日处理1500吨煤德士古水煤浆气化装置初步工艺设计-化学工程与工艺大学论文.doc

编号： 毕业设计(论文)题 目 日处理1500吨德士古水煤浆气化装置初步设计工艺指导教师 王志刚学生姓名 杨贺学 号 201200901102专 业 化学工程与工艺 教学单位 化学化工学院 （盖章）2016年06月01日日处理1500吨煤德士古水煤浆气化装置初步工艺设计 杨贺（德州学院化学化工学院 山东德州 253023）摘要: 煤气化技术是煤化工行业中的关键技术，水煤浆气流床气化技术应用广泛，运行稳定。并且随着经济的发展，对于水煤浆技术的需求日益增加，为此特开展了日处理1500吨煤德士古水煤浆气化装置初步工艺设计的项目。本设计利用ASPEN PLUS软件对气化工段、磨煤工段、灰水工段进行了工艺设计，并进行了物料衡算，能量衡算和设备选型等。按照国家行业标准，选择厂址。使用ASPEN PLUS软件平台，通过其内置单元操作模块，对煤气化工段进行了全流程稳态模拟。按照相关标准，设置自动仪表控制系统，设置公用工程，设计安全与环境保护措施。利用计算机软件AutoCAD绘制带控制点的工艺流程图、主要设备构造图。此外本次设计严格控制三废的排放，大力保护环境，遵循绿色发展，充分利用废热，降低能耗，节约资源，充分保障人员安全。关键词：水煤浆气化；工艺设计；流程模拟；Aspen Plus;车间设备布置目 录第一章 综述11.1 选题目的与意义11.2 德士古水煤浆工艺的国内外概况及发展前景11.2.1 国内现状11.2.2 国外现状31.2.3 发展前景41.3 合成气的性质51.3.1 合成气的物理性质5第二章 工艺流程选择与工艺条件的确定72.1 概述72.1.1 生产规模82.1.2 原料82.2 德士古水煤浆加压气化工艺路线确定的原则和依据82.3 工艺流程简介112.4 工艺流程图122.5 工艺流程简述132.5.1 磨煤工段132.5.2 气化炉与水洗塔工段132.5.3 灰水处理工段152.6 工艺参数、模拟与优化162.6.1 气化炉模拟概述162.6.2 气化炉反应工段17第三章 物料衡算与热量衡算193.1 物料衡算193.1.1 物料衡算的任务193.1.2 物料衡算的原则193.1.3 物料衡算213.1.4 工艺条件213.1.5 产品质量指标213.1.6 气化炉工艺计算213.1.7 气化炉出口气体组分233.1.8 小时消耗和年消耗243.1.9 洗涤冷却室工艺计算243.2 水洗塔工艺计算253.2.1 相平衡等式263.3 热量衡算263.3.1 概述263.3.2 热量衡算的原则263.3.3 热量衡算273.4 气化炉的热量衡算293.5 洗涤冷却室的热量衡算293.6 水洗塔热量衡算30第四章 典型设备的设计及选型324.1 典型的化工设备324.2 典型设备的特点324.3 典型设备气化炉的装配图344.4 主要设备选型374.5气化炉计算404.5.1 计算炉体内径和气化室高度404.5.2 壁厚校核414.5.4 气化炉重量及价格414.6 喷嘴414.7 泵的选型424.8 管道424.8.1 氧气管道计算与选型424.8.2 煤浆管道计算与选型424.8.3 变换气管道计算与选型434.9 主要设备选型一览表43第五章 车间设备布置设计495.1 车间布置设计的原则495.2 车间设备平面布置原则495.3 车间设备立面布置原则505.4 车间设备布置505.4.1 设备布置505.4.2 平面布置535.4.3 立面布置53第六章 自动控制546.1 自动控制过程仪表选型的一般原则546.2 控制水平63 6.3 主要仪表一览表63第七章 环境保护647.1 三废产生情况647.1.1 废水647.1.2 废气647.1.3 废渣657.2.1粉尘的防治措施657.2.2 水污染防治措施657.2.3 固体废弃物的防治措施66第八章 公用工程678.1 给水排水设计678.1.1 设计标准规范678.1.2 给排水系统的划分67 8.1.3 给排水系统的设计要求67 8.2 供电设计688.2.1 设计标准规范688.2.2 