年产24万吨甲醇GE水煤浆气化工段工艺设计 精品.docx
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年产24万吨甲醇GE水煤浆气化工段工艺设计精品
课题年产24万吨甲醇GE
水煤浆气化工段工艺设计
课题来源
自选
课题的目的
、
意义
通过本专业相关的典型技术装置一个工段的工艺设计,进行初步设计的基本训练,掌握工艺设计的基本方法,提高工艺设计技能。
要求
要求完成年产24万吨甲醇GE水煤浆气化装置工艺设计的工艺计算,绘制带控制点的工艺流程图、渣水处理过程的平面布置图以及主要设备(气化炉)的设备图。
课题主要内容
1.物料、热量衡算
2.设备设计和投资估算
3.公用工程计算
4.设计配合条件
5.带控制点工艺流程图
6.主要设备图
7.工段设备平面布置图
第1章设计任务书
设计项目
以年产24万吨甲醇GE水煤浆气化装置为设计对象,进行相关的工艺设计训练。
设计目的
学习和掌握工艺计算的基本方法,通过训练提高工程设计的技能。
设计任务
完成多喷嘴对置式水煤浆气化工艺的方案评价;气化系统的物料热量衡算、相关设备计算和投资概算、公用工程计算;画带控制点的工艺流程图、气化炉设备图、气化工段渣水处理系统的设备平面布置图。
基本设计参数
煤质元素分析
组成
C
H
N
S
O
灰分
共计
重量(%)
64.85
4.36
1.41
2.10
3.38
8.61
100
煤的热值(HHV):
27161KJ/Kg
工艺条件
1)入炉煤浆t=50℃P=7.0MPa
2)氧气的纯度98%P=7.2MPa,t=25℃
3)水煤浆浓度61%
4)出炉气体温度t=1300℃
5)气化炉内压力P=6.5MPa
(其他工艺条件略,详见设计依据)
产品质量指标
1)生产量年产24万吨甲醇
2)碳转化率97%
3)热损失率2%
4)(CO+H2)干>78%
第2章设计指导思想和设计原则
1煤炭气化概述
在经济高速发展的今天,节约能源资源,加快建设资源节约型、环境友好型社会,已经成为我国的新国策。
为实现我国可持续发展,做到经济与环境协调发展,必须将更多的精力放在洁净煤技术的研究与开发上,而煤的气化技术则是实现煤洁净利用的关键。
煤炭气化是指煤在特定的设备(气化炉)内,在一定温度及压力下,使煤中有机质与气化剂(如空气、氧气、水蒸汽等)发生一系列的化学反应,将固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。
煤炭气化时,必须具备三个条件,即气化炉、气化剂、供给热量,三者缺一不可。
气化过程反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。
煤的热解是指煤从固相变为气、液、固三相产物的过程。
煤的气化和燃烧反应则包括两种反应类型,即非均相气—固反应和均相的气相反应。
煤气化技术的评价主要从气化效率、冷煤气效率、碳转化率和有效气体产率四个方面进行。
气化效率衡量原料(煤和气化剂)的热值转化为可利用热量(煤气的热值和产生蒸汽的热值)的情况,是最常用的评价指标,标志着煤气化技术的能耗高低。
冷煤气效率衡量原料的热值转化为煤气热值的情况,是制得煤气量多少及质量高低的指标。
谭转化率衡量煤中有多少碳转化进入到煤气中,是煤利用率高低的的标志。
有效气体产率衡量单位煤耗能产出多少有效气体(CO+H2)是对煤气化技术生产有价值成分效果好坏的评价。
这四个指标不完全独立,从不同的方面反映了煤气化技术中人们最关注的问题。
[1]
2煤气化技术的分类
煤气化按气化炉内煤料与气化剂的接触方式不同可分为:
固定床气化、流化床气化和气流床气化。
2.1固定床气化
固定床气化也称为移动床气化,一般以块煤或煤焦为原料。
煤由气化炉顶加入,气化剂由炉底送入。
流动气体的上升力不足以使固体颗粒的相对位置发生改变,即固体颗粒处于相对固定的状态。
气化炉内各反应层高度也基本不发生变化,因而称其为固定床气化。
