Тема недели: обсуждение высокой производительности и низкого расхода при производстве синтетического аммиака

1. Выбирать катализаторы с низкой или высокой активностью по отношению к аммиаку для максимального снижения температуры на входе в катализаторный слой аммиакового синтезатора и давления в системе. 2. Усовершенствовать конструкцию сепаратора аммиака путем применения комбинированной структуры сепарации, чтобы максимально снизить содержание капель жидкого аммиака. 3. Рекомендуется заменить аммиаковый синтезатор, если это позволяют финансовые возможности, на синтезатор с радиальным диаметром оси; это позволит снизить сопротивление в аммиаковом синтезаторе до уровня ниже 0,6 МПа. Ожидается также повышение чистого содержания аммиака, что является ключевым фактором для снижения энергопотребления

Ответ 1# TH373637: Синтез аммиака. Аммиак является одним из важных неорганических химических продуктов, играющим значительную роль в национальной экономике. Помимо жидкого аммиака, который может использоваться в качестве удобрения напрямую, все азотные удобрения, применяемые в сельском хозяйстве — такие как мочевина, нитраты аммония, фосфаты аммония, хлориды аммония, а также различные комплексные удобрения, содержащие азот, — получаются на основе аммиака. Синтетический аммиак является одним из основных химических продуктов. Ежегодно в мире производится более 100 миллионов тонн синтетического аммиака. Примерно 80% от этого объема используется для производства химических удобрений, а 20% служит сырьем для производства других химических продуктов. Немецкий химик Хабер в 1909 году предложил способ промышленного синтеза аммиака — так называемый «циклический метод», который в настоящее время является основным методом прямого синтеза, используемым в промышленности. В процессе реакции, чтобы преодолеть проблему низкого коэффициента превращения водорода и азота, аммиак из газов, образовавшихся после синтетической реакции, отделяется. Нереагировавшие газы смешиваются с свежим водородом и азотом и снова используются в синтетической реакции. Уравнение реакции синтеза аммиака выглядит следующим образом: N2 + 3H2 ≈ 2NH3. Основными исходными материалами для синтеза аммиака являются твердые, жидкие и газообразные вещества. За почти сто лет развития технология синтеза аммиака достигла зрелости, что привело к появлению большого количества процессов с уникальными особенностями. Однако все они состоят из трех основных этапов: подготовка исходного газа, его очистка и сам процесс синтеза аммиака. 1. Технологический процесс синтеза аммиака (1) Подготовка исходного газа. Из угля, природного газа и других исходных материалов получается грубый исходный газ, содержащий водород и азот. Для твердых исходных материалов — угля и кокса — для получения синтез-газа обычно используется метод газификации ； Синтез-газ можно получить из нефтяного гудра с помощью метода некаталитического частичного окисления ； Для газообразных углеводородов и нефтяного газа в промышленности для получения синтез-газа используется метод двухстадийной паровой конверсии. (2) Очистка. Проводится очистка сырого газа с целью удаления примесей, кроме водорода и азота; это включает в себя процессы конверсии, десульфуризации и декарбонизации, а также процессы рaffинирования газа. ① Процесс преобразования монооксида углерода. При производстве аммиака сырой газ, получаемый различными способами, всегда содержит CO; его объемная доля обычно составляет от 12% до 40%. Двумя компонентами, необходимыми для синтеза аммиака, являются H2 и N2, поэтому необходимо удалять CO из синтез-газа. Реакция преобразования выглядит следующим образом: CO + H2O → 2H2 + CO2, ΔH = -41,2 кДж/моль при температуре 298 К. Поскольку процесс преобразования CO является сильно экзотермическим, его необходимо проводить поэтапно, чтобы можно было использовать выделяющееся тепло и контролировать содержание остаточного CO на выходе из каждого этапа. Первый шаг — термическое преобразование, при котором большая часть CO превращается в CO2 и H2 ； Второй шаг — низкотемпературная трансформация с целью снижения содержания CO до примерно 0,3%. Таким образом, реакция преобразования CO является как продолжением процесса получения исходного газа, так и процессом его очистки, что создает условия для последующего декарбонизации. ② Процессы десульфуризации и декарбонизации: сырой газ, получаемый из различных исходных материалов, содержит определенное количество оксидов серы и углерода. Чтобы предотвратить отравление катализаторов в процессе производства аммиака, необходимо удалить эти вещества до начала процесса синтеза аммиака. При использовании природного газа в процессе паровой конверсии первым этапом является десульфуризация, что позволяет защитить катализаторы, используемые в процессе конверсии. При использовании тяжелого нефтяного топлива и угля в процессе частичной окисления место десульфуризации определяется в зависимости от того, используется ли катализатор, устойчивый к действию серы, для преобразования монооксида углерода. Существует множество способов промышленной десульфуризации; обычно используются методы физического или химического поглощения. Среди наиболее распространенных методов — процесс очистки с использованием метанола при низкой температуре (Rectisol), а также метод с использованием диметилэтера полиэтиленгликоля (Selexol). После преобразования сырого газа с помощью процесса CO-трансформации в полученном газе, помимо H2, присутствуют также такие компоненты, как CO2, CO и CH4; наибольшее содержание имеет CO2. CO2 является токсином для катализаторов синтеза аммиака, а также важным сырьем для производства азотных удобрений, таких как мочевина и аммониум бикарбонат. Поэтому при удалении CO2 из преобразованного газа необходимо учитывать требования обоих аспектов. Обычно для удаления CO2 используется метод поглощения в растворе. В зависимости от свойств поглотителя их можно разделить на две основные категории. Одна из категорий — это методы физического поглощения, такие как процесс очистки с использованием метанола при низких температурах (Rectisol), метод с использованием диметилэтоксида полиэтилена (Selexol) и метод с использованием пропиленкарбоната. К первой категории относятся методы химического поглощения, такие как метод с использованием горячего калиевого щелочного раствора, метод Бенфилда с низким энергопотреблением, метод активированного MDEA, метод MEA и др. 4 ③ Процесс очистки газа. В сыром газе, который прошел процедуры преобразования CO и удаления CO2, все еще содержится небольшое количество остаточного CO и CO2. Для предотвращения токсичного воздействия на катализатор синтеза аммиака установлено, что общее содержание CO и CO2 не должно превышать 10 см3/м3 (по объему). Поэтому перед поступлением сырого газа в процесс синтеза необходимо провести его окончательную очистку, то есть процесс рaffинирования. В настоящее время в промышленном производстве методы окончательной очистки делятся на метод глубокого охлаждения и метод метанации. Метод глубокого охлаждения заключается в использовании жидкого азота в качестве средства для разделения компонентов; это происходит при высоких температурах охлаждения

