1、河北联合大学本科毕业设计开题报告题目： 年产 70 万吨焦炭焦化厂鼓冷工段初步设计学 院： 化学工程学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 10 化工（2）班 姓 名： * 学 号： * 指导教师： 樊丽华老师 2014 年 3 月 20 日一、 选题背景1.1 毕业设计题目来源：结合企业实际。1.2 应用性和先进性及发展前景1.2.1 煤化工发展简史煤的焦化也叫煤的干馏，就是把煤置于隔绝空气的密闭炼焦炉内加热，煤分解生成固态的焦炭、液态的煤焦油和气态的焦炉气。焦炭的主要用途是炼铁，少量可作化工原料制造电石、电极等，因此随着钢铁行业的发展，焦化工业也在逐渐发展起来；煤焦油是黑色黏稠性的油状液
2、体，其中含有苯、酚、萘、蒽等重要化工原料，它们是医药、农药、炸药、染料等行业的原料，经适当处理可以加以分离；此外还可以从煤焦油中分离出吡啶和喹啉，以及建筑和铺路用的沥青等；从炼焦炉出来的气体，除了有可燃气体CO、H 2、CH 4 之外，还有乙烯、苯、氨等。在上述气体冷却的过程中，氨气溶于水而成氨水，进而可加工成化肥，苯等芳香烃化合物不溶于水而冷凝为煤焦油，乙烯等气体可分离后用于化工原料 1。世界焦炭产量于20世纪70年代达到顶峰，即3.8亿吨左右，从80年代初以来，世界焦炭产量呈下降趋势，90年代曾下降到3.3亿吨，到20世纪末，各国焦炭生产增减幅度已明显变小，21世纪初期世界焦炭产量基本稳定
3、。在本世纪3.5亿吨上下，与焦炭需求量是基本平衡 2。近几年世界焦炭产量略有回升，但总量变化不大，焦炭产量大幅度增长的主要是中国、韩国、巴西等几个发展国家 3。现行国外的焦化厂大规模现代化改造工程清晰的表明高炉在今后的铁水生产中仍然扮演着至关重要的角色。在可以预见的将来，直接还原技术工艺还不能取得突破性进展，无法代替高炉作为炼钢生产的大规模优质的原料源泉 4。因此，保持质量稳定的焦炭供应对钢铁生产仍是重要的。今天的炼焦技术已经高度成熟，虽然热加收炼焦技术已经在某些市场中推广，但国外一些地区仍然采用传统炼焦工艺技术来实现焦炭产量。传统焦炉的炭化室容积已经超过了90m 3，炼焦工艺做到了环保，煤气
4、处理高效化。我国是一个油缺、气少、煤炭相对丰富的国家。至2009 年底已探明可采的石油、天然气、煤炭储量分别为20 亿吨、2.46 万亿立方米和1145 亿吨，储采比分别为10.7、28.8 和38 5。有关研究认为随着科技进步，加大资金投入，我国石油、天然气都还有增加探明可采储量的潜力 6 ，其中增加煤炭探明可采储量的潜力最大，据报道近几年新疆准格尔东部地区加强了勘探，累计探明煤炭资源量已达2136 亿吨 7。而随着我国经济的发展，石油消费快速增长，国内增产能力有限，进口量快速增加，进口依存度越来越高，国际油价居高不下及国内外市场对化工原料的旺盛需求，发展现代煤化工已成为我国能源发展战略的重
5、要组成部分 8。进入21世纪，我国煤化工逐渐升温形成煤化工发展热 9。这对我国实施石油替代战略及化学工业的结构调整具有十分重要的意义。现代煤化工向一体化、基地化、大型化、现代化方向发展，即大学和煤矿结合实行上下游一体化，煤化工产业向煤炭深加工和综合利用方向发展。在产煤基地集中布置相关企业充分、高效、合理利用资源，生产规模和经济效益有了明显改善；建设大规模的装置，提高了国际竞争力，并且近几年由于新型煤化工在中国正面临新的发展机遇和长远的发展前景 10。煤炭焦化、煤气化一合成氨一化肥已是中国主要的煤化工产业。随着技术、经济的发展和市场的巨大需求，煤炭焦化、煤气化一甲醇及下游化工产品等将得到快速发展
