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1、摘 要煤制油是以煤炭为原料生产液体燃料和化工原料的煤化工技术简称。通常有两种技术路线，直接液化和间接液化。本次设计采用煤间接液化中的多元料浆气化技术。多元料浆气化是一种气流床加压气化专利技术，该技术主要有料浆制备和气化两部分组成，料浆制备是以一种或多种的含碳固态物质为原料，经一次湿磨制成气化料浆，浆体呈非牛顿型流体中的假塑性流体特征，料浆稳定，易于泵送；料浆气化是通过加料泵加压送入气化炉，与氧气在气化炉内进行气化反应，生成以CO和H2为主要组成的粗合成气。在上述基础上，参考相关的资料和标准对气化、变换工段的设备进行了合理布局；并编制了气化、变换设备一览表，物料流程图，工艺管道及仪表流程图，设备
2、平面布置图和立面布置图。关键词：煤制油；间接液化；水煤浆；气化内蒙古工业大学本科毕业设计说明书AbstractThe Coal liquefaction is the abbreviation of the coal chemical technology to produce industrial chemicals and liquid fuel with coal for raw material. Usually, there are two technical routes: direct coal liquefaction and indirect coal liquefactio
3、n.This design uses indirect coal liquefaction of the multiple pulp gasification technology. Multiple pulp gasification is a kind of air bed pressurized gasification patent technology, the technology is mainly two parts : pulp preparation and gasification. the preparation of The pulp uses one or more
4、 of the solid material containing carbon as raw material, after a wet grinding into gasification pulp, Paste is the fluid of Newton plastic fluid characteristics of false, Pulp stable, easy to pumping; The gasification of slurry into the gasifier is pressurized through the feed pump , with oxygen in
5、 the gasifier ,the gasification reaction of the crude synthesis gas composed mainly of CO and H2.On the basis of the above, reference materials and standard for gasification, transformation process and equipment to carry out the reasonable layout. And the preparation of gasification, transform equip
6、ment list, process flow diagram, process piping and instrumentation diagrams, equipment layout and vertical layout.Key words: coal to liquids; indirect liquefaction; coal water slurry; gasification38内蒙古工业大学本科毕业设计说明书目 录引 言1第1章 总论21.1项目概述21.2 设计依据21.3 设计指导思想21.4设计原则21.5 厂址概况21.6 厂地的水文地质状况及气候条件2第2章 煤制油
