1-设计文档合肥工业大学-开拓者3 创新性说明

铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 1 / 26 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 2 / 26 2017 年“东华科技年“东华科技- -陕鼓杯”陕鼓杯” 第十一届全国大学生化工设计竞赛第十一届全国大学生化工设计竞赛 铜冠铜冠 冶化冶化 烧结烟气处理与烧结烟气处理与资源化利用项目资源化利用项目 创新性说明创新性说明 团队名称：团队名称：合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 指导老师：指导老师：杨则恒、姚运金、徐超、张卫新杨则恒、姚运金、徐超、张卫新 团队成员：团队成员：孟蓉炜、席裕明、沈国涛、卢雁航、邹雷孟蓉炜、席裕明、沈国涛、卢雁航、邹雷 完成时间：完成时间：2012017 7 年年 7 7 月月 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 3 / 26 目录 第一章第一章 原料方案及其体系创新原料方案及其体系创新 . 4 1.1 原料方案原料方案 . 4 1.2 产品结构方案创新产品结构方案创新 . 4 第二章第二章 清洁生产技术创新清洁生产技术创新 . 6 2.1 磷酸氢二钠循环脱硫技术磷酸氢二钠循环脱硫技术 . 6 2.2 SO2冷冻液化法冷冻液化法 . 7 2.3 三废处理三废处理 . 8 2.3.1 三废资源化利用三废资源化利用 . 8 2.3.2 火山岩生物滤料处理生活污水火山岩生物滤料处理生活污水 . 9 2.4 碳排放减少碳排放减少 . 10 2.4.1 公用工程优化公用工程优化 . 10 2.4.2 烧结机分区域脱硝工艺烧结机分区域脱硝工艺 . 10 第三章第三章 过程节能技术创新过程节能技术创新 . 12 3.1 换热网络集成优化换热网络集成优化 . 12 3.2 逆流二效蒸发工艺逆流二效蒸发工艺 . 14 3.3 锅炉排污水蒸汽回收锅炉排污水蒸汽回收 . 15 第四章第四章 反应技术及分离技术创新反应技术及分离技术创新 . 17 4.1 超重力脱硫技术超重力脱硫技术 . 17 4.2 铁基纳米材料脱汞技术铁基纳米材料脱汞技术 . 17 第五章第五章 新型过程设备应用技术创新新型过程设备应用技术创新 . 19 5.1 HRS 热回收塔热回收塔 . 19 5.2 气体冷却气体冷却电除雾组合塔电除雾组合塔 . 20 5.3 省煤器省煤器 . 21 5.4 新型节能屏蔽泵的应用新型节能屏蔽泵的应用 . 22 5.5 Cs 基基 SO2氧化催化剂氧化催化剂 . 22 5.6 烟气再加热装置烟气再加热装置 . 23 5.7 多碟式液体分布器多碟式液体分布器 . 24 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 4 / 26 第一章第一章 原料方案原料方案及其及其体系创新体系创新 1.1 原料原料方案方案 本项目为铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用的新建项目， 主要原料为铜冠 冶化球团厂 120 万吨/年铁球团项目中烧结机所排放的烧结烟气。本项目烟气处 理量巨大，年处理量达到 32 亿立方米，而由于烧结烟气中含有大量的二氧化硫 气体， 因此本项目在处理净化烧结烟气的同时，脱除并收集烟气中大量的二氧化 硫气体，实现资源的最大化利用。并以二氧化硫气体为原料制备液体二氧化硫与 硫酸，增加本项目的利润。