6、；煤制油(直接液化、间接液化)技术的开发和产业化将倍加受到关注 11，先进的催化合成技术、分离技术、生物化工技术、节能与环保技术、材料与大型工业装备制造技术 12等是新型煤化工的发展基础。在引进和吸收工业发达国家先进技术的同时，发展适合国内需求的、具有自主知识产权的新技术和新装备制造能力，是实现跨越式技术发展和产业化持续发展的战略需求。1.2.2 煤气初步冷却的目的和意义煤气的初步冷却可以分两阶段进行：第一阶段是在集气管以及桥管中用表压显示为 147-196KPa 的循环氨水强烈喷洒进行，使煤气冷却到 82-86，同时有 60左右的焦油气冷凝下来；第二阶段炼焦煤气由集气管沿吸煤气主管流向煤气初
7、冷器，再在煤气初冷器中冷却，可将煤气冷却到 25-35，并将大部分焦油气和蒸汽冷凝下来。煤气的初冷，输送及初步净化，是炼焦化学产品回收工艺过程的基础。其操作运行的好坏，不仅对回收工段的操作有影响，而且对焦油蒸馏工段及炼焦炉的操作也有影响。因此，对这部分工艺及设备的研究都很重视 13。煤气初冷的目的一是冷却煤气，二是使焦油和氨水分离，并脱除焦油渣。在炼焦过程中，从焦炉炭化室经上升管逸出的粗煤气温度为 650-750，首先经过初冷，将煤气温度降至 25-35，粗煤气中所含的大部分水气、焦油气、萘及固体微粒被分离出来，部分硫化氢和氰化氢等腐蚀性物质溶于冷凝液中，从而可减少回收设备及管道的堵塞和腐蚀；
8、煤气经冷却后，体积变小，从而使鼓风机以较少的动力消耗将煤气送往后续的净化工序。煤气经初冷后，温度降低，是保证炼焦化学产品回收率和质量的先决条件。同时煤气由炭化室出来经集气管、吸气管、冷却及净化设备直到煤气储罐或送回焦炉，要通过很长的管道及各种设备，为了克服这些设备和管道阻力及保持足够的煤气剩余压力，还要对煤气进行加压 14。1.2.3 鼓风冷凝工艺流程被冷却的煤气与冷却介质直接接触的冷却器，称为直接混合式冷却器，简称为直接冷却器或直接冷却；被冷却的煤气与冷却介质分别从固体壁面的两侧流过，煤气将热量传给壁面，再由壁面传给冷却介质的冷却器，称为间壁式冷却器，简称为间接冷却或间接冷却器。根据采用的初
9、冷主体设备型式的不同，初冷的方法有间接初冷法、直接初冷法和间接直接初冷法之分。上述三种各有缺点，可根据生产规模，工艺要求几其他条件因地制宜地选择采用。（1）煤气的间接冷却工艺煤气间接工艺流程图如下：图 1 煤气间接初冷工艺流程1气液分离器 2煤气初冷器 3煤气鼓风机 4电捕焦油器 5冷凝液槽；6冷凝液液下泵 7鼓风机水封槽 8电捕焦油器水封槽 9机械化氨水澄清槽 10氨水中间槽 11事故氨水槽 12循环氨水泵 13焦油泵 14焦油贮槽 15焦油中间槽 16初冷冷凝液中间槽 17冷凝液泵焦炉煤气与喷洒氨水、冷凝焦油等沿吸煤气主管首先进入气液分离器，煤气与焦油、氨水、焦油渣等再次分离。分离下来的焦
10、油、氨水和焦油渣一起进入焦油氨水澄清槽，经过澄清分成三层：上层为氨水，中层为焦油，下层为焦油渣。沉淀下来的焦油渣由刮板输送机连续刮送到漏斗处排出槽外，焦油则通过液面调节器流至焦油中间槽，由此泵往焦油贮槽，经初步脱水后泵往焦油车间。经气液分离后的煤气进入数台并联立管式间接冷却器内用水间接冷却，煤气走管间，冷却水走管内。从各台初冷器出来的煤气温度是有差别的，汇集在一起后的煤气温度称为集合温度。随着煤气的冷却，煤气中绝大部分焦油气、大部分蒸气和萘在初冷器中被冷凝下来，萘溶解于焦油中。煤气中一定数量的氨、二氧化碳、硫化氢、氰化氢和其他组分溶解于冷凝水中，形成了冷凝氨水。焦油和冷凝氨水的混合液称为冷凝液
