6万吨合成氨造气工段工艺设计——毕业设计

6万吨合成氨造气工段工艺设计——毕业设计
6万吨合成氨造气工段工艺设计
摘要
摘要：本设计6万吨/年合成氨造气工段工艺设计采用块煤送入造气炉制气，该工艺技术成熟，结合湖北宜化丰富的生产和管理经验，在同行业中具有热量回收充分、消耗低、低成本等优势。

根据已知参数，利用所学知识对合成氨的工艺流程进行设计，工艺计算，并对设备进行了选型。

关键词：造气炉；已知参数；工艺衡算；设备计算
目录
摘要 (2)
1．前言 (4)
2.物料及热量衡算 (7)
2.1.被损耗燃料各组分量的计算 (9)
2.2.炉渣生成量的计算 (9)
2.3.计算带出物及炉渣中各组分的总重量 10
2.4.燃烧气化后进入煤气中各元素的量 (11)
3.空气吹分阶段的计算 (12)
3.1.物料衡算 (12)
3.2.热量衡算 (13)
4.蒸汽吹送阶段的计算 (16)
4.1.物料衡算 (16)
4.2热平衡计算 (19)
5总过程计算 (23)
5.1燃料使用分配 (23)
5.2吹风气产量 (23)
5.3物料平衡 (23)
5.4 热量平衡 (26)
5.5 配气计算 (27)
5.6 消耗定额（以吨氨为基准） (28)
6主要设备工艺计算 (31)
6.1空气鼓风机的计算 (31)
6.2煤气发生炉的计算 (33)
6.3废热锅炉的计算 (34)
6.4洗气塔 (37)
7结论 (42)
参考文献 (43)
致谢 (44)
1．前言
氨是一种重要的化工产品，主要用于化学肥料的生产。

合成氨生产经过多年的发展，现已发展成为一种成熟的化工生产工艺。

本次设计采用间歇式固体煤气发生炉造气，余热回收，具有环保、节能的优势。

现对造气工段主要工艺做一下简介。

1.固定层煤气发生炉制造的煤气根据气化剂不同, 工业煤气一般分以下四种:
空气煤气: 以空气为气化剂制取的煤气,合成氨生产中也称吹风气.
水煤气: 以水蒸汽为气化剂制取的煤气.
混合煤气: 以空气和适量的水蒸汽为气化剂制取的煤气.
半水煤气: 组成符合(氢气+氧化碳)与氮气体积比为3.1---3.2的混合煤气,
即合成氨原料气
2.煤气发生炉自上而下分为干燥层,干馏层,还原层,氧化层,灰渣层.
干燥层: 一般不产生气化反应,此区内的燃料因刚加入炉内,故温度低,主
要是通过吹风时的吹风气,上吹时的煤气,以及下吹时的过热蒸汽,通过此区域
时,将此区域的水蒸发掉,起干燥预热的作用.
干馏层: 此区燃料受到热气体连续加热并分解放出低分子烃,在热分解时
析出水份,醋酸,硫化氢,甲烷等,气化剂通过此区域时一般不发生反应.
还原层: 此区域是气化层发生气化反应的主要区域之一,由氧化层来的CO
2
还原生成CO及水蒸汽分解为氢气,燃料依靠与热的气体换热被再次预热,此区域
的化学反应是:
CO
2
+C=2CO
H
2O+C=CO+H
2
2H
2O+C=CO
2
+2H
2
CO+H
2O=CO
2
+H
2
氧化层: 在煤气炉的整个燃料中此区域的温度最高,燃料中的C与空气中的
O 2产生反应,其反应C+O
2
+3.76N
2
=CO
2
+3.76N
2
2C+O
2
+3.76N
2
=2CO+3.76N
2
氧化
层与还原层总称为气化层.
灰渣层: 燃料经过气化后,剩余物质称为灰渣,灰渣与炉体最下部分称为灰渣层,在生产中起到预热气化剂,保护炉篦和承受燃料层骨架的作用.
3.间歇式制气通常分为五个阶段进行:
吹风阶段: 空气从炉底吹入,进行气化反应,提高燃料层的温度.
上吹制气阶段:蒸汽和加氮空气从炉底送入,经气化反应生成煤气送入气柜.
下吹制气阶段: 水蒸气自上而下通过燃料层生成的煤气也送入气柜，其目的是吸收炉内热量可降低炉顶温度,使气化层恢复到正常位置,同时使炭层温度增高,有利于燃尽残碳.
二次上吹制气阶段: 蒸气由炉底入炉将炉底下部管道中的煤气排净,为吹风做准备俗称安全上吹.
吹净回收阶段: 二次上吹后炉上部分空间出气管道及有关设备都充满煤气,如吹入空气立即放空或送三气将造成浪费,因此转入吹风之前,从炉底部吹入空气,与产生的空气煤气与原来残留的水煤气一并送入气柜加以回收。