另外,从宏观的角度来看,由于煤从炉顶加入,含有残炭的灰渣自炉底排出,气化过程中,煤粒在气化炉内逐渐并缓慢往下移动,因而又称其为移动床气化。
目前,国内采用此方法的煤气化技术主要有固定床间歇气化法和加压鲁奇气化法。
2.1.1固定床气化的特点
由于固定床间歇气化和鲁奇加压连续气化都属于固定床气化装置,所以对于固定床的原料有一定的要求,首先必须为块煤,其次块煤需有较大的机械强度,较好的热稳定性,并且还需具备活性高、粒度适中的特点。
由于需满足一定的要求,固定床可用的煤种少。
固定床的传质、传热速率慢,是影响反应速率的重要原因,固定床的温度受限于煤的灰熔点,不会太高,也使气化速率不高,所以,固定床制气生产的煤气中CO和H2的含量偏低,煤气的产量和质量都受到很大的影响。
同时,较低的反应温度,使煤中的有机质不能充分热解,导致煤气与洗涤水中的焦油含量高,水处理难度加大。
固定床采用固态排渣,灰渣中的碳含量较高,使碳的转化率有所降低。
由于固定床气化炉存在诸多弊端,在工程上固定床气化技术并不是煤气化技术的首选。
2.2流化床气化
流化床煤气化法是以小颗粒煤为气化原料,这些小颗粒煤在自下而上的气化剂的作用下,保持着连续不断和无秩序的沸腾和悬浮状态运动,迅速地进行着混合和热交换,使得整个床层温度与组分均一。
目前,国内属于此法的煤气化技术主要有恩德粉煤气化技术和ICC灰融聚气化法。
2.2.1流化床气化特点
恩德粉煤气化技术和ICC灰融聚气化技术,都采用粉煤做原料,扩大了可选的煤种,降低了原料成本。
同时,运用流化床气化技术,提高了传质以及传热的效果,加快了反应速率,提高了生产能力。
但是,由于气化温度不高,煤气的质量不是很理想,固态排渣,灰渣中的残留的碳较多,碳的转化率不高。
由于能源利用率低这一问题不能很好的解决不符合“节能降耗”的产业政策,所以流化床气化技术的运用并不是十分的普及。
2.3气流床气化
气流床气化是一种并流式气化,气化剂(氧气和蒸汽)与煤粉一同进入气化炉,在1300-1600℃高温下,将煤部分氧化成CO、H2、CO2等气体,残渣以熔渣的形式排出气化炉。
也可将煤粉制成煤浆,用泵送入气化炉。
在气化炉内,煤炭细粉粒与气化剂经特殊喷嘴进入气化室,会在瞬间着火,发生火焰反应,同时处于不充分的氧化条件下,因此,其热解、燃烧以及吸热的气化反应几乎是同时发生的。
随气流的运动,未反应的气化剂、热解挥发物及燃烧产物携带着煤焦粒子高速运动,运动过程中进行着煤焦颗粒的气化反应。
这种运动形态,相当于流态化技术领域里对固体颗粒的“气体输送”,习惯上成为气流床气化。
在国内,已经进入工业运行的气化技术主要包括:
以水煤浆为原料的多喷嘴对置式水煤浆气化技术、GE(Texaco)气化技术、GlobalE-Gas气化技术等,以干粉煤为原料的Shell气化技术、Prenflo气化技术、GSP气化技术等。
2.3.1气流床气化特点
GE(Texaco)水煤浆气化技术引入国内时间最长,技术成熟度高。
设备国产化率高,在相同生产能力的情况下,投资小。
其所用的原料经磨粉、制浆,提高了原料的适应性,降低了原料的成本。
液态排渣,提高了碳的转化率。
但是,与干粉煤气化技术相比,操作温度相对不高,气化效率稍低,同时,喷嘴检修频繁,耐火砖价格昂贵并且使用寿命较短,导致操作维护费用较高。
Shell干粉煤气化用干粉煤作为原料,煤种适应性广,原料成本低。
由于气化温度高使得气化效率也得到了提高,单炉的生产能力大,液态排渣,碳转化率高。
但是,投资过大,国内运行经验尚不足,单系列设备频繁的停车,对生产造成了极大的影响,使其在技术上的优势得不到发挥。
多喷嘴对置式水煤浆气化技术煤种适应性强,可采用资源丰富、分布广泛的烟煤或褐煤,并对粒度、灰分和含硫量有较大的兼容性。
[2]多喷嘴对置式气化炉操作方便,易于控制,炉内耐火砖维护良好,下渣口光滑。
炉膛内温度分布均匀、温差较小使耐火砖的使用寿命得以延长,并且具有运行安全平稳、技术指标先进、气化效率高、负荷可调节范围大等特点十分符合“节能降耗”的产业政策。