工厂电力负荷的划分698.2.3 供电方案的基本要求698.2.4 供电方案设计阶段的主要工作内容698.3 采暖通风和空气调节708.3.1 设计标准规范708.3.2 采暖708.3.3 通风708.3.4 空气调节718.4 土建718.4.1 土建设计的确定因素718.4.2 土建设计的设计要求718.4.3 建筑设计防火、防爆规定728.4.4 公用工程事故预案74第九章 设计总结75附录76参考文献94英文摘要96致 谢97独创性说明98德州学院 化学化工学院 2016届 化学工程与工艺 毕业设计第一章 综述1.1 选题目的与意义 我国是一个能源大国，也是一个能源消耗大国，对于煤炭、石油等不可再生资源虽然我国储量丰富，但由于我国对资源的开采不合理，利用不合理等问题的存在，从而造成了资源的大量浪费。并且许多能源的利用都还处在低级阶段，未能普及煤炭、石油等化石资源的深层次加工的技术，并且煤气化是煤炭进行更深阶段加工利用的重要阶段，对于煤炭能否进一步加工利用具有重要的决定作用。并且德士古水煤浆气化法是煤气化加工工艺中比较经典与成熟的工艺，简而言之，就是将固体原料煤和水按一定比例加到磨煤机中磨成水煤浆，加压后和氧一起由喷嘴喷入气化炉内，进行气化反应，制得合成气。对于我们化工学生，进行煤气化这类课题设计不但可以加深学生对此类工艺流程的深入学习，了解更多的专业知识，而且还可以普及推广， 甚至改进煤气化的加工工艺，对于国民经济的增长具有重要意义，对于造就高素质化工人才意义深远。合成气，一种低热值煤气，主要成分为氢气和一氧化碳，主要用作合成氨、合成液体燃料等的原料，有微量CO、HC和NOX。燃烧速度是汽油的7.5倍，抗爆性好，据国外研究和专利的报导压缩比可达12.5。热效率提高2040%、功率提高15%、燃耗降低30%，尾气净化近IV标准，还可用微量的铂催化剂净化。比醇、醚简化制造和减少设备，成本和投资更低。压缩或液化与氢气相近，但不用脱除CO，建站投资较低。有毒，工业上用作燃料，又是化工原料。合成气由水蒸气和炽热的无烟煤或焦炭作用而得。热值约为10500千焦/标准立方米。此外，尚有用蒸气和空气一起吹风所得的“半合成气”。可作为燃料，或用作合成氨、合成石油、有机合成、氢气制造等的原料。由于合成气的应用得到了广泛的应用，大大缓解了因为煤炭价格下降而造成的市场压力；制得合成气的原料煤炭价格低廉，而经合成气制得的其它化工产品价格极为昂贵，对于我国国民经济，提高我国科技国际竞争能力具有深远意义。 1.2 德士古水煤浆工艺的国内外概况及发展前景1.2.1 国内现状0 我国1969年在浙江衙州化工厂建成第一套水煤浆加压气化中试装置，日处理煤量18.6t，试验于1971年中止。其后，1979至1984年在化工部化肥工业研究所进行水煤浆气化模型试验，处理煤量为20kg/h，气化压力为196MPa(表压)。在模试基础上，1985年建成中试装置，规模为36t/d，操作压力为2.453.23MPa(表压)。中试为废热锅炉间接冷却流程，付产3.92MPa饱和蒸气。1986年已取得第一个煤种(陕西铜川煤)的试验数据。主要工艺指标已达到设计值，水煤浆浓度6061.5%；CO+H2，76；碳转化率，9095；冷煤气效率，66%；最长连续操作82h，已经接近国外同类装置水平。 我国在1989年第一次在兖矿鲁南化肥厂引进了第一套德士古水煤浆加压气化装置，并由此开始了德士古水煤浆加压气化生产合成气在我国的先河。由此以后，德士古水煤浆加压气化生产合成气在我国有了突飞猛进的发展，目前有上海焦化厂、陕西渭河化肥厂、淮南化肥厂、吉化公司化肥厂和金陵石化等等十多家企业采用了德士古水煤浆加压气化装置生产合成气用于生产合成氨和甲醇等化工产品。由于采用加压气化，气化炉结构简单，因此单炉生产能力高，目前国内装置最大投煤量1000t/d,国际最大装置投煤量为2000t/d,一台气化炉每年可以生产2535万吨甲醇。由于该装置在我国已经使用了许多年，对这方面经验和知识有了许多了解，设备国产化率较高，可达95%以上，因此装置投资相对较低，一套投煤量500t/d、气化压力为4.0MP的气化炉系统投资约6900万元；一套投煤量为1000t/d、气化压力为4.0MP的气化炉系统投资约1000万元。 