Участок производства газа — это сегмент производства аммиака с наибольшим энергопотреблением и одновременно с наибольшим количеством избыточного тепла. Снижение потребления сырья, пара и электроэнергии в процессе производства газа, а также эффективное использование отходящего тепла являются эффективными способами снижения общего энергопотребления и производственных затрат при синтезе аммиака. Теоретическая энергозатратность на производство одной тонны синтетического аммиака составляет 22,78×106 кДж, однако в реальных условиях даже у некоторых более современных предприятий уровень фактических энергозатрат значительно превышает этот показатель. Следовательно, как с точки зрения теоретического анализа, так и на практике, существует значительный потенциал для дальнейшего снижения энергопотребления при производстве синтетического аммиака. Глубокое использование этого потенциала и стремление к снижению производственных затрат являются ключом к выживанию и развитию отрасли производства нитрогенных удобрений. Проблема энергосбережения касается всех этапов производственного процесса на заводе. В данной статье подробно рассматривается, как на этапе производства газа можно повысить эффективность использования углерода, сократить потребление пара и уменьшить расходы на электроэнергию. 1 Способы повышения эффективности использования топлива. Количество углерода, преобразующегося в состав полугазообразного водорода в процессе газификации топлива, называется эффективным расходом. На практике, в процессе газификации также тратится большое количество углерода в других формах: углерод, сгорающий во время подачи воздуха, углерод, не сгоревший в золе, а также углерод, содержащийся в частицах пыли, уносимых газом. На самом деле количество углерода, преобразующегося в полугидрогенсодержащий газ, представляет собой лишь часть ресурсов, потребляемых в процессе производства газа; соотношение этого количества к общему объему используемых ресурсов и является показателем эффективности использования углерода. В производстве чем выше доля эффективно используемых ресурсов в общем объеме расходуемых, тем лучше. Для этого необходимо стремиться повысить эффективность использования топлива и свести к минимуму потери углерода в других формах. Углерод, попадающий в полугазообразный уголь при процессе газификации исходных материалов, существует в виде монооксида углерода и диоксида углерода; образование метана является нежелательной побочной реакцией. Если сорт сырья, используемого для газификации, и условия газификации уже определены, то общее количество углекислого газа и монооксида углерода в полугидрогенсодержащем газе также будет иметь определенное значение. При нынешнем уровне производства газа содержание монооксида углерода в полугидрогенсодержащем газе обычно составляет от 28% до 31%, а содержание диоксида углерода — от 7% до 8%. Если для производства одной тонны аммиака требуется определенное количество полугидрогенсодержащего газа, которое обозначается как V_пол, и общее содержание углекислого газа и монооксида углерода в этом газе составляет 30% + 7,5% = 37,5%, то количество углерода, попадающего в полугидрогенсодержащий газ при производстве одной тонны аммиака, равно: 0,375 × 12 / 22,4 × V_пол = 0,2009 × V_пол (кг/т NH3). В эквиваленте стандартного угля это соответствует значению: 0,2009 × V_пол ÷ 0,84 = 0,239 × V_пол (кг/т NH3). Здесь 0,375 — это процентное содержание компонентов CO + CO2 в полугидрогенсодержащем газе ； 12 — атомная масса углерода ； 22.4 — объем на тысячу моль в стандартных условиях (Нм³); V½ — количество аммиака и полугаза, потребляемое на тонну (Нм³) ； 0,84 — содержание углерода в тонне стандартного угля. Если на производство одной тонны аммиака требуется 3200 Нм3 газа с содержанием полугидрокарбона, при этом содержание CO составляет 30%, а содержание CO2 — 7,5% (CH4 не учитывается), то теоретическое количество углерода, необходимое для производства одной тонны аммиака, составляет: 0,239 × 3200 = 764,8 кг стандартного угля. На практике не весь углерод переходит в газ с содержанием полугидрокарбона. Если эффективность использования углерода составляет 65%, то количество стандартного угля, необходимого на производство одной тонны аммиака, равно: 764,8 ÷ 0,65 = 1176,6 кг. Если же эффективность использования углерода повысится до 70%, то количество стандартного угля сократится до: 764,8 ÷ 0,7 = 1092,6 кг. Повышение эффективности использования углерода с 65% до 70% позволяет сократить потребление стандартного угля на 84 кг на тонну аммиака. Таким образом, стремление к повышению эффективности использования углерода является основным способом снижения его потребления. Это также ключ к повышению экономической эффективности предприятия. Например, в предприятии, производящем 100 тысяч тонн синтетического аммиака в год, если уровень использования углерода в процессе производства газа повысится с 65% до 70%, то ежегодная экономия составит: 10×0,084×800 = 672 (тысячи юаней в год). Здесь 10 — это годовой объем производства синтетического аммиака ； 0,084 —— тонны аммиака эквивалентны определенному количеству угля, тонны ； 800 —— по текущей цене угля стандартной тонны в печи, юаней. Для повышения эффективности использования углерода необходимо выполнить следующие действия ； (1) Повышение эффективности воздухообмена. Цель воздухообмена — повысить температуру слоя газификации и накопить тепло для создания условий для процесса производства газа. Эффективность воздухообмена — это отношение количества тепла, накопленного в слое топлива, к теплотворной способности сжигаемого топлива. Его значение можно выразить следующей формулой: Eдув = 100(Qобратно – Qвоздух) / Qсгорание. Где: Eдув — эффективность этапа дувания в % ； Qгор — теплотворная способность топлива, потребляемого на этапе нагнетания воздуха (КДж) ； Qобратный — тепло, выделяемое при воздушной обдувке (кДж) ； Qгаз — тепло, уносимое воздухом для выдувания (кДж). Очевидно, что для повышения эффективности воздушного охлаждения (E_воздух) необходимо стремиться увеличить значение Q_обратный и снизить значения Q_воздух и Q_горение. Исходя из химической реакции на этапе нагнетания воздуха, тепло, выделяющееся при потреблении тысячи молей углерода на этом этапе (Qобратное), зависит от содержания монооксида углерода и диоксида углерода в образующихся продуктах. При образовании тысячи молей молекул углекислого газа выделяется энергия в количестве 393,51×10³ кДж. При образовании тысячи молей молекул монооксида углерода выделяется лишь 110,52×10³ кДж. Это соответствует 28,1% от количества энергии, выделяемой при образовании углекислого газа. Поэтому крайне важно поддерживать температуру в зоне газификации в подходящих пределах, увеличивать скорость потока воздуха (при условии, что слой угля не будет сметен) и снижать содержание монооксида углерода в воздухе, используемом для газификации. При увеличении содержания оксида углерода в воздухе, подающемся для охлаждения (среднее содержание CO в этом воздухе должно быть менее 6,0%), или при слишком высокой температуре воздуха, значение Q также возрастает, в результате чего эффективность процесса охлаждения снижается. На практике, по мере увеличения времени нагнетания воздуха, неизбежно происходит повышение содержания углекислого газа в потоке воздуха. Снижение температуры в зоне газификации может сократить количество реакций превращения углекислого газа в углекислый газ. Однако низкая температура печи приводит к плохому качеству получаемого газа, низкой степени разложения пара; к тому же неразложившийся пар уносит из печи большое количество тепла. Это негативно сказывается как на снижении расхода угля, так и на повышении эффективности газификации в газовых печах. Очевидно, что требования к температуре слоя газификации в фазе нагнетания воздуха противоречат требованиям, предъявляемым к этой температуре в процессе производства газа. Для поддержания высокой температуры в слое газификации и одновременного снижения содержания монооксида углерода в потоке воздуха можно использовать методы повышения давления и объема воздуха, поступающего от вентилятора, а также снижения процента воздуха в этом потоке. Однако из-за слишком высокого давления и объема воздуха, во-первых, во время процесса подачи воздуха увеличивается количество выносимых веществ, а во-вторых, слой угля в печи легко переворачивается, что затрудняет ее стабильную работу в течение длительного времени. А слишком низкое давление воздуха и объем потока воздуха приводят к снижению интенсивности газификации на газовой печи. Из-за медленной скорости потока воздуха улучшаются условия для превращения углекислого газа в монооксид углерода, что снижает эффективность подачи воздуха. В результате увеличивается расход углерода на этапе подачи воздуха, а эффективность использования углерода снижается. Следовательно, с учетом характеристик топлива, используемого на различных предприятиях, его размера зерен и других факторов, необходимо выбрать подходящие параметры давления и объема воздуха для работи нагнетателей, а также определить время циркуляции воздуха и процент его использования. Кроме того, необходимо контролировать правильную высоту слоя угля, а также температуру, толщину и положение газификационного слоя. Это позволяет минимизировать потери тепла, что является одним из основных способов повышения эффективности использования угля и снижения расхода угля в целом. Согласно теоретическому анализу и практическим исследованиям, для газовых печей серии Ф2600 мм интенсивность подачи воздуха должна составлять 3800–5000 Нм3/м2·ч (для качественного сырья — верхний предел, для некачественного сырья — нижний предел). Газовая печь модели F2600 мм обычно имеет эффективность подачи воздуха менее 60%; если температура газа, выходящего сверху и снизу печи, высока, этот показатель снижается до примерно 50%. Чтобы накопить в угольном слое достаточное количество тепла для производства газа, необходимо сжигать