毕业设计（论文）-130万ta焦化厂煤气脱硫工段设计【全套图纸】.doc

中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 1 页 目 录 1 总论 5 1 1 设计要求及任务 5 1 2 厂址选择 5 1 2 11 2 1 地理位置地理位置 5 1 2 21 2 2 气气象条件象条件 6 1 2 31 2 3 动力来源动力来源 6 2 工艺流程的确定及说明 6 2 1 脱硫方法的概述 6 2 1 12 1 1 干法脱硫干法脱硫 6 2 1 22 1 2 湿法脱硫湿法脱硫 7 2 2 生产工艺流程的选择 13 3 改良 A D A 脱硫的生产原理及操作制度 14 3 1 改良 A D A 的生产原理 原料及产品 15 3 1 13 1 1 生产原理生产原理 15 3 1 23 1 2 原料和产品原料和产品 15 3 2 工艺流程和操作制度 15 3 2 13 2 1 工艺流程工艺流程 15 3 2 23 2 2 流程说明流程说明 16 3 3 操作制度和工艺要点 16 3 3 13 3 1 操作制度操作制度 16 3 3 23 3 2 工艺要点工艺要点 16 4 主要设备的选型与计算 16 4 1 主要设备的选型及计算 16 4 1 14 1 1 主要设计计算定额主要设计计算定额 16 4 1 24 1 2 原材料的消耗量原材料的消耗量 17 4 1 34 1 3 主要设计参数主要设计参数 17 4 1 44 1 4 物料衡算物料衡算 17 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 2 页 4 2 脱硫塔的计算 18 4 2 14 2 1 参数参数 18 4 2 24 2 2 计算过程计算过程 18 4 2 34 2 3 塔顶喷淋装置塔顶喷淋装置 19 4 3 再生塔的计算 20 4 3 14 3 1 再生塔计算要求再生塔计算要求 20 4 3 24 3 2 再生塔计算再生塔计算 20 4 3 34 3 3 反应槽的计算反应槽的计算 21 4 3 44 3 4 事故槽的计算事故槽的计算 21 4 3 54 3 5 换热器的计算换热器的计算 22 4 3 64 3 6 循环泵的计算循环泵的计算 23 4 4 硫泡沫槽的计算 26 4 4 14 4 1 硫泡沫槽的计算硫泡沫槽的计算 26 4 4 24 4 2 加热蒸发量的计算加热蒸发量的计算 26 4 5 通风机的计算 27 4 6 戈尔膜的计算 27 5 工段布置及总平面布局图 27 5 1 工艺布置 27 5 1 15 1 1 布置说明布置说明 28 5 1 25 1 2 布置要求布置要求 28 5 2 其它要求 28 6 非工艺部分说明 26 6 1 公用工程 26 6 1 16 1 1 供水供水 29 6 1 26 1 2 供电供电 29 6 1 36 1 3 蒸汽与压缩空气蒸汽与压缩空气 29 6 1 46 1 4 采暖与通风采暖与通风 30 6 1 56 1 5 土建土建 30 6 1 66 1 6 环保环保 30 6 2 仪表自动化 30 7 1 脱硫塔 32 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 3 页 7 2 再生塔 32 7 3 循环泵 32 8 生产操作和劳动定员 33 8 1 生产操作 33 8 1 18 1 1 泵工正常操作泵工正常操作 33 8 1 28 1 2 泵工职责泵工职责 34 8 1 38 1 3 泡沫工正常操作泡沫工正常操作 34 8 1 48 1 4 熔硫工正常操作 本设计用了戈尔膜代替熔硫釜 故设有此工种 熔硫工正常操作 本设计用了戈尔膜代替熔硫釜 故设有此工种 34 8 1 58 1 5 各岗位人员的共同职责各岗位人员的共同职责 35 8 2 劳动定员 35 9 投资概算与生产成本分析 33 9 1 编制说明 33 9 1 19 1 1 材料及设备材料及设备 33 9 2 投资概算 33 9 2 19 2 1 土建部分土建部分 36 9 2 29 2 2 设备部分设备部分 36 9 2 39 2 3 工具费工具费 37 9 2 49 2 4 设备施工管理费设备施工管理费 37 9 2 59 2 5 化验设备费化验设备费 38 9 2 69 2 6 工艺管道和阀门工艺管道和阀门 39 9 2 79 2 7 仪表费和电气费仪表费和电气费 39 9 2 89 2 8 设计费设计费 39 9 2 99 2 9 不可预见费不可预见费 39 9 3 生产成本分析 39 9 3 19 3 1 原料费原料费 39 9 3 29 3 2 动力消耗动力消耗 40 9 3 39 3 3 工资及附加费工资及附加费 40 9 3 49 3 4 工段运费工段运费 40 9 4 核算 40 附录 42 1 设备一览表 42 2 图纸说明 43 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 4 页 参考文献 44 致 谢 45 全套图纸 加全套图纸 加 153893706 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 5 页 1 总论 1 1 设计任务及要求 本次的毕业设计是我们在校阶段最为重要的教学环节 是让我们将所学的 理论知识与实际情况相结合的环节 作为非常重要的毕业设计 它有以下任务 及要求 1 