合成氨生产造气工段的能耗分析及节能途径.doc

合成氨生产造气工段的能耗分析及节能途径造气工段是合成氨生产能耗最高，同时又是余热最多的岗位。努力降低煤气生产的原料、蒸汽和用电消耗，切实做好余热回收利用工作，是降低合成氨综合能耗和生产成本的有效途径。生产一吨合成氨理论能耗为22.78×106KJ，但从目前的现实情况看，即使一些较为先进的企业，实际生产的能耗水平也远大于此值。所以，无论是从理论上分析还是实践认为，进一步降低合成氨能耗的空间较大，深入挖掘降耗潜力，努力降低生产成本，是小氮肥行业生存发展的关键。 节能问题涉及全厂各工序，本文就造气工段如何提高碳的利用率、减少蒸汽用量、降低电耗方面加以具体阐述。1 提高燃料利用率的途径 燃料在气化过程中，转化到半水煤气组成中的碳量，称为有效消耗。在实际气化生产中，还要以其它形式消耗大量的碳，如吹风过程中所燃烧的碳、灰渣中末燃尽的碳、随着气体带走的尘粒中含碳等。事实上转化为半水煤气中的碳量，仅是整个煤气生产过程中原料消耗的一部分，其比值即为碳的有效利用率。在生产中，希望有效消耗所占总消耗的比例越高越好，这就需要努力提高燃料的利用率，尽量减少其它形式的碳损失。 原料在气化过程中，转入到半水煤气中的碳，是以一氧化碳和二氧化碳两种形式存在的，生成甲烷则是不希望发生的副反应。假如使用的气化原料品种和气化条件已确定，则半水煤气中的一氧化碳和二氧化碳的总量也就相应为一定值。根据目前的煤气生产水平，半水煤气中一氧化碳含量一般在28%31%范围内，二氧化碳含量占7%8%之间。若生产一吨氨，半水煤气的消耗量用V半表示，半水煤气中一氧化碳和二氧化碳总含量为30%+7.5%37.5%，则每生产一吨氨转入半水煤气中的碳含量为：0.375×12/22.4V半0.2009V半(kg/tNH3)折成标准煤为：0.2009V半÷0.84=0.239V半(kg/tNH3) 式中0.375是半水煤气中CO+CO2组分百分含量； 12碳的原子量； 22.4标准状况下，每千摩尔体积(Nm3) V半吨氨半水煤气消耗量(Nm3)； 0.84吨标准煤的含碳量。 若吨氨消耗半水煤气3200Nm3则在CO含量30%，CO2含量7.5%的条件下，(CH4不计)，吨氨理论消耗碳量为：0.239× 3200=764.8(kg标准煤) 实际生产中，耗碳量并不是都转化到半水煤气中。 若碳的有效利用率为65%，则吨氨耗标准煤为： 764.8÷0.65=1176.6(kg) 碳的利用率提高到70%，则吨氨耗标准煤为： 764.8÷0.7=1092.6(kg) 碳的有效利用率由65%提高至70%，吨氨标准煤可下降84kg，可见，努力提高碳的利用率是降低消耗的主要途径。也是提高企业经济效益的关键。如一个年产10万吨合成氨的企业，煤气生产过程碳的利用率由65%提高至70%，每年节约价值为： 10×0.084×800=672(万元/年) 式中10合成氨年产量； 0.084吨氨节约标准煤，吨； 800按目前吨标准煤入炉价，元。 提高碳的有效利用率需做好以下几方面的工作； (1)提高吹风效率 吹风的目的是提高气化层温度并积蓄热量为制气过程创造条件。吹风效率是积蓄于燃料层中的热量和消耗燃料所具有的热值之比。其意义可用下式表示：E吹风=100(Q反- Q气)/ Q燃 式中：E吹风吹风阶段的效率%； Q燃吹风阶段消耗的燃料所具有的热值(KJ)； Q反吹风时反应放出的热量(kJ)； Q气吹风气带走的热量(kJ)。 很明显，要提高吹风效率(E吹风)，只有努力增大Q反，降低Q气和Q燃。由吹风阶段化学反应可知，吹风阶段每消耗一千摩尔碳所放出的反应热Q反，同生成产物中一氧化碳和二氧化碳的含量有关。生成一千摩尔分子二氧化碳放出热量为393.51×103KJ，生成一千摩尔一氧化碳仅可放出热量110.52×103KJ，后者放出的热量为前者的28.1%。因此，气化层温度控制在适宜的范围内，提高空气流速(炭层不吹翻的前提下)降低吹风气中的一氧化碳含量是十分重要的。吹风气中一氧化碳含量增加(吹风气中平均CO含量应小于6.0%)或吹风升温过高，Q气 亦相应的提高，吹风效率就要降低。