造气炉图示
4.本次工艺设计计算的根据说明
(1).原料采用无烟块煤。

（2）.基本数据主要是参照湖北宜化以及煤炭科学研究所的实测结果，并作了相应的适当调整。

加氮方法是采用上吹加氮，即开始上吹的同时，吹风暂不关闭，继续由空气管路向炉内送空气，一并回收到系统中去。

加氮时间可根据半水煤气成份要求随时调整。

显然，这种方法不如上、下吹全过程均匀加氮的效果好，但简单方便，亦可以满足生产需要。

为简化计算，按照蒸汽吹送阶段均匀加氮来进行计算。

2.物料及热量衡算
计算基准：以100kg块状无烟煤为原料。

本设计中块煤来源于山西，根据鄂尔多斯联合化工有限公司造气工艺指标分析
参数以及相关调整制定已知条件如下：
表2-1燃料组成及热值
序号成份 C H O N S A1 W 合计
1 重量（%）湿78.0
1
1.44 0.45 0.76 0.48
13.7
6
5.1 100
2 重量（%）干82.2 1.52 0.47
4
0.8
0.50
6
14.5 —100
燃料热值：28164.6KJ/kg
其中：A
1
为灰份
W为水份
表2-2吹风气组成
成份H
2CO CO
2
N
2
CH
4
O
2
合计H
2
S
体积（%） 2.90 5.45 16.9
6
73.5
7
0.50
6
0.40 100
0.8281g/m
3
(标
)
表2-3水煤气组成
成份H
2CO CO
2
N
2
CH
4
O
2
合计H
2
S
体积（%）41.5
31.7
5
7.80
17.8
2
0.78 0.35 100 1.353g/m
3
(标)
表2-4炉渣组成
成份 C S A 合计
重量% 14.8 0.2 85 100
表2-5 各种物料进炉的温度
名称温度
空气30℃
吹风气450℃
上行煤气400℃
下行煤气250℃
炉渣250℃
蒸汽压力（0.10MPa）220℃查过热蒸汽过热焓値表得焓値：=2914.01KJ/kg
表2-6生产循环时间
序号操作名
称
吹风上吹下吹
二次上
吹
空气吹
净
合计
1 % 20 31 40 6 3 100
2 时间 ,S 30 46.5 60 9 4.5 150
2.1.被损耗燃料各组分量的计算
燃烧在炉中被带出的损失量按照4kg计算，其为干燃料，根据表1-1燃料组成及热值计算求得。

其中被损耗燃料中各组分之重量为：
表2-7被损耗燃料中各组分之重量
序号元素组成，重量% 各组分重量，kg
1 C 82.
2 4×0.822=3.288
2 H 1.52 4×0.0152=0.0608
3 O 0.47
4 4×0.0474=0.019
4 N 0.8 4×0.08=0.032
5 S 0.50
6 4×0.0506=0.0202
6 A
2
14.5 4×0.145=0.58
合计100 4
2.2.炉渣生成量的计算
按照标准100kg燃料计算
12313.760.58
15.50590.85
A A L kg A --=
==
其中12313.760.58
15.50590.85
A A L kg A --=
== 1A 为100kg 块状无烟煤中灰份量（湿基）。

2A 为燃烧在炉中被带出的损失量按照4kg 计算时灰份量。

3A 为炉渣组成中灰份量。

由此可以炉渣中各组分的生成量为： C: 15.50490.148 2.2949c L kg =⨯= S: 15.50490.0020.00310s L kg =⨯= A: 15.50490.8513.18A L kg =⨯= 由此可得：A C S L L L L =++
2.29490.00311
3.1815.5059A C S L L L L kg =++=++=
2.3.计算带出物及炉渣中各组分的总重量
根据表1-7被损耗燃料中各组分之重量计算和上式炉渣生成量的计算求带出物
及炉渣中各组分的总重量。

C: 3.288 2.2949 5.5829C kg =+= H: 0.0608H kg = O: 0.019O kg = N: 0.032N kg =
S: 0.02020.03100.0512S kg =+= A: 0.5813.1813.76A kg =+= 总计：19.5059kg
2.4.燃烧气化后进入煤气中各元素的量
根据上式计算的带出物及炉渣中各组分的总重量和式2-1求得：C:78.01 5.582972.4271
C kg
=-=
H:
2
1.44 5.100.0608 1.9459
18
H kg
=+⨯-=
O:
16
0.045 5.100.019 4.9643
18
O kg =+⨯-=
N:0.760.0320.728 N kg =-=
S:0.480.05120.4288 S kg
=-=
总计：80.4941kg
计算误差：
100(19.505980.4941)
0%
100
-+
==
3.空气吹分阶段的计算
3.1.物料衡算
3.1.1.每标准吹风气中各元素的含量计算
C: 12
(0.05450.16960.0072)0.123922.4C kg =++=
H: 22
(0.0290.00722)0.00082810.0039222.434H kg
=⨯+⨯⨯⨯=
O: 32
(0.0040.16960.50.0545)0.286922.4O kg =++⨯=
N: 28
0.73570.919622.4
N kg =⨯=
S:
32
0.00082180.00079434
S kg =⨯=
3.1.2.由碳平衡计算吹风气产量 372.427158
4.56090.1239
m ==（标准） 3.1.3.由氮平衡计算空气用量 3584.56090.91960.728543.6328
0.7922.4
m ⨯-==⨯
（标准）
计算由空气带入水汽量
空气 （相对湿度：80%） 30℃
由物化手册查得空气中水汽含量为：0.0213kg(水汽)/kg （干气） 空气带入水汽量为：
543.63 1.2930.021314.9720kg
=⨯⨯=
3.1.
4.氮的平衡
进：燃料带入氢1.9459kg （2.4计算已得）
空气中水汽带入氢 2
14.972 1.663518
kg
=⨯=
合计
： 1.9459 1.6635 3.6094kg =+=
出：吹风气中的氢
584.56090.00392 2.2916kg =⨯=
吹风气中水汽含氢
3.6094 2.2915 1.3179kg =-=
合计为： 2.2915 1.3179 3.6094kg
=+=
吹风气中水汽含量
18
1.317911.96112
kg ⨯=
故可得每标准吹风气中水汽含量为： 11.8611
0.0203584.5609
kg =
3.1.5.氧的平衡
进：燃料带入氧4.9643kg （2.4计算已得）
空气中带入氧 32
543.630.21163.09922.4kg
=⨯⨯=
空气中水汽带入氧 16
14.97213.308418
kg
=⨯=
合计
： 4.9643163.08913.3084181.3617kg =++=
出：吹风气中的氧:584.56090.2869167.711kg =⨯= 吹风气中水汽含氧
16
11.861110.543218
kg =⨯=
合计为： 167.71110.5432178.2542kg =+=
误差：181.3617178.2542
100% 1.71%181.3617
-=
⨯=
1.1.
2. 硫的平衡
进：燃料带入硫0.4288kg （2.4计算已得）
出：吹风气中带入硫 0.0007794584.56090.4559kg ⨯=
3.2.热量衡算
3.2.1进项
燃料发热量：10028164.62816460KJ ⨯= 燃料显热：10030 1.04673140.1KJ ⨯⨯=
式中1.0467为燃料的比热容：/()o KJ kg C ⋅ 根据燃料情况估算。

