化工设计概论-课程设计论文（设计）题目：30000m3/h天然气制半水煤气工艺设计学号：姓名：班级：化工092本专业：化学工程与工艺2013年06 月08 日30000m3/h天然气制半水煤气工艺设计副标题：天然气间歇催化转化制合成氨原料气【摘要】从天然气制取半水煤气工艺发展趋势来看，间歇气化和连续气化都是比较先进的技术。
随着天然气工业的发展，将会涌现出更多经济有效的新技术，同时也会促进传统半水煤气技术的不断改进，从而达到更好的效果。
【关键词】天然气；半水煤气；工艺；1项目概况主要内容为30000m3/h天然气制半水煤气工艺设计。
通过物料衡算和能量衡算，确定关键设备的选型和材料，对生产过程中的安全技术、综合利用提出了合理的要求，并考虑了三废的处理。
1.1半水煤气概述半水煤气俗称水煤气，其实还是有点区别，它是将煤和水作为气化物料进行气化的一种燃气，一般通过固定床煤气发生炉制取。
其主要成分是一氧化碳和氢气还有其他惰性气体和可燃烧的甲烷、焦油、酚等其他物质的混合气体，一般可用来工业和生活燃气供应。
1.1.1半水煤气的成份基本上就是氮气，氧气，氢气，一氧化碳，水蒸汽，可燃成分主要是氢气和一氧化碳，与氮气的比例为3.1～3.2，也是一种合成氨原料气。
1.1.2半水煤气的性质将蒸汽和空气（或富氧空气）按1:1的比例一起吹入煤气发生炉中与赤热的无烟煤或焦炭作用而产生，是水煤气和发生炉煤气的混合气体。
也可将分别制成的水煤气和发生炉煤气按一定比例配合而得。
这种煤气在除去氧、一氧化碳、二氧化碳、硫化物等杂质后，其氢与氮的组成为3：1的半水煤气，作为合成氨的原料气。
1.2产品情况介绍工业上大多用蒸气和空气轮流吹风的间歇法，或用蒸气和氧一起吹风的连续法。
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“半水煤气”。
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。
可用喷射式无焰烧嘴进行燃烧，空气和煤气不用预热。
1.3半水煤气的反应机理天然气间歇催化转化制合成氨原料气, 按吹风、制气两个阶段循环进行, 其化学反应较管式炉蒸汽转化复杂,是周期性的出现与消失。
1.3.1吹风阶段经脱硫并减压至0.8~1.0kg/平方cm左右的天然气与罗茨鼓风机来空气（压力0.2~0.35kg/平方cm）按比例分别从蜗壳烧嘴的天然气管和空气管加入，经蜗壳混合后进入燃烧炉炉膛燃烧，产生1300℃左右的高温吹风气，经第一蓄热炉和第二蓄热炉，提高了蓄热炉内蓄热砖温度，再从转化炉顶部进入触媒层，一方而吹风气所带的部分热量（物理热）被触媒吸收．另一方面吹风气中残氧与触媒中金属镍发生氧化反应，放出的热量（化学热）提高触媒层温度，吹风气从转化炉底部出来，温度约850℃，进入废热锅沪管内，使管间软水蒸发，产生7~9kg/平方cm的饱和蒸汽，最后，吹风气从废热锅炉出来，温度250℃左右，经软水预热器降温至150℃左右，由自动三通阀送入烟囱放空。
此时吹风气含有大量氮气、二氧化碳和0.5％以下的氧，是进行系统置换最好的隋性气。
必要时，可用人工操作自动三通送入气柜。
同时该气体也可以用来降低合成气的氢氮比。
