硫酸铵工段1

硫酸铵工段目 录

1 绪论1

2 工艺流程选择2

2.1 硫酸铵的用途及生产方法2

2.2 生产工艺流程的原理3

2.3 硫铵的生产方法3

2.4 饱和器法生产硫铵的工艺流程4

2.5 饱和器的选择4

2.5.1 喷淋式饱和器4

2.5.2 喷淋饱和器法生产硫铵5

2.5.3 喷淋式饱和器的特点5

3 硫铵工段工艺计算6

3.1 饱和器7

3.1.1 氨的平衡及硫酸用量的计算7

3.1.2 水平衡及母液温度的确定8

3.1.3 热平衡及煤气预热温度的确定9

3.1.4 饱和器基本尺寸12

3.2 煤气预热器13

3.2.1 预热器的热平衡13

3.2.2 预热器的基本尺寸14

3.3 旋风式除酸器17

3.3.1 煤气进口尺寸17

3.3.2 煤气出口管直径18

3.3.3 除酸器内径18

3.3.4 出口管在器内部分高度18

3.4 沸腾干燥器19

3.4.1 干燥器最低液态化速度19

3.4.2 干燥器直径20

3.4.3 干燥器溢流口高度的确定21

3.5 结晶槽21

3.6 满流槽23

3.7 母液贮槽23

3.8 螺旋输送机23

3.9 酸焦油分离槽24

3.10 高位槽24

3.11 废氨水槽25

3.12 泵的选择25

4 工艺布置原则25

4.1 设备布置25

4.1.1 工段布置25

4.1.2 饱和器机组设置布置25

4.1.3 离心干燥系统设备布置26

4.1.4 蒸氨系统设备的布置26

4.1.5 其它27

4.2 布置说明27

4.2.1 工段布置27

4.2.2 楼体前饱和器机组的布置27

4.2.3 离心干燥系统布置27

4.2.4 蒸氨系统及其它27

5 设备一览表28

5.1 硫铵工段设备一览表28

6 结束语29

参　考　文　献30

 

1  绪论

世界化石能源(包括煤炭、石油、天然气)资源比较丰富，在一次能源消费结构中占90%，是当今的主要能源。石油、天然气储量分别可供40年、60年的需求，非常规的油气资源有可能进一步扩大。而煤炭储量十分丰富，且分布广泛，探明储量可供世界开采200年。全球化石能源供应前景的不确定因素之一是成本、价格。技术进步和生产效率的提高推动着生产和运输成本的降低，但廉价资源储量枯竭等因素又导致成本和价格提高。预计从2000年到2020年，化石能源在一次能源消费结构中，石油将从39%降至38% ，煤炭将从26%降至24%，天然气将从23%提高至27%。

近几十年来，化石能源在中国一次能源消费结构中占90%以上。煤炭是中国的主要能源，也是许多重要化工产品的主要原料。随着中国社会经济持续、高速发展，近年来能源、化工产品的需求也出现较高的增长速度，煤化工在中国能源、化工领域中已占有重要地位。中国煤化工的发展对发挥丰富的煤炭资源优势，补充国内油、气资源不足和满足对化工产品的需求，保障能源安全，促进经济的可持续发展，具有现实和长远的意义。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。煤炭焦化、煤气化--合成氨--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--甲醇及下游化工产品等将得到快速发展;煤制油(直接液化、间接液化)技术的开发和产业化将受到关注，重点项目建设已启动。

目前和今后较长一段时期，建设大型煤化工工厂正在成为发展趋势，如百万吨级的煤液化工厂，300kt或以上的合成氨、甲醇工厂，炭化室高度5m以上的大型炼焦炉等。在大型工厂建设的基础上，规划建成大型煤化工产业基地，如神华煤液化、煤化工产业基地，宁夏宁东能源重化工基地，山东充矿煤化工基地等。在产业基地规划中一般包括有不同煤化工单元工艺，如煤焦化、煤液化、煤基甲醇及下游产品等。以往煤化工工厂的产品以向用户提供终端产品或其他工业原料(或燃料)为主，如煤气化--合成氨--化肥、煤焦化--焦炭等，目前产品结构向多元化发展，通过煤化工生产可替代石油的发动机燃料或替代燃料和化工产品(如乙烯、丙烯等)逐渐成为重要的产品方向。随着技术进步、市场发展和企业运行机制的变化，煤化工技术集成与联产在项目规划、设计中得到重视，如煤炭焦化与焦炉煤气发电或制取甲醇联产，煤气化--合成氨、合成甲醇与热电联产等。煤化工联产的特点是:以成熟单元技术为基础;以提高能源和资源利用效率、优化产品结构、增强企业经济竞争力、减少污染物排放为目标;产品结构以化工产品或可替代石油的燃料为主、联产发电为辅，生产的电力主要供给工厂自用。建立煤化工生态工业是未来发展趋势通过采用先进技术、不同工艺的集成联产发展大型煤化工，形成产业链的有效延伸和综合利用，提高资源、能源的利用效率，减少污染物排放，规模化集中治理污染，达到环境友好，建立煤化工生态工业。煤化工生态工业的含义是:将煤化工与建材、材料、发电、废热利用(包括种植、养殖等)等不同产业的工艺技术集成联产，形成资源和能源的循环利用系统，使整体系统具有灵活、高效的调整和运行功能，同时不对区域生态环境造成破坏和污染。