在实际生产中，随着吹风时间的延续，吹风气中一氧化碳含量逐渐升高是不可避免的，降低气化层温度可以减少二氧化碳还原为一氧化碳的反应，但是，炉温低制气质量差、蒸汽分解率低、未分解的蒸汽从炉内带走了大量热量，对降低两煤消耗，提高煤气炉气化强度都是不利的。显然，吹风阶段与制气过程对气化层温度要求是矛盾的。为了保持气化层有较高的温度，又要减少吹风气中一氧化碳含量，可采用提高风机风压、风量，减少吹风百分比的办法。但是风压、风量过大，一是吹风阶段带出物明显增多，二是炉内炭层容易吹翻，很难长期稳定运行。而风压、风量过小，则会导致煤气炉气化强度降低，由于空气流速慢，利于二氧化碳还原为一氧化碳，吹风效率降低，增加了吹风阶段碳的消耗量，降低了碳的利用率。所以，根据各厂所用燃料的特性、粒度等条件，选择适宜的风压、风量参数的鼓风机和循环时间、吹风百分比，控制适宜的炭层高度和气化层温度、厚度、位置，全方位降低热量损失，是提高碳的利用率，降低两煤消耗的主要途径之一。根据理论分析和实践探索，2600mm系列煤气炉，吹风强度控制在38005000Nm3/m2h(优质原料取高限，劣质原料取低限)。 2600mm煤气炉，一般情况下吹风效率不到60%，若炉顶、炉下出气温度较高时，只有50%左右，即要在炭层中积蓄一份可供制气用的热量，往往要烧掉发热量两倍于这份热量的燃料。因此，炭层中的热量应尽可能地用于制气，任何热量来过热入炉蒸汽或空气，为制气反应提供热量，都要比用这些热量产生蒸汽来得合理。换句话说，从气化层移走的任何热量，尽管是可以用来产生蒸汽而加以回收，但也总是因为气化层中积蓄的热量效率太低而是不经济的。通过计算，吹风时炉上温度由450降为250，吹风效率可提高6%左右。要想达到理想的吹风效率，第一，保持气化层温度在适宜的范围内，并选择适宜的空速，尽量降低吹风气中一氧化碳含量。第二，在煤气炉高径比允许的情况下，控制适宜的炭层高度、气化层厚度、灰渣层厚度，并保持较高的上预热层厚度(在风机能力允许的情况下)，以增加煤气炉燃料层蓄热能力，为提高煤气炉的气化效率创造有利条件。 在吹风阶段，碳与氧的反应是燃烧反应。实验证明，这一反应在800以上时，几乎是不可逆的自左向右进行，而且属于扩散控制。因此，在一般煤气发生炉操作的温度下，对二氧化碳生成总反应速度来说，氧的扩散速度乃是这个反应的主要控制因素。通过对碳与氧反应研究表明，这一反应在775以下时，属于动力学控制。在高于900时，属于扩散控制，在两者温度之间，可认为处于过渡区。 根据固定层煤气炉气化过程的特点认为，碳与氧之间首先进行燃烧反应，然后，产物CO2再与气化层上部的碳原子进行还原反应。一般认为，碳与二氧化碳之间的反应速度比碳燃烧速度要慢得多。在2000以下基本属于动力学控制，反应速度也大致认为CO2的一级反应。 根据吹风过程反应的特点，控制适宜的吹风强度和气化层温度，对提高吹风效率，降低原料煤及蒸汽消耗具有重要的意义。(2)提高制气效率 制气阶段的效率E制气是指所获得半水煤气热值Q气与气化时所消耗的燃料所具有的热值Q燃、气化剂(蒸汽)所带入的热量Q蒸及吹风阶段时积蓄于燃料层可利用热量Q利用三者之和之比。E制气= Q气/(Q燃+Q蒸+ Q利用)×100% Q利用=Q反+Q气+Q损 Q反制气反应吸收的热量，kJ/mol； Q气水煤气及未分解蒸汽带出的热量，kJ/mol； Q损夹套等热量损失，kJ； Q利用吹风储存到燃料层的热量，KJ。 从上式中可以看出，要提高制气效率，必须提高Q气，即提高单位制气量和水煤气中的有效成份一氧化碳、氢气含量。制气过程中，在Q燃消耗和气化剂蒸汽所带入热量Q蒸一定的前提下，提高制气效率就是提高吹风时积蓄于燃料层内可以利用的热量Q利用的有效利用率。 吹风时积蓄于燃料层内可以利用的热量Q利用，应相当于气化反应时所吸收的热量、反应后水煤气和末分解的水蒸汽所带走的热量与损失热之和。换言之，夹套损失热一定，提高制气效率就是控制适宜的气化层温度，提高蒸汽分解率，降低炉上、炉下温度，减少热量损失，提高水煤气的数量和质量。 碳与蒸汽之间的反应，在4001000的温度范围内反应速度仍很慢，因此，为动力学控制。