第3章生产方法和工艺流程
1煤气化技术制甲醇
1.1煤气化制甲醇的意义
甲醇作为一种极其重要的化工原料,对我国能源结构的调整和减轻能源紧缺的压力都有着十分深远的影响。
甲醇作为极其重要的一种化工原料,其下游衍生品也很丰富,这也是煤基甲醇化工可以代替部分石油化工的原因。
传统工艺上甲醇可以用来生产甲醛、合成橡胶、甲基叔丁基醚、对苯二甲酸二甲脂、氯甲烷、甲基丙烯酸甲脂、醋酸、甲胺等一系列有机化工产品。
除了化工应用外,甲醇作为替代燃料近年来发展也很迅猛,源于甲醇的替代燃料主要包括甲醇掺混汽油、甲醇制汽油和燃料电池等。
甲醇掺混汽油是指在汽油中掺入5%、l5%、25%和85%等不同比例的甲醇。
在近些年甲醇汽油工业化试点中取得了良好的效果以及不错的经济收益。
此外,甲醇制汽油(MTG)也是甲醇燃料应用的重要领域之一。
中科院山西煤化所与化学工业第二设计院共同开发的一步法甲醇转化制备汽油技术,已在其能源化工中试基地完成中试。
与埃克森美孚公司的技术相比,国产技术具有汽油选择性高,工艺流程短,单程寿命长和催化剂稳定性等优势。
[3]
甲醇工艺的生产流程简图
2煤制甲醇的基本工艺
2.1煤炭的气化
煤气化技术是煤制甲醇工艺中的关键,现在国内外先进的煤气化技术主要有:
荷兰Shell公司的SCGP粉煤加压气化工艺、德国未来能源公司的GSP粉煤加压气化技术、美国Texaco公司德士古气化工艺、德国Lurgi公司的Lurgi块煤加压气化工艺、华东理工大学的多喷嘴对置水煤浆气化技术等。
1.1煤浆的制备
由输送系统送来的原料煤干基(<25mm)送至煤斗,经称重给料机控制输送量,进入棒磨机,并加一定量的水,并加入一定量的添加剂,在棒磨机中进行湿磨。
为了调整煤浆的PH值,还要加入一定量的碱液。
出棒磨机的煤浆浓度为65%左右,然后经出口槽泵加压后送至气化工段煤浆槽。
湿法磨煤,可防止粉尘飞扬,环境好。
为了降低煤浆粘度,使煤浆具有良好的流动性,需加入添加剂,初步选木质磺酸类添加剂。
[4]
2.1.2气化
在气化工段,水煤浆与氧进行部分氧化反应制得粗合成气。
煤浆由煤浆槽经煤浆加压泵加压后连同空分送来的高压氧通过烧嘴进入气化炉,在气化炉中煤浆与氧气发生主要反应如下:
CmHnSr+m/2O2→mCO+(n/2-r)H2+rH2S
CO+H2O→H2+CO2
气化反应在气化炉反应段瞬间完成,生成CO、H2、CO2、H2O和少量CH4、H2S等气体。
离开气化炉反应段的热气体和熔渣进入激冷室水浴,被水淬冷后温度降低并被水蒸汽饱和后出气化炉;气体经文丘里洗涤器、碳洗塔洗涤除尘冷却后送至变换工段。
气化炉反应中生成的熔渣进入激冷室水浴后被分离出来,排入锁斗,定时排入渣池,由扒渣机捞出后装车外运。
2.1.3灰水处理及CO变换
将气化来的黑水进行渣水分离,处理后的水循环使用。
随后,将气体中的CO部分变换成H2。
发生的化学反应为变换反应,反应方程式为:
CO+H2O→H2+CO2
2.2合成气的净化
本工段采用低温甲醇洗工艺脱除变换气中CO2:
、全部硫化物、其它杂质和H2O。
低温甲醇洗工艺是使用物理吸收法的酸性气体净化技术,使用冷甲醇作为酸性气体的吸收液,利用甲醇在零下60℃左右的低温下对酸性气体溶解度特别大的性质,分段选择性地吸收原料气中的CO2、H2S及各种有机硫等杂质,低温甲醇洗工艺一般有林德和鲁奇两种,二者基本原理相同,并且技术都很成熟,只是在工程实施、工艺流程设计和设备设计上各有特点。
2.3甲醇的合成
国内外使用的甲醇合成塔主要有冷管式、冷激式、固定管板列管式水管式和多床内换热式合成塔。
冷激式合成塔碳转化率太低,能耗高,已基本淘汰:
冷管式合成塔碳转化率较高但副产的蒸汽仅为0.4MPa,大型装置中很少采用;水管式合成塔传热系数较高,能更好地移走反应热,缩小传热面积,并能多装催化
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