烧结烟气原料组成见表 1-1。 表表 1-1 原料结构原料结构方案方案 成分成分 kmol/h 摩尔比摩尔比 NOx 1.039 6.04210-5 SO2 35 2.03510-3 SO3 1.96 1.14010-4 N2 12587.5 0.732 O2 2769.64 0.161 CO 89.29 5.19310-3 CO2 475 2.76210-2 HF 0.104 6.04810-6 HCl 0.057 3.31510-6 H2O 1236.09 7.18810-2 总计 17195.68 1 本工艺流程以此实现了烧结烟气的资源化利用，不仅处理净化烟气，使其达 到国家标准排放浓度， 减少环境污染； 同时利用烟气中的二氧化硫气体制备产品， 符合可持续发展战略， 1.2 产品结构方案创新产品结构方案创新 本项目坚持着烧结烟气的资源化利用和与总厂乃至园区产品体系有效融合 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 5 / 26 的理念，本项目在产品结构方案上进行了调整与创新。 由于本项目所在地铜陵以铜工业而闻名， 二所在园区铜陵经济技术开发区中 大部分企业为铜基新材料产业。由于硫酸为铜工业的基本原料之一，因此本厂选 择分配部分二氧化硫气体制备硫酸；另一方面，液体二氧化硫价格较高，应用广 泛，可用于制备保险粉或玉米加工，在铜陵本地市场具有一定需求量，因此本项 目选择另一产品为液体二氧化硫。详情见表 1-2。 表表 1-2 产品结构产品结构方案方案 产品名称产品名称 产量（万吨产量（万吨/年年） 利用利用去向去向 硫酸 1.22 去往下游铜基材料加工链 液体二氧化硫 1.05 去往下游保险粉与食品加工业 本项目的产品结构多样，提高了原子利用率，实现充分资源化；同时产品体 系与总厂乃至园区集成，形成有效融合体系。 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 6 / 26 第二章第二章 清洁生产清洁生产技术创新技术创新 2.1 磷酸氢二钠循环磷酸氢二钠循环脱硫技术脱硫技术 本项目脱硫方案从重视清洁生产和循环经济的角度出发， 选用可再生式烟气 脱硫技术，吸收剂一般有亚硫酸钠、柠檬酸钠、有机胺等。本项目选用磷酸氢二 钠作为脱硫吸收剂，进行的化学反应如下。 吸收： 解吸： 吸收液磷酸氢二钠与 SO2（液相）和水反应生成亚硫酸氢钠与磷酸二氢钠。 吸收了 SO2的富液进入蒸发再生段进行解吸反应。在 90100条件下，加热富 吸收液蒸发出 SO2气体与水蒸气， 含 SO2的水蒸气混合物通过冷凝器后， 便得到 几乎纯净的 SO2气体。 而丧失了大量水分， 剩下的溶液呈现出含有少量沉淀物的 浆料。 吸收液再生后，无固体的缓冲液通过添加适量的水或冷凝液补充蒸发过程 失去的水分，即可进入下一轮吸收。 与其他可再生吸收剂相比磷酸氢二钠循环脱硫法除了可以达到极高的脱硫 效率外，还可以拥有更高的吸收容量和更低的蒸汽消耗，特别是在所处理的烟气 中 SO2的含量较高的情况下更为显著。 此外相比于其他吸收剂， 磷酸氢二钠不易 氧化，吸收缓冲液很容易通过蒸发释放出 SO2，因此在再生的过程中吸收液的损 失更小，几乎可忽略不计，这样便节省了磷酸原料的消耗量。而且在整个工艺过 程的吸收液中， 四价 S 化合物含量相比于其他吸收剂要更低， 工艺流程中的歧化 反应要轻微得多。同时磷酸氢二钠缓冲液的溶解度在 95之前一直呈正相关， 因此只要将再生过程的温度控制在 95左右，生产过程中就几乎不会产生沉淀 而造成麻烦。 