温度超过1100以后，反应速度较快，开始为扩散控制。 在高温下进行水蒸汽与碳的反应达到平衡时，残余水蒸汽量少，即水蒸汽分解率高，水煤气中H2和CO的含量多。在相同温度下，随着压力的升高，气体中的H2O、CO2及CH4含量增加，而H2及CO的含量减少。所以，制得CO和H2含量高的水煤气，从平衡角度认为，应在低压高温下进行。 从间歇式固定层煤气生产实践来看，在采用活性较高的冶金焦为原料时，在同样温度下，适当地提高气化剂入炉速度，可以在不影响气体质量(煤气中CO含量并不减少)的条件下，提高气化强度。而使用活性较差的无烟块煤时，在同样温度下提高气化剂入炉速度，气体质量和气化强度下降甚快，特别是从在炉内温度稍有下降，而气体质量和气化强度立即降低幅度较大的情况下看，反应速度前者可能处于扩散或过渡区，而后者处于动力学控制区。 所以，在制气时控制较高的气化层温度和较低的气化剂流速，是提高制气效率、气体质量和蒸汽分解率的重要途径。 (3)降低灰渣中的返炭率 灰渣中的含碳量与灰量之比，称为返炭率。灰渣中的返炭率高，多属煤气炉炉底防漏装置存有缺陷或操作工艺不合理，煤气炉气化不良所造成的。粒径较大的返炭虽然可以回收利用，但已带出部分热量，造成一定的热量损失；灰渣中的小粒返炭不易回收，随灰处理掉，虽然可以再利用，但回收利用价值低。因此，努力降低灰渣可燃物，是提高碳利用率的重要一环。 造成灰渣可燃物高的原因大致有以下几个方面：煤气炉炉底防漏装置选择安装不当或在使用中损坏，造成排灰不匀或发生漏炭、塌炭，致使返炭率高；加料方式不当，致使炭层四周与中间高低分布不符合要求，使气化剂分布不均匀，炉内局部过热结疤、结块、灰渣层厚度失衡，两侧排灰不均匀；上、下吹百分比或上、下吹蒸汽用量选配不当；原料粒度过大，气化层温度低，燃烧不完全；炉条机排灰速度与燃料气化后所生成灰渣的速度不相适应，排灰量过大；排灰不及时，致使灰箱内积灰，煤气炉内灰渣层局部上移，造成气化层的破坏；炉温控制不当，造成结疤、结块，导致气化剂分布不匀，气化不良或炉温控制过低，蒸汽用量过大，燃料反应不完全即排出。 总之，造成返炭率高是多因素的。在日常操作中，须针对各自的实际情况，查准造成返炭率高的主要因素，采取相应的改进措施，使灰渣返炭率降到小于15%以内，理想的目标应达到10%左右。 (4)降低吹风及制气带出物 提高风速可以减少二氧化碳还原一氧化碳的机率。但随着风速的提高，带出物必然增多。所以，风速的选择应适当，以带出物较少和不吹翻炭层为原则。 为了减少带出物，在生产中，可以采用以下措施：选择合适的风机，2600mm系列煤气炉，风机可选450m3/min550m3/min，风压在25kPa28kPa范围内；根据原料特性，掌握适当的风量，控制与风机相适应的炭层高度；选择机械强度、热稳定性较好的燃料；严格把握入炉燃料的加工质量，减少粉末入炉；力求料层阻力均匀；选择设计合理的炉箅，既要排渣、破渣能力强，气化剂分布均匀，还要减少下吹带出量；掌握好下灰质量，将灰中结渣率控制在65%以上，减少灰中的细灰量；选择适宜的气化强度，煤气炉负荷重，气化剂流速快，带出物就多，特别是下吹制气时，蒸汽用量大流速快，下吹带出物相应增多；采取相应措施，改进上行出气方式，提高炉内除尘效率。 (5)减少热量损失 为了减少热量损失，首先要选择与风机相适应的炭层高度(一般从风帽顶向上炭层高度1800mm2400mm)，其次选择合理适宜的运行工艺和气化条件，使炉气炉处于良好的蓄热状态，即维持较高的气化层温度，而炉顶、炉底温度都处于较低的范围。目前，采用自动连续加炭方式，炭层高度、气化层位置、灰渣层厚度、煤气炉负荷等选择控制较为合理的厂家，炉顶、炉底出气温度之和已小于460，入炉实物吨氨消耗控制在1100kg1150kg范围内，达到了较高的水平。 如果气化层上移或局部上移，势必造成炉顶温度增高，气流带出热量增多的状况。反应热损失多，气化效率下降。气化层位置控制不当，灰渣层过薄或厚度不均匀，必然导致炉底出气温度增高，带出热量多，降低气化效率。 此外，蒸汽用量过大，也是造成热量损失的一个重要方面。