中国未来煤化工的发展方向是在传统煤化工稳定发展的同时，加大力度发展可替代石油的洁净能源与化工品的新型煤化工技术，并建成技术先进、大规模、多种工艺集成的新型煤化工企业或产业基地。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。目前，中国新型煤化工总体上还处于发展初期，未来20年是其产业发展、技术开发和工业化建成的重要时期。

2  工艺流程选择

2.1  硫酸铵的用途及生产方法

硫酸铵(NH4)2SO4，含氮约20％，简称硫铵，俗称肥田粉，是我国使用和生产最早的一个氮肥品种，目前约占我国氮肥总产量的0.7％。氮素形态是铵离子(NH4+)，属氨态氮肥。硫酸铵的制取是用合成氨或炼焦、炼油、有机合成等工业生产中的副产品回收氨，再用硫酸中和，反应式为：

2NH3+H2SO4→(NH4)2SO4

硫铵产品一般为白色产品，若产品中混有杂质时则带黄色或灰色，物理性质稳定，分解温度高(大于280℃)，不易吸湿，但结块后很难打碎。硫铵易溶于水，20℃时溶解度为70％，水中呈中性反应，由于产品中往往有游离酸存在，也呈现微酸性。

硫铵除含氮外，还含有25℃的硫，也是一种重要的硫肥。

硫铵的分子中含有阴离子SO4-，难以被土粒吸附，作物对铵离子的吸收较多而使SO4-残留土壤，故硫铵是一种典型的生理酸性肥料。硫铵在富含碳酸钙的石灰性土壤上施用，与CaCO3形成难溶的硫酸钙，不会明显的影响土壤的pH值。但对中性和酸性土壤，残留的SO4-将与H+结合降低土壤的pH值，酸化土壤，需要采用配施石灰等措施来防止酸化。

在淹水条件下，SO4-会还原成H2S，引起稻根变黑，影响根系吸收养分。应结合排水晒田，改善通气条件，避免产生黑根。

硫铵可做基肥、追肥和种肥。在用作种肥时一定要注意用量不宜多。硫铵在石灰性土壤中与碳酸钙起作用生成氨气跑掉。在酸性土壤中，如果硫酸铵施在水田通气较好的表层，铵态氮易经硝化作用而转化生成硝态氮，转入深层后因缺氧又经反硝化作用，生成氮气和氧化氮气体跑到空气中。所以，无论在水田还是旱田，硫铵都要深施。

2.2  生产工艺流程的原理

焦化厂生产的硫铵是浓硫酸和氨气在饱和器内发生如下化学反应而生成硫铵的。反应方程式：

H2SO4+NH3→(NH4)2SO4(硫酸适量)

H2SO4+NH3→NH4HSO4(硫酸过量)

NH4HSO4+NH3→(NH4)2SO4

上述反应是放热反应，当用硫酸吸收炼焦煤气中的氨时,实际所得的热效应和硫铵母液的酸度及温度有关，其值约比理论反应放出的热量少10%左右。

由上述反应方程式可以看出产品硫铵既存在着正盐又存在着酸式盐，它们分别以各自的形式存在于生产硫铵的溶液中，而溶液中不论是酸式盐还是正盐其各自所占的比值主要由溶液的酸度决定，溶液的酸度可以用加入硫酸的数量多少来调节。在饱和器内的酸度控制在1--2%时，生成的硫铵产品主要为正盐。当酸度升高时，随酸度的提高而酸式盐含量则提高，饱和器内母液的酸度控制在4-8%时，饱和器和母液中同时存在着正盐又存在着酸式盐。但酸式盐比正盐更容易溶于水和稀硫酸，因此，在溶解度达到极限时，在饱和器的酸度范围内从溶液中首先析出的是(NH4)2SO4。