干空气焓543.6330 1.297921107.32KJ ⨯⨯=
式中1.2979为空气的比热容，/()o KJ kg C ⋅查化工原理得。

空气中水汽焓：14.9722555.622738262.783KJ ⨯= 式中2555.6227为30℃时的干饱和蒸汽的焓 合计2879030KJ 3.2.2出项
吹风气发热量：584.56091346.4081787057.53KJ ⨯=
有表2-2吹风气组成查得各组分气体之高热值，计算单位吹风气发热量 单位吹风气发热量:
2412769.7412644.14255539858.34H CO CH =⋅+⋅⋅+⋅
312769.740.02912644.140.054539858.340.00721346.408/KJ m =⨯+⨯+⨯=(表)
干吹风气的焓：584.5609 1.4455450380242.25KJ ⨯⨯=
其中：1.4455为吹风气的平均热值，
3/()o
KJ m c ⋅标准。

由<<物化手册>>附录1-5-9-17查得各组分气体的平均比热容。

干吹风气平均比热容
(0.02929.22390.054529.97750.169644.589410.00431.06610.735729.73050.007246.8922)22.4cp =⨯+⨯+⨯+
⨯+⨯+⨯⨯
301
32.3789 1.4455/()22.4
cp kg m c =⨯
=⋅ 吹风气中水汽焓：
11.86113384.190440140.221kJ ⨯= 式中3384.1904—450℃时的过热蒸汽的焓/KJ kg （物理化学手册）。

飞灰发热量（干燃料发热量）
1
28184.629699.26/10.51
29698.2624118797.05KJ kg
KJ ⨯=-⨯= 飞灰显热：
4504 1.04671884.06⨯⨯=
式中1.0467—燃料的比热容0/()KJ kg c ⋅ 炉渣中可燃物的发热量
33913 2.2949104670.03178151.421KJ ⨯+⨯= 式中33913、10467分别为碳和硫的发热值/KJ kg 炉渣的显热：
15.50592500.96303733KJ ⨯⨯=
式中0.9630—煤渣的比热容0/()KJ kg c ⋅ 散失热（取燃烧发热量的6%） 28164600.06168987.6KJ ⨯= 合计1578993.1KJ
3.2.3积聚在炭层中的热量
2879030.21678993.11300037.1KJ -= 3.2.4吹风效率
1300037.1
⨯=
100%46.6%
2816460
表3-1空气吹分阶段的热量平衡表
进项， KJ 出项， KJ
1.燃料发热量 2816460 1.吹风气发热量 787057.53
2.燃料显热 3140.1 2.干吹风气的焓 380242.25
3.干空气焓 21107.32 3.吹风气中水汽焓 40140.25
4.空气中水汽焓 38262.783 4.飞灰发热量 118797.05
5.飞灰显热 1884.06
6.炉渣中可燃物的发热量 78151.42
7.炉渣的显热 3733
8.散失热 168987.6
9.积聚在炭层中的热量 1300037.1
合计 2879030.2
4.蒸汽吹送阶段的计算
4.1.物料衡算
4.1.1每标准米3煤气中所含元素量
C: 12
(0.31750.0780.0078)0.21622.4C kg =++=
H: 22
(0.4150.00782)0.0013530.038522.434H kg =⨯+⨯+⨯=
O: 32
(0.31750.50.0780.0035)0.343222.4O kg =⨯++=
N: 28
0.17820.222822.4
N kg =⨯=
S: 32
0.0013530.00127334
S kg =⨯=
4.1.2由碳平衡计算实际水煤气产量 372.427133
5.3110.216
m ==（标准） 4.1.3由氮平衡计算空气用量 3335.3110.22280.72874.91628
0.7922.4
m ⨯-==⨯
（标准）
4.1.4空气带入水汽量为：
74.916 1.2930.0213 2.0633kg =⨯⨯=
4.1.5氢平衡
设定已知和假设条件
上行煤气量3
xm （标准）
上行煤气含水量3
0.26/kg m （标准）干
上下吹蒸汽量相等各为Wkg
下行煤气量3
335.311xm -（标准）
下行煤气含水量3
0.51/kg m （标准）干
为计算方便起见，上下吹时气体成分假设相同，上吹、下吹加N 作为均匀加入计算。

上行阶段 进项
燃料带入氢 1.94590.005803335.311x
xkg ⨯
=
蒸汽带入氢 2189
W
W kg ⨯=
空气中水汽带入氢
22.06330.000683718335.311x
xkg ⨯⨯=
合计：0.006499
W
xkg +
出项: 煤气中氢 0.0385xkg 煤气中水汽含氢
2
0.260.0288918
x xkg ⨯=
合计：0.03850.028890.02889x x xkg += 平衡：
0.006490.067399
W
x xkg += 0.06099
W
x = 0.5481W xkg =
下行阶段
进项：燃料带入氢
1.9459(1) 1.94590.005803335.311
x
xkg ⨯-=-
蒸汽带入氢
2189W W kg
⨯= 空气中水汽带入氢
2
2.06330.000683718
xkg ⨯-
出项：煤气中含氢
煤气中水汽含氢量
2
(0.51)(335.311)19.0010.0566718x xkg ⨯-=-
合计：31.6760.09447xkg - 平衡：31.6760.09447 2.17520.0064879
W
x kg -=
+- 29.50080.087989
W
xkg =-
265.50720.792W kg =-
解方程（1）（2）
0.5481265.50720.792x xkg =-
1.3401265.5072x =
3198.1248x m =（标准） 108.59W kg =
由此得：
上行煤气产量：3198.1249W m =（标） 上行煤气产量占总量的百分数 198.1249
100%59.1%335.311
⨯=
下行煤气产量：
3335.311198.1249137.186m -=（标）
下行煤气产量占总产量的百分数 137.188
100%40.9%335.311
⨯=
上行煤气中水汽含量:0.26198.124951.5125kg ⨯= 下行煤气中水汽含量:0.51137.18689.9649kg ⨯= 煤气中总水汽量:51.512569.9649121.4774kg += 上吹蒸汽量：108.5923kg 下吹蒸汽量：108.5923kg
蒸汽总耗量：108.5923108.5923217.1846kg += 上吹蒸汽分解率： 108.592351.5125
100%52.56%108.5923
-⨯=
下吹蒸汽分解率： 108.592369.9649
100%35.57%108.5923-⨯=
平均蒸汽分解率 217.1846121.4774
100%44.07%108.5923-⨯=
4.1.6氧平衡
进项：
燃料带入氧 4.9643kg
蒸汽带入氧
32
74.916193.05322.4
kg ⨯=
空气带入氧
空气中水汽带入氧
16
2.0633 1.83418
kg ⨯=
合计：4.9643193.05322.4748 1.834222.3261kg +++= 出项： 煤气中氧
335.3110.342115.0787kg ⨯=
煤气中水汽含氧
16
121.4774107.979918
kg ⨯=
合计：115.0787107.9799223.0586kg +=
误差：
223.0586222.3261
100%0.33%223.0586
-⨯=
4.1.7硫平衡
煤料带入硫 0.4288kg 合计 0.4288kg
煤气中硫 0.001273335.3110.4269kg ⨯= 4.2热平衡计算
4.2.1进项
燃料发热量 10028164.62816460kJ ⨯= 燃料显热 10030 1.04673140.1kJ ⨯⨯=
蒸汽焓 217.18462914.0128632878.7kJ ⨯= 干空气焓 74.91630 1.29792917.0043kJ ⨯⨯=
其中：1.2979为由《物化手册》附录1-5-10查得， 3
/KJ m （标准）。