蒸汽用量过大，大量未分解蒸汽带走了炉内热量，使气化层温度下降，不但气化效率降低，而且浪费了蒸汽，并使气体洗涤塔增加了热负荷，气体洗涤塔出气温度相应增高，一定程度地影响下工序的有效打气量。2 降低蒸汽消耗的途径 合成氨生产系统中，煤气生产的蒸汽消耗占全厂总量的65%以上，因此，降低蒸汽消耗定额是造气工段的重点工作之一。 造气工段的蒸汽用量可用下式计算： QT=V半×H2%/100×100/Q×18/22.4 式中QT制气时蒸汽用量，kg/t(NH3)； V半半水煤气消耗定额Nm3/t(NH3)； H2半水煤气中H2含量，%； Q制气过程平均蒸汽分解率，%。 由上式可知：造气工段的蒸汽用量与半水煤气消耗量成正比；与蒸汽分解率成反比。在半水煤气消耗定额相同的情况下，由于蒸汽分解率的不同，用于造气工段的蒸汽量有很大的差异。 例如：半水煤气消耗定额为3200Nm3/吨氨，半水煤气含氢40%时，蒸汽分解率为40%，蒸汽耗量为： QT=3200×40/100×100/40×18/22.4=2571kg/t(NH3) 若蒸气分解率提高到50%，则蒸气耗量为： QT=3200×40/100×100/50×18/22.4=2057kg/t(NH3) 由以上算式可知，蒸汽分解率由40%提高至50%，吨氨节蒸汽514kg。 如年产十万吨合成氨厂，蒸汽价格按100元/t计算，每年可节约价值：10×0.514×100=514万元/年。 由此可见，提高蒸汽分解率，是降低蒸汽用量的主要途径，也是提高企业经济效益的关键所在。 在间歇式煤气炉制气过程中，碳与水蒸汽的反应，基本上属于动力学控制区，控制较高的炉温，可以提高反应速度。 在气化操作中，影响蒸汽分解率的主要因素：一、气化层温度和厚度。二、制气时的蒸汽流速。三、炉上、炉下空间体积。四、入炉蒸汽温度。 从理论讨论可知，实际气化过程的气化效率随蒸汽的用量增加而降低。主要原因是动力学控制影响过大，反应不完全，蒸汽用量增大时，吸热反应增加，导致气化层温度下降，继而导致蒸汽分解率下降，这是造成蒸汽消耗量增加的重要原因之一。日常生产中，应根据气化层温度，控制合理的蒸汽入炉量，尽可能降低蒸汽流速并使之稳定，增加赤热的碳与蒸汽接触时间，提高蒸汽分解率。 采用过热蒸汽制气，是提高蒸汽分解率和制气效率的有效措施，过热蒸汽不仅避免了入炉蒸汽带水，而且由于提高了入炉蒸汽的热焓，减少了炉温波动。据部分生产厂家的实测数值，一般使用200以上的过热蒸汽制气时，蒸汽分解率可提高5%，蒸汽的消耗定额可下降250kg/t(NH3)左右。3 降低电耗途径 造气工段电耗主要是空气鼓风机用电。降低空气鼓风机电耗的主要途径有二：一，选用合适参数的(风量、风压)风机，科学确立风机与煤气炉台数的合理匹配。二，降低吹风阶段系统阻力。以下从二方面加以阐述： 节能措施之一：选用适宜的空气鼓风机和与合理台数的煤气炉相匹配。目前合成氨生产厂家，2600mm系列煤气炉选用风机从D400D700(或C400C700)，风压25kPa30kPa不等。从厂家实践到理论推算，各项工艺指标控制较好的厂家，其吨氨在吹风阶段耗空气量在1900Nm32300Nm3范围内，吨氨消耗半水煤气按3200Nm3/h推算，空气与半水煤气之比为0.594：10.719：1。设2600mm炉的气化强度为1320Nm3时，即每小时产半水煤气7000 Nm3，那么每小时耗空气量为4158Nm3/h5033Nm3/h。设空气与半水煤气之比为0.65，吨氨消耗半水煤气3200Nm3，吨氨耗空气量为0.65×3200=2080(Nm3)，2600炉每小时产氨2.19tNH3/h，吹风需空气量为2.19×2080=4555(Nm3/h)，风机在实际情况下，风量为24000Nmm3/h，循环时间150秒，吹风百分比为20%，即30秒：24000/3600×30×(3600/150)=1800(Nm3/h)。通过计算，2600mm煤气炉2600mm煤气炉2.19×24=52t(NH3)/d的情况下，选配实际风量24000Nm3/h的风机，可基本满足生产要求。