7、简介42.1 煤制油的意义42.2 煤气化方案的分类42.2.1 移动床气化42.2.2 流化床气化52.2.3 气流床气化52.3 工艺说明62.3.1 多元料浆制备系统62.3.2 多元料浆气化系统7第3章 气化、变换工艺计算103.1 气化过程103.1.1 气化炉计算实例103.1.2 水洗塔计算213.2 变换过程233.2.1 变换炉计算233.2.2 低压蒸汽发生器26第4章 设备的计算与选型304.1 气化炉304.1.1 已知条件304.1.2 计算304.2 变换炉314.3 低压蒸汽发生器324.3.1 传热面积的确定334.3.2 管子数的确定334.3.3 管子的排列
8、方式344.3.4 壳体直径的确定344.3.5 壳体厚度的计算344.3.6 换热器封头的确定34结 论36参考文献37谢 辞38内蒙古工业大学本科毕业设计说明书引 言在我国的自然资源中, 基本特点是富煤、贫油、少气。与石油和天然气相比而言, 我国煤炭的储量相对比较丰富, 占世界储量的60 %。而随着近几年中国经济的迅猛发展, 对石油的需求激增, 国内的石油产量远远满足不了需求。海关数据显示, 2010 年全国累计进口原油239 亿t , 同比增长17.4 % , 原油对外依存度达到53.8 % , 较上年同期提高了2.7 个百分点。另一方面, 作为煤炭资源大国, 我国理应把煤炭作为主要的能
9、源之一, 以保证国家的能源安全。但是, 煤炭资源在我国也不是无限制开采利用的一次能源, 而且大量使用煤炭势必造成我国的环境污染, 故而从国家能源战略角度考虑, 应该相当谨慎地使用煤炭资源, 尽可能使煤炭能源消费结构合理化。因此, 合理发展煤炭深加工具有重大的现实和长远的意义，石油资源的短缺和国际油价的不断高涨使煤代油迫在眉睫, 以煤制油己成为我国能源战略的一个重要趋势, 煤制油化工就是其中的典型代表。而多元料浆气化更有合成条件较温和；转化率高；煤种适应性强；工艺成熟等优点。所以本次设计采用多元料浆气化法。第1章 总论1.1项目概述本项目为40kt/a煤制油气化工段工艺设计，厂址选定在呼和浩特市
10、，年工作日为300天，煤为原料，采用德士古气化法。1.2 设计依据本设计依据为内蒙古工业大学本科毕业设计任务书。1.3 设计指导思想贯彻执行了国家基本建设的方针政策，使设计切合实际，技术先进，安全适用，经济合理。贯彻“五化”（ 露天化、一体化、社会化、轻型化、国产化）的措施及效果。1.4设计原则低碳高效环保节能原则。1.5 厂址概况初步决定将厂区建设在呼和浩特市土默特左旗附近，因该地区地势平坦，开阔，交通便利。土默特左旗地理位置优越，地处草原钢城包头市、呼和浩特市、和国家重点建设项目鄂尔多斯大煤田的“金三角”腹地，京包铁路、呼包高速公路、110国道横贯全境，呼清、呼准、呼托公路纵贯境东部，为物
11、流畅通提供了优越的便利条件。1.6 厂地的水文地质状况及气候条件呼和浩特属中温带大陆性季风气候，四季气候变化显著，其特点：冬季漫长严寒，夏季短暂炎热，春秋两季气候变化剧烈。年平均气温由南向北递增，北部大青山区温度仅在2左右，南部温度达到6.7。最冷月气温-12.716.1；最热月平均气温为17-22.9。平均温度年较差为34.4-35.7，平均温度日较差为l3.5-13.7。极端气温最高为38.5，最低为-41.5。无霜期: 低山丘陵区110天，北部山区为75天，南部平原区为113-134天：日照年均1 600小时。降水量：大青山区在430-500毫米；平原区在400毫米左右；年平均降水量为3