该技术的特点之一就是对煤的适应性广，气煤、烟煤、次烟煤、无烟煤、高硫煤及其低灰熔点的劣质煤、石油焦和焦炭等均能作为气化原料。这一技术非常适用于我国，我国幅员辽阔，由于地质的不同煤的品质也不同，此技术对煤的适应性强，在我国应该大力普及推广，从而有效利用我国的煤资源。但是并不是所有的煤种都适合，为了保证系统长期稳定运行，一般说来灰分低、灰熔点低、粘温特性好的煤比较适应该技术，所以一般情况下要求原料煤灰分控制在到以下，灰熔点在1300以下。 水煤浆产品有着巨大的国内市场，随着我国国民经济的持续发展，产业结构发生了很大的变化，华东地区和我省的燃油量逐年增加。以1999年为例，我国燃油实际消耗量约40万吨左右，华东地区和华南地区占燃油总量的60.51，其中华东地区燃油，主要分布在上海、江苏和山东占总量的27.95，共有燃油企业近1500家。但是我国是一个少油、富煤的国家，已探明煤炭资源储量为1万亿t以上，按年产煤炭10亿吨计，可连续开采1000年。但石油探明储量人均仅为3t，是全球平均值的12。并且国际局势风云动荡，我国若是过度依赖石油为化工原料而加工产品，终将有一天我国发展必将受制于人，所以我们要大力发展自己的优势，着力推广普及煤气化工艺，取长补短，提高我国综合竞争能力。所以综合开来在我国一方面是煤气化推广普及的程度及力度大大不够，另一方面是我国国内市场有对以煤气化的产品为原料的化工产品的需求很大，所以我们研究煤气化，尤其是德士古水煤浆加压气化工艺这一煤气化工艺中经典且成熟的工艺便有着意义非凡的影响。1.2.2 国外现状 综合看开国外的煤气化工艺，尤其是以欧美为首的西方国家的煤气化工艺不仅在工艺流程上，还是在科学技术上，甚至在普及程度上都较我国有所领先。当然我国的煤气化产品在国际上也是有所地位的；我国台湾省、日本、韩国及东南亚地区是缺少能源的地区，由于国际石油价格的攀升及核电废料难以处理等原因，这些国家和地区急需寻求新的替代能源。日本每年从山东的枣庄、兖州进口约5x106t的水煤浆用于发电燃料，该水煤浆出口离岸价约50美元t。台湾省的中国新电力香港国际投资股份有限公司已与大陆某公司签订有关水煤浆项目产品出口与技术合作的议向协议，第一期在2年之内对4x10KW燃油电站锅炉进行改造，年需进口大陆水煤浆约2x106t，第二期需进口大陆水煤浆5x106t。韩国方面也有意向进口中国的水煤浆据有关资料，韩国电站锅炉和工业锅炉若变水煤浆代潜燃油，则每年需进口水煤浆1x106t左右。台湾省和韩国迫于国际油价的影响，对水煤浆的需求是急迫的，这是我国水煤浆打人国际市场极好的机遇。国外煤气化技术已经到了第二代，第二代煤气化技术开发于二十世纪六十年代，由于当时国际上石油和夭然气资源的开采及利用，制取合成气技术进步很快，大大降低煤气制造成本，使煤炭气化技术开发进程受阻。二十世纪七十年代全球出现石油危机后，又促进了煤气化新技术开发工作的进程，到二十世纪八十年代，开发的煤气化新技术，有的实现了工业化，有的完成了示范试验，具有代表性的炉型有德士古(Texaco)水煤浆加压气化炉、熔渣鲁奇炉、高温温克勒炉(HTW)及谢尔(Shell)干粉煤加压气化炉等。第二代煤气化技术的主要特点是:提高气化炉的操作压力和温度，提高单炉生产能力，扩大原料煤的品种和粒度使用范围，改善生产的技术经济指标，减少污染以满足环保要求。总之煤气化技术不管国内外，都是受到重视的一项技术，在我国推广又是亟需解决的问题，所以推广这种技术成熟，投资较少的德士古水煤浆加压气化工艺尤是重中之重。1.2.3 发展前景 德士古水煤浆加压气化工艺简称TCGP，是美国德士古石油公司TEXACO在重油气化的基础上发展起来的。1945年德士古公司在洛杉矶近郊蒙特贝洛建成了第一套中试装置，并提出来水煤浆的概念，水煤浆采用柱塞隔膜泵输送，克服了煤粉输送的困难及其不安全的缺点。后经各国生产厂家及研究单位的深入研究的逐步完善，于80年代投入工业化生产，成为具有代表性的第二代煤气化技术。 德士古水煤浆加压气化工艺有以下优点，故其有广大的和深远的应用前景。