制气阶段：来自罗茨鼓风机的空气（压力为0.2~0.35kg/平方cm ) 与减压为1.0kg/平方cm左右的蒸汽按比例从燃烧炉炉膛加入，经炉膛和第一蓄热炉加热至900℃与从第一蓄热炉出口按比例加入的天然气混合，此天然气是经脱硫并减压至0.8~1.0 kg/平方cm的，此混合气体在第二蓄热炉和转化护上部空间发生高温的非催化反应，放出热量，气体进入触媒层在850~900℃左右进行催化反应，并还原吹风阶段氧化了的金属镍，转化气从转化炉底部出来，温度约850℃左右进入废热锅炉管内，使管间软水蒸发，产生7~9kg/平方cm的饱和蒸汽；转化气从废热锅炉出来，温度约为250℃,经软水预热器降温至150℃，经自动三通阀送入洗气箱和洗气塔除尘并冷却，至常温送入气柜。
为了便于调节吹风天然气流量，在天然气凋节阀处设有一条副线（细调）；在天然气和空气自动阀之前各设一快关阀供开停车用，并在快关阀与自动阀之间各设有一泄压阀，以防停车后空气或天然气漏入系统，造成触煤超温或析炭。
在蜗壳烧嘴上配有点火夭然气和空气、还原天然气和空气及还原蒸汽管线。
在烟囱下部还配有点火时抽负压用的蒸汽吸引管线，为了处理升温还原中的超温事故，在制气天然气入多少口还配有二次蒸汽管线。
由于造气过程是间歇性的，吹风和制气各占循环时间的50％，为了稳定各气（汽）压力，一般采用双系统生产。
吹风阶段是整个过程的升温、蓄热阶段,，天然气与一定量的过量空气(n一12 倍)经蜗壳烧嘴在燃烧炉膛内完全燃烧。
(碳2以上烷烃同甲烷燃烧反应)CH4 + 2O2 == CO2 + 2H2O + 热量 (1)从生产实践中的吹风烟气分析数据得知,天然气已基本烧尽, 如表1。
天然气燃烧后,高温烟气本身的物理热经蓄热层、触媒层时放出,一部分蓄存在蓄热砖及触媒上。
烟气中含有一定量的残余氧,与其他活性物质接触时会发生反应。
在第二蓄热层中, 此残余氧与制气阶段裂解生成的少量炭反应:：C + O2 == CO2 + 热量 (2)进入触媒层后,它再与已还原的金属镍反应:2Ni + O2 == 2NiO + 热量 (3)反应(3)在靠近气体进口处的触媒上发生的尤为剧烈,导致触媒在气体进口处有较大的温度波动。
从表2列出的吹风气中残余氧含量的变化可知,反应剧烈的地方在进口处。
反应伴随着大量的放热,这个热量对整个循环过程是极为重要的。
一般,这个热是为整个过程需热的10%左右, 是绝不可忽视的。
在吹风阶段中,除上述主要反应外,烟气中的二氧化碳和水蒸汽也能与金属镍进行氧化反应:CO2 + Ni == CO + NiO - 热量 (4)H2O(g) + Ni == H2 + NiO + 热量 (5)同时触媒中有一部分活性镍被氧化成无活性的氧化镍。
氧化镍中有一小部分与触媒中A12O3作用生成尖晶石::Al2O3 + NiO == NiAl2O4 (6)尖晶石没有活性, 也较难还原, 应尽量减少生成尖晶石的可能。
1.3.2制气阶段在制气阶段中,蒸汽、加氮空气与燃烧炉的蓄热层进行热交换。
这时燃烧炉相当于一个蒸汽、加氮空气预热器。
但从天然气进口以后,就开始了各种复杂的反应。
(1)从天然气进口到转化炉蓄热层以前的空间反应:天然气进入炉内与高温蒸汽、空气混合气相遇后, 立即发生下列反应: 氧化反应:CH4 + 2O2 == 2CO2 + H2O + 热量 (1)CH4 + O2 == CO + H2 + H2O + 热量 (7)CH4 + 0.5O2 == CO + H2 + 热量 (8)变换反应：CO + H2O(g) == CO2 + H2 + 热量 (9)甲烷与高温水蒸气反应：CH4 + H2O(g) == CO + 3H2 –热量 (10)从表3可知,制气时配入的空气带入的氧绝大部分已经消耗于氧化反应(1)、(7)、(8),其中又以反应(1)为主。
伴随着这些反应放出大量的热。
温度越高,反应进行的越深,放出的热量越多,反过来又促使温度升高。
