合成氨生产放空气体的利用的制作方法

文档序号:5171126阅读:427来源:国知局
专利名称:合成氨生产放空气体的利用的制作方法
技术领域
本发明涉及的是一种化工行业合成氨生产过程中放空气体在内燃机上的有效利用。
在合成氨的生产过程中,由于进入合成塔气体需要净化(铜液吸收CO),不能合成氨的惰性气体需排除CH4,由此产生了大量的铜液再生产放空气合成放空气,合成驰放气。此外在还有少量的变换气、半水煤气。目前,这些可燃性气体的利用仅限于烧锅炉等,利用率仅为20~30%,资源浪费极大。
本发明的目的在于提供一种能够高效充分利用合成氨生产放空气的技术。
为达到上述目的,本发明设计一种合成氨生产放空气体的利用方法,是将CO、H2、CH4等合成氨生产过程中放空的可燃气体作为原料,以柴油机、汽油机内燃设备为动力机械,匹配相应的发电机,在合成氨厂内建造内燃机发电站。
在实施上述方案中,汽油机改装不大,只是取消原供油系统,柴油机则需将喷油系统改为喷气系统,并且在喷气提前角上要作适当调整,一般要求在上止点前5~25°曲轴转角开始喷气着火燃烧。
下面将合成氨生产放空气体在内燃机上的利用作具体说明一、吨氨放空量的计算、低热值的计算据浙江省小氮肥工人培训资料(中级工)第112面,每生产一吨氨放空量的计算公式x·xj=y·xiox=1000×22.417×2+2xay+xby]]>
式中x——制一吨100%NH3的补充气消耗量,标准立方米/吨NH3。
y——制一吨100%NH3在合成系统的总排放量,标准立方米/吨NH3。
xi——补充气中惰性气含量。
xio——放空气中惰性气平均含量CH4%。
xa——放空气中平均NH3含量%。
xb——放空气H2、N2、惰性气总平均惰性气含量%(xb=100%-xa)。
在实际生产中,补充气中惰性气含量一般在1.7%-2%之间,放空气中平均惰性含量17%,NH311/100生产一吨NH3需排放的气量已知xa=11%,则xb=89%,xi=1.8%,xio=17%代入公式x×0.018=y×0.1722.44x=1000×22.417×2+2x0.11y+0.89y]]>解方程得x≈3000标准立方米/吨NH3。
y≈316标准立方米/吨NH3。
据精炼分析气体中CO含量4-5%。
设x为精炼补充气总量,x=3000+x×0.04x=3125标准立方米吨氨放CO125标准立方米。
以上合成放空气中H255%、CH417%,再生气中CO100%、三种均是可燃性气体。
合成放空气中可燃性气体占72%,精炼铜液再生气约占100%与空气反应都能放出大量的热H2标准立方米2443千卡、CH4标准立方米8087千卡、CO标准立方米2875千卡(均属低热值)。
即每标准立方米合成放空气低热值为2443×0.55+8087×0.17=2718.44千卡精炼再生产热量(低热值)为2875×100%=2875千卡每吨合成氨精炼再生产(低热值)为2875×125=359375千卡每吨合成氨合成放空气(低热值)为2718.44×316=859027千卡合成放空气高压气体只能利用90%,10%为汽油机所用。因此每吨氨所用相当汽油计算如下359375+85900=445275千卡(低热值)柴油每吨为859027×0.9=773124千卡(低热值)汽油每公斤10500千卡(低热值),柴油每公斤10000千卡汽油445275÷10500=42.4公斤柴油773124÷10000=77.3公斤二、放空气、再生放空气的主要性能NH3的合成一般在15-32MPa才能很快进行,因此合成放空气一般可控制在20MPa以内。
放空气中H2一般占55%以上。H2具有绝热指数K高于空气,空气的绝热指数为1.00,K值高、发动机的热效率高。空气与H2的燃烧极限,空燃比为346.3∶1是异辛烷的14倍,为其理论空燃比的10倍。这样以H2为燃料可以燃烧非常稀的混合气。H2在着火后,在空气中传播速度快,它可以比甲烷在空气中的火焰传播速度高7-8倍,排气污染少。空气与H2燃烧时不会生产CO、HC、NOC也很少,发动机磨损小。