11、。如上图所示，冷凝液自流入冷凝液槽，再用泵送入机械化氨水澄清槽，与循环氨水混合澄清分离，分离后所得剩余氨水送去脱酚和蒸氨。上述煤气间接初冷流程适用于生产硫铵工艺系统。当生产浓氨水时，为使初冷后煤气集合温度达到 20.左右，宜采用两端初步冷却。两段初冷可采用如图 2 所示具有两段初冷功能的初冷器，其中前四个煤气通道为第一段，后两个煤气通道为第二段。在第一段用循环冷却水将煤气冷却到约 45，第二段用低温水将煤气冷却到 25以下。（2）煤气的直接冷却工艺煤气在直接冷却器中的初步冷却，是由煤气和冷却水直接接触混合，将热量传给冷却水而完成的。我国的一些小型焦化厂多采用直接式初冷流程 15如图 3。图 3
12、 煤气直接初冷工艺流程1-气液分离器 2-焦油盒 3、4-直接式煤气初冷塔 5-罗茨鼓风机 6-电捕焦油器 7-水封槽 8-焦油泵 9-焦油循环氨水泵 10-焦油循环氨水澄清槽 11-焦油槽 12-焦油池 13-焦油泵 14-初冷循环氨水澄清池 15-初冷循环氨水冷却器 16-初冷循环氨水泵 17-剩余氨水泵图 2 两段初冷器从吸气管来的 80-85的焦炉煤气经气液分离器后，进入直接式木格填料初冷塔、用氨水喷洒冷却到 28，然后用鼓风机送到后续工段。从气液分离器分离出来的循环氨水和焦油进入焦油氨水澄清槽，从澄清槽出来的循环氨水，用泵送回集气管喷洒冷却煤气。澄清槽底部的焦油用泵送入焦油槽进一步处
13、理。初冷塔底部流出的氨水和冷凝液进入氨水池，在此与洗氨塔来的部分氨水混合并进入分离，分离出的焦油与氨水澄清槽分离的焦油混合，送往焦油车间加工处理。而氨水则用泵送入喷淋式冷却器，经冷却后送至初冷塔循环使用，多余的氨水则送去蒸氨。煤气直接冷却，不但冷却了煤气，而且具有净化煤气的良好效果。在实际生产中，直接初冷塔可洗去进塔煤气中 90%以上的焦油，80%左右的氨，60%以上的萘，以及约 50%的硫化氢、氰化氢。这对后面洗氨、洗苯过程及减少设备腐蚀，都是有益的。它与煤气间接初冷工艺相比，直接初冷工艺有冷却效率高、煤气压力损失小、不易堵塞以及基建投资和钢材用量少等优点。但其工艺流程较复杂、动力消耗较大、
14、循环氨水冷却器易堵塞等缺点。所以，大型焦化厂已很少单独采用煤气直接初冷流程。（3）煤气的间-直冷却工艺 图 4 间冷直冷相结合的煤气初冷工艺流程1-气液分离器 2-横管式间接冷却器 3-直冷空喷塔 4-液封槽 5-螺旋换热器 6-机械化氨水澄清槽 7-氨水槽 8-氨水贮槽 9-焦油分离器 10-焦油中间槽 11-焦油贮槽间-直冷却工艺是间接冷却与直接冷却相结合的方式即用间接冷却器将煤气温度从 80-90冷却到 50-55 后，再用直接冷却器进一步冷却。在间冷阶段，由于温差大、冷凝液量多和奈量相对较少，传热系数高，可大幅度减少所需的传热面积。而在直冷阶段，可充分发挥净化煤气的效果，降低煤气中的含
15、奈量和腐蚀性介质。但也存在工艺复杂、设备多、能耗高和占地面积大等缺点，国内仅宝钢采用。1.2.4 鼓风冷凝设备(1) 初冷器型式初冷器是焦化厂煤气冷却的主要设备，主要有立管式间接初冷器和横管式间接初冷器两种，下面分析各自的优缺点。1）立管式间接初冷器如图 5 所示，立管式间接初冷器的横断面呈长椭圆形，直立的钢管束装在上下两块管栅板之间，被五块纵板分成六个管组，因而煤气通路也分成六个流道。煤气走管间，冷却水走管内，二者逆向流动。冷却水从冷却器煤气出口端底部进入，依次通过各组管束后排出器外，并且六个煤气流道的横断面积是不一样的，这是因为煤气流过出冷气时温度逐步降低，并冷凝出液体，煤气的体积流量逐渐