磷酸氢二钠循环脱硫技术装置设备偏小，可节省设备投资，且清洁环保，无 副产品生成， 无二次污染， 同时吸收剂可循环使用， 能实现节能降耗， 节省投资， 符合清洁生产的要求。 )()()()()( 4234222 22 lPONaHlNaHSOlHPONalOHlSO (l)SO(g)SO )()(1)()(n)()(SO 42222423 sHPONagOHngSOlOHlPONaHlNaH）（ 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 7 / 26 磷酸氢二钠循环脱硫法工艺流程见下图。 图图 2-1 磷酸氢二钠磷酸氢二钠循环脱硫法流程示意图循环脱硫法流程示意图 2.2 SO2冷冻液化法冷冻液化法 针对 100%干燥的 SO2气体，其液化通常有两种方法： 一是采用压缩机对SO2气体进行压缩， 经冷凝、 分离等过程后得到液体SO2。 二是在常压下，用液氨将其冷却至-10，本身即液化分离为液体 SO2。 第一种利用压缩机的方法， 目前国内已有不少厂家采用多年。但该法直接 压缩气态 SO2， 如果原料气净制条件较差, 则压缩机活塞及活门板会腐触严重， 效率降低，耗电量增大，且高压操作管理亦不方便，一旦漏气，现场的操作条件 会变得极端恶劣，对操作人员造成健康危害。同时压缩法的产量也不大，故其缺 点甚多，不宜采用。 第二种采用液氨冷冻的方法，相比于第一种液化率更高，常压易操作，生产 量大，且冬季有多量的液氨可作冷源，因此整个生产简化，由于气体 SO2在氨蒸 发器中冷凝，蒸发器为静置设备，气体净化条件稍差，但不致影响生产，可提高 设备的运转效率。 通过以上对比，本项目决定采用冷冻法生产液体 SO2。 从硫酸制备工段经干燥塔脱水后的 SO2气体进入氨蒸发器 （或 SO2冷凝器） ， 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 8 / 26 来自低压循环槽的液氨通过蒸发吸热使温度降低至-10左右，SO2气体在蒸发 器内冷凝为液体，进入储罐或灌瓶。蒸发后的氨气返回低压循环槽并送入活塞压 缩机进行压缩重新液化为液氨， 之后在油分离罐去除油分后进入立式冷凝器进一 步液化，最终进入高压储液罐，与低压循环槽相连，完成液氨的循环利用。 SO2液化工段具体流程如下图。 图图 2-2 SO2液化液化流程示意图流程示意图 2.3 三废三废处理处理 2.3.1 三废资源化利用三废资源化利用 本项目生产过程中会产生大量的“三废” ，其中部分“三废”可循环利用， 充分实现三废资源化利用。 三氧化硫吸收塔排出的吸收尾气中二氧化硫含量极高， 且酸雾含量也超过 限值。 因此本项目将该吸收尾气同样重新送回超重力吸收塔进行脱硫，不仅提高 了三氧化硫产率，也减少了大气污染物排放，有利于保护环境。 冷凝水属净水，无需进行处理，因此可送至凉水塔作为循环水或冷却水使 用。 本项目中冷凝水来自锅炉与气液分离罐，来自锅炉的冷凝水将进行回收并被 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 9 / 26 送回脱盐水站生产低压蒸汽；而气液分离罐排出的冷凝水进入汽提塔蒸发后，剩 余液体送入除氧器中，回收能量。 本厂排出的生活污水进入生物曝气池进行过滤， 滤料采用新型火山岩生物 滤料，污水过滤后再进行消毒处理，实现废水的综合处理。其余废水则进入回收 处理装置处理回用。净化后的污水灌溉季节可用于矿区绿化、洗车等杂用，非灌 溉季节可储存于储水池中来年再用。 烧结烟气中含有大量飞灰与矿尘，如果不进行处理，则会使脱硝催化剂 中毒，从而降低脱硝效率与使用寿命。在 SCR 反应器中可通过自由沉降的方式 除去部分飞灰。