按照给定焦化厂设计规模计算煤气处理量并根据焦化设计规范的要求 对焦化厂煤气脱硫工段进行工艺论证 2 确定脱硫工艺流程 进行物料平衡 热量衡算 计算和设计煤气脱硫塔 和再生塔 根据计算进行主要设备的选型 绘制一张非标设备图 3 进行脱硫工段的设备和工艺管道布置 绘制煤气脱硫工段的工艺流程图 总平面布置图 和设备与工艺管道平面图和立面图 4 根据煤气脱硫工段的生产要求 对脱硫工段设计的非工艺技术部分提出 要求 根据岗位设置与岗位操作编制岗位人员编制 5 进行脱硫工段的投资估算和煤气脱硫生产成本的技术经济分析 6 编制设计说明书 1 2 厂址选择 1 2 11 2 1 地理位置地理位置 该脱硫工段拟设在江苏徐州郊区 主要由以下几个方面决定 1 脱硫工段要与焦化厂配套 是与焦化厂的地理位置一致的 2 徐州煤炭资源丰富 号称 百里煤海 是全国十大煤田之一 煤炭 储量 36 亿吨 资源丰富 3 徐州市的地理区位优越 在我国实行沿海 沿江 沿线开放开发战略中 处于中部沿海开放带和陇兰 陇海 兰新 地带的交汇处 也是长江三角洲 与环渤海湾两大经济区的结合部 具有东靠西移 南北对接 双向开放 梯度 推进的战略区位特征 1986 年苏鲁豫皖四省接壤地区 18 个城市成立淮海经济 区 徐州客观形成了南京以北 济南以南 连云港以西 郑州以东这一区域的 中心城市 辐射范围近 20 万平方公里 人口 1 09 亿 国家国土规划纲要 将 徐州列为近期发展的特大城市 建设在 新亚欧大陆桥陇海兰新线城镇体系规 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 6 页 划纲要 中 把徐州列为新亚欧大陆桥东端第一个中心城市 4 另外徐州市还地处黄淮平原 位于江苏西北部 北扼齐鲁 南屏江淮 东近黄海 西接中原 素有 五省通衢 兵家必争之地和商贾云集中心之称 是全国重要的交通枢纽 能源基地 工业基地 区域性商贸都会 陇海兰新地 带东部和淮海经济区的重要中心城市 5 为使这一地区政治经济平稳发展 人民生活得到保障 必须建立配套的 公共生活设施 因此在徐州设置焦化厂是势在必行的 综上 焦化厂设置在徐州地区 并辅以脱硫工段与之配套 不致环境污染 影响人民居住 才更有利于城市健康快速发展 1 2 21 2 2 气象条件气象条件 气温 平均气温 14 极端最高气温 40 1 极端最低气温 22 6 气压 平均气压 1 013 105 Pa 湿度 平均相对湿度 71 降水量 年降水量 869 9 年降水 92 天 最大积雪厚度 冻土深度 25 24 平均风速 最大风速及风向 16ES 最大风向及频率 C14ESE12 1 2 31 2 3 动力来源动力来源 水源 地下水 电源 市供电网 气源 厂锅炉房 2 生产流程的确定 2 1 脱硫的目的和意义 焦炉煤气由焦化企业炼焦生产时产生 从焦炉集气管流出的煤气称为荒煤 气 其硫化氢含量与装炉煤料的全硫量有关 一般干煤全硫的质量分数为 0 5 1 2 其中有20 45 转到荒煤气中 煤气中95 以上的硫以硫化氢 形态存在 其他为有机硫 硫化氢在煤气中的质量浓度一般为3g 标m3干煤 气 15g 标m3干煤气 焦炉煤气中的硫化氢是非常有害的 在空气中含有0 1 的H2S就能使人致命 当焦炉煤气最终用作燃料时 硫化氢及其燃烧产物二氧化 硫均有毒 会严重破坏周围环境 影响人类健康 因而焦炉煤气中的硫化氢必须 予以脱除 焦炉煤气脱硫有十分重要的意义 一是可以防止设备的腐蚀 减少设备维 修费用 降低生产成本 提高回收产品的质量和产量 二是提高焦炉煤气的品 质 减少焦炉煤气燃烧后产生的污染 煤气脱硫可以有效降低煤气燃烧后产生 的二氧化硫等有害物质 保护周围的环境 三是降低钢铁企业用煤气中硫化氢 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 7 页 的含量可以使钢铁企业生产出优质钢材 四是回收后的硫磺可用于医药 化工 等领域 随着行业的发展 需求量会进一步加大 因焦炉煤气的产量 用途 周围环境等原因 焦化企业焦炉煤气中硫化氢 脱除方式也有很大的不同 常用的方法主要为干法脱硫和湿法脱硫两种 2 2 脱硫方法概述 2 2 12 2 1 干法脱硫干法脱硫 干法脱硫主要是利用氢氧化铁与其他制剂合成的脱硫催化剂脱除煤气中的 硫化氢 经过再生的脱硫剂可重新使用 干法脱硫主要用于气量较小的煤气脱 硫或脱硫精度高的二次脱硫 干法脱硫是将焦炉煤气通过含有氢氧化铁的脱硫剂 使氢氧化铁与硫化氢 反应生成硫化铁或硫化亚铁 当饱和后 使脱硫剂与空气接触 在有水分存在 时 空气中的氧将铁的硫化物转化成氢氧化物 脱硫剂再生连续使用 其原理 如下 脱硫反应式 当碱性时 2Fe OH 3 3H2S Fe2S3 6H2O 2Fe OH 3 H2S 2Fe OH 2 S 2H2O Fe OH 2 H2S FeS 2H2O 再生反应式 当水分足量时 2Fe2S3 3O2 6H2O 4Fe OH 3 6S 4FeS 3O2 6H2O 4Fe OH 3 4S 干法脱硫的特点是实行的历史悠久 所以在操作上成熟 运行也非常可靠 其工艺简单 净化程度很高 并且对设备的要求不是很高 这种方法既可脱除 煤气中的硫化氢 又可脱除氰化物 并且其脱除效果还不错 煤气的干法脱硫 装置常用的多为箱式 箱式干法脱硫装置设备较笨重 占地面积大 更换脱硫 剂时劳动强度大 对环境的污染也非常严重 废脱硫剂难以再利用 故此在煤 气的脱硫程度要求较高或者煤气处理量比较小时倒是适宜采用这种工艺 