12、35.2-534.6毫米，其地域分布是西南最少，年雨量仅为350毫米；最多年均降水达到5346毫米；井乡，年均降水量为489.3毫米；最少是在黑城乡、南坪乡、新营镇一带，年均降水量仅335.2-362.8毫米。呼和浩特交通便利，通讯较便捷。京包铁路途经呼和浩特市，有始发北京、兰州、成都、满洲里、通辽、乌兰浩特、赤峰、锡林浩特的列车，还有通往天津、沈阳北、哈尔滨、杭州、广州、汉口、石家庄、银川、西安、青岛的列车，管内始发二连浩特东胜的列车、乌海西，基本覆盖全区所有地级市。第2章 煤制油简介2.1 煤制油的意义我国总的能源特征是“富煤、少油、有气”。煤炭因其储量大和价格相对稳定，成为中国动力生产的
13、首选燃料。在本世纪前50年内，煤炭在中国一次能源构成中仍将占主导地位。石油资源的短缺使煤制油重新提上议事日程，以煤制油己成为我国能源战略的一个重要趋势。煤制油是以煤炭为原料，通过化学加工过程生产油品和石油化工产品的一项技术，包含煤直接液化和煤间接液化两种技术路线。煤的直接液化将煤在高温高压条件下，通过催化加氢直接液化合成液态烃类燃料，并脱除硫、氮、氧等原子。具有对煤的种类适应性差，反应及操作条件苛刻，产出燃油的芳烃、硫和氮等杂质含量高，十六烷值低的特点，在发动机上直接燃用较为困难。煤的间接液化首先把煤气化，再通过费托合成转化为烃类燃料。生产的油品具有十六烷值高、H/C含量较高、低硫和低芳烃以及
14、能和普通柴油以任意比例互溶等特性。而内蒙古地区的煤质适合间接液化，而且工艺较成熟。2.2 煤气化方案的分类煤气化技术按气化反应器的形式，气化工艺可分为移动床（固定床）、流化床、气流床三种。2.2.1 移动床气化采用一定粒度范围的碎煤（5mm50mm）为原料，与气化剂逆流接触，炉内温度分布曲线出现最高点，反应残渣从炉底排出，生成气中含有可观量的挥发气。典型的气化炉为鲁奇（Lurgi）炉。移动床气化，是目前世界上用于生产合成气的主要方法之一。在大型煤制气的装置中，固定床的优点是投资低，可是它有很多不足1：（1）对原料煤的黏结性有一定有一定要求：（2）气化强度低：（3）环境污染负荷大，治理较麻烦。2
15、.2.2 流化床气化采用一定粒度分布的细粒煤（10mm）为原料，吹入炉内的气化剂使煤粒呈连续随机运动的流化状态，床层中的混合和传热都很快。所以气体组成和温度均匀，解决了固定床气化需用煤的限制。生成的煤气基本不含焦油，但飞灰量很大。发展较早且比较成熟的是常压温克（Winkler）炉。它的缺点是：（1）在常压或接近于常压下生产，生产强度低、能耗高、碳转化率只有88%90%。（2）对煤的气化活性要求高，仅适合于气化褐煤和高活性的烟煤。（3）缺少大型使用经验；要在大型甲醇装置中推广，受一定限制。2.2.3 气流床气化气流床采用粉煤为原料，反应温度高，灰分是熔融状态。典型代表为GSP,Shell,Tex
16、aco气流床气化工艺。气流床气化优点很多，它是针对流化床的不足开发的。气流床气化具有以下特点2： （1)采用2.5mm的大颗粒后，合格的多元料浆靠重力流入料浆贮槽（F0104）。本设计两个气化炉共用一个多元料浆贮槽。多元料浆经高压料浆泵（J0104）送入工艺烧嘴。多元料浆和氧气经工艺烧嘴喷入气化炉（B0101）内，在部分氧化条件下进行气化反应。生成的粗煤气为主要含氢、一氧化碳、二氧化碳及水蒸气等的混合物。气化原料中的未转化组份和由部分灰形成的液态熔渣与生成的粗煤气一起并流向下进入气化炉下部的激冷室。进入气化炉激冷室的激冷水来自于洗涤塔（E0101）下部的灰水循环泵（P0106A/B），激冷水进
17、入位于激冷室下降管顶端的激冷环，并沿下降管内壁向下流入激冷室。激冷水与出气化炉渣口的高温气流接触，部分激冷水汽化对粗煤气和夹带的固体及熔渣进行淬冷、降温。激冷水沿下降管内壁向下流还可对激冷室下降管起保护作用。激冷水中任何可能堵塞激冷环的较大固体颗粒经黑水过滤器（L0105）除去。气化炉激冷室中的黑水通过液位调节系统连续排出，并送往多元料浆气化灰水系统。回收的灰水返回气化系统使用。开车期间，在多元料浆投料前，通过一套自动阀门控制系统先建立料浆循环和料浆流量，料浆返回料浆贮槽。气化炉投料后，建立的料浆流量应全部入炉，要绝对避免料浆再有返回。入气化炉的氧气来自空分装置。多元料浆气化反应在气化炉燃烧室