而这些飞灰可回收利用，经过厂内灰渣处理系统处理后可利用 在建筑行业，如水泥、砖和混凝土等建筑材料，二次利用，保护环境。 具体利用如表 2-1 所示。 2-1 三废三废资源化利用情况资源化利用情况 序序 号号 三废三废 名称名称 有害物组成有害物组成 排放量排放量 排放排放 去向去向 处理处理 方法方法 名称名称 浓度（浓度（mg/m3） 1 制酸尾气 SO2 2914.36 3281.17 m3/h 超重力脱硫塔 循环利用 酸雾 32.98 2 冷凝水 30365m3/h 脱盐水站、除氧器 循环利用 3 生活污水 56.5 m3/h 生物曝气池 循环利用 4 飞灰 矿尘 67200t/a 灰渣处理系统 循环使用 2.3.2 火山岩生物滤料处理生活污水火山岩生物滤料处理生活污水 本项目生物曝气池采用火山岩生物滤料。该材料表面粗糙多微孔，有着较好 的微生物化学稳定性、表面电性与亲水性，且对微生物的生长无抑制作用，不影 响活性。这些特点特别适合于微生物在其表面生长、繁殖，形成生物膜。使用火 山岩滤料的曝气生物滤池不仅能处理生活污水，还可以处理有机工业废水、微污 染水源水等，也可在给水处理中取代石英砂、活性炭、无烟煤等用作过滤介质， 同时还可对已经过污水处理厂二级处理工艺后的尾水做深度处理， 其处理出水达 到回用水标准后可作中水回用。 火山岩滤料实物如下图所示。 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 10 / 26 图图 2-3 火山岩滤料实物火山岩滤料实物图图 2.4 碳排放减少碳排放减少 2.4.1 公用工程优化公用工程优化 本项目公用工程主要使用冷却水与低压蒸汽，使用量分别为 92.16 万吨与 7.27 万吨， 公用工程的大量使用会提高工艺系统能耗， 增大公用工程的碳排放量。 为了节能降耗，节省投资，本项目采用了二效蒸发、HRS 热回收系统、省煤器、 闪蒸罐回收蒸汽等热集成技术对原工艺系统进行优化， 项目公用工程用量与能耗 明显降低，有效的降低了碳排放量。 具体节能减排情况如下表。 表表 2-2 优化后节能优化后节能减排减排信息表信息表 项目项目 公用工程公用工程/(kJ/h) 匹配前 9.891107 匹配后 5.993107 能量优化量 3.898107 每年碳排放减少量 1.064 万吨标煤/年 每吨产品（SO2）碳排放减少量 0.575 吨标煤/吨产品（SO2） 2.4.2 烧结机分区域脱硝工艺烧结机分区域脱硝工艺 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 11 / 26 本工艺拟将原铁球厂烧结机进行优化， 改进为一低能耗烧结烟气氮氧化物排 放系统。 经研究表明， 从烧结机机头开始至机尾方向大约 20%处到 70%处之间的 区域为氮氧化物高浓度区域。此区域烟气量占整台烧结机总烟气量的 4050%， 而 NOx排放量占据总排放量的 7080%。 其他区域为氮氧化物低浓度区域， NOx 排放量仅占据总排放量的 2030%。 根据结论， 该系统按氮氧化物浓度高低将烧 结机台车下部的所有抽风箱分为氮氧化物高浓度区域风箱 A 与氮氧化物低浓度 区域风箱 B。具体流程图见图。 高浓度区域的烟气被风箱收集后，3050%的烟气进入脱硝工段，5070% 的高浓度烟气被抽取循环回到烧结机上部用作助燃气体。 而低浓度区域的烟气由 于 NOx含量极少，不用进入脱硝工段，经收集且除尘后，便与脱硝后的高浓度烟 气混合，进入脱硫工段。数据显示，相比于原系统，优化后的减排系统 NOx总排 放量可以减少 60%以上。 