H2在空气中自燃温度530℃-580℃比辛烷值异辛烷还高,其抗爆性高于普通汽油。爆炸极限4.1-74.2%。
CH4在空气中自燃温度540℃。其抗爆性高于普通汽油。爆炸极限9.3-19%。
CO在空气中自燃温度605℃,其抗爆性高于普通汽油。爆炸极限12.5-74.2%。
NH3在空气中自燃温度651℃,其抗爆性高于普通汽油。爆炸极限15.7-27.4%。
在标态下H2m3耗空气2.38m3(空∶燃)CH4m3耗空气9.52m3COm3耗空气2.38m3三、放空气在汽油机上的利用早在建国初期我国因汽油缺乏,汽车上背煤气包,用来代油燃烧。而今后油工业发展了没烧煤气了。但十万吨生产能力的合成氨厂每年要排放相当424万公斤的汽油的可燃性气体。其热值要比煤所高得多(2731千卡/标准m3)。可发电1385KW/h(按KW/h306克计算)。放掉十分可惜。若在汽油机上合理利用可获节能、环保的社会效益和良好的经济效益。
1、液体燃料的混合气形成和燃烧液体燃料的混合气形成过程,实际上就是液体燃料在空气中雾化、蒸发、扩散并与空气混合过程。这一过程,在柴油机中是利用燃料喷雾蒸发和壁面油膜蒸发的办法在气缸内部逐步形成混合气的。对于汽油机这一过程可以和柴油机一样在气缸内部进行,但更多的是在气缸外部进行,而在气缸内部的混合气形成只是这一过程的继续和补充,在数量上所占比重较小。
当气缸内混合气均匀后,电火花点燃均匀的混合气,形成火焰中心,并且火焰从此中心按一定的速率连续地传播到整个燃烧室。
2、使用放空气的混合气形成根据汽油机混合气形成过程,使用合成的空气用原来的汽油发动机来改装并不困难。不需要对发动机作大的改动。如果只用放空气取掉原供油系统即可。也可保留供油系统以作备用。
放空气是气体在混合器内与空气形成混合性气体被汽油机吸入在气缸内混合均匀后,电火花点燃均匀的混合气,形成火焰中心,并且火焰中从此中心按一定的速率,连续地传播到整个燃烧室。
3、烧精炼再生放空气与烧汽油的比较汽油10500千卡/公斤,理论所需空气(空燃)4.8公斤/公斤、工作混合气热值873千卡/米3。精炼铜液再生放空气CO(空燃)2.38米3/米3。工作混合气热值800~855千卡/米3,其(空∶燃)的热值要比汽油30-80千卡/米3,汽油机功率要下降5-10%。
4、怎样改变烧精炼再生放空气的功率不足烧精炼再生产放空气汽油机功率只下降5-10%,但是精炼再生放空气中的主要成份是CO、NH3、CO、NH3异辛烷值均超过9-10,高于普通汽油。用下面两种办法解决其功率不足(1)可以用提高发动机压缩比的办法来提高发动功率。增压后发动机热效率提高,单位燃料也有所下降。
(2)提高进气压力,增加充气量其方法通常是采用增压。增压后由于进气压力增大,压缩后的空气密度增加;而且进气缸的气流速度加快,使发动机的充气量增加,实现提高进气压力对发动机的结构不需作重大改变,如缸径,行程以及发动机转速等都不变的情况下,而功率可提高10~20%,热效率将有大的提高,单位燃料也有所下降,可实现解决烧精炼再生产放空气其功率的不足。
四、合成放空气在柴油机上的利用根据氨的合成要在15-32MPa下才能很快进行,其压力高放掉十分可惜。H2在汽油机中容易产生早燃现象,往往造成进气歧管回火,新鲜合气不能进入气缸,发动机工作不稳定,甚至熄火。柴油机所采用的是直接喷射的办法,不会产生象汽油机那样工作不稳定的现象。柴油机KW/h所耗热量比汽油机少以及柴油机其它性能等。因此放空气利用在柴油机上极为理想。