18、中进行，气化温度大约为13501400，气化压力约6.5MPa，燃烧室内衬耐火砖和隔热砖，可保持气化炉外部炉壁温度大约为285315。气化反应生成的粗煤气及少量的其它物质（包括氯化物、硫化物、氮气、氩气及甲烷等）、液态熔渣及细灰颗粒。这些物质出气化炉燃烧室，沿下降管进入激冷室水浴。熔渣在水中淬冷固化，并沉入气化炉底部渣浴。粗煤气与水直接接触进行冷却，大部分细灰留在水中。粗煤气沿下降管与导气管之间的环隙上升，经激冷室上部折流板折流分离出部分粗煤气中夹带的水份，从气化炉旁侧的出气口引出，送往文丘里管（L0104）和洗涤塔（E0101）。在气化炉燃烧室装有四个直接测量反应温度的热电偶。由于熔渣沉积，
19、气化炉内温度又非常高，这些热电偶要经常更换。随着操作经验的积累，在直接测温热电偶失真的情况下，可以通过位于洗涤塔下游粗煤气管线上的连续分析仪测量出粗煤气中甲烷含量和粗煤气组成，并借助于甲烷温度曲线和物料热量平衡，确认热电偶读数或气化反应温度。气化炉炉底聚集的粗渣，经破渣机（L0103）破碎，用水带入锁斗系统，由锁渣系统定期自动排放。2.3.2.2 气化炉烧嘴冷却系统烧嘴冷却水通过工艺烧嘴端部的水夹套及冷却盘管连续循环流动，以保护处于气化炉燃烧室高温环境中的工艺烧嘴。烧嘴冷却水系统包括一套供两台气化炉共用的烧嘴冷却水槽、烧嘴冷却水泵（J0102）及烧嘴冷却水换热器（C0101）。备用泵在烧嘴冷却
20、水压力低的情况下可自动启动，并与事故电源相接。烧嘴冷却水回水进入每个气化炉系列分别设置的烧嘴冷却水气体分离器。分离器通气口上设置的一氧化碳分析仪可对烧嘴冷却水系统中漏入的煤气进行连续检测并发出预警。烧嘴冷却水泵从正常供电向事故供电切换的时候，烧嘴冷却水由事故烧嘴冷却水槽供给。在开车投料前烘炉期间，用预热烧嘴临时替换工艺烧嘴进行升温，直到气化炉内温度达到要求的点火温度。预热烧嘴有其单独的燃料供给及调节系统。燃烧需要的空气通过开工抽引器引入气化炉，开工抽引器使用蒸汽将气化炉内抽负压。蒸汽及燃烧后的烟气经抽引器消音器排入大气。2.3.2.3 气化炉渣处理系统沉积在气化炉激冷室底部的粗渣及其它固体颗粒
21、，通过循环水流的循环作用带入锁斗（F0105）。大的渣块经破渣机进行破碎。从气化炉排出的大部分灰渣沉降在锁斗底部。从锁斗顶部抽出较清的水，经锁斗循环泵循环进入气化炉激冷室水浴。气化炉联锁排渣系统的排渣循环时间预先设定，排渣周期一般大约为30分钟，渣池中设置捞渣机的部分与渣池另一部分通过关闭隔板阀暂时隔开，以便渣沉降到捞渣机上，由捞渣机送出渣池。2.3.2.4 粗煤气洗涤系统出气化炉（B0101）的粗煤气进入文丘里管（L0104），粗煤气与来自灰水循环泵（J0106）的水经文丘里管混合。细灰在此被水完全浸湿，在洗涤塔（E0101）中从粗煤气中除去。湿粗煤气进入洗涤塔（E0101）沿下降管进入洗涤
22、塔底部水浴，粗煤气中夹带的大部分细灰在此从粗煤气中除去。粗煤气经下降管和导气管间的环隙上升，进入洗涤塔顶部的塔板，来自本设计界区外的一股洁净变换工艺热冷凝液在此将粗煤气中残留的细灰洗涤下来。粗煤气夹带的水滴在塔板上方的除沫器中分离下来。基本上不含细灰的粗煤气出洗涤塔送到界区外的变换系统。洗涤塔底部排出的黑水，通过流量控制经减压后进入灰水系统。在灰水系统中，黑水经闪蒸、冷凝和液固分离。灰水再经过预热返回到洗涤塔，以维持洗涤塔的液位。洗涤塔底部黑水出口一部分水经灰水循环泵向气化炉激冷环及文丘里管供水。第3章 气化、变换工艺计算3.1 气化过程3.1.1 气化炉计算实例3.1.1.1 原料煤性质表2
23、-1 原料煤的性质原料煤性质 工业分析/% 10.0 3.91 6.75 33.23 60.02 表2-2 原料煤的性质 原料煤性质 元素分析/% 74.34 4.25 13.65 0.82 0.19表2-3 灰熔点灰熔点 DT ST FT/ 1200 1240 1260 3.1.1.2 操作条件操作温度：1400操作压力：6.5MPa水煤浆的水煤比：r=30：70 氧气纯度：99.6%气化炉碳转化率：99%出口粗煤气含甲烷：0.02%煤中硫全部转化成硫化氢，少量COS。（计算时取:COS=17:1）捕渣率 q=60%粗煤气中带出灰含量 20%渣中含碳量：2%-10%（计算按2%）3.1.1.