第一，煤种适应性广；德士古水煤浆加压气化工艺理论上可以广泛的利用各种煤种，包括高水分、高灰分、高硫分以及高粘结性的煤种。在中试装置及其工业示范性装置中试烧各种特性的煤种，并且取得了显著的成功。由于煤在磨机中被研磨成一定的粒度，小于8目（2.38mm），故原料不受原有原料的煤粒度的限制。并且可以采用多种原料混烧的方法，最大限度的降低了原料的成本。但是考虑到气化工艺的经济性，对煤种应有所选择。第二，生产连续性强；德士古水煤浆气化工艺采用连续加料、液态排渣，在排渣时不影响气化炉运行，克服了固定层气化方法间接性排渣的缺点，提高了生产的连续性。但由于受到工艺烧嘴使用周期的限制，一般气化炉连续运行的时间在50天左右，工艺烧嘴处于高温（13001400）工况下，应该定期停炉检查，以确保装置运行安全。第三，降低了气体压缩的功耗；德士古水煤浆气化工艺采用加压气化，煤浆的压力由煤浆泵提供，氧气压力由液氧泵提供。视后工序生产压力，一般其压力等级分为2.7MPa、4.0MPa、6.5MPa、8.5MPa等，省去了后工序气体压缩所需的大量功耗。第四，有利于热量回收利用；德士古水煤浆气化在高温（1400左右）、高压（2.0 .MPa）下进行生产，采用激冷流程或者辐射锅炉的方式回收热量。由于温度、压力较高，其回收的热量具有较高的利用价值，可以副产不同压力等级的蒸汽以及用于联合发电等，激冷流程一般适用于合成氨的生产，辐射废锅流程一般适用于联合发电。第五，技术进一步开发的空间大；德士古水煤浆加压气化工艺是比较成熟的一项煤气化工艺技术，在我国的发展比较迅速，其技术应用的范围也在不断扩大，并且有很多优点。因此，其技术还有待进一步继续开发。对于德士古水煤浆气化炉的烧嘴问题已经有了一些新的气化炉将单喷嘴改变为对置式多喷嘴，可以增加热质传递，并且能提高碳的转化率。目前由兖矿集团有限公司，华东理工大学共同承担的国家高级技术研究发展计划（863计划）重大课题“新型水煤浆气化技术”就是将单喷嘴水煤浆气化炉改变为对置式多喷嘴水煤浆气化炉，并且配套生产甲醇以及联产发电。多喷嘴对置式水煤浆气化技术含有水煤浆制备工序，多喷嘴对置式水煤浆气化和煤气初步净化工序，包含渣水处理工序。第六，有利于环境的保护；由于德士古水煤浆气化是在高温下进行，产品气中不会含有焦油、酚等大分子烃类，废水中主要含有氰化合物，远比其他方法产生的废水易于处理。同时气化系统的水在内部循环使用，外排量很少。并且将工业上难于处理的工业废水（如含有酚的废水）用于水煤浆的配制，大大减少了对环境的污染。气化排出的废渣可以用于建筑材料（如水泥熟料）的生产。第七，控制系统的先进与可靠；德士古水煤浆加压气化工艺采用了先进的DOS集散控制系统，自动化程度高。并且为了使装置运行安全可靠，系统中设置了复杂的安全联锁。随着机械化采煤的发展，粉煤产率也在增加，利用此项技术可以解决粉煤的利用问题，也可以解决煤炭在洗选过程中产生的大量煤泥，利用水煤浆气化技术联合循环发电也具有广阔前景。今后煤化工的更多机会是发展新型煤化工，即是煤制甲醇、煤烯烃、二甲醚及煤制油，煤气化生产甲醇及其下游产品的开发和IGCC联合发电也是新型煤化工的一个发展方向。新型煤化工将成为今后煤化工产业发展的主要方向和主题。1.3 合成气的性质1.3.1 合成气的物理性质 合成气又叫做一氧化碳和氢气混合物，英文名称为：Carbon monoxideandhydrogenmixtures;UN编号为：2600；危险货物编号为：23029；危险类别：有毒气体，急性毒性LD50（mg/m3）:2069，稳定性：稳定，燃烧热（KJ/mol）:热值约10450KJ/m3，爆炸极限（%）：12.574.2%，相对密度：气体密度远较空气轻，爆炸危险组别:ICT1，压缩比可达12.5，一氧化碳和氢气都是无味无色的气体。1.3.2 合成气的化学性质 合成气是合成氨气的重要化工原料，N2+3H2=2NH3+Q；通过甲醇化反应，合成气可以可以生成甲醇，CO+2H2=CH3OH+102.5KJ/mol;合成气也可以在一定条件下通过甲烷化反应生成甲烷；可以通过醇烃化技术使合成气在铁基催化剂作用下反应生成烃类物质（C5以下醇烃类物质）。