小设计

毕业小设计（小论文）任务书 课题 年产24万吨甲醇GE 水煤浆气化工段工艺设计 2013年12月9日至2014年1月10日 共5周 学院（系） 资源与环境工程学院 专业班级 热能101 姓 名 张维铭 系 主 任 鲁锡兰 教学科研组主任 王亦飞 指 导 老 师 王亦飞 二0一四年一月九日 课题自 选 来源 课题的目的 设计技能。 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、 意义 要要求完成年产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求 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 重量(%) C 64.85 H 4.36 N 1.41 S 2.10 O 3.38 灰分 8.61 共计 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、Global E-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，并能多装催化剂，同时可副产中压蒸汽，是大型化较理想的塔型，在60万吨以上大型装置应用较为广泛；固定管板由于列管需用特种的不锈钢，因而造价最高；多床内换热式合成塔由大型氨合成塔发展而来， 目前氨合成塔均采用三床(四床)内换热式合成塔。 2.4 甲醇的精馏

甲醇的精馏工艺，主要有ICI的两塔流程和Lurgi三塔流程两种。ICI两塔工艺虽然工艺流程简单、装置投资省，但是能耗相对较高；而Lurgi三塔精馏工艺

流程虽然相对较长，但操作能耗较ICI两塔工艺流程低。从投资和能耗等方面来综合考虑，对大、中型甲醇精馏装置，三塔精馏工艺优点更加明显。主要原因在于三塔型工艺流程设置有一个加压操作(压力为0.6-0.7MPa)的主精馏塔，加压塔塔顶甲醇蒸汽冷凝热可以用作常压精馏塔塔底再沸器热源，减少了水蒸汽和冷却水消耗，从而使得精馏过程总的能耗可比二塔流程低20％-30％。从清洁环保角度来讲，也应该采取三塔精馏工艺。目前在原来三塔精馏的基础上又增加了回收塔，这进一步提高回收常压精馏塔塔底排出的含有少量甲醇的废水的能力，提高了产品收率并减少废水污染物产生量。 3 甲醇工艺的选择

甲醇的生产现在已经大规模连续化，生产过程中要求合成气中(CO+H2)含量高，要求煤气化工艺更加成熟可靠，效率更高。结合产品的质量要求、环境友好以及不同工艺设备的技术特点，煤气化制甲醇工艺的选择应该依据以下原则： 1. 适应性，不同的煤气化技术适用于不同的煤种，应该根据所用的煤的质量、性质、品种等选择合适的煤气化工艺及后续工艺。

2. 可靠性，技术必须成熟可靠安全，在保证产品质量和生产能力的前提下，设备装置应能够连续稳定的运转。

3. 先进性，先进性体现在产品质量指标、设备水平和工艺水平等诸多方面，先进性决定项目的市场竞争力，应全面研究工艺技术的现状和发展趋势，结合投资收益来深入探讨是否可以采用更为先进的工艺技术。

4. 经济性，要求所采用的技术设备运行和维护成本低、投资少、能耗低。 5. 安全环保性，煤化工生产过程中容易产生大量煤粉、“三废”等污染物，应选用安全环保的工艺进行安全、清洁生产。[5] 4 德士古气化技术

德士古水煤浆加压气化技术是美国德士古公司20世纪80年代初开发的煤气化技术，它是将一定粒度的煤粒及少量添加剂与水在磨机中磨成可以用泵输送的非牛顿流体后，与氧气或富氧在加压及高温状态下发生不完全燃烧反应制得高温合成气，高温合成气经辐射锅炉及对流锅炉间接换热回收热量(废锅流程)，或直接在水中冷却(激冷流程)后，通过洗气除尘和进一步降温成为后续工段的原料气。废锅流程的气体经进一步冷却、除尘后，通过燃气轮机与其副产物——高压蒸汽实现煤气化联合发电(IGCC)；激冷流程的气体用于制造碳一化学品和合成氨。德士古水煤浆气化工艺以水煤浆形式加料，简化了干粉煤给料及加压煤仓加料的问题，取消了气化前的干燥，节约能量。同时，气化采用1300-1500℃的高温，气化压力达6.5MPa，气化效率高，煤转化效率高(达98%以上)，无焦油等污染物，是一种工艺先进、可靠的气化工艺。国内目前运行中的德士古气化装置有山东兖矿集团鲁南化肥厂、上海焦化厂三联供、淮南化工集团、陕西渭河化肥

厂甲醇项目、山东兖矿集团国泰化工等一系列装置。 4.1 德士古水煤浆气化制甲醇工艺流程

由空分系统提供的纯氧进入德士古气化炉后，与水煤浆发生不完全氧化反应，生成含CO、H2、CO2、H2S、CH4等成分的水煤气；水煤气经变换、NHD脱硫、NHD脱碳、精脱硫，使水煤气中总硫含量不大于0.1×10-6；再经甲醇联合压缩机加压至5.15MPa后送到甲醇合成塔，在铜系催化剂的作用下，生成粗甲醇；粗甲醇经精馏系统去除轻组分和水，最终生产出符合标准的精甲醇产品。

[6]

德士古煤气化技术制甲醇工艺流程图

4.1.1 制浆系统

煤和水在常规的煤浆磨中被制成浓度通常是60%-68%的水煤浆，对于一些灰熔点较高的煤或者制浆困难的煤，经常在煤浆制浆同时加入石灰石助熔剂或者煤浆添加剂，使得煤的灰熔点降低或者使煤浆均匀性提高。在煤浆磨机的出口有一个筒形的筛子，合格的煤浆流人煤浆储罐中，不合格的煤浆溢流到循环槽中被送回煤浆磨机入口在煤浆储罐中设有一个搅拌器，并根据检测结果加入一定量的水，使储罐中的煤浆始终保持在一定浓度下的均匀状态。气化炉所需的煤浆量一般由2级隔膜泵从煤浆储罐中抽取并加压送入气化炉喷嘴，在气化炉入口的煤浆输送管上设有2级流量检测器，严格控制煤浆的流量，煤浆流量的调节全靠隔膜泵来控制。

4.1.2 气化炉和煤气冷却系统

水煤浆和95%纯度的氧气被同时送入气化炉喷嘴，在气化炉内进行气化反应，反应区的温度一般在1200-1500℃ ，气化炉的压力根据不同行业的需要可以是2.5-8.5MPa。在气化炉内进行的反应相当复杂，一般认为气化分三步进行：

1. 煤的裂解和挥发份的燃烧

水煤浆和氧气进入高温气化炉后，水份迅速蒸发为水蒸汽。煤粉发生热裂解并释放出挥发份。裂解产物及挥发份在高温、高氧浓度下迅速完全燃烧，同时煤粉变成煤焦，放出大量的反应热。因此，在合成气中不含有焦油、酚类和高分子烃类。这个过程进行的相当短促。

2. 燃烧及气化反应

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