24、3 计算步骤以100kg无水无灰基煤为基准（daf）（1） 将煤元素分析转换成无水无灰基根据 = 可得表2-4 元素分析煤元素 /% 79.72 4.56 14.48 0.88 0.20 35.63式中 某干燥基； 某干燥无灰基； 挥发分； 煤的灰分产率；（2） 煤的发热量 =80+300+10+400.5 =8079.72+3004.56+100.88+400.2014.482-0.535.63=7534.91 kcal/kg daf 煤=31547.18 kJ/kg daf 煤（3） 实际投煤量的计算= = =7.24 kg/100kg daf 煤= = =4.38 kg/100kg da
25、f 煤故实际投煤量：=+=100+7.24+4.38=111.62kg/100kg daf 煤水煤浆制备加入水量： =r =111.62 =47.84 kg/100kg daf 煤气化炉排渣量： =7.240.6/0.98=4.43 kg/100kg daf 煤气化炉带出灰量： = =7.24(1-0.6)0.8/0.98 =2.36kg/100kg daf 煤(4) 物料衡算 设气化炉需氧量： x kmol/100 kg daf 煤 出口粗煤气含： kmol/100 kg daf 煤 = b mol/100 kg daf 煤 kmol/100 kg daf 煤 kmol/100 kg daf
26、 煤 kmol/100 kg daf 煤 干煤气为 kmol/100 kg daf 煤A. 碳平衡： 入气化炉总碳: =6.195kmol/100 kg daf 煤 出气化炉总碳: 粗煤气含碳：= kmol/100 kg daf 煤 粗煤气飞灰含碳：=0.0493 kmol/100 kg daf 煤 渣中含碳：=0.0074 kmol/100 kg daf 煤 COS中含碳：=0.0003 kmol/100 kg daf 煤 kmol/100 kg daf 煤 因为 =所以 （2-1）B. 氢平衡： 煤中含氢： kmol/100 kg daf 煤 煤浆中含氢：kmol/100 kg daf 煤
27、 煤中水含氢：kmol/100 kg daf 煤 kmol/100 kg daf 煤出气化炉： 煤气中含氢： kmol/100 kg daf 煤 甲烷中含氢：=0.0008V kmol/100 kg daf 煤 硫化氢中氢：=0.0126 kmol/100 kg daf 煤 蒸汽中含氢： kmol/100 kg daf 煤 kmol/100 kg daf 煤由于 = 所以 b+0.004V+h=5.175 （2-2）C. 氧平衡 入气化炉氧 煤中含氧：=0.905 kmol/100 kg daf 煤 煤中水含氧：=0.2433 kmol/100 kg daf 煤 煤浆中水含氧：=2.6578
28、kmol/100 kg daf 煤 外供氧：= kmol/100 kg daf 煤 = kmol/100 kg daf 煤出气化炉氧 COS中含氧：=0.0003 kmol/100 kg daf 煤 一氧化碳含氧：= kmol/100 kg daf 煤 二氧化碳含氧：=2 kmol/100 kg daf 煤 蒸汽中含氧：= kmol/100 kg daf 煤 =a+2m+h+0.0003 =所以 故得 （2-3）D. 出口干气平衡 kmol/100 kg daf 煤 = kmol/100 kg daf 煤 COS=0.0003 kmol/100 kg daf 煤 kmol/100 kg daf
29、 煤 kmol/100 kg daf 煤 =0.006 kmol/100 kg daf 煤 kmol/100 kg daf 煤 故得： 所以 （2-4）E. 水煤气反应取平衡温距为：400取水煤气平衡反应温度：1300-300=1000查得平衡常数：K=0.4834 故得： （2-5）（5） 热量平衡 计算以0为基准输入热A 煤的热值 煤带入热量 =7615.14煤 =761514煤 =3188306.82煤B 煤带入显热（25） 煤 煤灰渣显热 C 煤中内水带入显热 4.38125 109.5煤=458.45 D氧气的显热氧气30时 =1.77 煤 输出热A干煤气带出热查表得干燥气中各组分高
30、热值如下表2-5 热值组分 3034 3052 6100 9527 （67961.6a68364.8b819.8442.68V）kcalB煤气的显热查1400对煤气中各组分比热容如下所示表2-6 各组分比热容组分 7.78 12.41 16.23 7.25 9.70 7.69 C水蒸汽的潜热查表得：0 1atm H2O597.3 D水蒸汽的显热查1400 E. 灰渣带出的显热 查资料知： F. 灰渣和飞灰未烧结碳的热量灰渣中碳的热量取值:,其中： 所以，灰渣中碳的热量取： 煤飞灰中碳的热量; 煤 805.91+6581.597387.5煤G热损失取总入炉煤发热量的1%， 由于 +1880.77