据了解，大部分生产系统一台鼓风机供四炉用风，正常情况下，吹风阶段与上位炉的上吹加氮过程重叠，所以，选D450D550，风压在25kPa28kPa的风机，可满足2600mm煤气炉经济负荷的要求。如风机风压、风量过大，煤气炉会经常吹翻，被迫采用进出口阀节流控制风量，无论进口节流还是出口节流，均为浪费功效，致使电耗增高。 节电措施之二：尽量降低吹风阶段系统阻力，充分发挥鼓风机的最大效能。 降低系统阻力是降低鼓风机电耗的主要措施。风机在运行中，实际风量达不到额定风量，其原因除风机设计参数与实际气化条件不相适应外，主要是风机进口至空气煤气出口之间阻力偏大引起的。 系统中的阻力包括两部分。部分是设备和煤气炉炭层的阻力，另一部分是管路、阀门的阻力。 化肥厂的工艺管路，分高、低压两部分，其中煤气生产系统为低压，而铜洗合成为高压。以往各厂对两种系统管网的处理没有区别对待，统一强调管路布置追求“横平竖直”。部分厂家对降低造气系统管网阻力的特殊意义没有足够的认识。 对于像煤气炉吹风阶段低压系统管路的处理，不能像对待高压管路那样要求整齐规划，而应着重考虑减少管路系统及阀门的阻力，否则，不仅耗能大，更重要的是会影响风机的工作特性。吹风阶段系统阻力过高，会有两方面的严重后果，一方面限制了风量的提高，如图1所示：由于系统阻力的增高，其风机风量由Q2减少到Q1，另一方面增加了电耗，管路损失P管损折合成电耗N损可用下式计算： N阻力损QsP阻力损/102(Kw) 式中风机效率(一般风机效率75%左右)； N阻力损不同阻力折成电耗； Qs为相应于P阻力损的每秒钟的风量，m3/s； 102单位换算常数(1kw=102kg·m/s)。 下表列出了不同P阻力损时的折合电耗N阻力损在系统阻力较低时，可选用风压较低的风机。比如，整个系统阻力，在采取措施后阻力降低了3kPa，风机输送风压可由28kPa降至25kPa。降低系统阻力，合理选配适应本厂工艺要求的空气鼓风机是一项重要的节电措施。4 主要工艺指标与消耗的关系 造气工段的主要工艺指标控制的优劣，对产氨量和消耗指标影响很大。为了引起重视，本节通过一些简单计算来加以说明。4.1 氢氮比 半水煤气中的氢氮比是合成氨生产中一项重要控制指标。当氢气与氮气的体积比为3：1时，氨的平衡浓度最大。如果氢气和氮气任一组份过量，参加反应的氮氢气体在总气体中的百分率就要减少。一般情况下，氢气和氮气约占合成塔气体的80%左右，如果扣除循环气中惰性气和氨气，把剩余的氢氮气按3：1的比例合成反应，则氢气应为其中的75%，氮气为25%。若氢气过量3%，则氢氮气中氢气含量为78%、氮气含量为22%，而与22%氮气发生反应的只有66%氢，那么，参与反应的氢氮气体则占总气体的88%。若氢氮混和气中氮气含量过剩3%，则其组分为氮28%及氢72%，72%的氢气只能与24%的氮气化合，则参加反应的氢氮为96%。显然，氮的过量要比氢的过量好得多。 另外，从氨合成反应速度看，在非平衡的状态下，适当增加氮的分压，对触媒吸附氮的速度有利，因为氮的活性吸附是氨合成反应过程中的控制步骤。氢氮气体比例稍低于“3”，可以提高气体中氮的分压，使更多的氮扩散到触媒表面，增加吸附机会，提高合成率。由于合成率的提高，压缩机的电耗也相应降低。 氢氮比过高，对合成反应非常不利。如循环气中氢75%、惰性气20%、氮气5%时，5份氮气只能与15%氢反应，即参加反应的组份仅有20%，其余80%的气体并不参加反应，合成率明显下降，合成压力升高，放空量增加，不仅放掉了大量的氢气，影响氨产量，而且造成各项消耗指标的升高，因此，循环气中氢氮比控制在2.42.8之间较为适宜。但氢氮气体是以3：1比例合成为氨的，所以补充气的氢氮比仍以“3”为宜。4.2 有效气体含量 有效气体一般指半水煤气中一氧化碳和氢。在吨氨耗气一定的情况下，吨氨消耗半水煤气量与有效气含量有直接关系。 半水煤气理论利用率(n)可用下式表示：式中CO2半、O2半、CO半半水煤气中各项气体的体积百分比； X变换率； 再生气回收率。 假设半水煤气中的成份为：CO2，7.8%；O2，0.3%；CO，30%； H2，40%；N2，21.5%o 变换率X为95%，再生气回收率 90%。