反应(10)的反应速度很慢。
表3是1号炉分析数据,天然气:空气:水蒸汽= 1:1.0:0.9 ,T5=810℃，空速= 464每小时。
除上述反应外,这个区间还有裂解反应发生。
CH4 == C + 2H2 –热量 (11)配入适量的水蒸汽能阻止裂解出炭的反应进行。
配入的水蒸汽量越多,析出炭的可能性越小。
在适当的蒸汽比之下可以防止炭析出。
从生产实践看,蒸汽与天然气之比在0.8~1.0之间为宜。
(2)第二蓄热层及其空呵的反应:这个区间的反应与(1)的反应基本类似,有反应(1)、(7)、(8)及裂解反应(1 1),但(7)、(8)所占比例上升了。
(3)触媒层中的反应:气体进入触媒层后, 以反应(10)、(12)为主：CH4 + CO2 == 2CO +2H2 –热量 (12)从T4到T5处仍有反应(8)在进行。
同时,吹风阶段被氧化了的那一部分触媒被制气阶段的CO十H2还原成有活性的金属镍:NiO + CO == CO2 + Ni + 热量 (13)NiO + H2 == H2O + Ni –热量 (14)随着触媒被还原的越彻底,其活性也增加。
当然还有带进触媒的炭的气化反应:C + H2O == CO + H2 (15)C + 0.5CO == CO (16)镍触媒对炭的气化是有促进作用的。
在接近触媒出口时,基本进行变换反应,并达相应的平衡:CO + H2O == CO2 + H2 + 热量 (9)故出口处的一氧化碳增加到最大值。
为了保证各阶段在转化时不因物料比瞬间失调而析出炭,制气阶段蒸汽提前加入,延迟切除。
间歇催化转化过程中的反应热:从氧化反应(3)和还原反应(13)、(14)可知, 在循环操作中,触媒中活性镍被反复氧化还原。
每氧化一克分子活性镍同时放热58.5仟卡；而还原一克分子氧化镍,仅吸热0.6仟卡。
这样在一个循环中,从镍触媒每一克分子镍的氧化还原过程中,可放热58.8仟卡。
从反应(10)可知,每克分子甲烷与蒸汽进行转化反应所吸之热为49.3仟卡。
由此可见,在镍的氧化还原过程中可得的反应热,是极重要的热源之一,它直接储存在触媒上,热效率很高。
为了获得这部分反应热,就需在吹风阶段中配入一定量的过量空气,以便使吹风气中含有一定量的残余氧。
残余氧量太低时,所得的反应热就少,对过程的热平衡及温度合理分布不利,若残余氧量太高时,则在触媒层储存的反应热太大,易使触媒局部过热,甚至将触媒烧结。
我们在试车时,触媒温度曾很高,残氧含量较高,在开车后,残氧含量较合适。
所以,选择适当的残余氧含量对反应是重要的, 通过生产实践,我们认为,残余氧含量在3~4%较好。
2半水煤气生产的目的意义和必要性承恩有限公司是由嘉兴中华化工厂集团和嘉兴以化化工集团共同投资兴建的涉及钾盐、化肥、热电等行业的大型企业。
根据国家相关政策，结合嘉兴市大桥镇的实际情况以及承恩有限公司的现状，为了进一步扩大生产规模，满足市场需求，提高经济效益，发挥企业现有技术等优势，增强企业发展后劲，决定在嘉兴市科技园区内新上30000m3/h 天然气制半水煤气工程项目。
从生产实践看，采用天然气间歇催化转化制取合成氨原料气的生产工艺路线有以下特点：2.1与采用固体原料造气法比，生产成本低，操作简便，人员少，消耗定额低，产品质量好。
2.2与天然气部分氧化法比, 不需纯氧, 不用昂贵的空分设备, 投资省。
2.3此法不需特殊设备、材料。
易于制造。
建厂速度快(蓄热炉不象管式炉蒸汽转化法需用特殊的高镍铬合金钢管)；将煤焦为原料制半水煤气的设备改造后, 可用于此法生产。