1、柴油机的混合气形成在汽油机中混合气形成,已谈到液体燃料的混合气的形成过程,实际上就是液体燃料在空气中雾化、蒸发、扩散并与空气混合的过程。柴油机所用的燃料是柴油,因为柴油不容易蒸发,所以柴油机是采用内部混合的方式形成可燃混合气,也就是借助喷油设备(喷油泵、喷油嘴)将燃油在接近压缩终了的时候喷主气缸。柴油通过喷油器的高压喷射,分成数以百分计的小油滴,其直径在1.50×103mm之间。这些细小油滴在气缸中与高温高压的热空气混合,经过一系列的物理化学准备,然后着火燃烧。混合与燃烧是重叠进行的,一边喷油,一边燃烧。为了保证柴油机的良好性能,燃烧必须在上止点附近迅速完成,不得拉大。为此要求喷油时间急为短促,一般全负荷时供油时间只有15-35度曲轴转角,对1000转/分的柴油机来说,也就是只有0.0023-0.0055秒。在这样短的时间里,如果不采取适当的措施来保证及时形成可以迅速燃烧的混合气,要获得良好燃烧过程有决定性的影响2、回冲程柴油机的工作过程(1)进气过程活塞上止点下行,气缸容积由小变大,气缸内的气体随之稀薄压力逐渐降低,形成部分真空,产生吸引力,于是大气中的新鲜空气便通过已经开启的进气阀被吹入气缸。
由于进气过程中有流阻现象,进行过程活塞到达下止点时,其值约为0.085-0.095MPa。
(2)压缩过程进、排气阀此时关闭,活塞继续上行,气缸容积变小,气体压力增大,温度升高,活塞到达上止点压缩终了时,气体压力3-4MPa,温度500-700℃为柴油的自燃准备了必要的条件。
(3)燃烧及膨胀过程活塞上行至上止点前5-30度时,喷油器开始向气缸喷油,喷入油雾与高温高压的气体混合而自行燃烧,使气体压力增加致5-8MPa,温度上升至1700-2000℃高温高压的燃气膨胀,推动活塞向下止点运动,使曲轴转动对外开放做功,在膨胀终点,气缸内气体压力降低到0.3-0.45MPa,气体温度降到600-700℃。
(4)排气过程排气门打开,活塞由下往上行,将废气排出气缸,排气终了时气缸的废气压力为0.11-0.12MPa,温度为350-450℃。
3、合成放空气在柴油机上利用根据柴油机混合气的形成过程,回冲程柴油机的工作原理以及柴油机的燃烧。合成放空气的压力、成份等性能。在柴油机中烧合成放空气并不困难。
(1)放空气在柴油机内混合气形成柴油机所用的燃料是柴油。柴油是利用燃料喷雾蒸发和壁面油膜蒸发的办法在气缸内部逐步形成混合气。
合成放空气是气体,不需要象柴油那样喷雾蒸发和油膜蒸发。在柴油机压缩过程中活塞达上止点压缩终了时,气体压力3-4MPa,在燃烧主膨胀过程中,气体最高压力5-8MPa。合成放空气的压力可控制在12-32MPa,远远高于柴油机最高膨胀压力,因此要使用合成放空气在柴油机内形成工作混合气比柴油在柴油机内形成混合气要简单的多。只需将柴油机喷油系统改为喷气系统即可。
(2)合成放空气在柴油机内的燃烧柴油在柴油机内燃烧过程燃油喷雾——油粒与空气混合——油粒蒸发——油粒蒸气与空气混合——燃油的先期氧化反应——局部着火——燃烧。柴油机在活塞到达上止点压缩终了时温度500-700℃。压力3-4MPa,由于气缸中空气的压力和温度不断升高,燃料的着火温度因为升高而不断下降。(柴油的自燃温度为空气压力0.3MPa,ts(℃)400,空气压力0.9MPa,ts(℃)262,空气压力1.5MPa,ts(℃)210,空气压力3MPa,ts(℃)200)。
根据合成放空气的性能,其气体自燃温度在530-600℃,放空气本身是气体,在柴油机燃烧中可以比柴油少两个环节(油粒与空气混合——燃油蒸发)。而是燃烧气喷射——燃料气与空气混合——燃料气体先期氧化反应——局部着火——燃烧。
由于气缸中空气的压力和温度不断升高,燃料的着火温度因压力升高而不断下降。柴油在3MPa压力下自燃温度200℃。合成放空气在气缸中空气的压力和温度不断升高,燃料的着火温度因压力升高而不断下降。柴油机在活塞到达上止点压缩终了时温度500-700℃,远远高于放空气在当时压力下的自燃温度。