则：若吨氨耗精炼气2900，则吨氨消耗半水煤气为：2900/0.9115=3182Nm3 另：假如半水煤气成份为：CO2，12.3%；O2，0.7%；CO，26%； H2，40%；N2，21%。 变换率X为90%，再生气不回收0。代入上式得半水煤气理论利用率：那么吨氨消耗半水煤气为：2900/0.83=3494Nm3 后一种情况吨氨多耗半水煤气312Nm3。可见，半水煤气中有效成份的变化对半水煤气消耗有显著影响。4.3 氧含量 半水煤气中的氧是十分有害的气体。它进入变换工段与触媒进行氧化还原反应，一个体积的氧气消耗两个体积的有效成份，而且放出大量的热量，变换处理不及时将会烧坏触媒，为了控制触媒层温度上涨，加大蒸汽量，将导致低变触媒返硫化，影响变换触媒活性，所以，努力降低半水煤气中氧含量，对安全生产，降低消耗具有重要意义。 氧与变换触媒的反应如下：由式可见，一摩尔分子氧消耗两摩尔分子一氧化碳，放出了十三倍于变换反应的热量，半水煤气中的0.1%(干基)的氧，在一般常用的蒸汽条件下，在变化炉内生成的反应热可使气体升高67，必须加入过量蒸汽来带走这部分热量。据计算，半水煤气中氧含量增加0.1%，吨氨要多耗蒸汽100kg左右，若一吨烟煤可产七吨蒸汽，对于一个年产十万吨合成氨厂一年多耗烟100000×0.1÷7=1429煤吨，每吨烟煤按450元计，每年减少效益：1429×450=64.28万元/年。 半水煤气中的氧气含量在变换工序消耗有效成份一氧化碳的理论计算： 每吨氨消耗有效成份(CO)为： 3200×0.001×2=6.4Nm3/吨氨 6.4×100000=640000Nm3/年 设吨氨消耗有效成份2000Nm3，消耗的有效成份年可产氨： 640000/2000=320吨 上式中3200Nm3为吨氨消耗半水煤气量,Nm3； 2000Nm3为吨氨耗氢气量，Nm3。 单位体积的一氧化碳在变换中可以产生相同体积的氢气。 另外，半水煤气中氧含量达到一定值后，会形成爆炸性气体，直接威胁安全生产。所以，采取有效措施，努力降低半水煤气中氧含量，是煤气生产的一项重要工作。 控制和降低半水煤气氧含量的措施：保持气化层的适宜分布，力求气化均匀，避免炭层吹翻、风洞的现象出现；确保下行煤气阀与吹风阀安全联锁完好灵敏，且保持下行煤气阀严密不漏气；上吹加氮阀采用双阀，确保关闭状态下不渗漏；减少炉底“死区”(下行阀、吹风阀距炉底距离)，并采取蒸汽吹净措施，消除炉下“死区”存积空气，避免下吹时将空气赶入气柜；保持吹风阀与安全挡板安全联锁灵敏好用；采用下吹加氮厂家，必须保证下吹加氮阀不漏气；且下吹加氮结束后有足够的蒸汽吹净时间。4.4 甲烷含量 甲烷是合成氨生产中的惰性气体，它不毒害触媒，也不参加合成反应，但不易清除。甲烷在合成系统中逐渐积累，会降低氢氮气的分压，使氨的合成率降低，同时，由于它不参加反应，当通过合成塔时，将带走塔内热量，造成触媒温度下降，还使压缩机和循环机做虚功。为达到系统平衡而被迫放空，使部分氢氮气同时放空而损失。每生产一吨氨循环气的放空量可按下式计算： V放空V补充×补充÷放空 式中V放空吨氨放空气的体积，Nm3； V补充吨氨补充混合气的体积，Nm3； 补充补充气中惰性气含量，%； 放空放空气中惰性气含量，%。 实际上因有一部分惰性气溶解于液氨中(约三分之一)，所以，实际放空气体积要较上式计算值要低。 由上式可知，在补充气量固定时，吨氨循环气放空量与补充气中惰性气体的含量成正比。补充气中的惰性气体是来自半水煤气，假设循环气中惰性气含量维持在15%，吨氨补充气为2900Nm3，当补充气中惰性气体含量为1%，吨氨放空量为：2900×1%÷15%=193.3Nm3。 若补充气中惰性气含量增至1.5%，则放空量为：2900×1.5%÷15%=290Nm3。 即每产吨氨可多放掉96.7Nm3的循环气。可见，努力降低半水煤气中甲烷含量是很有意义的(循环气中惰性气组份主要是甲烷和氩气)。 半水煤气中甲烷含量，主要取决于燃料的挥发份高低，其次是炉温的高低。甲烷生成反应为：甲烷生成是一个体积缩小的放热反应，降低压力，提高温度，有利于抑制甲烷的生成。