在焦 化厂已很少采用 2 2 22 2 2 湿法脱硫湿法脱硫 湿法脱硫适用于较大煤气处理量的装置 在工业上得到广泛应用 湿法脱 硫按溶液的吸收与再生性又分为氧化法 化学吸收法和物理吸收法 1 氧化法 氧化法是借溶液中载氧体的催化作用 把被吸收的硫化氢氧 化成硫 再用空气氧化使溶液获得再生 一般有砷碱法 改良 A D A 法 萘醌 法 液相氨水催化法和铁碱法等 氧化法也需要用碱液作为吸收液 2 化学吸收法 是以稀碱液为脱硫剂与硫化氢进行化学反应而形成的化 合物 当富液温度升高 压力下降时 该化合物分解放出硫化氢 脱硫剂得到 再生 烷基醇胺法和碱性盐溶液法即属这一类 3 物理吸收法 常用有机溶剂脱除硫化氢 完全是物理吸收过程 当压 力升高 吸收硫化氢 减压时 吸收硫化氢后的吸收剂 富液 解析硫化氢 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 8 页 溶剂可循环使用 如环丁砜法 虽然湿法脱硫的方法很多 但基本上包括吸收与再生两部分 吸收的目的 在于吸收即将气体中所含硫化氢尽可能脱除 而使脱硫后的煤气符合要求 再 生的目的则是使吸收了硫化氢的吸收剂复原 并回收其中的硫 以下为几种常见的湿法脱硫方法 一 砷碱法与改良砷碱法 这两种方法都属于湿式氧化脱硫法 改良砷碱法是砷碱法的改进也称为 G V 法 Giammaarco Vetrocoke Process 两种方法都以碳酸钾 或碳酸钠 的水 溶液中添加白砒活化剂作为吸收液 但吸收机理却有着本质上的区别 1 砷碱法的脱硫机理 砷碱法主要依靠多硫代砷酸盐对硫化氢的吸收作用 主要化学反应如下 吸收反应 M4AS2S5O2 H2S M4AS2S6O H2O M4AS2S6O H2S M4AS2S7 H2O 再生反应 M4AS2S7 O2 M4AS2S6O S 1 2 M4AS2S6O O2 M4AS2S5O2 S 2 1 上述的吸收反应速度较慢 产物为硫代砷酸盐 在溶液中容易离解成硫氢 根离子 它不易被氧化成硫代硫酸盐 从而增加了液面上的硫化氢成份 影响 了煤气的脱硫程度 而当煤气中含有氰化氢时 还产生硫氰化物的副反应 因 此 砷碱法已基本淘汰 2 改良砷碱法的脱硫机理 改良砷碱法虽然也是用极毒物质白砒为活化剂 但其脱硫效率高 副反应 少 硫容量大 操作范围广 至今仍被应用 主要化学反应为 吸收反应 M3ASO3 3 H2S M3ASS3 3H2O 熟化反应 M3ASS3 3M3ASO4 3M3ASO3S M3ASO3 酸化反应 M3ASO3S M3ASO3 S 氧化反应 M3ASO3 O2 M3ASO4 2 1 综上所述反映可知最终的反应为硫化氢的氧化反应 即湿式氧化脱硫的基 本反应 即 3H2S O2 3S 3H2O 2 3 吸收反应生成的硫代亚砷酸盐具有低的硫化氢分压 从而可使煤气的脱硫 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 9 页 净化程度高 硫代亚砷酸盐经熟化反应 缓慢的转化成一硫代砷酸盐和亚砷酸 盐 一硫代砷酸盐的硫化氢分压更低 熟化反应在氧化塔中进行 在氧化塔中 还生成一硫代砷酸盐最终酸化分解为亚砷酸盐和元素硫 以及亚砷酸盐氧化为 砷酸盐的反应 由元素硫制取熔融硫的过程与 A D A 法相同 砷碱法脱硫从制备新鲜脱硫剂到脱硫剂的吸收 再生 工艺都十分复杂 所耗动力及所需设备较多 操作毒性大 危害工人的身体健康 且容易堵塔 在我国已逐渐被改良A D A 法取代 二 改良 A D A 法 改良 A D A 法 又称改良蒽醌二磺酸钠法 是湿法脱硫中一种较成熟的方 法 它是在 A D A 法的基础上开发出来的 具有脱硫效率高 可达 99 5 以上 对硫化氢含量不同的煤气适应性较大 溶液无毒性 对操作温度和压力的适应 范围较广 对设备腐蚀较轻及所得副产品硫磺的质量较好等优点 目前在我国 已得到广泛应用 1 A D A 法的脱硫原理 该法是由英国西北煤气局和克里顿苯胺公司联合开发的技术 称为蒽醌二 磺酸钠法简称 A D A 法 以碳酸钠的水溶液为吸收剂 以 A D A 为活性添加剂 进行脱硫 其脱硫过程主要发生以下化学反应 碱液吸收硫化氢 Na2CO3 H2S NaHS NaHCO3 A D A 被还原 RC O NaHS RC ONa SH 其中 RC 代表蒽醌二磺酸钠 它有几种异构体 其中以 2 6 A D A 和 2 7 A D A 的脱硫性能较佳 目前用以脱硫的即为两者的混合物 其结构式分 别为 SO3Na NaO3S O O O O SO3Na NaO3S 2 6 蒽醌二磺酸 2 7 蒽醌二磺酸 氧化析硫 2RC NaHCO3 O2 RC O RC Na2CO3 2S H2O ONa SH 2 1 ONa H 还原态的 A D A 氧化为氧化态 A D A 2RC O2 NaHCO3 2RC O Na2CO3 H2O ONa SH 2 1 上述反应 是在脱硫塔中进行的 反应 和反应 是在循环槽中进行的 反应 是在再生塔中进行的 第二步反应的反应速度很慢 所需反应时间长 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 10 页 而还原态 A D A 与溶解氧之间的反应速度受到吸收液中溶解氧浓度的限制 只 是溶液的硫容量很低 需要大量的溶液进行循环 为了克服上述 A D A 法的缺点 在吸收液中添加了偏钒酸钠和酒石酸钾钠 改良后的方法称为改良 A D A 法 