第二章 工艺流程选择与工艺条件的确定2.1 概述 气化炉的分类按照煤与气化剂的相互对流方式可以分为逆流、并流和并逆流，与其相对应的则是固定床、流化床和气流床气化炉。本次设计采用的是气流床气化炉，而与固定床气化炉相比较，各有优缺点，我们从以下五个方面进行比较：第一，技术性能上看，固定床气化炉结构简单，坚固耐用；而流化床气化炉结构比较复杂，安装后不便挪动，但是占地较小，容量一般比固定床的容量大。启动时，固定床加热速度缓慢，需要较长时间达到反应温度；流化床加热迅速，可以经常起停。并且固定床内的温度不均匀，且固体在床内停留时间过长，气体则停留时间较短；流化床床温均匀，气固接触混合良好，气固停留时间都较短，床内压力降较高。固定床的运行负荷可在设计负荷的20%110%之间变动，而流化床由于受气流速度必须满足流化条件所限，只能在设计负荷的50%120%之间变化。第二，使用的原料不同，流化床对原料的要求较固定床低。固定床必须使用特定种类，形状、尺寸尽可能一致的原料；流化床使用的原料的种类、进料形状、颗粒尺寸可不一致。前者颗粒尺寸较大，后者颗粒尺寸较小。固定床气化的主要产物是低热值煤气，含有少量焦油、油脂、苯、氨等物质，需经过分离、净化处理。流化床产生的气体中焦油和氨的含量较低，气体成分、热值稳定，出炉燃气中固体颗粒较固定床多，出炉燃气温度和床温基本一致。第三，能量利用和转换，固定床中由于床内温度不均匀，导致热交换效果较流化床差，但固体在床中停留时间长，故碳转换效率高，一般达90%99%。流化床出炉燃气中固体颗粒较多，造成不完全燃烧损失，碳转换效率一般只有90%左右。两者都具有较高热效率。第四，环境效益，固定床燃气飞灰含量低，而流化床燃气飞灰含量高。其原因是固定床中温度可高于灰熔点，从而使灰熔化成液态，从炉底排出；而流化床中温度低于灰熔点，飞灰被出气带出一部分。所以流化床对环境影响比固定床大，必须对燃气进行除尘净化处理。第五，经济性，在设计制造方面，由于流化床的结构较固定床复杂，故投资高。在运用方面，固定床对原料要求较高，流化床对原料要求不高，故固定床运行投资高于流化床；固定床气化炉内温度分布较宽，这可能产生床内局部高温而使灰熔聚，比容量低、启动时间长以及大型化较困难；流化床具有气化强度大、综合经济性好的特点。综合考虑设计和运行过程，流化床对固定床具有更大的经济性，应该成为我国今后生物质气化研究的主要方向。 气流床中又可分为粉煤气化和水煤浆气化，并且本设计选用的是水煤浆气化，进而我使其与粉煤气化做出比较，从而找出选用水煤浆气化的原因。粉煤气流床加压气化技术具有原料消耗低、碳转化率高、冷煤气效率高等技术优势，有更强的市场竞争力。与水煤浆加压气化相比，粉煤加压气化氧耗低、煤耗低，有效气（CO+H2）成分高，碳转化率高。粉煤加压气化的核心技术是煤粉在高压、密相条件下稳定、可控输送。经过数年实验研究和中试检验，已掌握了稳定调控煤粉流量的关键技术。但是其缺点决定了在我国不能选用其，因为粉煤气化易燃易爆，对技术要求过高，并且对用煤的要求太高，而我国幅员辽阔，煤种繁多，品质各异，不适应我国国情，从而导致其无法普遍化、大型化。但是德士古水煤浆加压气化工艺有以下优点，故其有广大的和深远的应用前景。第一，煤种适应性广；第二，生产连续性强；。第三，降低了气体压缩的功耗；第四，有利于热量回收利用；第五，技术进一步开发的空间大。所以本次设计我们选用气流床水煤浆气化技术。2.1.1 生产规模 根据任务书，本设计采用德士古水煤浆气化装置日处理1500吨煤的生产规模，日产气量:2317.5（KNm3）。2.1.2 原料 德士古水煤浆气化工艺就是以神府瓦窑堡煤的水煤浆为原料，并且还要通入气化炉一定量的空气或者氧气作为气化剂或者是氧化剂，生产CO+H2（称为有效气）（体积）的原料气合成气。2.2 德士古水煤浆加压气化工艺路线确定的原则和依据 德士古水煤浆加压气化过程属于气流床疏相并流反应。水煤浆通过喷嘴在高速氧气流的作用下，破碎、雾化喷入气化炉。氧气和雾状水煤浆在炉内受到耐火衬里的高温辐衬作用，迅速经历预热、水分蒸发、煤的干馏、挥发物的裂解燃烧以及碳的气化等一系列复杂的物理、化学过程，最后生成以一氧化碳、氢气、二氧化碳和水蒸气为主要成分的湿煤气、熔渣和未反应的碳，一起同流向下离开反应区，进入炉子底部激冷室水浴，熔渣经淬冷、固化后被截留在水中，落入渣罐，经排渣系统定时排放。