此装置优势在于高浓度烟气的循环可以使这部分烟气中的显热与潜热得到 充分利用，从而节约固体燃料的使用，降低碳排放；同时高浓度烟气的集中有利 于提高 NOx脱除效率；且处理烟气量的减少也减轻了 SCR 装置的负担，节省了 氨还原剂与能源的消耗，同样可降低碳排放。 1-循环烟罩 2-循环风机 3-循环烟气除尘器 4-混合阀门 5-混风调节管道 6-循环管道 7-挡板阀门 8-脱硝除尘器 9-脱硝装置 10-除尘器 11-脱硫装置 12-主抽风机 13-排放烟囱 A-氮氧化物高浓度区域风箱 B-氮氧化物低浓度区域风箱 图图 2-4 低能耗烧结烟气氮氧化物减排系统低能耗烧结烟气氮氧化物减排系统 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 12 / 26 第三章第三章 过程节能技术创新过程节能技术创新 3.1 换热网络换热网络集成集成优化优化 换热网络的设计，自由度较大，所获得的方案数目众多，但是合理的换热网 络需要经过筛选与优化。在设计换热网络时，需要考虑工艺流股换热的可能性， 同时还要将设备费用等因素也考虑进去，以便获得最为合理的换热网络。在 Aspen Energy Analyzer 给出的 design 中选取其中比较经济且所需换热器较少的 设计方案进行后续优化过程。 根据夹点原理，系统可以实现最大程度的热量集成。综合考虑系统中的物流 换热潜力、物流性质、以及物流输送等性质，即可进行物流之间的换热匹配，在 物流间的换热设计过程中，还需要考虑设备的个数，以及由于换热面积的改变而 产生的设备投资费用。 为了进一步回收热量，提高资源利用率，将相应的热集成技术应用到换热网 络后，得到第二、第三工段组合的物流温焓曲线图与物流总组合曲线图。如图 3- 1、图 3-2。 图图 3-1 第第二二、第、第三三工段工段物流温焓图物流温焓图 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 13 / 26 图图 3-2 第第二二、第第三三工段物流总组合曲线图工段物流总组合曲线图 从 T-H 图可以看出， 利用热集成技术可以有效回收热量， 增加组合曲线图中 冷热物流重合区域，实现能量的回收利用。 在设计完所有的物流间换热后，其余的物流换热则通过冷热公用工程实现， 进而完成整个系统的全部换热。针对相同的换热目标，可以设计出不同的换热方 案，在设计合理的前提下，为了减少有效能的损失，合成最大热回收量，以最小 设备数、最小换热面积、最小操作费用为目标，进行不同方案的筛选和优化。从 而确定出最后的换热方案。如图 3-3 所示。 图图 3-3 第二第二、第三第三工段换热匹配方案工段换热匹配方案 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 14 / 26 3.2 逆流逆流二效蒸发工艺二效蒸发工艺 逆流加料指原料液由末效蒸发器流入，在由泵打入前一效蒸发器。逆流加料 的优点在于溶液的浓度愈大时蒸发的温度亦愈高， 使各效溶液均不致出现黏度太 大的情况，因而传热系数也就不致过小。此法主要用于一般适宜处理粘度随温度 和浓度变化较大的溶液。由于本项目脱硫吸收剂为磷酸氢二钠，其粘度随温度变 化而改变较大，因而符合逆流加料的要求。 本项目采用逆流加料二效蒸发， 另一作用主要在于便于取出蒸发过程中析出 的结晶 （如： 硫酸盐结晶、 结晶水等） 。 来自吸收塔的富液分别加入各效蒸发器， 生成的蒸汽进入再沸器。同时往再沸器内加入一次用水与除泡剂，经再次沸腾蒸 发后，排出蒸汽，并送入二效蒸发器作为加热介质。而过程中析出的结晶从再沸 器下方取出，剩余的液体被强力循环泵再度打入蒸发器进行循环。而在蒸发器排 出的液体则经循环泵打入高位搅拌槽，经管路送入强力循环泵。 