2 改良后 A D A 法脱硫原理 改良 A D A 法改变了化学吸收液中硫氢根离子氧化析硫的机理 由于偏钒 酸钠中的钒离子能够变价 钒离子可以由 4 价正离子变为 5 价正离子或反之 当脱硫液中加入偏钒酸钠后 可改变传递氧的途径 改良 A D A 法的反应过程为 H2S被碱液吸收 Na2CO3 H2S Na HS NaHCO3 偏钒酸钠与硫氢化钠反应 生成焦钒酸钠并析出元素硫 4NaVO3 2 Na HS H2O Na2V4O9 2S 4NaOH 焦钒酸钠在碱性脱硫液中为A D A 氧化态 氧化再生成为偏钒酸钠 Na2V4O9 2A D A 氧化态 2 NaOH H2O 4 NaVO3 2A D A 还原态 还原态的A D A 于再生塔内 用通入空气的方法使之氧化再生成氧化态 2A D A 还原态 2O2 2A D A 氧化态 2NaOH 碱液再生 NaHCO3 NaOH Na2CO3 H2O 这样 从理论上看 在整个脱硫反应过程中 偏钒酸钠 A D A 和碳酸钠 都可获得再生 供脱硫过程中循环使用 一般由于焦炉煤气中含有一定量的二氧化碳和少量的氰化氢及氧 所以在 脱硫过程中还发生下列副反应 煤气中二氧化碳与碱液反应 Na2CO3 CO2 H2O 2NaHCO3 煤气中的氰化氢和氧参与反应 Na2CO3 2HCN 2NaCN H2O CO2 NaCN S NaCNS 2NaHS 2O2 Na2S2O3 H2O 部分 Na2S2O3被氧化为 Na2SO4 2Na2S2O3 O2 2Na2SO4 2S 在反应过程中还产生钒 氧 硫的黑色络合物沉淀 为了防止沉淀生成 在 溶液要添加少量的酒石酸钾钠 酒石酸钾钠能与多数金属离子结合成络离子 形成可溶性的络合物 从而防止金属离子从碱性溶液中沉淀出来 以减少钒的 消耗 改良 A D A 法脱除硫化氢系统的主要设备为脱硫塔和再生塔 脱硫塔可采 用填料塔 木格填料或聚丙烯特拉雷特填料 或空喷塔 再生塔为钢板焊制 从中段至塔底装有 3 块筛板 使硫泡沫和空气均匀分布 其顶部设有扩大部分 塔壁与扩大圈间形成环隙 这种再生它具有效率高 操作稳定的优点 但设备 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 11 页 高大且空气鼓风的动力消耗大是其缺点 近年来已开始改用喷射再生槽及立式 氧化槽 目前 改良 A D A 脱硫工艺又有所改进 如英国霍姆公司推荐的改进 A D A 法 其流程包括四个工序 a 脱除硫化氢 用硫化钠和硫组成的溶液洗涤煤气 使 HCN 转为 NaCNS 然后经此溶液送往下一工序处理 脱 HCN 效率可达 95 b 用改良 A D A 溶液洗涤煤气 脱硫效率可达 99 9 c 将硫泡沫制成纯度高达 99 8 的硫磺 d 将固定盐类回收加工 生成含有 H2S 的气体和钠盐 前者用于制取硫酸 后者钠盐重新利用 三 栲胶法 所谓栲胶是从植物中含有丹宁丰富的皮 果 叶及它们的干等原料中提取 的浆状或粉状物 丹宁结构复杂 含有大量的羟基 可作氧化剂 和镄基 可作络 台剂 且资源丰富 价格便宜 栲胶法已被一些工厂采用 其脱硫原理如下 栲胶溶液在碱性条件下通入空气使丹宁降解 然后按下式进行脱硫和再生 脱硫 用碱液吸收硫化氢 Na2CO3 H2S NaHCO3 NaHS 硫化氢在液相中与偏钒酸钠反应 生成焦钒酸钠 并析出硫 2NaHS 4NaVO3 H2O Na2V4O9 4NaOH 2S 也有人认为按下式进行 NaHS 2NaVO3 NaHCO3 Na2V2O5 Na2CO3 H2O S 再生 氧化态醌式栲胶将焦钒酸钠氧化为偏钒酸钠 而氧化态的醒式栲胶变成还 原态的酚式栲胶 Na2V4O9 2R OH O2 2NaOH O2 4NaVO3 2R OH 3 而还原态酚式栲胶被空气氧化再生成醌式 2R OH 3 O2 2R OH O2 2H2O 其中R代表芳基 大量的试验和生产实践表明 栲胶法具有脱硫效率高 活性比ADA大 塔 压稳定 不堵塔的优点 但硫容较低 四 APS 法 APS法亦称苦味酸法 该法以煤气中的氨为碱源 苦味酸作催化剂 具有 脱硫效率高 操作简便 不污染大气 脱硫液无毒性 易再生等特点 其脱硫机理如下 硫化氢的吸收 NH3 H2S NH4HS 硫氢化物的氧化 NH4HS RNO H2O NH4OH S RNHOH 苦味酸再生 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 12 页 RNHOH 02 RNO H2O 2 1 其中RNO代表苦味酸 试验结果表明 APS法脱硫 能较彻底地消除硫对大气和水源的污染 减 轻对回收设备的腐蚀 但废液处理工艺复杂 腐蚀性强 五 塔卡哈克斯法 塔卡哈克斯法系由日本东京煤气公司所发明 脱硫效率可达 99 因所使 用的吸收剂不同分为氨型塔卡哈克斯法和钠型塔卡哈克斯法 氨型塔卡哈克斯 法所使用的吸收剂为煤气本身所含的 NH3 钠型塔卡哈克斯法用的吸收剂是 Na2CO3和 NH4OH 两种方法分别使用 1 4 萘醌 2 磺酸铵和 1 4 萘醌 2 磺酸钠为 触媒 下面主要讨论氨型塔卡哈克斯法脱硫 该法由湿法脱硫 氨型塔卡哈克 斯法 及脱硫废液处理 希罗哈克斯 HIROHAX 湿式氧化法 两部分组成 经 处理后的脱硫液送往硫铵母液系统制取硫铵 1 氨型塔卡哈克斯法脱硫 脱硫原理 该法以煤气中铵作为碱源 以 1 4 萘醌 2 磺酸铵 以符号 NQ 表示 作氧化催化剂 氧化催化剂子吸收液中呈离子状态存在 