煤气和饱和蒸气进入煤气冷却净化系统。并且此工艺路线还受到几个工艺条件的限制。 水煤浆加压气化属于气流床反应，影响气化炉操作和气化工艺指标的主要参数有：水煤浆浓度、氧煤比、煤粉粒度分布及气化炉操作压力等。 1.水煤浆浓度 水煤浆浓度对气化的影响表现为：随着水煤浆浓度的提高，煤气中有效成分增加，气化效率提高，氧气耗量下降。水煤浆浓度的提高，带入气化炉中的水分相对少了，减少了蒸发水所消耗的热量，因而使一氧化碳和氢气的产量增加了，气化强度和气化效率均得到提高，能耗下降。为了维持正常的气化生产，煤浆的可泵送性和稳定性等也是十分重要的。所以，研究水煤浆的成浆特性和制备工艺，寻求提高水煤浆质量的途径是十分必要的。试验认为，在制备高浓度水煤浆时，煤质是关键因素，而煤粉粒度的分布又是重要的影响因素，添加剂是改善流动性及堆积效率的一种有力措施。煤的内在水分含量低、粒度分布宽，将有利于高浓度水煤浆的制备。适宜的添加剂还能改变煤浆的流变特性，且煤粉的粒度越细，添加剂的影响越明显。所以，选择合适的煤种，调配最佳粒度和粒度分布是制备具有良好流动性和较为稳定的高浓度水煤浆的关键。一般说来，褐煤的内在水分含量较高，说明其内孔表面大，吸水能力强。在成浆时，煤粒上能吸附的水量多，因而，在水煤浆浓度相同的条件下，自由流动的水相减少，即造成流动性差，若使其具有相同的流动性，则煤浆浓度必然下降。故褐煤在目前尚无法作为水煤浆的原料。日本宇部在评价我国的昭通褐煤时，亦得到了与上述相同的结论。 2.氧煤比 氧煤比是气流床气化中重要的操作指标。当其他条件不变时，气化炉温度主要取决子氧煤比，提高氧煤比可使碳的转化率明显上升。但是，当氧气用量过大时，部分碳将完全燃烧，生成二氧化碳，或不完全燃烧生成的一氧化碳，又进一步氧化成二氧化碳，从而使煤气中的无用组分增加，气化效率下降。而且，随着氧煤比的增加，氧耗明显上升，而煤耗下降。所以，氧煤比对过程操作来说，有一最适宜的比值。美国蒙特贝洛中试炉气化伊利诺斯6号煤对，氧煤比约为0.93；联邦德国RCHRAG示范厂则为0.92。 3.煤粉粒度分布煤粉的粒度对碳的转化率有很大影响。因为煤粒在炉内的停留时间及气固反应的接触面积与颗粒尺寸的关系非常密切。而且，大颗粒离开喷嘴后，具有较大的相对速度，在反应区中的停留时间比小颗粒短，另一方面，比表面积又与颗粒大小呈反比。这双重影响的结果必然使小颗粒的转化率高于大颗粒。由试验结果表明，煤粉越细，气化效率越高。但是，当煤粉中细粉含量过高时，水煤浆表现粘度上升，不利于配制高浓度的水煤浆。为此，对于反应性较好的煤种，可适当放宽煤粉的粒度。如日本德士古炉用的煤浆，最大粒度为2040目，大部分小于90m；联邦德国德士古炉用的煤浆1460，90m；735，315m。 4.气化炉操作压力 气流床操作压力的提高，有利于气化过程的进行。因为压力增加，不仅增加了反应物浓度，加快了反应速度；而且也延长了反应物在炉内的停留时间，使碳的转化率提高。气化压力的提高，既可提高气化炉单位容积的生产能力，又可节省压缩煤气的动力。故德士古工艺的最高气化压力可达8.0MFa。一般根据煤气的最终用途，选择适宜的气化压力。巳投产的几套装置中，大多数采用392MPa（表压)，在伊斯特曼工程中配等压合成甲醇，采用了6.37MPa(表压)。在德士古水煤浆加压气化工艺设计原则应该紧紧围绕上述几个工艺条件，争取达到工艺路线最优化设计。这个阶段的任务是确定生产方法和生产流程，它们是整个工艺设计的基础。运用所掌握的各种资料，运用有关的基本理论进行不同生产方法和生产流程的对比分析，从而选取一种先进合理的生产方法。工艺路线的确定，主要考虑以下几点要素：第一，技术上的先进可行；首要条件就是技术上的先进可行、工艺路线成熟可靠，技术上要尽可能先进，体现当代化工生产水平的企业，才可能有较大的竞争能力。而且要防止只考虑先进性，而忽视装置运行的可靠性。应该避免将新厂建设成实验工厂。第二，经济上合理；原材料及能源消耗少，成本低，产品质量好。在评价时，应在同一规模情况下进行比较，以避免规模效应的影响。