топливо, содержащее в два раза больше энергии. Следовательно, тепло в угольном слое следует использовать как можно больше для производства газа. Любое тепло, которое может быть использовано для нагрева пара или воздуха в печи с целью обеспечения теплом реакций производства газа, представляется более целесообразным, чем использование этого тепла для производства пара. Другими словами, любое тепло, уходящее из слоя газификации, хотя и может быть использовано для производства пара с последующей его рекуперацией, тем не менее является нерентабельным из-за слишком низкой эффективности накопления тепла в этом слое. По расчетам, при воздушной подаче температура на печи снижается с 450°C до 250°C, что позволяет повысить эффективность воздушной подачи примерно на 6%. Чтобы достичь идеальной эффективности выдувания, во-первых, необходимо поддерживать температуру слоя газификации в подходящем диапазоне и выбирать соответствующую скорость потока воздуха, чтобы максимально снизить содержание угарного газа в выдуваемом воздухе. Во-вторых, при условии, что соотношение высоты к диаметру газовой печи позволяет это, необходимо контролировать подходящую высоту угольного слоя, толщину слоя для газификации и толщину слоя золы. Кроме того, следует поддерживать достаточную толщину верхнего слоя предварительного нагрева (при условии, что мощность вентилятора этого позволяет), чтобы повысить способность слоя топлива в газовой печи к накоплению тепла. Это создает благоприятные условия для повышения эффективности процесса газификации в газовой печи. На этапе нагнетания воздуха реакция углерода с кислородом представляет собой процесс горения. Эксперименты показали, что при температуре выше 800°C эта реакция протекает практически необратимо с левой на правую сторону и контролируется процессом диффузии. Следовательно, при температурах, характерных для работы обычных газогенераторов, скорость диффузии кислорода является основным фактором, определяющим скорость всей реакции образования углекислого газа. Исследования реакции углерода с кислородом показали, что при температурах ниже 775°C эта реакция находится под контролем динамики. При температурах выше 900°C процесс контролируется диффузией, а в диапазоне между этими температурами можно говорить о переходной зоне. Исходя из особенностей процесса газификации в газовых печах с фиксированным слоем, можно предположить, что сначала происходит реакция сгорания углерода с кислородом, а затем продукт CO2 вступает в реакцию восстановления с атомами углерода, находящимися в верхней части слоя для газификации. Считается, что скорость реакции углерода с углекислым газом значительно меньше, чем скорость сгорания углерода. При температурах ниже 2000°C процесс в основном находится под контролем динамики, а скорость реакции примерно соответствует первому порядку по отношению к CO2. Учитывая особенности процесса дутья, контроль соответствующей интенсивности дутья и температуры слоя газификации имеет важное значение для повышения эффективности дутья и снижения расхода сырой угля и пара. (2) Повышение эффективности производства газа. Эффективность производства газа Eпроизводство представляет собой отношение теплотворной способности получаемого полугазообразного угольного газа Qгаз к сумме теплотворной способности топлива, используемого в процессе газификации Qтопливо, теплоты, поступающей от газифицирующего агента (пара) Qпар, и теплоты, которая может быть использована в слое топлива во время этапа подачи воздуха Qиспользование. E_газообразования = Q_газ / (Q_сгорание + Q_парообразование + Q_использование) × 100%
Q_использование = Q_обратная_реакция + Q_газ + Q_потери
Q_обратная_реакция – количество теплоты, поглощаемое в процессе газообразования, кДж/моль ； Qгаз — тепло, уносимое водяным газом и неразложившимся паром, кДж/моль ； Потери Q — потери тепла из-за юбок и т. п., кДж ； Qиспользование — тепло, накопленное в слое топлива за счёт выдуваемого воздуха, кДж. Из приведенной выше формулы видно, что для повышения эффективности производства газа необходимо увеличить значение Qгаз, то есть повысить количество газа, производимого на единицу объема водяного угля, а также содержание активных компонентов — монооксида углерода и водорода в этом газе. В процессе производства газа, при неизменных значениях энергии, потребляемой для сгорания топлива (Q_сгорание), и теплоты, поступающей от пара восстановителя (Q_пар), повышение эффективности производства газа означает повышение эффективности использования теплоты Q_использование, накапливающейся в слое топлива во время процесса подачи воздуха. Используемая при вентиляции теплота Q, накопленная в слое топлива, должна соответствовать сумме теплоты, поглощенной в процессе газификации, теплоты, унесенной водородом и водяным паром после реакции, а также потерянной теплоты. Другими словами, поскольку потери тепла в оболочке остаются неизменными, для повышения эффективности производства газа необходимо контролировать температуру в зоне газификации, повышать степень разложения пара, снижать температуру над и под печью, уменьшать потери тепла, а также повышать количество и качество водородного угольного газа. Реакция между углеродом и паром при температурах от 400°C до 1000°C протекает очень медленно, поэтому она находится под контролем кинетики. При температуре выше 1100°C скорость реакции увеличивается, и она становится контролируемой диффузией. При реакции водяного пара с углеродом при высоких температурах, когда достигается равновесие, количество оставшегося водяного пара мало, то есть степень разложения водяного пара высока, а в водородно-углеродном газе присутствует большое количество H2 и CO. При одинаковой температуре с повышением давления увеличивается содержание H2O, CO2 и CH4 в газе, в то время как содержание H2 и CO снижается. Следовательно, для получения водородно-углеродистого газа с высоким содержанием CO и H2, с точки зрения равновесия, процесс должен проводиться при низком давлении и высокой температуре. Исходя из практики производства газа на промежуточно-неподвижном слое, можно сказать, что при использовании металлургического кокса с высокой активностью в качестве сырья, при одинаковой температуре возможно увеличение скорости подачи газификатора в печь. Это позволяет повысить интенсивность газификации без ухудшения качества газа (содержание CO в газе не снижается). При использовании угля без дыма с низкой активностью при той же температуре при увеличении скорости подачи газификатора в печь качество газа и степень газификации резко снижаются. Особенно это заметно при незначительном снижении температуры внутри печи — качество газа и степень газификации мгновенно сильно падают. В таких условиях скорость реакции для первого случая может находиться в зоне диффузии или переходной зоне, тогда как для второго случая — в зоне динамического контроля. Поэтому при производстве газа контроль за более высокой температурой слоя кристаллизации и более низкой скоростью потока катализатора является важным способом повышения эффективности производства газа, качества газа и степени разложения пара. (3) Снижение уровня возвращения углерода в золу. Отношение содержания углерода к количеству золы в золе называется уровнем возвращения углерода. Высокий уровень восстановления угля в золе обусловлен преимущественно дефектами в устройствах защиты от утечек на дне газовой печи или нерациональностью процесса её эксплуатации, а также плохим процессом газификации в газовой печи. Уголь с более крупным размером частиц, хотя и может быть восстановлен, уже уносит с собой часть тепла, что приводит к определенным потерям теплоты ； Мелкие частицы углерода, содержащиеся в золе, трудно восстановить; их удаляют вместе с золой. Хотя их можно использовать снова, их ценность для повторного использования невысока. Поэтому снижение содержания горючих веществ в золе является важным элементом для повышения эффективности использования углерода. Основными причинами высокого содержания горючих веществ в золе являются следующие: неправильный выбор или повреждение устройств защиты от утечек на дне газовой печи в процессе её использования. Это приводит к неравномерной выгрузке золы, а также к утечке или обрушению угля, в результате чего уровень возврата угля к высоким значениям ； Неправильный способ подачи материала приводит к тому, что высота слоя угля по периметру и в центре не соответствует требуемым параметрам. Это вызывает неравномерное распределение газифицирующего вещества, локальное перегревание внутри печи, образование комков, а также дисбаланс в толщине слоя золы. Кроме того, выведение золы с обеих сторон происходит неравномерно ； Неправильный выбор процента нагнетания пара сверху/снизу или количества пара, используемого для нагнетания ； Размер зерен сырья слишком велик, температура в зоне газификации низкая, что приводит к неполному сгоранию ； Скорость выгрузки золы с устройства для расположения решеток не соответствует скорости образования золы в результате газификации топлива; объем выгружаемой золы слишком велик ； Несвоевременная уборка золы приводит к её накоплению в коробке для золы. В результате слой золы в газовой печи частично поднимается вверх, что вызывает повреждение слоя, отвечающего за процесс газификации ； Ненадлежащий контроль температуры печи приводит к образованию корок и комков, в результате чего происходит неравномерное распределение газифицирующего агента, ухудшается процесс газификации. Также может возникнуть ситуация, когда температура печи слишком низкая, что приводит к чрезмерному потреблению пара; при этом топливо не полностью сгорает и выводится наружу. В общем, высокий процент возврата угля обусловлен множеством факторов. В повседневной работе необходимо, исходя из конкретных условий, выявить основные причины высокого уровня возврата угля, и принять соответствующие меры по улучшению ситуации, чтобы доля угля в золе была менее 15%. Идеальной целью является