其主要反应如 下 吸收反应 NH3 H2O NH4OH NH4OH H2S NH4HS H2O NH4OH HCN NH4CN H2O 在吸收塔中 当焦炉煤气与吸收液接触时 煤气中的氨水首先生成氨水 然后 氨水吸收煤气中的氰化氢和硫化氢 生成氰化铵和硫氢化铵 氧化反应 硫氢化铵在氧化催化剂的作用下析出硫 NH4HS NQ 氧化态 H2O NH4OH S NQ 还原态 氧化态 NQ 的分子式为 SO3NH4 O O 还原态 NQ 的分子式为 SO3NH4 OH OH 再生反应 在再生塔 向吸收液吹入空气 催化剂即从还原态再生为氧化态 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 13 页 另外硫氢化铵 氰化铵在萘醌催化剂的作用下进行如下再生反应 NH4SH O2 NH4OH S 2 1 NH4CN S NH4CNS NH4HS 2O2 NH4 2S2O3 NH4HS 2O2 NH4OH NH4 2SO4 H2O 经过再生的吸收液返回吸收塔循环使用 但是 在循环过程中 吸收液里 逐渐积累了硫 硫氰酸铵 硫代硫酸铵和硫酸安等物质 必须从循环液中提取 一部分吸收液进一步处理 2 希罗哈克斯 HIROHAX 湿式氧化法处理废液 为了保持脱硫吸收液中的各种铵盐及硫磺不大于一定的浓度 必须从吸收 液中提取一部分进行废液处理 将硫磺及含硫铵盐湿式氧化为硫铵 先简单介 绍由日本新日铁公司开发的希罗哈克斯 HIROHAX 法 希罗哈克斯处理废液反应原理 S O2 H2O H2SO4 2 3 NH4 2S2O3 2O2 H2O NH4 2SO4 H2SO4 NH4CNS 2O2 2H2O NH4 2SO4 CO2 NH3 H2SO4 NH4 2SO4 从塔卡哈克斯装置来的吸收液 在反应塔内被氧化生成硫铵和硫酸 硫氰 酸铵中的碳转化为二氧化碳气体 反应是在一定压力 一定温度下与空气鼓泡 接触进行 这些反应都是放热反应 氨型塔卡哈克斯法的工艺流程特点 TAKAHAX 与 HIROHAX a 属于脱硫效率高的流程之一 脱硫效率高达 99 在脱除硫化氢的同时 可以脱出氰化氢 氢化氢的脱除率为 85 90 b 该法以煤气中的氨为碱源 可节省大量碳酸钠碱液 并且在整个过程中 氨还可以回收利用 c 采用湿式氧化处理废液 使废液中的硫氢化铵和硫代硫酸铵及元素硫氧 化成硫铵和硫酸 其转化分解率高达 99 5 100 无二次污染 d 在湿式氧化过程中 相当于将煤气中 100 的硫化氢转化为硫酸可替代硫 铵耗酸量的 50 60 大大降低了硫铵成本 e 脱硫装置放置在硫铵饱和器之前 可以消除终冷气对大气对水体的污染 f 该法的缺点 与其他脱硫方法比较具有 A 耗电量较高 B 要求吸收液喷淋密度大 比一般脱硫方法搭 10 倍以上 C 废液处理装置带有高温 高压及腐蚀性介质 2 3 生产工艺流程的选择 从上面的论述中我们可以看出干法脱硫效果好 不过仅适用于硫化氢含量 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 14 页 较低 脱除要求比较高的场合 焦化厂的情况不属于此类 故一般采用湿法脱 硫 在我国 改良A D A法为焦化厂常采用的一种脱硫方法 本设计即采用改良 A D A法脱硫 需要说明一下的是 本设计采用戈尔膜作为回收硫的装置 这种 装置的回收效果好 且工艺比较简单 值得推广 改良A D A法是湿法脱硫中一种比较成熟的方法 它是在A D A法的基础上 开发出来的 目前在我国已经得到了广泛的应用 这种方法有如下一些优点 1 脱硫效率高 可达99 以上 2 脱硫溶液的硫容量较高 故此进行吸收操作时对溶液中硫化氢的含量限 制不是很严格 3 由于偏钒酸钠和硫氢化钠的反应很快 溶液的碱度不需要太高 pH值可 取8 5 9 0 这样的话就降低硫氢化物形成硫代硫酸钠的速度 并且整个化学反 应在脱硫塔内 传质系数较大 有利于反应 4 催化剂容易再生 反应比较稳定 脱硫效率高 且硫回收效率高 副反 应少 运行费用较少 它的不足之处在于 在运行过程中由于钒的存在 会形成一种黑色络合物 钒 氧 硫化合物 的沉淀 为了消除所生成的沉淀 一种方法是延长吹空 气的时间 使其复原成为可溶的钒酸盐 另一种方法是向溶液中添加少量的酒 石酸钾钠 因为多数金属离子能与酒石酸根结合成络离子 形成可溶性络合物 可防止金属离子从碱性溶液中沉淀出来 另外 析出的元素硫容易使脱硫塔的 木格堵塞 并且所需的溶液循环量大 本设计的再生系统采用再生塔 效率高 操作稳定 但是再生塔很高大 还需压力较高的空气压缩机 本设计硫的回收不采用真空过滤机 这样可以省电 水和减少维修 现在 工艺的优化可以考虑以下几点 1 流程尽可能成熟 成熟的工艺运行可靠 工艺简单 维护方便 保持较高的效率 如石灰石 石膏法 以其优越性得到了广泛的应用 但有些方法如活性炭吸收法 流程复 杂 稳定性差 活性炭再生困难 成本较大 在选择时应该慎重 2 投资节省 运转费用低 保证较好的经济效益 从目前中国的经济情况看 制约脱硫推广的不是技术问题 是经济问题 由于高额的投资和运转费用 使许多企业望而却步 所以选择经济效益好的装 备将具有更好的竞争力 3 可以以废制废 实现综合利用 脱硫工艺的运行需要消耗大量的吸收剂 给企业造成巨大的经济负担 如 果能利用工业废物替代常用的脱硫剂 则会降低成本 实现经济效益和环境效 益的有机统一 如果用电石渣 钢渣代替石灰石 以及高炉煤气洗涤水代替碱 液脱硫等 4 