3274.9160.2122.474822.4
kg
⨯⨯=
空气中水汽焓
2.06332555.6227527
3.0163kJ ⨯= 合计3400668.8kJ =
4.2.2出项 水煤气发热量
335.3119624.85173227318.6kJ ⨯=
式中9624.8517为水煤气热值，由下式得： 单位煤气发热量
2412769.7412644.14255539858.34H CO CH =⋅+⋅⋅+⋅
12769.740.41512644.140.317539858.340.00789624.8517KJ =⨯+⨯+⨯= 上下行干煤气焓 上行煤气焓
198.1249 1.3739400108878.42⨯⨯=
式中1.3739—上行煤气的平均比热容30/()KJ m c ⋅
2224(%29.2239%29.9356%43.542730.8986%1
%29.2239%45.3430)22.4
cp H CO CO O N CH =⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯⨯
(0.41529.22390.317529.93560.07843.542730.89860.00351
0.178229.64250.007845.3430)22.4=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯⨯
301.379/()KJ m c =⋅（标）
下行煤气焓
137.186 1.353425046416.883kJ ⨯⨯=
式中1.3534—下行煤气的平均比热容30/()KJ m c ⋅ 由《物化手册》附录查得各气体在0-250℃的平均比热容
2224(%29.0232%29.3568%41.074530.0657%1
%29.2738%40.866)22.4
cp H CO CO O N CH =⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯⨯
(0.41529.02320.317529.35680.07841.074530.06570.00351
0.178229.27380.007840.866)22.4cp =⨯+⨯+⨯+⨯+
⨯+⨯⨯
301.3534/()cp kJ m c =⋅
上下行干气焓：108878.4248416.88155295.30kJ += 4.2.3煤气中水汽焓
上行：51.51253276.5897168785.33kJ ⨯=
下行：69.96492973.4654208038.2kJ ⨯=
式中3384.1904,2973.4654分别为400℃—250℃时的过热蒸汽的焓/KJ kg 上下行煤气总水汽焓：
168785.33208038.21376823.54kJ += 4.2.4飞灰可燃物的发热量 429677.773118711.11kJ ⨯= 飞灰燃料的显热
4450 1.04671884.06kJ ⨯⨯= 炉渣中可燃物的发热量
3391.03 2.2949104670.03178151.60kJ ⨯+⨯= 炉渣显热：
15.50502500.96303733.045kJ ⨯⨯= 散失热量（取燃烧发热量的5.256%） 28164800.0526148258.4544kJ ⨯= 合计：4710175.72kJ
4.2.5需从碳层中吸取的热量
4110175.723460668.8649506.9204kJ -= 4.2.6制气效率
3460668.8
100%84.4%2816460632878.7649506.9204
⨯=++
表4-1空气吹分阶段的热量平衡表
进项， KJ 出项， KJ
1.燃料发热量 2816460 1.煤气发热量 3227318.6
2.燃料显热 3140.1 2.干煤气的焓 155295.3
3.干空气焓 2917.00 3.煤气中水汽焓 376823.54
4.空气中水汽焓 5273.02 4.飞灰可燃物的发热量 118711.11
5.蒸汽焓 632878.7 5.飞灰燃料的显热 1884.06 合计 3460668.8
6.炉渣中可燃物的发热量 78151.60 从碳层中吸收热量 649506.9204
7.炉渣的显热 3733.05
8.散失热量 148258.4544 合计 4110175.72 合计 2879030.2
5总过程计算
5.1燃料使用分配
每100kg 燃料中用于制半水煤气为xkg 根据热平衡得：
652517.46(100)1317994.5x x =-⨯
得66.89x kg =
每100kg 燃料用于制取水煤气为66.89kg 每100kg 燃料用于制取吹风气为33.11kg 5.2吹风气产量
3584.56090.3311193.55m ⨯=（标）
吹风耗空气量
3543.630.3311180m ⨯=（标）
水煤气产量
3335.3110.6689224.29m ⨯=（标）
加氮空气耗量
374.9160.668950.11m ⨯=（标）
蒸汽耗量
215.7020.6689144.28kg ⨯=（标）
总过程效率
224.299572.1
100%66.33%281640144.282914.01⨯⨯=+⨯
5.3物料平衡 碳平衡 进项:
燃料含碳：72.427kg 合计： 72.427kg 出项：
水煤气含碳：224.290.21648.4466kg ⨯= 吹风气中含碳： 193.550.123923.9809kg ⨯= 合计：72.4275kg 氢平衡 进项：
燃料中氢 1.9459kg 空气中水汽带入氢
2
180.5 1.2930.02130.550818
kg ⨯⨯⨯= 加氮空气中水汽带入氢
2
50.11 1.2930.02130.153318
kg ⨯⨯⨯=
蒸汽带入氢
2
144.2816.03118
kg ⨯=
合计：16.6811kg 出项：
水煤气中含氢 224.290.037858.6353kg ⨯=
水煤气中水汽带入氢
121.47742
224.299.0285335.31118
kg ⨯⨯=
吹风气中含氢
224.290.003920.8792kg ⨯=
吹风气中水汽含氢
2
193.550.02030.436618
kg ⨯⨯=
合计18.9796kg 氧平衡 进项：
燃料中氧 4.9643kg 空气中水汽带入氧
32
180.50.215422.4kg ⨯⨯=
加氮空气中水汽带入氧