(3)放空气在柴油机上的功率与烧柴油的功率比较柴油工作混合气热值893千卡/立方米,而合成放空气的工作混合气热值只有650-700千卡/立方米,在汽油机中功率要下降30-20%。但在柴油机中却有很大的提高,在回冲程柴油机的工作过程中,进入气缸的空气是一定的。柴油的空燃(理论所需空气量)1公斤/60-70公斤。1立方米/2.5-3立方米,所需空气量要比柴油所需空气少。如果用柴油耗空气和合成放空气耗空气相比,则功率可提高100%。
合成放空气压力12-32MPa,耗空气少,体积大(4千多立方米才相当1公斤柴油的热量)。喷气量大,喷气量大本身对柴油机就有推动力。
3、合成放空气在柴油机的着火延迟从柴油机的燃烧过程的进展情况看出着火延迟是燃烧过程的一个重要参数。柴油在柴油机内燃烧是燃油喷雾——油粒与空气混合——油粒蒸发——油粒蒸气与空气混合——燃油的先期氧化反应——局部着火——燃烧。而合成放空气是燃料喷射——燃烧气与空气混合——燃烧气的先期氧化反应——局部着火——燃烧。比柴油少两个环节(油粒与空气混合——燃油蒸发),形成混合气比柴油形成混合气容易。因此着火延迟阶段比柴油要短。因着火延迟阶段短就不象烧柴油那样在滞燃阶段内喷入15-50%的柴油在下阶段中一起燃烧,使气缸的爆发力急剧上升,造成柴油机工作粗暴,影响使用寿命。
4、烧合成放空气的冷起动冷起动的难易也是柴油机的一个重要性能指标。在大、中型柴油机中一般都有冷起动装置,如电热塞、起动液、进气空气预热器等。
在燃烧和空气的柴油机中可以不要以上起动装置。(1)在上面已提过合成放空气本身是气体不需要喷雾蒸发与油膜蒸发(吸热)。压力在12-32MPa。体积大是柴油的4000倍。喷气量大,喷气量大本身对活塞有推动力。(2)合成放空气中H2占55%,H2在空气中自燃温度530-580℃在气缸压力和温度不断升高、燃料的着火温度因压力升高而不断下降而着火燃烧,达到冷起动的目的。
根据合成放空气是气体,H255%以上,H2在着火后,在空气中传播速度快,它可以比CH4在空气中的火焰传播速度高7-8倍。合成放空气体积大,喷气量大等特点。过早喷气对柴油机的平稳性,柴油机的寿命有一定影响。因此烧合成放空气在喷气提前角上要作适当调整。一般在上止点前5-25°曲轴转角(根据情况调整)开始喷气着火燃烧。以保证燃烧在上止点附近完成。以至获得较好的功率和经济性指标,延长发动机使用寿命。
五、利用放空气的经济效益年产10万吨的合成氨厂每年向大气排放铜液再生产CO1250万标准立方米。合成放空气、合成驰放气(H2、CH4、NH3)3160成标准立方米,有部分厂除用一部分烧锅炉外全排入大气中。这些气体对大气不仅造成了污染,也给生产厂家放走相当汽油424万公斤、柴油773万公斤的经济资源。汽油全年可发电1385万KW/h(按KW/h306克计算)。柴油可发电3562.6万KW/h(按KW/h217克计算)。全年共发电4940万KW/h。按KW/h0.35元计算共获产值1722万元,吨氨减少电耗492KW/h,是用放空气烧锅炉的经济效益的2-3倍。
权利要求
1.一种合成氨生产放空气体的利用,是将CO、H2、CH4等合成氨生产过程中放空的可燃气体作为原料,以柴油机、汽油机内燃设备为动力机械,匹配相应的发电机,在合成氨厂内建造内燃机发电站;
2.如权利要求1所述的合成氨生产放空气体的利用方法中,汽油机取消原供油系统,柴油机将喷油系统改为喷气系统,并且在喷气提前角上要作适当调整,一般要求在上止点前5-25°曲轴转角开始喷气着火燃烧。
全文摘要
本发明涉及的是化工行业合成氨生产放空气体有效利用的一种方法,主要是用汽油机、柴油机等内燃机将放空气体的H
文档编号F02B63/04GK1407216SQ0112836
公开日2003年4月2日 申请日期2001年8月20日 优先权日2001年8月20日
发明者吕仁进 申请人:吕仁进
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