2+COC+2H 2O=2H2+CO二次反應C+CO 2=2CO222由于存在二次反應，水蒸氣分解類似于 C 與 CO 2和 C 與 CO 2，

18、的反應碳與水蒸氣的反應過程同樣形成表面碳氧配合物。第三章設備的選取3.1德士古氣化爐魯奇加壓氣化爐3.2 魯奇爐3.2.1. 魯齊爐的介紹魯奇加壓氣化技術是由聯邦德國魯奇公司于1930 年開發的，屬第一代煤氣化技術，技術成熟可靠，曾是世界上建廠最多的煤氣化技術。魯奇氣化技術是制取城市煤氣和合成氣裝置中的心臟設備。它適應的煤種廣氣化強度較大氣化效率高。魯奇氣化技術的特點為：采用碎煤加壓式供料方式，即連接在爐體上部的煤鎖將煤塊升壓，加入氣化爐的預熱層，然后，下移至反應層，煤在反應層氣化，反應熱量取自于氣化劑與燃燒形成的燃燒層。產生的粗煤氣從出口排出。爐篦上方的灰渣從底部出口排到下方連接的灰鎖中，所

19、以氣化爐與煤鎖灰鎖構成了一體的氣化裝置。魯奇加壓氣化爐與德士古氣化爐相對比有以下優點：德士古氣化爐需要將原料煤高溫加壓成水煤漿，這樣就要求別的設備具有耐高溫高壓的能力，這明顯提高了設備的成本，而魯奇爐不需要，考慮經濟因素，我選擇用魯奇爐。原料方面加壓汽化所用的煤種有無煙煤，煙煤，褐煤等煤的活性高，能在較低的溫度下進行，降低氧耗，并能提高汽化強度和煤氣質量，因此煤的活性強度越高越好。加壓氣化也可以采用黏結性煤種，爐內需設攪拌破黏裝置依靠漿葉的轉動，將結塊打碎；由于汽化溫度較低，因而可以采用灰熔點較低的煤種，煤的粒度可選擇 2 20mm，燃料的水分可高達 20%30%，灰份高達 30% 也無礙于正

20、常操作，這就擴大了煤種的使用范圍。降低了制氣成本；也無礙于正常操作，這就擴大了煤種的使用范圍。降低了制氣成本；可以汽化一些弱黏結性和稍強黏結性的煤，耗氧量低。在2.0Mpa 僅為常壓 13 23。生產過程方面汽化爐的生產能力高以水含量20%25% 的褐煤為原料， 汽化爐的汽化強度在 2500kg(m2=0%2H S=0.17%CO=27.5% ；H2=13.5% ；CH 4=0.5% ；N2=52.6% ；焦油產率；無煙煤碳氣化，的焦油產率可以忽略不計；灰渣含炭量 W（ CF）=15% ；帶出物產率取燃料地 %; 帶出物組成為炭 80%,灰 20%; 煤氣出口溫度 5000C,汽化劑飽和溫度5

21、50C.5.2 物料衡算以 100Kg 的收到基煤為計算基準 .由于生產上的各種數據是以不同的標準給出的 ,因而在物料衡算是需要將其換算為同一標準 .5.2.1基準換算 .將干燥基灰分 AD 換算為收到基灰粉AAR ;Aar=Ad 100-Mar100=11.0100-5.0100=10.45%由于干燥無灰基轉變為收到基的轉換系數為:K=100-Mar-Aar100=100-5.0-10.45100=0.8455將所給的原料組成換算為用收到基表示的組成(%) 為:War(c)=93.00.8455=78.63War(H)=2.0 0.8455=1.69War(O)=2.3 0.8455=1.9

22、4War(N)=1.0 0.8455=0.85War(S)=1.7 0.8455=1.44Aar=10.45Mar=5.0合計 =100.005.2.2干灰渣產率的計算原料中的灰分轉入灰渣和帶出物中,因而：Aar=10.45=20.2+Va(1-0.15)Va=10.45-20.21-0.15=11.82式 中Va 灰渣 產率 ,%( 占 收 到基 表 示 原 料的 質量 );0.15-W(Cf)=0.15,KgKg2帶出物產率 ,%0.2帶出物灰含量 .以 100Kg 收到基原料煤為基準 ,原料中的碳含量 :M(C 1)=10078.63%=78.6Kg灰渣含碳量為:M(C 2)=100 V