32
50.110.2115.03322.4
kg ⨯⨯
=
蒸汽带入氧
16
144.28128.248918
kg ⨯
= 合计：207.8794kg 出项： 水煤气中含氧
224.290.343276.98kg ⨯=
水煤气中水汽带入氧121.477416
224.2972.2279335.31118
kg ⨯
⨯=
吹风气中含氧193.550.286955.5295kg ⨯= 吹风气中水汽含氧
16
193.550.0203 3.492518
kg ⨯⨯=
合计208.2299kg
误差：
208.2299207.8794
100%0.17%208.2299
-⨯= 氮平衡 进项：
燃料中氮 0.728kg 空气中水汽带入氮
28
180.50.79177.7522.4
kg ⨯⨯=
加氮空气中水汽带入氮
28
50.110.7949.4822.4
kg ⨯⨯=
合计：227.96kg 出项：
水煤气中含氮
224.290.222849.9718kg ⨯=
吹风气中含氮
193.550.9196177.99kg ⨯=
合计227.96kg 硫平衡 进项：
燃料中硫含量 0.4288kg 合计0.4288kg
出项：
吹风气中硫含量
⨯=
0.000779193.550.1508kg
水煤气中硫含量
⨯=
0.001273193.550.2855kg
合计：0.4355kg
5.4 热量平衡
进项
燃料发热量2816460kJ
燃料显热3140.1kJ
干空气焓180.0 1.2979307008.66kg
⨯⨯=
空气中水汽焓180.0 1.2930.02132555.622712669.147kg
⨯⨯⨯=
⨯⨯=
加氮干空气焓50.11 1.293301951.1331kJ
⨯⨯⨯=
加氮空气中水汽焓50.11 1.2930.02132555.62273526.9497kJ
⨯=
蒸汽焓144.282914.0128420433.77kJ
3265189.8kJ
合计：
出项
吹风气发热量
⨯=
193.551346.4081260597.2878kJ
干吹风气焓
⨯⨯=
193.55 1.4455450125899.44kJ
吹风气中水汽焓
⨯⨯=
193.550.02033384.190413296.704kJ
水煤气发热量
⨯=
224.299624.85172158757.988kJ
干水煤气焓
+=
72847.1431038.405103885.55kJ
其中，上行
224.290.5911.373940072847.14kJ
⨯⨯⨯=
⨯⨯⨯=
下行224.290.409 1.353425031038.405kJ
水煤气中水汽焓
+=
113041.14139112.54252153.68kJ
⨯⨯⨯=
其中：上行224.290.5940.263279.9391113041.14kJ
⨯⨯⨯=
其中：下行224.290.4090.512973.4654139112.54kJ
飞灰可燃物发热量118711.11kJ 飞灰燃料的显热量
40.33111.046745040.6689 1.04674001744.0325kJ ⨯⨯⨯+⨯⨯⨯=
炉渣中可燃物的发热量 78151.6kJ
炉渣的显热量 3733.045kJ 散失热量 148258.4644kJ
表5-1热量平衡表
进项 ， KJ 出项 ， KJ 1.燃料发热量 2816460 1.吹风气发热量 260597.2878 2.燃料显热 3140.1 2.干吹风气的热焓 125899.44 3.干空气热焓 7008.66
3.吹风气中水汽焓 13296.704
4.空气中水汽焓
12669.147
4.水煤气发热量 2158757.988
5.加氮干空气焓
1951.1331
5.干水煤气热焓 103885.55
6.加氮空气中水汽焓
3526.9497
6.水煤气中水汽焓 252153.68
7.蒸汽热焓 420433.77 7.飞灰可燃物发热量 118711.11 8.飞灰燃料的显热量 1744.0325 9.炉渣中可燃物的发热量 78151.60 10.炉渣的显热量 3733.05 11.散失量 148258.4544
12.计算误差 -0.9 合计 3265189.8 合计 3265188.99
5.5 配气计算 配气量计算 半水煤气中
2(): 3.2:1Co H N +=
吹风气中有效成份
2 5.46 2.98.35Co H +=+= 273.57N =
水煤气中有效成份
2231.7541.573.2517.82
Co H N +=+==
设单位水煤气中配入吹风气量为3xm （标）
8.3573.25 3.2(17.8273.57)
0.0715
x x x +=+=
100kg 燃料制气时水煤气产量224.293m 需要配入的吹风气量为：
3224.290.071516.04m ⨯=（标）
100kg 燃料可制取半水煤气为：3224.2916.04240.33m +=（标）
20.4150.0290.0715
100%38.92%10.0715
H +⨯=
⨯=+
0.31750.05450.0715100%30%10.0715
CO +⨯=⨯=+
20.0780.16960.0715100%8.14%10.0715
CO +⨯=⨯=+
20.00350.0040.0715100%0.35%10.0715
O +⨯=⨯=+
20.17820.73570.0715100%21.54%10.0715
N +⨯=⨯=+
40.00780.00720.0715100%0.78%10.0715CH +⨯=⨯=+
5.6 消耗定额（以吨氨为基准） 半水煤气吨氨耗为3
3350m
吨氨原料煤消耗
3350
1001393.92240.33
kg ⨯=
折合含碳量为84%的标准燃料煤 78.01
1393.921294.5284
kg ⨯=
空气消耗量3
1393.92(18050.11)3207.55100
m ⨯+=（标准） 蒸汽消耗量1393.2144.282011.15100
kg ⨯= 吹净时间核算
配入水煤气中的吹风气为3
16.04m
，占吹风气总量的百分数
为：
16.04
100%8.29%193.55
⨯=
吹净时风量的65%左右，根据循环时间计算，吹净气量占吹风气总量百分数： 0.653
100%8.88%
200.663
⨯⨯=+⨯
二者接近，吹风回收气量即为配入水煤气中的吹风气量，故已定循环时间百分比基本适应。