уровень около 10%. (4) Снижение выбросов при воздухообмене и производстве газа. Повышение скорости ветра позволяет сократить вероятность превращения углекислого газа в монооксид углерода. Но по мере увеличения скорости ветра количество уносимого материала неизбежно растёт. Поэтому скорость ветра должна быть выбрана соответствующим образом, с учетом принципов минимального выноса материала и отсутствия срыва слоя угля. Для снижения количества отходов в процессе производства можно применить следующие меры: выбрать подходящий вентилятор, газовые печи серии Ф2600 мм; скорость потока воздуха может составлять от 450 м3/мин до 550 м3/мин, а давление воздуха — от 25 кПа до 28 кПа ； Исходя из характеристик сырья, необходимо определить подходящий объем воздуха и контролировать высоту слоя угля, соответствующую характеристикам вентилятора ； Выбрать топливо с высокой механической прочностью и термической стабильностью ； Строго контролировать качество обработки топлива, подлежащего загрузке в печь, чтобы сократить количество порошка, поступающего в нее ； Стремиться к равномерному сопротивлению слоя материала ； Необходимо выбирать решетки с разумной конструкцией: они должны обеспечивать эффективную выгрузку и разрушение шлака, а также равномерное распределение газифицирующего вещества; кроме того, они должны снижать количество вещества, уносимого потоком воздуха ； Необходимо контролировать качество золы: уровень образования шлака в золе должен быть выше 65%, чтобы снизить количество мелкой золы в ней ； Необходимо выбрать подходящую интенсивность газификации: при высокой нагрузке на газовую печь скорость потока газифицирующего вещества увеличивается, что приводит к увеличению количества отходов. Особенно это касается процесса нижнего дутья — при этом потребление пара возрастает, а скорость его потока также увеличивается, в результате чего количество отходов также растет ； Принять соответствующие меры для улучшения способа выхода газов наверх и повышения эффективности удаления пыли в печи. (5) Сокращение потерь тепла. Для сокращения потерь тепла необходимо в первую очередь выбрать такую высоту угольного слоя, которая будет соответствовать характеристикам вентилятора (обычно высота угольного слоя от верхней части вентиляционной крышки составляет 1800–2400 мм). Кроме того, важно выбрать подходящие условия работы и процесс газификации, чтобы газ в печи находился в состоянии эффективного накопления тепла; то есть необходимо поддерживать высокую температуру в зоне газификации, в то время как температура на верхней и нижней частях печи должна быть низкой. В настоящее время на предприятиях, где используется автоматический способ непрерывного добавления угля, параметры такие как высота слоя угля, положение слоя для газификации, толщина слоя золы и нагрузка на печь для производства газа контролируются довольно эффективно. Сумма температур газа на верхней и нижней частях печи составляет менее 460°C. Расход аммиака на единицу продукции находится в диапазоне 1100–1150 кг, что является высоким показателем. Если слой газификации поднимается или частично поднимается, это неизбежно приводит к повышению температуры на верхней части печи, а также к увеличению количества тепла, уносимого потоком воздуха. Потери тепла при реакции велики, что снижает эффективность газификации. Неправильный контроль положения слоя газификации, слишком малая толщина или неравномерная толщина слоя золы неизбежно приводят к повышению температуры газов у дна печи, что ведет к увеличению потерь тепла и снижению эффективности газификации. Кроме того, чрезмерное потребление пара также является важной причиной потерь тепла. Потребление пара слишком велико: большое количество неразложившегося пара уносит тепло из печи, что приводит к снижению температуры в зоне газификации. Это не только снижает эффективность газификации, но и приводит к расточительству пара. Кроме того, это увеличивает тепловую нагрузку на установку для очистки газа; в результате температура выходящего газа повышается, что в определенной степени влияет на эффективность процесса нагнетания газа на последующих этапах обработки. 2 Способы снижения потребления пара В системе производства аммиака доля пара, используемого при производстве газа, составляет более 65% от общего объема потребления пара на всем предприятии. Поэтому снижение нормативов потребления пара является одной из ключевых задач на участке производства газа. Расход пара на этапе производства газа можно рассчитать по следующей формуле: QT = V_половина × H2% / 100 × 100 / Q × 18 / 22,4. Здесь QT — это расход пара при производстве газа, в кг на тонну (NH3) ； V½ — норма потребления полугаза Nm3/т(NH3) ； H2 — содержание H2 в полугидрогенсуммеризованном газе, % ； В — средний процент разложения пара в процессе производства газа, %. Из приведенной формулы следует, что объем пара, необходимый на этапе производства газа, пропорционален количеству полугидрогенсодержащего газа, потребляемого в процессе ； Обратно пропорционально степени разложения под действием пара. При одинаковых нормах потребления полугаза разница в количестве пара, используемого на этапе производства газа, значительна из-за различий в степени разложения пара. Например, норматив потребления полугидрогенсодержащего газа составляет 3200 Нм3 на тонну аммиака. При содержании водорода в полугидрогенсодержащем газе 40%, степень разложения пара равна 40%. Тогда количество потребляемого пара составляет: QT = 3200 × 40/100 × 100/40 × 18/22,4 = 2571 кг. Если же степень разложения пара увеличится до 50%, то количество потребляемого пара будет: QT = 3200 × 40/100 × 100/50 × 18/22,4 = 2057 кг. Из этих расчетов видно, что при увеличении степени разложения пара с 40% до 50% экономится 514 кг пара на тонну аммиака. Например, на заводе с годовым объемом производства десяти тысяч тонн синтетического аммиака, если стоимость пара составляет 100 юаней/т, то ежегодная экономия будет равна: 10×0,514×100 = 514 тысяч юаней в год. Отсюда видно, что повышение степени разложения пара является основным способом снижения его потребления, а также ключевым фактором для улучшения экономической эффективности предприятия. В процессе производства газа на промежуточных газовых печах реакция углерода с водяным паром в основном находится в зоне динамического контроля; поддержание высокой температуры в печи способствует ускорению этой реакции. В процессе газификации основными факторами, влияющими на степень разложения пара, являются: первый — температура и толщина слоя газификации. II. Скорость потока пара при производстве газа. III. Объем пространства над печью и под печью. IV. Температура пара, поступающего в печь. Из теоретических обсуждений следует, что эффективность процесса газификации в реальных условиях снижается по мере увеличения количества пара. Основной причиной является чрезмерное влияние динамического контроля, что приводит к неполному протеканию реакции. При увеличении количества пара усиливается эндотермическая реакция, в результате чего снижается температура в слое газификации. Это, в свою очередь, приводит к снижению степени разложения пара, и это является одной из основных причин увеличения расхода пара. В повседневной производственной деятельности необходимо, исходя из температуры слоя газификации, контролировать объем пара, поступающего в печь, с целью максимального снижения скорости потока пара и его стабилизации. Это позволяет увеличить время контакта раскаленного углерода с паром и повысить степень его разложения. Использование перегретого пара для производства газа является эффективной мерой для повышения степени разложения пара и эффективности его преобразования в газ. Перегретый пар не только предотвращает поступление в печь воды, но и, благодаря повышению теплоты содержащегося в нем энергии, снижает колебания температуры в печи. Согласно данным некоторых производителей, при использовании перегретого пара температурой выше 200°C степень разложения пара может увеличиться на 5%, а расход пара может снизиться примерно на 250 кг/т(NH3). 3 Способы снижения энергопотребления. Основное потребление энергии на участке производства газа связано с работой воздушных насосов. Существует два основных способа снижения энергопотребления воздушных насосов: во-первых, выбор насосов с подходящими параметрами (объем и давление воздуха), а также разумное определение соотношения между количеством насосов и количеством газовых плит. Во-вторых, снизить сопротивление системы на этапе воздушного подачи. Ниже это будет рассмотрено с двух точек зрения: Одно из мер по экономии энергии — использование подходящих воздушных насосов и газовых плит в соответствии с оптимальным количеством. В настоящее время производители аммиака для синтеза используют в газовых печах серии Ф2600 мм вентиляторы моделей D400–D700 (или C400–C700); давление воздуха составляет от 25 кПа до 30 кПа. От практики производителей до теоретических расчетов: у тех производителей, у которых хорошо контролируются все технологические показатели, объем воздуха, потребляемого на производство одной тонны аммиака на этапе нагнетания воздуха, составляет от 1900 до 2300 Нм3. Потребление полугаза для производства одной тонны аммиака оценивается в 3200 Нм3/ч; соотношение между воздухом и полугазом составляет от 0,594:1 до 0,719:1. Если интенсивность газификации в печи Ф2600 мм составляет 1320 Нм3, то это означает, что в час производится 7000 Нм3 полугаза. Следовательно, объем воздуха, необходимый для этого процесса, составляет от 4158 Нм3/ч до 5033 Нм3/ч. Пусть соотношение воздуха к полугазу составляет 0,65. На производство одной тонны аммиака требуется 3200 Нм³ полугаза; соответственно, на производство одной тонны аммиака требуется также 0,65×3200 = 2080 Нм³ воздуха. Печь модели Ф2600 производит 2,19 тонн NH3 в час. Для подачи воздуха необходимо 2,19×2080 = 4555 Нм³ воздуха в час. Однако на практике объем воздуха, поступающего от вентилятора, составляет 24000 Нм³ в час. Время цикла составляет 150 секунд; доля времени, затрачиваемая на подачу воздуха, составляет 20%, то есть 30 секунд. Следовательно, объем воздуха, поступающего в печь за это время, равен: 24000/3600×30×(3600/150) = 1800 Нм³ в час. По расчетам, при суточной производительности газа от газовой печи Ф2600 мм, достаточной для получения 2,19×24 = 52 т (NH3)/сутки, использование вентилятора с фактической производительностью 24000 Нм3/ч позволяет полностью удовлетворить требования производства. Как известно, в большинстве производственных систем один вентилятор обеспечивает подачу воздуха для четырех печей. В нормальных условиях этап подачи воздуха совпадает с процессом добавления азота в верхнюю часть печи. Поэтому для удовлетворения требований к экономичной работе газовой печи диаметром Ф2600 мм подходят вентиляторы моделей D450–D550 с давлением воздуха 25 кПа–28 кПа. Если давление и объем воздуха, поступающего от вентилятора, слишком велики, газовая плита может часто перекрываться. В таких случаях приходится использовать клапаны на входе и выходе для регулирования объема воздуха. Однако регулирование как на входе, так и на выходе приводит к потере эффективности, что увеличивает расход электроэнергии. Второй способ экономии энергии: максимально снизить сопротивление системы на этапе вентиляции, чтобы обеспечить максимальную эффективность вентилятора. Снижение сопротивления системы — основная мера для уменьшения электропотребления вентилятора. Во время работы вентилятора фактический объем пропускаемого воздуха не достигает номинального значения. Причинами этого являются не только несоответствие параметров проектирования вентилятора реальным условиям работы, но и значительное сопротивление на пути от входа вентилятора до выхода воздуха/газа. Сопротивление в системе включает две части. —Часть — это сопротивление оборудования и угольного слоя газовой печи, другая часть — сопротивление трубопроводов и клапанов. Технологические трубопроводы химического завода делятся на высокого и низкого давления: система производства газа относится к категории низкого давления, в то время как процесс синтеза меди — к категории высокого давления. Ранее на различных заводах с системами трубопроводов не делалось различий; всегда подчеркивалась необходимость расположения трубопроводов таким образом, чтобы они были «горизонтальными и вертикальными». Некоторые производители недостаточно осознают особую важность снижения сопротивления в трубопроводных сетях системы производства газа. При обработке трубопроводов низкого давления, используемых на этапе вентиляции газовой печи, не следует требовать такой же строгой организации, как и для трубопроводов высокого давления. Необходимо сосредоточиться на снижении сопротивления в трубопроводной системе и клапанах. В противном случае это приведет не только к большим энергозатратам, но и, что более важно, к нарушению характеристик работы вентилятора. На этапе подачи воздуха слишком высокое сопротивление системы приводит к двум серьезным последствиям. Во-первых, это ограничивает увеличение объема подаваемого воздуха, как показано на рисунке 1: из-за повышения сопротивления системы объем воздуха, поступающего от вентилятора, снижается с Q2 до Q1. Во-вторых, это увеличивает энергопотребление. Потери на трубопроводах, обозначаемые как △P, можно рассчитать с помощью следующей формулы: N_потерь = Qs·△P/102·η (кВт). Здесь η — коэффициент эффективности вентилятора (обычно около 75%) ； Потери на сопротивление N — преобразование различных видов сопротивления в энергопотребление ； Qs — объем воздуха в м³/с, соответствующий сопротивлению P ； 102 — константа преобразования единиц (1 кВт = 102 кг·м/с). В приведенной ниже таблице указано соответствующее электрическое потребление N при различных значениях сопротивления P. При низком сопротивлении системы можно использовать вентиляторы с более низким давлением воздуха. Например, сопротивление всей системы после принятия мер снизилось на 3 кПа; давление воздуха, создаваемое вентилятором, может уменьшиться с 28 кПа до 25 кПа. Снижение сопротивления в системе и правильный выбор воздушных насосов, соответствующих технологическим требованиям завода, являются важными мерами по экономии электроэнергии. 4. Связь между основными технологическими показателями и уровнем расходов. Качество контроля за основными технологическими показателями на этапе производства газа оказывает значительное влияние на объем производимого аммиака и уровень расходов. Чтобы привлечь внимание, в этом разделе приводятся некоторые простые расчеты в качестве иллюстрации. 4.1 Соотношение водорода и азота. Соотношение водорода и азота в полуводяном газе является важным показателем, контролируемым при производстве аммиака. Максимальная концентрация аммиака достигается, когда соотношение объемов водорода и азота составляет 3:1. Если один из компонентов — водород или азот — присутствует в избытке, доля участвующих в реакции газов азота и водорода в общем объеме газа снижается. В обычных условиях водород и азот составляют примерно 80% газов, используемых в синтез-колонне. Если исключить из этого количества инертные газы и аммиак, то оставшийся водород и азот будут использоваться в соотношении 3:1 в процессе синтеза. В таком случае на долю водорода придется 75%, а на долю азота — 25%. Если содержание водорода превышает норму на 3%, то доля водорода в смеси водорода и азота составляет 78%, а доля азота — 22%. Однако только 66% водорода реагирует с азотом в количестве 22%. Следовательно, водород и азот, участвующие в реакции, составляют 88% от общего объема газа. Если содержание азота в смеси водорода и азота превышает 3%, то состав смеси будет таким: 28% — азот и 72% — водород. Однако 72% водорода может соединяться только с 24% азота. Следовательно, процент водорода и азота, участвующих в реакции, составляет 96%. Очевидно, что избыток азота гораздо лучше, чем избыток водорода. Кроме того, с точки зрения скорости реакции синтеза аммиака, в несбалансированном состоянии соответствующее увеличение давления азота способствует ускорению процесса адсорбции азота катализатором, поскольку активная адсорбция азота является ключевым этапом в процессе синтеза аммиака. Небольшое снижение соотношения водорода и азота ниже значения «3» позволяет повысить давление азота в газе, что способствует более активному распространению азота на поверхность катализатора, увеличивая тем самым возможности для адсорбции и повышая скорость синтеза. Благодаря повышению коэффициента синтеза снижается также электропотребление компрессора. Чрезмерное соотношение водорода и азота крайне неблагоприятно для реакции синтеза. Например, при соотношении в циркулирующем газе 75% водорода, 20% инертных газов и 5% азота, 5 частей азота могут реагировать только с 15% водорода; то есть в реакции участвует лишь 20% компонентов, а остальные 80% газа не участвуют в реакции. В результате эффективность синтеза значительно снижается, повышается давление в процессе синтеза, увеличивается объем отводимых газов. Это приводит не только к потере большого количества водорода, что влияет на объем производства аммиака, но и к повышению всех показателей расхода ресурсов. Поэтому более целесообразно поддерживать соотношение водорода к азоту в циркулирующем газе в пределах 2,4–2,8. Но водород и азот синтезируются в аммиак в соотношении 3:1, поэтому для дополнительного газа оптимальным соотношением водорода к азоту по-прежнему является «3». 4.2 Содержание активных газов. Под активными газами обычно подразумеваются углекислый газ и водород, присутствующие в полугазообразном угольном газе. При постоянном расходе газа на производство тонны аммиака, количество полугаза, потребляемого на производство одной тонны аммиака, напрямую зависит от содержания активного газа. Теоретический коэффициент использования полугаза с водой (n) может быть выражен следующей формулой: где CO2½, O2½, CO½ — это процентные доли объема соответствующих газов в полугазе с водой ； X — коэффициент преобразования ； α — коэффициент восстановления и возврата газа. Предположим, что состав полугидрогенсуммарата включает: CO2 – 7,8% ； O2, 0,3% ； CO, 30% ； H2, 40% ； N2, коэффициент преобразования 21,5%о, значение X составляет 95%, а коэффициент восстановления водорода — 90%. Итак: если на производство одной тонны аммиака требуется 2900 м³ очищенного газа, то для производства одной тонны аммиака потребуется количество полугаза: 2900/0,9115 = 3182 Нм³. Кроме того, если состав полугаза таков: CO2 – 12,3% ； O2, 0,7% ； CO, 26% ； H2, 40% ； N2, 21%. Коэффициент преобразования X составляет 90%, восстановленный газ не рекуперируется, α = 0. Подставляя значения в приведенную выше формулу, получаем теоретический коэффициент использования полугаза. Следовательно, для производства 1 тонны аммиака требуется 2900/0,83 = 3494 Нм3 полугаза. Во втором случае для производства 1 тонны аммиака требуется на 312 Нм3 больше полугаза. Как видно, изменения в содержании активных компонентов в полугидрогенсуммаре оказывают значительное влияние на его потребление. 4.3 Содержание кислорода. Кислород в полугидрогенсуммаризованном газе является крайне вредным газом. Он попадает в секцию преобразования, где происходит окислительно-восстановительная реакция с катализатором: на один объем кислорода расходуется два объема активных компонентов, при этом выделяется большое количество тепла. Если преобразование не происходит своевременно, катализатор может быть поврежден. Чтобы контролировать повышение температуры в слое катализатора, увеличивается количество пара, что приводит к ресульфидации катализатора и снижению его активности. Поэтому важно снижать содержание кислорода в полугазе, что способствует безопасной работе оборудования и сокращению затрат. Реакция кислорода с катализатором преобразования происходит следующим образом: как видно из уравнения, один моль молекул кислорода потребляет два моля молекул монооксида углерода; при этом выделяется в 13 раз больше тепла, чем при реакции преобразования. 