充分考虑综合利用和副产品回收 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 15 页 一般脱硫系统产生的副产品如石膏等 没有销售市场 造成副产品的积压 经济效益较差 因此在选择脱硫方法时 应该把副产品销路和再利用作为考虑 的一个问题 如磷酸铵肥法PAFP流程 由于副产品可以作为复合肥料 发展前 景看好 3 改良 A D A 脱硫的生产原理及操作制度 3 1 改良 A D A 法生产原理 原料和产品 3 1 13 1 1 生产原理生产原理 焦炉煤气进入吸收塔 与从塔顶吸收下来的吸收液逆流接触 煤气中的硫 化氢被脱硫液吸收后 从塔顶排出 由塔底排出的饱和溶液经循环槽用泵送入 再生塔 经空气氧化再生并析出元素硫后 又自流到脱硫塔顶部循环使用 脱硫液是在等比例的2 6 蒽醌二磺酸 A D A 和2 7 蒽醌二磺酸 A D A 的钠盐溶液配制而成的 通过将溶液的总碱度控制在0 4 0 6mol L 之间来维持溶液的pH值在8 5 9 1之间 pH值若小于8 5会导致反应速度太慢 如太高则会增加副反应 使碱耗增加 同时还会增快硫的析出而导致堵塔 改良A D A 法过程的反应过程如前所述 3 1 23 1 2 原料和产品原料和产品 原料 Na2CO3 纯度98 蒽醌二磺酸 纯度 80 酒石酸钾钠 纯度 98 NaVO3 纯度 98 产品 熔融硫 纯度 98 3 2 工艺流程 工艺流程如图1所示 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 16 页 1 脱硫塔 2 液沫分离器 3 液封槽 4 循环槽 反应槽 5 循环泵 6 加热器 7 再生塔 8 液位调节器 9 硫泡沫槽 10 放液器 11 真空过滤机 12 真空除沫器 13 熔硫釜 14 分配器 15 16 皮带输送机 17 贮槽 18 碱液槽 19 偏钒酸钠溶液槽 20 碱液泵 21 碱液高位槽 22 事故槽 23 泡沫收集器 图图 1 1 焦化厂煤气脱硫工段工艺流程图焦化厂煤气脱硫工段工艺流程图 3 2 23 2 2 流程说明流程说明 1 煤气系统 洗苯后的焦炉煤气进入脱硫工段的脱硫塔 从塔顶喷淋脱硫液以吸收硫化 氢 脱硫后的煤气经分离 筛出的泡沫后 离开进入输送管道 2 脱硫液系统 本系统很关键 吸收了硫化氢的溶液从塔底排出 经脱硫塔液封进入反应 槽 从捕沫槽分离出来的溶液经捕沫槽进入地下槽 后经地下泵进入反应槽 然后溶液经循环泵进入加热器 加热后进入再生塔 同时空气经压缩机进入再 生塔底部 溶液在再生塔中再生后经液位调节器 返回脱硫塔循环使用 3 硫泡沫系统 大量的硫泡沫是在再生塔中生成的 泡沫被空气流推至塔顶扩大部分 故 而利用液位差进入硫泡沫槽 通过搅拌 加热 澄清后进入戈尔膜 而溶液进 入反应槽 继续循环 3 3 操作制度和工艺要点 3 3 13 3 1 操作制度操作制度 煤气入脱硫塔温度 30 40 oC 脱硫塔压力 100mm水柱 脱硫塔pH值 8 5 9 1 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 17 页 加热器出口溶液温度 35 40 oC 脱硫塔溶液温度高于煤气温度 3 5 oC 硫泡沫槽内溶液温度 65 80 oC 溶液中硫代硫酸钠及硫氰酸钠含量之和 250g L 总碱度 0 4N 其中 Na2CO3 0 1N NaHCO3 0 3N A D A 2 5 g L NaKC4H4O6 1g L 3 3 23 3 2 工艺要点工艺要点 1 如果煤气入塔时温度较低 则反应速度较慢 反之若是温度过高 则会 增加副反应的速度 经过验证 30 40 oC的温度最为合适 2 脱硫液中的pH值要是小于8 5 则反应速度会变慢 而要是pH值太高 则 会增加副反应的反应速度 并且碱的消耗亦会增多 而使脱硫在塔内的析出速 度增快 这样容易导致堵塔 故此pH为8 5 9 1最为合适 3 脱硫塔溶液温度高于煤气温度3 5 oC 这是系统水平衡的需要 尤其是 在不提取硫氰酸钠时更为必要 4 溶液中的硫代硫酸钠及硫氰酸钠含量总和大于 250 g L 时 会导致脱 硫反应速度降低 恶化操作 因此需要时时检测控制它们的含量 即将之提取 出来 5 再生塔硫泡沫的溢流量是通过液位调节器和空气量来调节的 6 开工用的溶液量应可以满足在生产状态下充满再生塔 反应槽 溶液管 线及脱硫塔滞留的液量 一般以装满整个事故槽作为考虑标准 7 若是工业级五氧化二钒及偏钒酸盐溶液无法供应 偏钒酸钠则可用废钒 催化剂通过碱液萃取法制备 4 主要设备的计算和选型 4 1 主要设计计算 4 1 14 1 1 主要设计计算定额主要设计计算定额 脱硫塔空塔气速 0 5 0 7m s 脱硫效率 99 A D A 溶液硫容量 0 2 0 25kgH2S m3 脱硫塔传质系数 15 20kg m2 h atm 脱硫塔液气比 16L m3 脱硫塔溶液喷淋密度 27 5m3 m2 h 再生塔溶液停留时间 25 30min 再生塔空气鼓风强度 100 130 m3 m2 h 再生塔空气用量 9 13m3空气 kg 硫 反应槽内溶液停留时间 8 10min 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 18 页 H2S 转化为 Na2S2O3的转化率 3 4 4 1 24 1 2 原材料消耗量 见表原材料消耗量 见表 1 1 表 4 1 原材料消耗列表 名称规格指标 