煤气炉指标（各气体的瞬时流量）
合成氨能力为6万吨/年，采用块煤，吨氨需要半水煤气量为3350Nm3，小时半水煤气量为3350 Nm3/h ×6＝20100Nm3/h 。

根据湖北宜化生产的φ2.8m 煤气发生炉实际情况，单台煤气发生炉产气量为：5500 Nm3/h
需要φ2.8m 煤气发生炉台数：20100÷5500＝3.65 即4台 采用5台煤气发生炉，预留1台作为备用。

表2-6生产循环时间
序号 操作名称 吹风 上吹 下吹
二次上
吹 空气吹净 合计 1 % 20 31 40 6 3 100 2
时间 ,S
30
46.5
60 9
4.5
150
根据表2-6生产循环时间
每100kg 块煤的生产指标为： 生产量：
加氮水煤气 3
224.29m （标）
半水煤气 3
240.33m （标）
吹风气 318016.04163.96
m -=
消耗量：
吹风空气（包括吹净）3
180m
蒸汽量 144.28kg
每个循环平均产半水煤气量 3
5000 2.5
208.3360
m ⨯=
吹风空气流量
吹净时风量为吹风时风量的65%左右 3208.333600
18017060.55/240.3330 4.50.65
m h ⨯⨯=+⨯
加氮空气流量
3208.333600
50.113362.93/240.3346.5
m h ⨯⨯=
蒸汽流量
上吹蒸汽流量（包括二次上吹） 208.333600
144.280.54056.295/240.3346.59kg h ⨯⨯⨯=+ 下吹蒸汽流量
208.333600144.280.53362.93/240.3360
kg h ⨯⨯⨯=
吹风气流量
3208.333600
193.5520133.45/240.3330
m h ⨯⨯=（标）
上行煤气流量
3208.333600
224.290.5947491.171/240.3346.59
m h ⨯⨯⨯=+
下行煤气流量
3208.333600
224.290.4094771.207/240.3360
m h ⨯⨯⨯=
关于上面的计算有以下几点需要说明：
① 以上计算流量未考虑设备工况不稳定时会有泄露。

② 煤气产量在加煤后各循环中并不相同，以上指标是平均值。

③ 假定上吹阶段为均匀加氮过程。

6主要设备工艺计算
6.1空气鼓风机的计算
6.1.1干空气用量：以一台炉上吹加氮计。

由5.6可得：
317060.553362.9320423.48/m h
=+=（干）
6.1.2 空气含水量
320423.48
2926441.11/22.4m h =
⨯=（干）
则含水量为：326441.110.02122.4
690.99/18
m h ⨯⨯=
=（标准）
式中0.019由下图根据已知参数在温度30℃，相对湿度80%，查得湿度约为0.021
图6-1空气-水系统的湿度-温度图（100KPa ）
6.1.3 湿空气用量
320423.48690.9921114.47/m h
=+=（标准）
当海拔高度低于3000米以下时，海拔高度每升高12米，大气压降低133pa ，根据已知海拔高度选择400米及下降4433pa ，
327330101.33
26441.1130689.39/273101.33 4.433m h
+=⨯⨯=-
即为：3
511.49m /min =
可以中意机电（湖北）鼓风机制造有限公司生产的
D600 3
600m /min 共2台，1台备用。

6.2煤气发生炉的计算
夹套锅炉的作用：降低氧化层的温度，防止灰渣粘壁并副产蒸汽。

夹套锅炉的液位控制在1/2—2/3。

规定夹套锅炉回收热量为煤气炉散热量的50%，软水采用离子交换工艺出水控制水质及监控电导率(其规定工艺指标为10us/cm)，温度进口30℃，总固体150ppm ，锅炉产蒸汽压力为0.2MPa(绝压)饱和蒸汽。

排污水总固体2000ppm 。

炉膛面积2
4F D π=,
则：
223.14 2.8 6.1544F m =⨯= 生产强度
325000
812.4/()6.154
m m h =
=⋅/台 根据此参数可以选择由山东博山渣浆泵厂生产的Φ2800造气炉，夹套水蒸发量为750860/kg h -，副产的0.2Mpa 蒸汽冬季用于取暖，其余返回造气锅炉。

夹套产汽量及耗水量
根据100kg 燃料为基准的热量计算
已求得煤气炉散失热量， 148258.4644kJ 假设进口脱盐水量为xkg ，产汽量为ykg
①进项：
回收散失热量： 148258.46440.574129.23kJ =⨯= 软水显热： 125.46xkJ
合计 74129.23125.46xkg + ②出项：
蒸汽热焓： 2705.3358ykJ
式中2705.3358为0.2Mpa 蒸汽饱和蒸汽焓 /kJ kg 排污水热焓： ()498.4944x y kJ -⨯ 式中498.4944为0.2Mpa 沸水的焓，/kJ kg 合计：(498.49442203.914)/x y kJ kg +
平衡：74129.2330498.492203.9x x y +=+ （1） 总固相平衡：1502000()x x y =- （2）
联立求解得: 29.228x kg = 27.038y kg = 则每100kg 燃料副产蒸汽27.038kg 每100kg 燃料消耗水29.228kg 每100kg 燃料排出污水：2.19kg 由计算已得吨氨耗原煤1393.92kg
每台炉每小时产氨5500
1.64183350
t =
= 折合每小时：副产蒸汽
1393.92 1.64179
27.038618.77/100
kg h ⨯⨯=
消耗软水：1393.92 1.64179
29.228668.889/100kg h
⨯⨯=
排污：50.12/kg h 6.3废热锅炉的计算
6.3．1已知条件
废热锅炉的作用：回收吹风气和上吹煤气的显热，产生蒸汽，为煤气炉制气和其他化工生产提供一部分蒸汽来源，废热锅炉炉身倾斜7度，用于促进对流，提高热交换率，并使炉身和汽包重心达到平衡，避免基础受力不均而塌陷，以致发生锅炉倒塌的严重事故，废热锅炉的外壁包有石棉制品隔热保温层，防止热量损失。