0,1% кислорода в полугидрогенсодержащем газе (по сухой массе) может при обычных условиях использования пара повысить температуру газа на 6–7°C. Поэтому необходимо добавлять избыток пара для отвода этого количества тепла. По расчетам, при увеличении содержания кислорода в полугидрогенсуммареном газе на 0,1% для производства одной тонны аммиака требуется примерно на 100 кг больше пара. Если из одной тонны угля можно получить семь тонн пара, то для завода, производящего десять тысяч тонн синтетического аммиака в год, это означает дополнительные расходы в размере 100000×0,1÷7 = 1429 тонн угля в год. При стоимости одной тонны угля в 450 юаней годовые убытки составят: 1429×450 = 642,8 тысяч юаней в год. Теоретический расчет содержания кислорода в полугидрогенсуммарном газе с учетом потерь активного компонента — монооксида углерода в процессе преобразования: на тонну аммиака тратится количество активного компонента (CO) равное: 3200×0,001×2 = 6,4 Нм³ на тонну аммиака. 6,4×100000 = 640000 Нм³ в год. Если предположить, что на тонну аммиака тратится 2000 Нм³ активного компонента, то объем производимого аммиака в год составит: 640000/2000 = 320 тонн. В вышеуказанной формуле 3200 Нм³ — это объем полугидрогенсуммарного газа, потребляемый на тонну аммиака ； 2000 Нм3 — это количество водорода, потребляемого на производство одной тонны аммиака, в единицах Нм3. Один объем угарного газа в процессе преобразования может обеспечить получение такого же объема водорода. Кроме того, когда содержание кислорода в полугидрогенсумере достигает определенного уровня, образуется взрывоопасный газ, что представляет прямую угрозу для безопасности производства. Поэтому принятие эффективных мер с целью снижения содержания кислорода в полугазовом угольном газе является важной задачей в производстве газа. Меры по контролю и снижению содержания кислорода в полугидрогенсуммарном газе: обеспечение правильного распределения слоя газификации, стремление к равномерной газификации, предотвращение переворачивания угольного слоя и возникновения явления воздушных туннелей ； Убедитесь, что защитные механизмы, обеспечивающие безопасную работу клапанов для подачи газа и клапанов для вентиляции, находятся в исправном состоянии и справно функционируют. Также необходимо, чтобы клапаны для подачи газа были надежно закрыты и не пропускали газ ； Клапан для подачи азота сверху оснащен двумя клапанами, что обеспечивает отсутствие утечек в закрытом состоянии ； Сократить «мертвую зону» у дна печи (расстояние от клапанов для сброса газов и клапанов для подачи воздуха до дна печи), а также применять меры по очистке с помощью пара, чтобы устранить накопление воздуха в этой «мертвой зоне». Это предотвратит попадание воздуха в резервуар при его подаче вниз ； Обеспечьте чувствительную и надежную сигнализацию между клапаном подачи воздуха и защитным барьером ； На предприятиях, использующих нитрогенное воздушение снизу, необходимо обеспечить отсутствие утечек в клапане для подачи нитрогена снизу ； Кроме того, после завершения подачи азота снизу есть достаточно времени для очистки паром. 4.4 Содержание метана. Метан является инертным газом в процессе производства аммиака. Он не вредит катализатору и не участвует в реакциях синтеза, однако его трудно удалить. Метан, накапливающийся в системе синтеза, снижает давление водорода и азота, что приводит к уменьшению скорости образования аммиака. Кроме того, поскольку метан не участвует в реакции, проходя через колонну синтеза, он забирает с собой тепло из нее, что приводит к снижению температуры катализатора. Это также заставляет компрессоры и насосы выполнять лишнюю работу. Для достижения равновесия в системе происходит принудительная сливка газа, в результате чего часть водорода и азота теряется. Объем отработанных газов при производстве одной тонны аммиака можно рассчитать по следующей формуле: V_отп = V_добавление × ι_добавление ÷ ι_отп. Здесь V_отп — это объем газов, отпускаемых при производстве одной тонны аммиака, в единицах Nm3 ； Vдоп — объем смеси с дополнительным аммиаком, Нм3 ； ί Дополнение — доля инертных газов в газе, % ； ί Опустошение — содержание инертных газов в воздухе, %. На самом деле, поскольку часть инертных газов растворяется в жидком аммиаке (примерно треть), фактический объем выделяемого газа будет меньше, чем значение, полученное согласно приведенной выше формуле. Из приведенной формулы следует, что при постоянном объеме подающегося газа объем отводимого газа на производство тонны аммиака пропорционален содержанию инертных газов в подающемся газе. Инертные газы, добавляемые в газовую смесь, поступают из полугидрогенсодержащего газа. Предполагается, что содержание инертных газов в циклической газовой смеси остается на уровне 15%. Тогда объем газа, необходимый для производства одной тонны аммиака, составляет 2900 Нм3. Если же содержание инертных газов в добавляемом газе составляет 1%, то объем газа, выделяемого при производстве одной тонны аммиака, будет равен: 2900 × 1% ÷ 15% = 193,3 Нм3. Если доля инертных газов в смеси увеличится до 1,5%, то объем отводимого газа будет равен: 2900×1,5%÷15% = 290 Нм3. То есть при производстве одной тонны аммиака можно сбросить на 96,7 Нм³ больше циркулирующего газа. Очевидно, что имеет смысл прилагать усилия для снижения содержания метана в полугазе. Инертные газы, присутствующие в циркулирующем газе, в основном представлены метаном и аргоном. Содержание метана в полугазе зависит в первую очередь от степени летучести топлива, а во вторую — от температуры печи. Реакция образования метана: Образование метана — это экзотермическая реакция с уменьшением объема; снижение давления и повышение температуры способствуют подавлению его образования. 4.5 Влажность воздуха Атмосфера представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара; такая смесь называется влажным воздухом. Уровень влажности во влажном воздухе оказывает определенное влияние на процесс производства газа и на его расход. В влажном воздухе содержание водяного пара на единицу массы сухого воздуха называется влажностью или абсолютной влажностью; сокращенно — влажность. При постоянном общем давлении отношение парциального давления водяного пара в воздухе к насыщенному давлению водяного пара при той же температуре называется относительной влажностью. Относительная влажность показывает степень ненасыщенности воздуха. Влажность воздуха обычно находится в диапазоне от 30% до 80%; она меняется в зависимости от региона, температуры, сезона и погодных условий. Пример 1: Летом температура составляет 30°C. Согласно таблицам, при влажности воздуха 80% содержание водяного пара в 1 нм³ влажного воздуха равно 0,02432 кг ； Предположим, что для нагнетания тонны аммиака требуется 2300 Нм³ воздуха. Тогда количество водяного пара, поступающего в систему, составит: 2300×0.02432÷18 = 3.11×10³ моль. Реакция пара с углеродом в слое газификации выглядит следующим образом. Следовательно, количество тепла, поглощаемого водяным паром, равно: 3.11×10³×131.3 = 408.343×10³ кДж. Удельная энергия сгорания стандартного угля составляет 29.19×10³ кДж/кг. Следовательно, количество дополнительно необходимого угля составит: 408.3/29.19×84/72 = 16.32. Здесь 72 — это содержание фиксированного углерода в исходном топливе ； 84 — это углерод фиксированного угля в единицах стандартного угля. При эффективности вентиляции 55% фактически тратится на 29,67 единиц больше угля: 16,32/0,55 = 29,67. Пример 2: зимой температура составляет 0°C, влажность воздуха — 50%. Согласно таблицам, содержание водяного пара во влажном воздухе составляет 0,0049 кг/м³. 2300 Нм³ × 0,0049 × 50% = 5,6. По оценкам, при температуре 0°C и влажности 50% количество водяного пара эквивалентно примерно 10% от количества водяного пара летом при температуре 30°C и влажности 80%. Установка, производящая 300 тонн аммиака в день, в летний период, когда температура воздуха высока и влажность велика, потребляет примерно на 5 тонн больше угля по сравнению с зимой, когда температура и влажность воздуха ниже. 5. Связь между нагрузкой газового котла (степенью воздушного подающего потока) и расходом топлива в виде угля, а также пара. Нагрузка газового котла – это его производственная способность (в единицах Nm3/ч или тонн аммиака в сутки на один котел). В зависимости от типа печи нагрузку обычно определяют по интенсивности газификации (то есть объему производимого газа на единицу площади, в единицах Nm3/м2·ч). В процессе ежедневной эксплуатации, при постоянной скорости подачи воздуха, для регулировки нагрузки на газовую печь обычно используется метод увеличения или уменьшения времени подачи воздуха. Целью сотрудников, занимающихся производством газа, является соответствующее повышение интенсивности газификации, увеличение нагрузки на одну печь с целью сокращения количества работающих печей, а также повышение общего коэффициента использования тепловой энергии на этапе производства газа. Однако выбор слишком высокой нагрузки на одну печь и слишком длительного времени воздуховоднения, как показывают теоретический анализ и практика, не способствует снижению количества сырой угля и пара. Пусть: объем воздуха, подаваемого воздуходувкой, составляет 24000 Нм³/ч ； Время цикла — 150 сек ； На тонну аммиака требуется 2000 кг пара ； На производство тонны аммиака требуется 3200 Нм3 газа с полуводяным углеродом ； Соотношение объемов воздуха для нагнетания и полугаза на основе угля составляет 0,65:1 ； Пористость топливного слоя составляет 0,3 ； Средняя температура в зоне газификации составляет 1100°C; плотность пара — 0,25 кг/м³ ； 2.6—Газовая плита модели F2600 ； 23—(24-1), с учетом необходимости оставить одно устройство для циркуляции шлака и его очистки на каждый час. Исходя из вышеуказанных условий, сравним два варианта работы: нагнетание воздуха сверху, нагнетание снизу, двойное нагнетание воздуха сверху, процедура полного очищения.