kg kgS Na2CO3纯度按 100 计0 5000 NaVO3纯度按 100 计0 0015 A D A纯度按 100 计0 0030 NaKC4H4O6纯度按 100 计0 0006 4 1 34 1 3 主要设计参数主要设计参数 脱硫前煤气含 H2S 量 10g Nm3 脱硫后煤气含 H2S 量 20mg Nm3 脱硫前煤气含 HCN 量 600mg Nm3 脱硫后煤气含 HCN 量 60mg Nm3 脱硫塔煤气进口压力 800 mm 水柱 脱硫塔煤气出口压力 750 mm 水柱 4 1 44 1 4 物料平衡计算物料平衡计算 1 由 1 3Mt a 焦炭生产量计算焦炉加煤 干 量 焦炉的加煤量 W 1 3 0 76 1 711 Mt a 4686 37 t day 195 3 t h 实际干煤气量 V0 K W 320 195 3 1 07Nm3 h 66858 9 Nm3 h 进入脱硫工段的煤气量 V 66858 9 0 6 Nm3 h 40115 34Nm3 h 2 物料平衡计算如下 H2S 吸收量 N 40115 34 400 35 h 10001000 2010000 转化为 Na2S2O3的 H2S 量 转化率 4 400 35 4 16 01 h Na2S2O3生成量 16 01 37 20 h 342 158 Na2S2O3 5H2O 产量 37 20 58 39 h 158 248 HCN 吸收量 40115 34 21 66 h 10001000 60600 NaCNS 生成量 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 19 页 21 66 64 98 h 27 81 转化为 NaCNS 的 H2S 量 64 98 27 28 h 81 34 生成硫磺的 H2S 量 400 35 16 01 27 28 357 06 h 硫磺产量 357 06 336 06 h 34 32 综上原料消耗为 纯度按 100 计算 Na2CO3 0 5 336 06 168 03 h NaVO3 0 0015 336 06 0 50409 h A D A 0 003 336 06 1 00818 h NaKC4H4O6 0 0006 336 06 0 201636 h 4 2 脱硫塔的计算 4 2 14 2 1 参数参数 1 进塔煤气温度 30 2 进塔煤气压力取 800 H2O 即 P1 760 58 82 Hg 10336 800 3 30 水蒸气的蒸汽压力为 PS 31 82 Hg 注 760 Hg 1 013 105Pa 4 2 24 2 2 计算过程计算过程 进塔的湿煤气体积为 V2 V1 SPPP t 1273 760273 40115 34 42996 13Nm3 h 82 3182 58760273 76030273 其中 t 煤气操作温度 P 实际大气压 P1 煤气的操作压力 PS 操作温度下水的蒸汽压 取空塔的速度为 0 5m s 采用两塔操作 一开一备 则塔径 D 5 52 m 5 0785 0 3600 13 42996 785 0 3600 42 QV 其中 Q 湿煤气处理量 Nm3 h 空塔气速 m s 取塔径为 5 5m 即 5500 脱硫塔进口推动力 P1 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 20 页 P1 10 7 098 10 3 atm1 10333 800 1000 1 34 4 22 P2 0 02 0 014 10 3 atm1 10333 750 1000 1 34 4 22 平均推动力 P 0 00114 atm 2 1 21 lg31 2 P P PP 3 3 33 10014 0 10098 7 lg31 2 10014 0 10098 7 取传质系数 K 为 20kg m2 h atm 则需要用木格填料的传质面积 单 塔 为 F 17559 2105 PK N 400 35 20 0 00114 其中 N H2S 的吸收量 h K 传质系数 m2 h atm P 传质推动力 atm 由于脱硫塔下段易堵 因此上部选用 100 10 20 m3 规格 6 66 下部选用 100 10 30 m3 规格50 取上部木格填料两段 每段 3 2 米 则上部的传质面积 F1为 F1 0 785 5 5 0 1 2 3 2 2 66 6 9756 8893 取下部木格填料三段 每段 3 2 米 则下部的传质面积 F2为 F2 0 785 5 5 0 1 2 3 2 3 50 10987 488 总的传质面积 F F1 F2 20744 3773 17559 2105 故满足要求 4 2 34 2 3 塔顶喷淋装置塔顶喷淋装置 喷淋装置的结构设计要求 使整个塔截面的填料表面得到很好的润湿 且 结构简单 制造和维修方便等 选宝塔式喷淋装置 理由 液体流量大 喷淋范围广 结构简单 不易堵塞 但它的缺点是 在改变液体流量和压力时会影响喷淋范围 1 取溶液硫容量为 0 25 m3 则溶液循环量 L 为 L 1601 4 m3 h 25 0 35 400 2 吸收塔 单塔 喷淋密度为 67 4 m3 h 27 5 m3 h 2 5 5785 0 4 1601 3 吸收塔液气比 0 037245m3 37 2L m3 16L m3 42996 13 41601 进塔湿煤气量 溶液循环量 故喷淋量满足要求 4 塔高的计算 