16、减小。为使煤气在各个流道中的流速大体保持稳定，所以沿煤气流向各流道的横断面积依次递减，而冷却水沿起流向各管束的横断面积则相应递增。立管式出冷器一般均为多台并联操作，煤气流速为 3-4m/s，煤气通过阻力约为0.5-1kPa。2）横管式间接初冷器如图 6 所示，横管式初冷器具有直立长方形的外壳，冷却水管与水平面成 3 度角横向配置。管板外侧管箱与冷却水管连通，构成冷却水通道，可分两段和三段供水。两段供水是供低温水和循环水，三段供水则供低温水，循环水和采暖水。煤气自上而下通过初冷器，冷却水由每段下部进入，低温水供入最下段，以提高传热温差，降低煤气出口温度，在冷却器壳程每段上部，设置喷洒装置，连续喷
17、洒含煤焦油的氨水，以清洗管外部的煤焦油和萘，同时还可以从煤气中吸收一部分萘。在横管初冷器中，煤气和冷凝液由上往下同时流动，较为合理。由于管壁上的萘可被冷凝液冲洗和溶解下来，同时与冷凝液上部喷洒氨水，自中部喷煤焦油，能更好的冲洗掉沉积的萘，从而更有效的提高了传热系数。此外，还可以防止冷凝液再度蒸发。图 5 立管式间接初冷器横管初冷器与竖管初冷器两者相比，横管初冷器有更多优点，如对煤气的冷却，净化效果好，节省钢材，造价低，冷却水用量少，生产稳定，操作方便，结构紧凑，占地面积省。因此，近年来，新建焦化厂广泛采用横管初冷器，已很少采用竖管初冷器了。3）初冷系统的最新改进在正常运行中，经过喷洒液冲洗下来
18、的焦油混合物，由于含有大量的结晶萘形成的焦油渣堵塞下液口，从而初冷器内部积液，当达到一定程度，初冷器正压不过煤气，情况严重时造成煤气鼓风机喘振，跳车。并且当初冷系统运行效果差，在后续工段中电捕焦油器工作负荷比设计高出2 3 倍，频繁的出现故障，电捕除焦油器的正常运行周期非常短。为此，酒钢焦化厂 16根据自身存在的问题提出改进措施。为防止初冷器清扫时流出的萘油，遇同一系统运行的初冷器水封流出的低温冷凝液而析出结块，而使满流总管堵塞，须在清扫前将运行初冷器的煤气出口温度控制在 28 以上，同时打开水封系统加热器保证冷凝液温度不会偏低，并且为防止初冷器清扫时流出的大量萘油带入喷洒泵，送入同系运行的初
19、冷器内造成挂萘堵塞，须先关小喷洒泵入口阀门，并打开出口管旁通不能含萘冷凝液进入运行的初冷器。（2）各种鼓风机的优缺点图 6 横管式初冷器煤气由炭化室出来经集气管、吸气管、冷却及回收设备和管道阻力及保持足够的煤气剩余压力，需设置煤气鼓风机。同时，在确定化产回收工艺流程及所用设备时，除考虑工艺要求外，还应该使整个系统煤气输送阻力尽可能小，以减少鼓风机的动力消耗。焦化厂焦炉煤气鼓风机有离心式和容积式两种。离心式用于大型焦炉，容积式常用的是罗茨鼓风机，用于中型和小型焦炉。1）煤气的输送系统及其阻力吸入方为负压，压出方为正压，鼓风机的机后压力与机前压力差为鼓风机的总压头。鼓风机一般设置在初冷器后面。这样
20、，鼓风机吸入的煤气体积小，负压下操作的设备及煤气管道少。有的焦化厂将油洗萘塔及电捕焦油器设在鼓风机前，可防止鼓风机堵塞。2）煤气输送管道煤气管道应有一定的倾斜度，以保证冷凝液按预定方向自流。吸气主管顺煤气流向倾斜度为 1%，鼓风机前后煤气管道顺煤气流向倾斜度为 0.5%，逆煤气流向为0.7%，饱和器后至粗笨工序前煤气管道逆煤气流向倾斜度为 0.7%-1.5%。由于萘能够沉积于管道中，所以在可能存积萘的部位，均设有清扫蒸汽口。此外，还设有冷凝液导出口，以便将管内冷凝液放入水封槽。在全部回收设备之后的回炉煤气管道上，设有煤气自动放散装置，当煤气压力超过允许值时将煤气自动放散，否则鼓风机的操作调节将发生困难，不能保持焦炉集气管煤气压力的规定值。3）离心式鼓风机的构造图 7 离心式鼓风机示意图如图 7 所示离心式鼓风机由导叶轮，外壳和安装在轴上的两个工作叶轮组成。煤气由吸入口进入高速旋转的第一工作叶轮，在离心力的作用下，增加了静压能并被甩向叶轮外面的环形空隙，于是在叶轮中心处形成负压，煤气及不断吸入。由叶轮甩出的煤气速度很高，当进入环形空隙速度减小，其部分动能变成静压能，并沿