2.3  硫铵的生产方法

    硫铵的生产方法有：饱和器法和非饱和器法。此次工艺设计仅对饱和器法作介绍，而饱和器法又分直接法和半直接法。

    直接法

    热的煤气从焦炉中出来经过煤气冷凝器冷却再经电捕焦油器清洁净化后进入饱和器，在饱和器内，煤气中的氨同硫酸结合生成硫铵。直接法由于对电捕焦油器等净化装置要求较高以保硫酸铵产品质量。因此，在工业上应用比较困难，所以此法在工业上得不到广泛应用，难以推广。

    间接法

    煤气中的氨在氨洗塔中用冷水吸收，所得氨水从蒸馏柱进入饱和器同浓硫酸反应制成硫酸铵。由于这方法需要的设备庞大，投资大，消耗掉大量的蒸汽，耗能大，经济效果也不好。因此，此法在工业上应用很少，很难推广，特别是在现代化工业生产中应用更少。

    半直接法：

    由焦炉出来的煤气经过冷却，所得的冷凝氨水通过氨蒸馏柱蒸出氨水并和煤气中的氨共同进入饱和器，穿过母液层和硫酸溶液相互作用生成酸式硫酸铵。半直接法生产硫酸铵由于生产流程简单，产品成本较低，工艺技术及管理较成熟，因此在工业生产上应用较广，但它也有它的缺点，主要有下列几点：

(1)需处理一定量的氨水。

(2)结晶颗粒较小。

(3)煤气通过饱和器阻力较大，因而能量消耗大。

半直接法生产硫铵的工业有待进一步改进，以适应现代工业生产的需要，尽管如此，由于它的生产工艺管理等方面均较直接法和间接法先进，因此工业生产上应用较广。

本设计选择直接法。

2.4  饱和器法生产硫铵的工艺流程

来自冷凝鼓风工段的去焦油雾的煤气首先进入煤气预热器，在此煤气被预热到60℃左右，然后，热煤气与蒸氨塔来的氨气一起进入饱和器的中央煤气管，经分配伞穿过母液层鼓泡而出，其中氨被硫铵吸收，因此饱和器起着吸收设备的作用，煤气出饱和器后进入除酸器，除去所夹带的酸雾，然后送往粗笨车间，此时煤气的含氨量一般低于30mg/m3。

2.5  饱和器的选择

焦炉煤气先后通过硫铵工序的煤气预热器、饱和器和除酸器时，由于预热器和除酸器的结构比较简单，产生的阻力相对较小，约1.0kPa，且较为稳定。即使因焦油沉积而引起系统阻力增加时，只须用蒸汽吹扫后就能恢复正常。因此，阻力增加的关键环节就是饱和器。因此选择合适的饱和器是本工段的重要任务。

常用的饱和器有较传统的饱和器、泡沸伞式饱和器、喷淋泡沸型饱和器及喷淋式饱和器，此次设计选用喷淋式饱和器，故对其它饱和器不作具体介绍。

2.5.1  喷淋式饱和器

喷淋式饱和器全部采用不锈钢制作，喷淋式饱和器由上部的喷淋室与除酸器和下部的结晶室组成，体外有整体保温层。吸收室由本体、环形室、母液喷淋管组成。煤气进入吸气室后分成两股，在本体与内筒体间形成的环形室内流动，与喷淋管喷出的母液接触，然后两股汇成一股进到饱和器的后室，被喷洒管喷出的二次母液喷淋，进一步吸收煤气中的氨，再沿切线方向进入内筒体的内置除酸器中，旋转向下进入内套筒，由顶部煤气出口排出。煤气阻力为2--2.2kPa。外套筒与内套筒间形成旋风式除酸器，起到除去煤气中夹带的液滴的作用。在煤气入口和煤气出口间分隔成两个弧形分配箱，其内置喷嘴数个，朝向煤气流。在吸收室的下部设有母液满流管，控制吸收室下部的液面，促使煤气由入口向出口在环形室内流动。吸收室以降液管与结晶室连通，循环母液通过降液管从结晶室的底部向上返，搅拌母液，硫酸铵晶核不断生长和长大，同时颗粒分级，最小颗粒升向顶部，从结晶室上部出口接到循环泵，大颗粒结晶从结晶室下部抽出。在煤气入口和煤气出口、结晶室上部设有温水喷淋装置，以清洗吸收室和结晶室。

2.5.2  喷淋饱和器法生产硫铵

喷淋饱和器分为上下两段，上段为吸收室，下段为结晶室。由上个工段来的煤气进入喷淋饱和器的上段，分成两路沿饱和器水平方向流动。每股煤气均经过数个喷头，用含游离酸的母液喷洒，以吸收煤气中的氨 。两股煤气汇合后从切线方向进入饱和器中心旋风分离部分，除去夹带的酸雾滴，从上部中心出口管离开到下一个工段。