**Вариант 1:** 100%, 25, 24, 39, 8, 4; время работы – 150 секунд; показатели: 37,5, 36, 58,5, 12, 6.

**Вариант 2:** 100%, 20, 26,5, 41,5, 8, 4; время работы – 150 секунд; показатели: 30, 40, 62, 12, 6.

Количество пара, необходимого для получения полугазообразного углеводорода: 2000 кг/3200 Нм³ = 0,625 кг/Нм³. Количество воздуха, необходимого для нагнетания: 24000 Нм³/3600 секунд = 6,67 Нм³/секунда. Количество пара, необходимое на единицу объема воздуха: 0,625/0,65 = 0,962 кг/м³. Общее количество пара, необходимое для нагнетания сверху, снизу и дважды сверху: для Варианта 1 – 37,5 × 6,66 × 0,962 = 240,5 кг за один цикл; для Варианта 2 – 30 × 6,66 × 0,962 = 192 кг за один цикл.

Объем газа, получаемого в результате процесса: для Варианта 1 – 37,5 × 6,66 ÷ 0,65 × 23 = 8845 Нм³/час; для Варианта 2 – 30 × 6,66 ÷ 0,65 × 23 = 7076 Нм³/час.

Сравнение скорости потока пара во время процесса газификации: для Варианта 1 время производства газа за один цикл составляет 36 + 58,5 + 12 = 106,5 секунд; скорость потока пара в слое газификации составляет 5,66 м/с. Для Варианта 2 время производства газа за один цикл составляет 40 + 62 + 12 = 114 секунд; скорость потока пара в слое газификации составляет 4,23 м/с.

По приблизительным расчетам, преимущество Варианта 1 заключается в высокой интенсивности газификации. Однако недостатком является высокая скорость потока пара в слое газификации, что приводит к низкому уровню разложения пара. При постоянной средней температуре это увеличивает потребление пара. Неразложившийся водяной пар уносит тепло из слоя газификации, что снижает эффективность использования тепла и приводит к увеличению потребления угля и пара. Частота подачи воздуха в газовой печи остается постоянной, а изменения температуры печи в зависимости от продолжительности подачи воздуха показаны на рисунке 2. Примечание: на рисунке 2 представлено сравнение колебаний температуры печи при выборе времени цикла в 150 секунд, а также при установке времени подачи воздуха в 40 и 30 секунд. Итак, выбор подходящей нагрузки для работы газовой печи является одной из важных мер по снижению потребления угля в качестве топлива и пара. Практика показывает, что при разумном сочетании вентилятора с другими условиями газификации экономично держать процент нагнетаемого воздуха на уровне около 20%. 6. Связь между временем цикла и расходом угля В подразумеваемое время цикла понимается сумма времени, затрачиваемого на все этапы одного цикла. Диапазон колебаний температуры в газовой печи за один цикл различается в зависимости от длительности цикла. Для удобства сравнения проводится сравнение двух форм циклов — 180 секунд и 120 секунд, как показано на рисунке 3: при постоянной нагрузке на газовую печь короткий цикл способствует меньшим колебаниям температуры, что способствует стабильности работы печи. Это и является теоретическим обоснованием для применения метода оперирования «три высоких показателя — короткий цикл» на протяжении многих лет. Однако понятие короткого цикла является относительным; выбор слишком короткого времени цикла также имеет свои недостатки. Ниже приводится краткий анализ времени циклов в 120 секунд и 150 секунд. В последние годы диаметр печей для производства азотных удобрений постепенно увеличивался с Ф1980 мм до Ф2260 мм, Ф2400 мм, Ф2600 мм, Ф2650 мм и Ф2800 мм. Для соответствия требованиям к высоте относительно диаметра высота корпуса печи постепенно увеличивалась с 4025 мм до 4500–5200 мм, а иногда и выше. Внутренний диаметр восходящей трубы также увеличился с Ф500 мм до 700–900 мм. Нижняя труба увеличивается в диаметре с Ф400 мм до 600–700 мм; все остальные вспомогательные устройства также увеличиваются в размерах. Это способствует снижению сопротивления в системе и повышению интенсивности газификации. Однако это имеет и свои недостатки. Один из них – это зона, находящаяся над верхней частью печи, то есть пространство между поверхностью слоя угля и верхней крышкой печи. В этой зоне при подаче газа образуется пар. Пространство между входным трубопроводом и входным клапаном также служит местом накопления пара, поступающего снизу (поскольку давление в верхней части печи при подаче пара снизу выше, чем при подаче сверху). При переходе к второй фазе подачи пара этот пар выталкивается в колонну для очистки газов, где он конденсируется и теряется. После утолщения труб под печью увеличивается и «мертвая зона»; пар, оставшийся на этапе верхнего нагнетания, во время этапа нижнего нагнетания попадает в установку для очистки газов, что увеличивает тепловую нагрузку на эту установку и приводит к потерям пара. Во-вторых, расширенный трубопровод для стекания газа приводит к увеличению объема пространства, предназначенного для установки клапанов и устройств для сбора пыли. Это способствует увеличению количества воздуха, оставшегося в этом пространстве во время процессов подачи воздуха и добавления азота. Если время, необходимое для очистки пространства под действием пара после добавления азота, слишком короткое, или если место подключения трубопровода с паром выбрано неправильно, то воздух, оставшийся в пространстве, будет выталкиваться в резервуар с газом. Это приводит к повышенному содержанию кислорода в полугидрогенсуммареном газе, что в свою очередь приводит к потере полезных компонентов на этапе преобразования газа и к увеличению расхода пара. При времени цикла 150 секунд газовая печь работает 24 цикла в час ； При времени цикла 120 секунд газовая печь работает 30 циклов в час. По сравнению с 150 секундами, при 120 секундах в час происходит на 6 циклов больше, то есть увеличивается количество потерь пара в зонах нагнетания и вытягивания — а также увеличиваются потери из-за повышенного содержания кислорода в газе. Кроме того, в системе с совмещенными котлами для утилизации отходящего тепла для того, чтобы главный клапан для газа и клапан для возврата воздуха (или клапан дымохода) заработали, требуется определенное время (обычно 3–4 секунды). Поскольку давление за главным клапаном для газа выше, чем давление у клапана для возврата воздуха, эффективный газ может обратно попадать в систему возврата воздуха или выходить через клапан дымохода. Степень потерь газа зависит от скорости открытия/закрытия клапанов и разницы в давлении; это еще больше увеличивает вероятность шести случаев потери газа. Третья недостаток заключается в том, что количество циклов включения/выключения гидравлического клапана увеличилось на шесть, что сокращает срок его службы. Кроме того, из-за различий в давлении на разных этапах в процессе переключения требуется определенное время для достижения соответствующего рабочего давления, что увеличивает время простоя газовой печи. Таким образом, можно сказать, что короткий цикл обработки имеет преимущество в виде небольших колебаний температуры в печи, однако, как уже упоминалось, возникающая в результате этого трата ресурсов также является значительной и не может быть проигнорирована. В общем, после увеличения диаметра газовой печи и её высоты, а также утолщения трубопроводного оборудования, не стоит выбирать слишком короткий временной интервал циркуляции газа. Для качественного топлива оптимальным временем цикла является 150 секунд; для некачественного сырья его можно уменьшить. В общем, снижение потребления угля в качестве сырья для производства газа, а также потребления пара и электроэнергии зависит от множества факторов и затрагивает широкий спектр аспектов. В практике производства необходимо принимать меры по решению этих проблем следующими способами. (1) При проектировании необходимо выбирать научно обоснованные технологические процессы и оборудование. (2) Исследование возможности разработки процесса эксплуатации газовых печей и условий газификации, соответствующих особенностям данной компании. (3) Ввести строгую систему управления качеством сырья, поступающего в печь. (4) Принимать эффективные меры для максимального снижения потерь тепла, уносимого воздухом под давлением (потенциальная и явная теплота). (5) Контролировать подходящую толщину слоя золы, стремясь максимизировать степень образования твердой массы из золы и снижать ее содержание углерода. (6) Стремиться уменьшить вынос газов вверх и вниз. (7) Выбирать подходящую высоту уровня угля, стремиться снизить температуру газа на входе и на выходе, уменьшить потери тепла и повысить эффективность использования угля. (8) Выбираются оптимальные значения времени цикла, температуры слоя газификации и количества пара, поступающего в печь, чтобы достичь наиболее экономичного уровня разложения пара. (9) Повышение качества полугаза и снижение расхода полугаза на тонну аммиака. (10) Использование новых технологий и оборудования, постоянная оптимизация условий производства и техническое переоснащение оборудования для увеличения срока его службы. (11) Усилить обучение сотрудников с целью постоянного повышения профессионального уровня специалистов, занятых в производстве газа. (12) Создать научно обоснованные механизмы управления и оценки производства газа, чтобы полностью стимулировать инициативу сотрудников и обеспечить безопасную, стабильную и экономичную работу газовых печей.