木格填料高度 H1 3 2 5 16m 其他高度 H2 20m 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 21 页 总的塔高为 H H1 H2 20 16 36m 3600 所以 在本设计中 脱硫塔的规格为 5500 3600 本工段脱硫液有一 定的腐蚀作用 材质选用 A3 并且用环氧树脂或防腐材料为内壁作防腐处理 脱硫塔的操作温度在 30 40 之间 这样的温度太低就不需要考虑散热损失 也不必加上保温材料 喷头的设计采用管式喷淋型 如此可以使脱硫液分布均匀 并且在脱硫塔 的底部 中部及下部都开有人孔以方便定期检修和在出现事故后维修 填料为木格子 这种木格子的木质一般可选用杉木 结构以栅板来支撑填 料 并且填料应满足以下要求 即填料的比表面积大而且液体容易润湿填料的 表面 另外填料对气体的阻力要小 孔隙率要大 重量要轻 强度要大 价格 要低 4 3 再生塔的计算 4 3 14 3 1 再生塔计算要求再生塔计算要求 再生的设备一般都采用较高的再生塔 优点为效率高 操作稳定 缺点则 为设备高大 需用空压机压送空气 能耗大 硫泡沫的溢流方式一般分为单边 溢流和周边溢流 周边溢流的优点是硫泡沫流出均匀 但其硫泡沫浓度要比单 边溢流低 为使空气分布均匀再生塔内设有多层筛板 塔内的溶液流向一般为顺流 也就是说 溶液和空气都由塔下部进入向上流动 与之相对应的逆流则是溶液 由塔上部进入底部流出 空气则由塔底部进入上部流出 很明显逆流的优点是 硫泡沫浮选效率高 溶液中硫泡沫含量少 但其泡沫层不够稳定 故而本设计 采用顺流操作 4 3 24 3 2 再生塔计算再生塔计算 1 塔径的计算 每千克硫用空气量选为 12m3 则空气量为 400 35 12 4804 2m3 h 再生塔鼓风强度取 120m3 h 则塔径为 D 7 14 m 120 4 Q 120785 0 2 4804 圆整后取 D 7m 7000 2 再生塔扩大部分的计算 再生塔扩大部分塔径一般为 D 的 1 2 1 4 倍 取 1 2 倍 则为 7 1 2 8 4m 8400 3 塔高的计算 塔高的计算 首先计算再生塔的有效容积 取脱硫液在塔内停留 25 分钟 则再生塔有效容积为 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 22 页 V 1601 4 667 25m3 60 25 设再生塔溶液充满率为 70 则再生塔实际容积为 V1 953 m3 7 0 25 667 再生塔塔高为 H1 24 8m 2 7785 0 953 圆整后取塔高为 25 米 另外扩大部分选为 5 米 其余部分取 8 米 则该总 塔高 H 25 3 10 38m 故选用公称直径 7000mm H 3800cm 型号的再生塔 所以 在本设计中 再生塔的塔高为 3800cm 塔径为 7000mm 扩大部分的 塔径为 8400mm 由于脱硫液的腐蚀性 材质可选 A3 也要用环氧树脂或大漆等 材料涂抹内壁以防腐 值得一提的是化工设备中防腐是个经常需要注意的地方 在再生塔内部有三块空气分布板 它们的作用是保证气液的充分接触 并 在塔内均匀分布 再生塔的操作温度约在 40 45 的范围内 这种温度比较低 可忽略其热量损失 不必做相关的措施 另外 人孔也是必须要有的 理由如 上 4 3 34 3 3 反应槽的计算反应槽的计算 反应槽内停留时间为 5 10 分钟 则选用停留时间为 5min 因溶液喷淋量 为 L 1601 4 m3 h 因此所需体积为 1601 4 133 45m3 60 5 选用3000 H 9000mm V 60 m3 设备重 30168mmmm 量 6313 公斤的反应槽 选自焦化设计参考资料下册 842 页 1 4 3 44 3 4 事故槽的计算事故槽的计算 开工及发生意外时 溶液需要储存在事故槽中 它的容积不可小于一台再 生塔的总容积 再生塔容积的计算 再生塔容积由两部分组成 塔身和扩大部分 塔身 32 1230 88 m3 4 2 7 扩大部分 3 166 17 m3 4 2 4 8 总容积 1230 88 166 17 1397 05 3 m 因为再生塔中空气占 30 的体积 因此实际体积为 1397 05 0 7 977 94 m3 故选用事故槽的规格为 Dg10500mm H 9611mm H0 10766 中国矿业大学 2011 届本科生毕业设计 第 23 页 mm V 830 D 10750mm 重量 22228 公斤 选自焦化设计参考资料下册 839 3 m 页 2 4 3 54 3 5 换热器的计算换热器的计算 1 再生槽出口空气温度 40 最低气温 4 7 40 时水柱 750 4 7 时水柱 45 相对湿度 0 54 湿煤气量 42996 13m3 h 空气量 4804 2 m3 h 空气代入溶液中的水分 630 9 100137 h 45 0 5418 1033345 0 5422 4 空气 40 时带出的水分 630 302 138 h 18 22 4 750 10333750 40 水煤气汽化热 573 5 千卡 空气带走热量 302 138 573 5 168057 2 千卡 2 煤气进塔温度 30 煤气比热容 0 34 千卡 m3 煤气出塔温度 35 煤气带走热量 8560 0 34 35 30 73093 42 千卡 3 30 含水量 30 4g 35 含水量 39 7g 煤气含水量 8560 399 86