饱和器的上段与下段以降液管连通，喷洒吸收氨后的母液从降液管流至结晶室底部，不断搅拌母液，使硫铵晶核长大。带有小颗粒的母液上升至结晶室上部，大部分至母液循环泵，少部分至母液加热器，用蒸汽加热使母液温度升高。一方面溶解母液中的小颗粒结晶，减少晶核数量，另一方面保持饱和器内的水平衡(或用煤气预热器维持水平衡)，混合后的两部分母液进入大的母液循环泵，送经饱和器的上段进行循环、喷洒。

饱和器的上段设满流管，保持液面并封住煤气，使其不能进入下段，母液在上段与下段之间不断循环，使母液中的晶核不断长大，沉降在结晶室底部，用结晶泵抽至结晶槽，经离心分离，干燥后得成品硫铵。

结晶颗粒的长大，一方面依靠母液的大量循环搅拌，促使结晶颗粒增大，另一方面结晶室的容积较大，有利于晶核的长大，通过自然分级从结晶室的底部可抽出较大的颗粒的硫铵结晶。

2.5.3  喷淋式饱和器的特点

第一，喷淋式饱和器除氨，较充分地吸收煤气中氨气，明显减少对环境的污染。由于在喷淋室上部设有多个螺旋扇面喷头，形成一定喷角，使喷洒出的硫氨母液均朝向煤气流动方向，通过良好的气液接触，充分吸收煤气中的氨，大大减少了煤气中的氨的含量，明显降低了氨气向自然界的排放。

第二，设备阻力小，大大降低了风机能耗，明显地增加了经济效益。由于煤气在饱和器中的通道是一个环形的喷射空间，所以煤气阻力大大降低。经实测，该饱和器的设计阻力仅为1Kpa，与其它形式的饱和器相比，降低3.5--6.0Kpa，使风机的运行更加可靠平稳。

第三，除酸内置，结构紧凑，体积小、重量轻、安装检修方便。喷淋式饱和器上部为三层套筒式结构，外层与中层之间的环形空间是喷淋室，煤气在此空间与喷洒的循环母液充分接触，除去煤气中的氨。脱氨后的煤气沿侧壁上升通道进入中层与内层之间的环形空间，经由上至下旋转流动，使煤气中夹带的酸滴得到分离，除酸后的煤气由内层套筒导出饱和器。喷淋式饱和器将吸氨和除酸巧妙地结合在一起，使设备结构更加紧凑，减少了设备重量及占地面积，给基础设施和设备安装检修提供了极大方便。

第四，喷淋式饱和器底部带结晶室，有利于硫铵结晶的解决，增大了结晶颗粒，提高了硫铵产品质量和产量，增加了经济效益。喷淋式饱和器底部是一个圆筒形结晶室，循环泵从结晶室上部抽取硫氨母液送入喷淋式喷洒，吸氨的母液经过降液管进入结晶室。由于降液管伸入结晶室底部，所以母液在上升过程中，大小结晶颗粒自然分级大颗粒沉在结晶室底部，悬浮在上部的小颗粒重新被循环泵收入，再次进行喷洒，结晶成大颗粒，沉入结晶室底部，当母液结晶达到一定程度后，从结晶室底部被抽取，经干燥，生成硫铵结晶。由于硫铵颗粒大，质量好， 因而提高了其价格，增加了经济效益。仅以喷淋式饱和器产生的颗粒与浸没式饱和器相比，其结晶颗粒明显增大。浸没式颗粒60目筛余量为48.48%，喷淋式颗粒60目筛余量为74.62%，提高了26.14%。

第五，喷淋式饱和器采用SUS316L耐酸不锈钢材料制作，设备防腐性能好，使用寿命长，大大延长设备更换周期，减少停产次数，从而明显提高了经济效益。喷淋式饱和器喷头亦采用SUS316L材料。根据有关资料介绍及实际运行证明，该材料在浓度低于10%，温度低于60℃的硫酸腐蚀介质中，年腐蚀速率低于0.5mm，在浓度低于5%，温度低于60℃的硫酸介质中，年腐蚀速率低于0.3mm。目前，我国生产的316L不锈钢在浓度低于10%的硫酸介质中，可以使用10～15年，日本产的可以使用15年以上。所以，对于焦炉煤气除氨生产硫铵装置，选用SUS316L材质制作是完全经济可行的。