31、=763342.86 (2-6)联立方程(2-1)(2-6)得： 将上述方程写成数字矩阵求解有： 解得由此可得每煤可生产:CO=5.1165kmol； COS=0.0013kmol； =0.0209kmol；=3.6044kmol； =0.0321kmol； =1.4362kmol；=0.0140kmol； =0.0021kmol； =2.0929kmol；整理结果如下表：表2-7 计算整理结果M/(kmol/100kg daf煤)Vm3(标)/100kg daf煤/%(干基)/%(湿基)CO5.1165114.609650.0341.53H23.604480.738635.2529.26CO
32、S0.00130.02910.010.01CO21.436232.170914.0411.66 CH40.00210.04700.020.02H2S0.02090.46820.200.17N20.03210.71900.310.26Ar0.01400.31360.140.11干气10.2275229.096100.00H2O2.092946.881016.98湿气12.3204275.9770100.00每1000（标）粗煤气（干基）消耗煤水氧每1000（标）（干基）消耗煤水氧3.1.2 水洗塔计算3.1.2.1 操作条件（1） 有上述结果可得，进入水洗塔的干煤气量为229.096(标)，t=
33、270；（2） 查资料可得出水洗塔、出文丘里管气体组分如下表：表2-8 出水洗塔气体组分组分COH2COSCO2CH4H2SN2+ArH2O/%21.1814.920.005.950.040.090.1957.66表2-9 出文丘里管气体组分组分COH2COSCO2CH4H2SN2+ArH2O/%18.8413.270.005.290.010.080.1762.34（3） 冷却水进口温度为193，出口温度为215；（4） 出塔湿煤气温度为240；（5） 塔内操作压力6.39MPa;（6） 假设干煤气经水洗塔、文丘里管，各组分没发生变化。3.1.2.2 计算由操作条件可得出水洗塔的气体组分中湿气
34、总量为湿气=24.1556kmol；出文丘里管的气体总量为湿气=27.1575kmol所以水洗塔中冷凝的水蒸气的量为=27.1575-24.1556=3.0019kmol热量衡算：设冷却水用量为W1.进热查表可得 干气显热229.096t=229.0961.352270=83629.20KJ水蒸气的焓304.742768.3=843611.74KJ式中 2768.3为270时水蒸气的焓 KJ/K；冷却水带入热：807.64W KJ式中 807.64为193时水的焓 KJ/Kg 入热总计：927240.94+807.64W2.出热查表可得干气显热229.096240=229.0961.34624
35、0=74007.17KJ水蒸气焓250.712796.8=701185.73KJ式中 2796.8为240时水蒸气的焓 kJ/kg冷凝水带出热量897.2354.0342=48481.11KJ冷却水带出热量:897.23W出热总计；823674.01+897.23W故得927240.94+807.64W = 823674.01+897.23WW=1156.01kg3.2 变换过程3.2.1 变换炉计算3.2.1.1 操作条件（1） 查可得进变换炉气体组分如下表：表2-10 进变换炉气体组分组分COH2COSCO2CH4H2SN2+ArH2O/%23.7516.750.016.670.010.1
36、0.2152.53（2） 查得气体进变换炉炉口温度为280，出变换炉温度为415；（3） 查得原料气预热器管程的温度为240，出预热器时的温度为280，变换气进预热器壳程时温度为415，出预热器时温度为350；（4） 假设一氧化碳在变换炉中的变换率为80%；（5） 由于采用的是部分变换，所以经过原料气预热器后约有60%的原料气参加变换，剩余的原料气不参加变换，直接去1#低压蒸汽发生器。3.2.1.2 计算(1) 物料衡算由操作条件可得进变换炉气体总量湿气=21.5448kmol则变换炉中消耗掉的一氧化碳为=21.544823.75%60%80%=2.4561kmol则剩余的=5.1165-2.4561=2.6044kmol =3.6044+2