23、a% Cf=100 11.82% 15%=1.77Kg帶出物含碳量為 :M(C 3)=1002% 80%=1.6Kg5.2.3以 100M3煤氣為計算基準 , 則煤氣中各組分的含碳量為M(C CO2 )=1005.5%22.4 12=2.95KgM(C CO )=10027.5%22.412=14.73KgM(C CH4 )=1000.5%22.4 12=0.27Kg所以 ,每 100M 3 煤氣中含碳量為 :M(C 4)=M(CO 2)+M(C0)+M(CH 4)=2.95+14.73+0.27=17.95Kg由以上數據得干煤氣產率為:VGM(C 4)%=M(C 1)-M(C 2)-M(C

24、3)即：Vg=78.6-1.77-1.617.95%=419M 3100Kg(煤)5.2.4氮平衡計算氮在汽化過程中不參加反應 ,所以原料中和空氣中的氮全部轉入煤氣中。100Kg 煤所產干煤氣中的氮為 :VN 2=Vg52.6%=41952.6%=220.4M 3原料帶入的氮為VN2=100Nar22.428=0.68M3空氣的耗氧量為 : Vk=220.4-0.68=278.2M 3Kg(煤)5.2.5計算蒸氣的消耗量由汽化劑的飽和度 550C,查空氣濕度圖得水蒸氣的含量為 0.148KgM 3 故水蒸氣的消耗量為 :W=Vk 0.148=278.20.148=0.412KgKg(煤)5.2

25、.6確定煤氣中的水分含量通過對氫平衡的計算，可以確定煤氣中的水分含量，進而可以求水蒸氣的分解率。以100kg 原料計算基準。原料煤代入得氫量包括化合氫和煤中水分的氫：m(H a)=m(H ar )+2M ar 18=1.69+5.0218=2.25kg氣化劑中水蒸氣的氫含量：m（H b）=1000.41218=4.58轉入煤氣中氫量為：m(H c)=V g(H2)+(H 2S)+2(CH 4)+2(C2H 4)% 222.4=419(13.5+0.17+1)% 222.4=5.49因此煤氣中水的含量為：m(H 2O)=m(H a)+m(H b)-m(H c) 182Vg=(2.25+4.58)

26、-5.49184192=0.0288kgm3式中 182 為水和氫氣的換熱系數5.2.7煤氣的產率、Vg=Vg+V g0.02880.833=419+4190.02880.833=4.33m3kg(煤 )5.2.8計算蒸氣分解率以 氣 化 100kg 煤 為 基 忠 ， 煤 氣中 的 水 分 為 419 0.0288=12.07kg，其中由原料代入得水 5.0kg 一般煤中 50% 的氧轉變為 1.940.51816=1.09kg 水。因此煤氣中由氣化劑帶入的末分解水蒸氣為 12.07-（5.0+1.09）=5.98kg，所以分解的水蒸氣為 1000.412-5.98=35.22kg。因此求得

27、水蒸氣的分解率為 35.221000.412=85%5.2.9計算干煤氣中個元素的質量組成m(C)=12(CO 2)+(CO)+(CH 4)+2(C 2H4)0.01 V g22.4=75.20kgm(H)=2 H 2+(H 2S)+2CH 4)+2(C 2H 4) 0.01Vg=5.49kgm(O)=32 (O2)+(CO 2)+0.5(CO) 0.01Vg=116.4kgm(N)=28 (N2) 0.01V g=275.5kgm(S)=32(H 2S) 0.01Vg=1.02kg總 結煤炭氣化是指煤在特定的設備內，在一定溫度及壓力下使煤中有機質與氣化劑（如蒸汽空氣或氧氣等）發生一系列化學反應，將固體煤轉化為含有CO、 H2、CH 4 等可燃氣體和 CO 2 、N2 等非可燃氣體的過程。煤炭氣化時，必須具備三個條件，即氣化爐、氣化劑、供給熱量，三者缺一不可。煤炭氣化是指煤在特定的設備內，在一定溫度及壓力下使煤中有機質與氣化劑（如蒸汽空氣或氧氣等）發生一系列化學反應，將固體煤轉化為含有CO、 H2、CH 4 等可燃氣體