废热锅炉的液位控制在1/3—1/２。

煤气炉是间歇生产，废热锅炉能力应满足最大热负荷的需要。

在造气的操作的各阶段以吹风气阶段的热负荷为最大，故废热锅炉传热面积可以根据以吹风气为条件进行计算。

已知计算得到的吹风气流量 3208.333600
193.5520133.45/240.3330m h ⨯⨯= 每标准3
m 干吹风气中水汽含量
故由空气吹风阶段的计算可得每标准吹风气中水汽含量为：
3
11.86110.0203/584.5609
kg Nm =
表6-1废热锅炉工艺参数 名称 温度 气体进口温度 450℃ 气体出口温度 230℃
炉内压力 21.09/kg cm 产气压力 27/kg cm
软水进口温度 总固体 排污水总固体
30℃ 150ppm 1500 ppm
6.3．2产气量及耗水量
根据以100kg 燃料为基准的热量平衡计算以及总固体平衡计算 设进口软水量为xkg ，产气量为ykg 热量平衡 进项
（1）.干吹风气显热
由5.2计算100kg 燃料吹风气产量为：
3584.56090.3311193.55m ⨯=（标）
193.55 1.434450124934.92kJ ⨯⨯=
1.434为干吹风气在0-450℃时的平均热熔，30/(.)kJ Nm c
（2）.吹风气中水汽热焓
193.550.02033379.4712887.58kJ ⨯⨯=
式中3279.9391为水汽450℃的过热蒸汽焓，kg/Kj,0.0203为每标准吹风气中水汽含量，3/kg Nm 。

（3）.干上行煤气显热
0.594224.29 1.4218845085245.57kJ =⨯⨯⨯=
3224.29m 为100kg 燃料上行煤气量，
1.4219为0-450℃时的平均热熔，30/(.)kJ Nm c 。

（4）.上行煤气中水汽热焓
224.290.5940.263279.9391113041.14kJ ⨯⨯⨯= （5）.软水显热30xkJ 。

合计：124934.9212887.5885245.57113041.1430(336109.2130)x x kJ ++++=+ 出项
（1）.干吹风气显热
193.55 1.396788450121656.74kJ ⨯⨯=
1.3967为干吹风气在0-230℃时的平均热熔，30/(.)kJ Nm c
（2）.吹风气中水汽热焓
193.550.02032929.911511.76kJ ⨯⨯=
式中2929.9为水汽230℃的过热蒸汽焓，KJ/kg,0.0203为每标准吹风气中水汽含量，3/kg Nm 。

（3）.干上行煤气显热
0.594224.29 1.38823042544.78kJ =⨯⨯⨯= 1.388为0-230℃时的平均热熔，30/(.)kJ Nm c 。

（4）.上行煤气中水汽热焓
224.290.5940.262929.9101489.82kJ ⨯⨯⨯= （5）.蒸汽热焓
27/kg cm 饱和蒸汽 的焓为：2759.7，KJ/kg 2759.7ykJ
（6）.排污水热焓
692.96692.96x y =-，692.96为27/kg cm 沸水的焓KJ/kg
（7）.热损失取3%
(336109.2130)3%10083.270.9x x +⨯=+
合计：177793.033453.562066.74x y =++
平衡：177793.033453.562066.74336109.2130x y x ++=+
158316.182066.743423.56y x =+ （1）
总固相平衡：1502000()x x y =- （2）
29.67x kg = 27.54y kg =
则每100kg 燃料副产蒸汽27.54kg 每100kg 燃料消耗水29.67kg 每100kg 燃料排出污水：2.13 kg 由计算已得吨氨耗原煤1393.92kg
每台炉每小时产氨5500
1.64183350
t =
= 折合每小时：副产蒸汽
1393.92 1.64179
27.54630.25/100
kg h ⨯⨯=
消耗软水：1393.92 1.64179
29.67679/100kg h
⨯⨯=
排污：48.75/kg h
则换热器可以选择为列管式 吹风气平均温度：
023********t C +∆==
吹风气平均体积流量
3273340 1.0331
20133.4511.89959/273 1.093600
V m s +=⨯⨯⨯=
管采用Φ57×3.5,气体流速取12m/s,170℃
管子根数：2
11.899
5050.7850.0512n ==⨯⨯ 管间距取t=70mm ，管板填充系数取η=90%，
1.05n
D t
η
=
505
1.057017410.9
D mm =⨯⨯
= 取n=500，D=1800mm ，L=6m ，换热面积为2300m 。