4.5 空气湿度 大气是干空气和水蒸汽的混合物，这种混合物称之为湿空气。湿空气中含水量多少，对造气工艺操作和消耗有一定的影响。在湿空气中，单位质量干空气所带有的水汽含量，称为湿含量或绝对湿度，简称湿度。在总压一定时，空气中水汽分压与同温度水的饱和蒸汽压之比，称相对湿度。相对湿度表示了空气的不饱和程度。空气的湿度一般在30%80%范围内，随地区、气温、季节、天气变化而不同。 例1：夏天气温30，查表知：空气的湿度为80%时，每Nm3湿空气中水汽含量为0.02432kg；假设吨氨吹风耗空气2300Nm3，则带入的水汽量为： 2300×0.02432÷183.11×103mol 蒸气在气化层与碳的反应式为： 那么带入的水汽吸收热量为： 3.11×103×131.3408.343×103KJ 标准煤低位发热值取29.19×103KJ/kg，则多消耗实物煤：408.3/29.19×84/72=16.32kg/t(NH3) 式中72为实际燃料固定碳； 84为标准煤固定碳。 当吹风效率为55%时，实际多消耗实物煤：16.32/0.55=29.67kg/t(NH3) 例2：冬天气温0，空气湿度取50%，查表知：湿空气中水蒸汽含量为0.0049kg/m3 2300Nm3×0.0049×50%=5.6 kg/t(NH3) 经估算，冬天0时空气湿度50%，带入的水蒸汽相当于夏天30(湿度80%)时的10%左右。日产300吨氨的装置，夏天气温高、空气湿度大，比冬天空气温度、湿度低时，一天多耗实物煤在5吨左右。5 煤气炉负荷(吹风百分比例的大小)与燃料煤、蒸汽消耗的关系 煤气炉负荷是指煤气炉的生产能力(Nm3/h或吨氨/台炉日)。由于炉型的不同，常以气化强度(即单位面积内的产量Nm3/m2h)来界定负荷的高低。在日常操作过程中，当吹风率一定的情况下，一般采用延长或缩短吹风时间的方式调节煤气炉负荷的大小。适当提高气化强度，增加单炉生产负荷，以减少煤气炉的运行台数，提高造气工段的总热量利用率，是煤气生产人员的努力方向。但是，选择单炉负荷过高，吹风时间过长，从理论分析和实践证明，均不利于原料煤和蒸汽量的降低。 设：空气鼓风机风量为24000Nm3/h； 循环时间为150s； 吨氨耗蒸汽2000kg； 吨氨消耗半水煤气3200Nm3； 吹风空气与半水煤气的体积比为0.65：1； 燃料层空隙率为0.3； 气化层温度平均1100，蒸汽的比重取0.25kg/m3； 2.62600型煤气炉； 23(24-1)，考虑到每小时需留有一个循环除渣和清理设备。 根据以上设定条件，将以下两种运行方案作一比较： 吹风 上吹 下吹 二次上吹 吹净方案(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 半水煤气耗蒸气为：2000kg/3200Nm3=0.625kg/Nm3 吹风空气量为：24000Nm3/3600s=6.67Nm3/s 空气需蒸气量为：0.625/0.65=0.962(kg/m3) 上吹+下吹+二次上吹共需加入蒸汽量为： 方案()37.5×6.66×0.962240.5(kg/循环) 方案(二)30×6.66×0.962=192(kg/循环) 产气量：方案（一）37.5×6.66÷0.65×23=8845Nm3/h 方案（二）30×6.66÷0.65×23=7076Nm3/h 制气阶段蒸汽流速的比较： 方案(一)每个循环制气时间为： 36+58.5+12=106.5秒 在制气时气化层蒸汽流速为： 240.5/(0.25×106.5)÷(1.32×3.14×0.3)5.66(m/s) 方案(二)每个循环制气时间为： 40+62+12=114秒 在制气时气化层蒸汽流速为： 192/(0.25×114)÷(1.32×3.14×0.3)4.23(m/s) 粗略计算得知：方案(一)优点是气化强度高，缺点是上下吹蒸汽在气化层流速快，意味着蒸汽分解率低，在平均温度一定的情况下，增加了蒸汽消耗，未分解的水蒸汽带走了气化层热量，致使气化层内热量的有效利用率降低，造成燃料煤和蒸汽消耗的增高。