第三，原料的纯度及其来源；原料应该价廉易得，纯度高，开发利用率高，同时应该尽量减少原料的流通环节和预处理过程，降低产品的原料成本。第四，公用工程中的水源及电力供应；应该选择水源充足的地方，最好靠近江河湖泊等方便排、取水的区域，同时电力供应也应该有保障。第五，安全技术及劳动保护措施；安全生产是化工厂生产管理的重要内容。化工生产具有易燃、易爆、易中毒、高温、高压、有腐蚀等特点，与其他工业部门相比有着更大的危险性，因此从设备上、技术上、管理上对安全予以保证，严格制定规章制度、对工作人员进行安全培训，采用相应的劳动保护措施，做好操作人员的安全生产防护，达到安全生产目的。第六，综合利用及清洁生产；从产品的生命周期的全过程考虑，采用能耗、物耗少的、污染物产生量少的清洁生产工艺，合理利用自然资源，防止生态的破坏。从产品的设计、产品的寿命、产品报废后的处置等是否合理进行充分的论证后再进行相应的工艺设计，对在生产中排放出来的废物尽可能地循环利用和综合利用，从而从源头实现消减环境的污染，提高资源的利用率。第七，环境的保护；环境的保护是建设化工企业必须重点审查的一项内容，化工生产过程中易产生有毒、有害的物质，造成环境的污染。因此，新建工厂的三废排放物必须达到国家规定的排放标准，符合相关环境保护法律法规的要求。综上所述，德士古水煤浆加压气化工艺路线的确定需要综合的考虑上述原则和依据，才能确定出最优的生产工艺路线，生产出最合理的产品，创造出更大的利润，建设成环境友好型的合成气制造产业。2.3 工艺流程简介 德士古水煤浆加压气化工艺的工艺流程大体包括制浆系统、合成气系统、烧嘴冷却系统、锁斗系统、闪蒸及水处理系统五个主要流程。1.制浆系统 制浆系统用于水煤浆的制备。原料煤经煤称重给料机计量后送人磨机，同时在磨机中加入水、添加剂、石灰石、氨水，经磨机研磨成具有适当粒度分布的水煤浆，合格的水煤浆由低压煤浆泵送人煤浆槽中。2.合成气系统 水煤浆经高压煤浆泵加压后与高压氧气经德士古烧嘴混合后呈雾状喷入气化炉燃烧室，在燃烧室中进行复杂的气化反应，生成的煤气(称为合成气)和熔渣经激冷环及下降管进人气化炉激冷室冷却，冷却后的合成气经喷嘴洗涤器进人碳洗塔，熔碴落人激冷室底部冷却、固化，定期排出。在碳洗塔中，合成气进一步冷却、除尘，并控制水气比(即水汽与干气的摩尔比)，然后合成气出碳洗塔进入后工序。3.烧嘴冷却系统 德士古工艺烧嘴是气化装置的关键设备，一般为三流道外混式设计，在烧嘴中煤浆被高速氧气流充分雾化，以利于气化反应。由于德士古烧嘴插人气化炉燃烧室中，承受1400左右的高温，为了防止烧嘴损坏，在烧嘴外侧设置了冷却艋管，在烧嘴头部设置了水夹套，并由一套单独的系统向烧嘴供应冷却水，该系统设置了复杂的安全联锁。4.锁斗系统 落入激冷室底部的固态熔渣，经破渣机破碎后进人锁斗系统（锁渣系统），锁斗系统设置了一套复杂的自动循环控制系统，用于定期收集炉渣。在排渣时锁斗和气化炉隔离锁斗循环分为减压、清洗、排渣、充压四部分，每个循环约30分钟，保证在不中断气化炉运行的情况下定期排渣。锁渣系统主要有渣罐、锁渣阀、排渣阀、渣罐和冲洗水罐组成，锁渣阀一般有两个，排渣阀一个，在集渣时需给渣罐充压，渣罐压力与气化炉接近时打开锁渣阀，集渣结束后关闭锁渣阀门，对渣罐卸压，排到常压后打开排渣阀门，排渣结束并冲洗完渣罐后，关闭排渣阀，对渣罐充压，重复循环。5.闪蒸及水处理系统闪蒸及水处理系统主要用于水的回收处理。气化炉和碳洗塔排出的含固量较高黑水，送往水处理系统处理后循环使用。首先黑水送人高压、真空闪蒸系统，进行减压闪蒸，以降低黑水温度，释放溶性气体及浓缩黑水，经闪蒸后的黑水含固量进一步提高，送往沉降槽澄清，滤清后的水循环使用。合成气2.4 工艺流程方块图磨煤机碳洗塔气化炉煤煤浆合成气水灰水灰水灰水处理渣各工段工艺流程图详见附录2。2.5 工艺流程简述2.5.1 磨煤工段图2-1 磨煤工段工艺流程图 V0604-添加剂制备槽、A0601-添加剂制备槽搅拌器、P0602-添加剂制备泵、V0605-添加剂槽、P0603-添加剂给料泵、H0601-磨煤机、V0606-磨机出口槽、P0604-低压煤浆泵V0701-气化煤浆槽 磨机中的工艺水包括原水、变换冷凝液和甲醇废水，原水、变换冷凝液在磨煤水槽混合后经磨煤水泵加压至0.42Mpa后送至磨煤机（H0601），甲醇废水直接加入磨机中。 