6.4洗气塔
6.4．1第一洗气塔（洗气箱） 6.4．1．1已知条件
（1）.进气总管Φ920×12mm （2）.气柜压力300mm 水柱
（3）.洗气塔至气柜间管道阻力100mm 水柱 （4）.洗气塔阻力100mm 水柱 （5）.进气管水封高度65mm
（6）.上行煤气流量3208.333600
224.290.5947491.171/240.3346.59m h ⨯⨯⨯=+
下行煤气流量3208.333600
224.290.4094771.207/240.3360m h ⨯⨯⨯=
（7）. 上行煤气含水量30.26/kg m （标准）干
下行煤气含水量3
0.51/kg m （标准）干
（8）.出洗气箱气体温度 80℃ （9）.冷却水温度 32℃ （10）.上行煤气通过时，洗气箱排水温度 50℃ 6.4．1.2.直径D
()()()2
2
20.9200.0650.9200.01220.30.10.14
4
D π
π
-⨯=
-⨯⨯++
2.65D m =
取洗气箱直径 2.8D m = H=4m 6.4．1．3.出洗气箱气体量 （1）.出洗气箱上行煤气流量 出废热锅炉上行煤气
干气： 37491.17/7491.17/22.4334.4/Nm h kmol h ===
水汽： 7491.1710.26
86.95/22.4
kmol h ⨯=
=
①.进洗气箱上行煤气热焓
有废热锅炉计算，出废热锅炉上行煤气温度为230℃ Ⅰ.干气显热 334.431.102302392081.2kJ =⨯⨯= 式中31.1为干气体在0-230℃的平均分子热熔 Ⅱ.水汽热焓 1947.72929.95706596.6kJ ⨯= 2929.9为0-230℃时过热蒸汽的焓
合计 8098677.8kJ ②.出洗气箱上行煤气热焓
Ⅰ.干气显热 334.430.3980813041kJ =⨯⨯= 式中30.39为干气体在0-80℃的平均分子热熔 Ⅱ.水汽热焓 1947.72646.375154334.2kJ ⨯=
2646.37为0-80℃时过热蒸汽的焓
合计 5967375.07kJ ③.出洗气箱上行煤气中水汽含量
进洗气箱焓差：8098677.85967375.072131302.73kJ =-= 洗涤水带出热量 10000(5032) 4.182752760kJ =⨯-⨯=
耗于蒸发水份的热量2131302.73752760 1378542.73kJ =-=
蒸发水量1378542.73
567.0931.532640209.1
kg kmol =
==- 2640为80℃时过热蒸汽的焓
出洗气箱上行煤气中所带水汽量 86.9531.5118.45kmol =+= ④ ．出洗气箱上行煤气流量 334.4118.45452.85kmol =+=
（2）.出洗气箱下行煤气流量及排水温度 出炉煤气下行煤气
干气 34771.2/213/Nm h kmol h == 水汽
34771.20.51
4771.20.512433.2/108.63/22.4
Nm h kmol h ⨯=⨯===
①.进洗气箱下行煤气热焓
有废热锅炉计算，出废热锅炉下行煤气温度为150℃ Ⅰ.干气显热 21330.725150981668.67kJ =⨯⨯= 式中30.725为干气体在0-150℃的平均分子热熔 Ⅱ.水汽热焓 2433.22773.086747468.6kJ ⨯= 2773.08为0-150℃时过热蒸汽的焓
合计 7729137.145kJ ②.出洗气箱下行煤气热焓
Ⅰ.干气显热 21330.3480516993.6kJ =⨯⨯= 式中30.34为干气体在0-80℃的平均分子热熔 Ⅱ.水汽热焓
出洗气箱气体中水汽含量
0.4829
213174.06953899.151.07380.4829
kmol kg ⨯==-
1.0738出洗气塔气体压力，2
/kg cm
2753
0.030.010.01 1.0738/735.5
kg cm +++= 0.4829-80℃饱和蒸汽压，2/kg cm
水汽热焓 3899.152640.096610294106.92kJ ⨯= Ⅲ.冷凝水显热
冷凝水量 3899.152433.31465.8kg -= 冷凝水显热 6129.9756tkJ
合计 (108111006129.9756)t kJ + 计算得t=46.65℃
③.出洗气箱下行煤气流量174213387kmol += （3）.出洗气箱总气量
干煤气 334213565kmol +=
水汽 118.45108.63227.08kmol +=
合计 792.08kmol = 6.4．2第二洗气塔
6.4．2.1.已知条件
供四台煤气炉所产半水煤气冷却用，通过洗气塔的最大热负荷的气量应为二台炉上吹两台炉下吹之和。

现采用两个洗气塔并联。

进塔气体量 565kmol 进塔气体温度 80℃ 出塔气体温度 35℃ 冷却水温度 32℃ 6.4．2.2.出塔气体量 出塔气中水汽含量
0.0573
565/22.432.1651.06380.0573kmol ⨯=-
1.0638出洗气塔气体压力，2/kg cm 0.0573,35℃时的饱和蒸汽压，2/kg cm
进塔气中的水蒸气冷凝量：227.0832.165216.0722.44838.6kg =-=⨯= 出塔气体量 56532.165578kmol =+= 6.4．2.3.洗气塔洗涤排水温度 进热：
（1）.干气显热 812371.9251707.851329443.75kJ =+= (2). 水汽热焓
118.45182646.36810294106125936478kJ =⨯⨯+= （3）.冷却水显热 采用4400×32 喷头 4400为喷头流量，3/m h
冷却水显热：32140800 4.182********.2kJ ⨯⨯=
合计 146108340kJ 出热 ：
（1）.干气显热：5653530.168596590kJ ⨯⨯= 式中30.168为干气体在0-35℃的平均分子热熔 （2）.水汽热焓：32.1652561.891814832593kJ ⨯⨯= (3).冷凝水显热：设出塔温度为t ℃
20235tkJ
（4）.冷却水显热 588826.6tkJ 平衡计算得 t=48.4℃ 6.4．2.4.洗气塔塔径
出口塔径流量：31.03327335
57822.414184/1.0638273
m h +⨯⨯
⨯= 根据经验气体流速为0.5 1.5/m s -
14184 2.2363.1436001360044
V
m W π
==⨯⨯ 取洗气塔直径为：2.4m
6.4．2.5.洗气塔塔高
m Q H K t A
=∆ 根据洗气塔设计K 取：26000/()o K W m C =⋅代入数据得11H m =
803548.432
→→ 11.78H m = 取12m 。

7结论
在本次设计中通过多方搜集资料，应用化工原理、化工工艺学、过程设备设计等学科知识，从设计条件出发计算出各工段前后物料各项参数，计算合成氨造气工段各主要设备的尺寸。

选择了造气工艺间歇式固体煤气发生炉，以及进行了工艺恒算，设备的选型计算，以上有详细计算。

由于合成氨是成熟工艺，参考文献资料较多，在本设计中，主要参考了《小合成氨厂工艺技术与设计手册》。

由于时间有限，设计可能不完善，请各位老师指出。

谢谢！
参考文献
[1] 梅安华，小合成氨厂工艺设计手册，化学工业出版社，1995年
[2]姚玉英主编.化工原理[M]，天津科技出版社，1992年
[3] 陈敏恒等编.化工原理.清华大学出版社，2002年
[4]郑津洋等编.过程设备设计.化学工业出版社，2005年
[5陈英南等编.常用化工单元设备的设计.华东理工大学出版社，2002年
[6]董大勤等编.压力容器与化工设备实用手册．化学工业出版社，2000年
[7]郑晓梅主编.化工制图.化学工业出版社，2006年
[8]谭世语等编.化工工艺学.重庆大学出版社，2004年
致谢
本次设计是本人在工厂通过网络在老师的精心指导下和同事的协助下完成的。

老师渊博的知识，言传身教的学者风范，严谨求实的作风，高尚的人品，以及高度的责任感将永远激励我自强不息。

值此设计完成之际，谨向斯钦老师致以诚挚的敬意和衷心的感谢，并祝愿他身体健康！
还要感谢我同学和同事的大力配合与帮助，是我们共同努力完成了本次设计。

祝福他们前程似锦！
同时，也感谢在百忙之中来参加评审的各位老师，在此向你们表示诚挚的谢意！
最后，向所有参考文献的作者致以谢意!。