煤气炉吹风率一定，吹风时间长短炉温波动如图2： 说明：图2是选择循环时间为150s，吹风时间设置40s和30s的炉温波动对比示意。 综上所述，选择适宜的煤气炉运行负荷，是降低燃料煤和蒸汽消耗重要措施之一。实践表明，当鼓风机与其它气化条件匹配较为合理时，吹风百分比控制在20%左右较为经济。6 循环时间与两煤消耗的关系 所谓循环时间，是指个周期各个阶段时间的总和。煤气炉内的温度在个周期内的波动范围，随循环时间的长短有一定差异。为了便于比较，将180s和120s两种循环形式做对比，如示意图3：在煤气炉负荷一定的情况下，短循环可使炉温波动小，利于煤气炉的稳定，这是多年来提倡“三高短”操作法的理论依据之。但是，短循环只是个相对概念，选择循环时间过短，亦带来一些弊端，下面就120s和150s循环时间做简单分析： 近几年来，小氮肥装置的煤气炉炉体直径由1980mm逐步扩大到2260mm、2400mm、2600mm、2650mm、2800mm。为适应高径比的要求，炉体高度由4025mm逐步加高至4500mm5200mm，甚至更高。上行管道内径亦由500mm加粗至700mm900mm。下行管道由400mm加粗至600mm700mm，其它附属设备均相应加粗加大，这有利于降低系统阻力，提高气化强度，但也带来一定弊端，其一是炉顶死区，即炉上炭层表面至炉顶大盖间的空间，此段下吹制气时充斥着蒸汽。上行管道至上行阀门之间空间也是下吹蒸汽的存留部位(因下吹时炉顶压力高于上吹时炉顶压力)，转入二次上吹时会将这部分蒸汽赶入气体洗涤塔被冷凝浪费掉。炉底管道加粗后“死区”也相应增大，上吹阶段存留的蒸汽转入下吹时赶入气体洗涤塔，增加了气体洗涤塔热负荷和蒸汽浪费。其次，扩大后的下行管道至下行阀管道设备空间(下行集尘器)，增加了吹风和上吹加氮阶段空气的滞存量，若上吹加氮后的蒸汽吹净时间过短，或者上吹蒸汽管道入炉部位选择不合理而无法有效吹净炉下空间存留的空气，待转入下吹阶段时，将这部分空气赶入气柜，造成半水煤气中氧含量偏高，导致变换工段的有效成份损失和蒸汽消耗的上升。 当循环时间150s时，煤气炉每小时运行24个循环；循环时间120s时煤气炉每小时运行30个循环。120s与150s相比，一个小时多6个循环，即增加了6个循环上、下吹死区体积的蒸汽浪费和因煤气中氧含量增高部分的损失。另外，采用联合废热锅炉的系统流程，由于煤气总阀与吹风气回收阀(或烟囱阀)开关到位需一定时间(一般3s4s)，而煤气总阀外压力高于吹风气回收阀门处压力，因此，有效气体在开关过程中可倒流至吹风气回收系统或烟囱阀放空(浪费多少与阀门的开关速度及压力差异相关)，此又增多了六次气体浪费的机率。弊端之三，液压阀开关次数增多了六次，缩短了阀门使用寿命。同时因各阶段压力差异，在转换过程中，达到相应的工作压力需占用一定的时间，增加了煤气炉的空载时间。由此认为，循环时间短，虽然有炉温波动小的有利方面，但如上所述造成的浪费亦是不容忽视的。总之，煤气炉扩径加高、管道设备加粗后，不宜选择过短的循环时间。优质燃料循环时间选150s为宜，劣质原料可适当缩短。 总之，降低造气原料煤、蒸汽和电的消耗，影响因素多，涉及面广，在生产实践中，需通过以下途径加以应对。 (1)设计选择科学合理的工艺流程和设备。 (2)探索制定适合本企业特点的煤气炉运行工艺和气化条件。 (3)制定严格的入炉原料质量管理制度。 (4)采取有效措施，最大限度地减小吹风气带走的热量损失(潜热和显热)。 (5)控制适宜的灰渣层厚度，尽量提高灰渣结渣率和降低其含碳量。 (6)力求减小上行、下行气体带出物。 (7)选择适宜的炭层高度，努力降低上、下行煤气温度，减少热量损失，提高碳的有效利用率。 (8)选择合理的循环时间、气化层温度和入炉蒸汽量，以求获得较为经济的蒸汽分解率。 (9)提高半水煤气质量，降低吨氨半水煤气消耗量。 (10)采用新工艺、新设备，不断优化工艺条件和设备的技术改造，延长设备的使用周期。 (11)加强员工培训，不断提高煤气生产人员的业务素质。 (12)建立科学合理的煤气生产管理、考核机制，充分调动员工的积极性，确保煤气炉的安全稳定经济运行。