从煤处理工段来（10mm）左右的碎煤加入煤仓中，煤仓中的煤经过煤称重给料机（W0503）送入磨煤机。 同时，为了控制煤浆粘度和保持煤浆的稳定性需加入添加剂。人工把添加剂（含固量约为30%）加入到添加剂制备槽(V0604)中，并加入原水，在添加剂制备槽搅拌器（A0601）的搅拌下，制备成生产所需的溶液，通过添加剂制备泵(P0602)送到添加剂槽（V0605），缓冲后用添加剂给料泵(P0603)加压至0.75Mpa后输送到磨煤机。添加剂的加量以煤浆粘度控制在350-1500CP为宜。物料在磨煤机中进行湿法磨煤。在磨煤机中，煤、添加剂和水一同磨制成5965(WT)浓度的水煤浆，通过滚筒筛滤去较大煤粒后，进入磨机出口槽(V0606)，经低压煤浆泵（P0604）加压至3.6Mpa后送往气化煤浆槽（V0701）。2.5.2 气化炉与水洗塔工段图2-2 气化炉反应与水洗塔工段流程图 V0712-煤浆储槽、P0701-煤浆给料泵、V0714-氧气缓冲罐、FV0707-流量调节阀、F0701-气化炉、V0708-锁斗、V0709-锁斗冲洗水罐、J0701-文丘里管、T0701-水洗塔、P0705-灰水循环泵、S0702-黑水过滤器、J0702-文丘里洗涤器 料浆通过低压煤浆泵(P0605)进入煤浆槽（V0712）,出煤浆槽的煤浆经煤浆给料泵（P0701）加压后分别送入气化工艺烧嘴（Z0701）进入气化炉。空分来的高压氧气进氧气缓冲罐（V0714），缓冲后经FV0707调节流量后分别进入工艺烧嘴（Z0701）。在气化炉中煤浆与氧发生如下主要反应：CmHnSr+m/2O2mCO+(n/2-r)H2+rH2SCmHnSr(m/4-r/2)CH4+(m-n/4+r/2)C+H2SCO+H2OH2+CO反应在6.5MPa、13501400下进行。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。 离开气化炉燃烧室的热气体和熔渣进入气化炉下段激冷室，被水淬冷后温度降低至252.32以下，并被水蒸汽饱和后出气化炉,离开气化炉的气体经文丘里管（J0701）喷水湿润后直接进水洗塔（T0701），水洗塔为固定筛板塔，进塔气经灰水、变换冷凝液洗涤冷却后，至温度241.7、压力6.26MPa，经叶片式除沫器除去气体夹带的雾沫后送至变换工段。气化炉反应中生成的熔渣进入激冷室冷却后，排入锁斗（V0708）的渣水段，并定时排入渣池（V0710），渣由捞渣机（L0701）捞出后装车外运，黑水流至渣池的黑水段，经渣池泵输送至灰水处理进行处理。由灰水处理来的高压灰水进水洗塔作洗涤水，由水洗塔排出的黑水经灰水循环泵（P0705）增压后大部分经黑水过滤器（S0702）过滤后进入气化炉激冷环使气化气冷却降温，少部分经文丘里洗涤器（J0702）洗涤湿润气化气后，气体混合物立刻进入水洗塔进行气液分离，气化炉排出的洗涤水（称为黑水）经流量控制阀(FV0712)排至灰水处理。 由灰水处理来的低压灰水进入锁斗冲洗水罐（V0709），在锁斗需要冲洗时，灰水经锁斗冲洗水罐底部冲入锁斗进行冲洗。2.5.3 灰水处理工段图2-3 灰水处理工段流程图 F0701-气化炉、PV0841-减压阀、V0813-高温热水塔、T0701-水洗塔、V0814-高温热水器、E0806-灰水加热器、V0826-高压闪蒸分离器、V0829-除氧水槽、V0815-低温热水器、V0816-真空闪蒸器、P0813-真空泵、E0807-真空闪蒸冷却器、V0817-真空闪蒸分离器、V0818-真空泵分离器、E0808-真空泵出口冷却器、P0812-澄清槽给料泵、V0827-澄清槽、V0828-灰水槽 由气化炉（F0701）来的黑水经减压阀(PV0841)减压后至高温热水塔（V0813）,塔内压力0.8MPaG，进塔水中溶解的CO、H2S、CO2等气体闪蒸出来，塔上部设有3块筛板，加入变换汽提塔汽提后工艺冷凝液，对气体进行洗涤，出塔气体温