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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：*x* vx*n *x* vx*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体，其中含有苯、
2、酚、萘、蔥等重要化工原料， 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、h2、ch4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。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。在本世纪3
3、.5亿吨上下，与焦 炭需求量是基本平衡。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。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 90m3，炼焦工艺做到了环保，煤 气处理高
4、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。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，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。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要组成部分8。进入2
5、1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；煤制油（
6、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82-86C，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冷器，
7、再在煤气初冷器中冷却，可将煤气冷却到25-35C，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650-750C，首先经 过初冷，将煤气温度降至25-35C，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
8、蚀；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。
9、根据采用的初冷主体设备型式的不同，初冷的方法有间接 初冷法、直接初冷法和间接一直接初冷法之分。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1一气液分离器2一煤气初冷器3一煤气鼓风机4一电捕焦油器5一冷凝液槽；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
10、的焦油、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
11、的混合液称为冷凝液。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20C.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45C, 第二段用低温水将煤气冷却到25C以下。佟疑纜32 冷却水巧上恪水图2两段初冷器(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，将热量传图3煤气直接初
12、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-剩余氨水泵从吸气管来的80-85C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28C，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理。初冷塔底部流出的氨水和冷凝液进入氨水池，在此与
13、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、 循环氨水冷却器易堵塞等缺点。所以，大型
14、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80-90C冷却到50-55C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，降低煤气中的含奈量和腐蚀性介质。但也存在工 艺复杂、设备多、能耗高和
15、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。谆懑益出U图5立管式间接初冷器1 HI2）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