Поскольку я работаю с установками для синтеза аммиака, я разбираюсь только в этой области. Представлю здесь свои личные мнения: 1. Для синтез-колонны рекомендуется использовать трехслойную конструкцию с радиальным расположением слоев и теплообменниками между слоями. Количество катализатора в слоях должно увеличиваться по мере продвижения вверх (причина: чем больше площадь контакта синтез-газа с катализатором, тем выше скорость реакции за единицу времени. Теплообменники помогают своевременно удалять тепло, образующееся в первом и втором слоях, что снижает температуру газа, поступающего в следующий слой. В то же время это способствует нагреву свежего газа, поступающего в колонну; таким образом тепло может быть эффективно использовано). 2. Рекомендуется использовать предварительный котел для переработки отходящего тепла. Это позволяет эффективно восстанавливать тепло, получаемый пар будет иметь высокое качество, а также возможна одновременная сепарация компонентов газа. 3. При условии, что это допускается конструкцией установки, следует максимально повысить скорость потока газа. Хотя время контакта синтез-газа с катализатором невелико, за единицу времени через синтез-колонну проходит большое количество газа, в результате чего образуется больше аммиака. 4. Необходимо контролировать температуру охлаждения аммиака в охладителе и уровень жидкости в сепараторе аммиака. Следует стараться снизить содержание аммиака на входе в реактор; это способствует повышению чистоты аммиака, выходящего из реактора. 5. Для системы охлаждения воды рекомендуется использовать специальную станцию для очистки воды. Это позволяет осуществлять непрерывный циклический использование воды, а также снижает вероятность образования известкового налета внутри охладителя, что избавляет от ненужных проблем.

При обсуждении вопросов высокой производительности и низкого расхода ресурсов при производстве синтетического аммиака нельзя ограничиваться только этапом синтеза аммиака. Под расходами ресурсов подразумеваются прежде всего электроэнергия и уголь; необходимо учитывать всю систему в целом. Самое важное – это наличие научно обоснованной производственной схемы. Вот некоторые мои выводы; прошу указать на возможные ошибки: Во-первых, что касается расхода электроэнергии: 1. Необходимо, чтобы диспетчеры разумно планировали техническое обслуживание оборудования во всех частях системы, способствовали формированию у сотрудников привычки экономить электроэнергию, а также своевременно корректировали соответствующие технологические параметры и баланс холода в разных частях системы. Оборудование, которое должно работать, должно действительно работать, а то, что может не работать, вообще не следует включать； 2. Восстановление части кинетической энергии: на турбинах и другом оборудовании с избыточной мощностью устанавливаются преобразователи частоты для экономии энергии; это касается также ротационных насосов, вентиляторов, аппаратов для производства метанола и других устройств с высокой мощностью ； 3. Повышение объема нагнетания компрессором: обеспечение достаточного количества холодного воздуха на входе и выходе в каждом сегменте, исправность клапанов во всех сегментах, предотвращение утечек внутри и снаружи компрессора для снижения циркуляции газа и потерь (таких как утечки масла, утечки на первом и седьмом этапах, а также утечки из камер балансировки цилиндров на шестом и седьмом этапах) ； 4. Повысить объем нагнетания воздуха ротационным насосом у выхода из баллона, а также снизить температуру газа на входе и выходе — это один из способов ； 5. Система производства стабильна; необходимо строго предотвращать аварии, связанные с незначительным повышением давления (что приводит к образованию большого цикла циркуляции газа) ； 6. Необходимо поддерживать оптимальные условия для процесса синтеза и активность катализатора; давление в системе не должно быть слишком высоким (если давление в системе синтеза слишком велико, то давление во всех предыдущих участках системы также будет очень высоким) ； 7. Если имеется система обработки меди, необходимо также снизить нагрузку на нее, чтобы предотвратить чрезмерный циркуляцию восстановленного газа ； 8. Начиная с процесса производства газа, необходимо снизить сопротивление во всех компонентах системы, обеспечивая тем самым повышение объема вырабатываемого газа ； 9. Обеспечение качества газа, такого как соотношение водорода и азота, содержание угарного газа и т. д.; плохое качество газа приводит лишь к увеличению ненужной нагрузки на систему. Что касается расхода угля: 1. Строго контролировать температуру на верхней части печи для производства газа, чтобы предотвратить потерю скрытой и явной теплоты ； 2. Следить за изменениями качества угля и своевременно корректировать нагрузку на газогенерирующий печь ； 3. Повышение эффективности использования пара в печи для производства газа ； 4. Повышение эффективности газообразовательной печи: решетки печи, поддоны для золы и т. д. должны быть правильно спроектированы, чтобы предотвратить скопление углерода ； 5. Создание научно обоснованной системы восстановления тепла отходов ； 6. Если речь идет о брикетированном угле, необходимо обеспечить его качество, чтобы избежать чрезмерного количества примесей ； 7. Обеспечить противодождевые меры на складах угля для производства твердого угля, а также на местах хранения угля (и шлака) для котлов, чтобы предотвратить попадание воды и чрезмерное увлажнение ；

Угольные предприятия должны начать с газификации угля, чтобы снизить его потребление

Что касается отдельного установления для синтеза аммиака, то для достижения высокой производительности при низком расходе ресурсов можно обратить внимание на следующие аспекты (на примере процесса Келлога): 1. Необходимо контролировать соотношение водорода и азота (чтобы реакция в реакторе происходила эффективно). 2. Необходимо контролировать содержание метана в системе. 3. Необходимо контролировать содержание оксида углерода в системе. 4. Необходимо контролировать объем циркулирующего газа. 5. Необходимо контролировать количество хладагента, используемого для охлаждения (чтобы обеспечить эффективное разделение компонентов). 6. Необходимо контролировать содержание кислорода в первой камере печи, чтобы снизить теплопотери и, таким образом, уменьшить расход топливного газа. Вышеизложенное касается лишь корректировки технологического процесса.

1. Контролируйте уровень метана в системе. 2. Контролируйте объем циркулирующего газа. 3. Контролируйте количество холода, вырабатываемого для охлаждения. 4. Снижайте давление в процессе синтеза, чтобы уменьшить энергопотребление.

Ответ на сообщение 1# TH373637: В нашем заводе производится газ из угля. Для снижения энергопотребления необходимо улучшить работу системы производства газа. Во-первых, нужно повысить объем газа, вырабатываемого одним котлом. Во-вторых, необходимо обеспечить стабильную работу котлов. 3. Обеспечить объем и качество газа в последующих сегментах. 4. Приоритет следует отдавать углю с низким содержанием серы и высоким качеством. 5. Можно попробовать сделать угольные стержни или угольные шарики. 6. Восстановление тепла, остающегося после производства газа

Высокий уровень производства, как правило, означает низкое потребление ресурсов. Если увеличить объем производства не удается, то приходится сосредоточиться на снижении расходов. Необходимо учитывать оба аспекта и проводить разумные корректировки в технологическом процессе — это обязательно приведет к снижению затрат. Как увеличить производство аммиака и удобрения мочевины при существующих технологических условиях? У каждого, конечно, есть свой опыт. Но все это должно основываться на разумном использовании ресурсов, а не на импульсивных действиях

1. Оптимальным соотношением водорода и азота является значение 2,5–2,8.
2. Необходимо увеличить скорость потока воздуха и количество подаваемого свежего газа.
3. При максимальном давлении в синтезирующей установке 15 МПа необходимо поддерживать разницу давлений на уровне менее 1,2 МПа; увеличение давления может способствовать ускорению реакции.
4. Необходимо правильно управлять процессом сброса газов и восстанавливать водород.
5. Необходимо контролировать содержание CO и CO2 в предварительной системе, чтобы снизить образование CH4.
6. Необходимо правильно контролировать температуру в аммиачных и водяных охладителях (оптимизация условий охлаждения).
7. Необходимо контролировать температуру в синтезирующей колонне.
8. Необходимо максимально снизить содержание аммиака на входе; оптимальное значение составляет примерно 15%

За положительные ответы на этот пост предусмотрена награда. Надеюсь, что это поможет всем в практической деятельности и станет полезным примером

Я считаю, что длительный цикл является наилучшим способом экономии энергии и решения проблемы высокой производительности при низком расходе. Другими словами: 1. Как обеспечить длительный цикл? 2. Как повысить уровень профессиональных навыков? С момента появления синтетического аммиака его производство становится все более энергоэффективным, причем существует несколько схожих технологий. Разница в расходе аммиака незначительна; наибольшая экономия энергии достигается за счёт длительного цикла. Несколько дней назад появилась статья о одном заводе по производству синтетического аммиака в Норвегии, где продолжительность цикла составляет более 1000 дней. Их понимание длительного цикла заключается в том, что катализатор в синтез-колонне продолжает работать, и аммиак постоянно вырабатывается. Это была статья на английском языке; трудно в это поверить

Ответ на сообщение 14# shfuchenko: Это также называется снижением количества неисправностей и обеспечением безопасной работы. Речь идет о повышении эффективности – возможности работать на полную мощность в течение длительного времени. В этом процессе участвует множество факторов, и это действительно стоит изучения*

Ответ 1# TH373637: Для снижения энергопотребления следует начинать с уменьшения потерь тепла. Теплоизоляционные свойства огнеупорных материалов в синтезаторе имеют решающее значение!