图图 3-4 逆流双效蒸发示意图逆流双效蒸发示意图 单效蒸发与二效蒸发蒸汽用量比较如下表。 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 15 / 26 表表 3-1 二效蒸发节能比较表二效蒸发节能比较表 单效蒸发蒸汽用量单效蒸发蒸汽用量 765.474kmol/h 逆流双效蒸发蒸汽用量逆流双效蒸发蒸汽用量 455.131kmol/h 蒸汽节省量蒸汽节省量 310.343kmol/h 节省能耗节省能耗 2.102107 kJ/h 折算能耗折算能耗 717.3 吨标煤/h 3.3 锅炉排污水蒸汽回收锅炉排污水蒸汽回收 本项目锅炉采用 TDS 控制系统，而为了保持锅炉水的 TDS 值在一个合格的 水平，锅炉需要排放锅炉污水。这些排污水有下列特性： 脏：一般不能用于其它应用，可能还有需要处理的问题。 热：一部分水在大气压力下闪蒸成为蒸汽，热水可能有需要处理的问题。 例如，可能有非常大的量需要处理 。 为了合理解决锅炉污水的排放，并回收废热。本项目设置了一个热量回收系 统解决上述这些问题。具体流程如下图所示。 图图 3-5 锅炉锅炉排污水蒸汽回收装置示意图排污水蒸汽回收装置示意图 闪蒸蒸汽可以通过闪蒸罐获得并回收。实际上，闪蒸罐提供了一个空间，使 得蒸汽流速足够低以便热水和闪蒸蒸汽可以分离， 并从这里用管道送到工厂的其 他地方。 闪蒸罐的设计非常重要，不仅仅从汽水分离的角度，而且在结构上， 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 16 / 26 它的设计制造必须符合压力容器标准。这不仅是良好的工程惯例，如果设备要保 险锅炉检察员也会这样要求。 利用闪蒸蒸汽最明显的地方是通常在附近的锅炉给水箱。 给水箱内的水温 很重要。如果太低，就需要加入化学药品以除去水中的氧气；如果太高，给水泵 可能气蚀。显然，如果热量回收可能导致给水箱温度过高，就不要将闪蒸蒸汽排 放到给水箱里。可用其他方法解决。上图是一个简单的热量回收系统，能有效地 节约成本 。 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 17 / 26 第四章第四章 反应技术及分离技术创新反应技术及分离技术创新 4.1 超重力超重力脱硫技术脱硫技术 超重力脱硫技术是通过旋转填料床来实现的一种过程强化新技术，即利用 旋转填料产生的离心力来模拟超重力环境，液体流动速度加快，液膜厚度变 薄，从而使相间面积和表面更新速率大幅度提高。因此相比于其他塔设备中的 传质过程，超重力技术中的传质系数能提高 13 个数量级。并且拥有着脱硫效 率高，设备体积小，占地与投资少等优点。经过实验证明，该脱硫技术脱硫效 率高、液气比小、运行费用低、操作弹性大，且净化后的烟气符合环保标准， 可以说该技术极具发展前途。 图图 4-1 超重力脱硫技术超重力脱硫技术示意图示意图 4.2 铁基纳米材料脱汞技术铁基纳米材料脱汞技术 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 18 / 26 烧结烟气中除了常见的大气污染物外，还有少量重金属，例如汞。汞污染物 具有较强的生理毒性和生物累积性，若不加以控制排入大气将会污染环境，危害 人类健康。对于燃煤汞污染控制方面的研究是继燃煤粉尘颗粒物，SO2，NOx控 制研究后的一个较为崭新的污染物控制研究领域。 烟气中的汞主要有 3 种形态：气态单质汞 Hg 、气态二价汞 Hg2+ 与固态颗 粒汞 Hg 。其中气态单质汞 Hg 占主要存在形式。固态颗粒汞可通过自由沉降去 除， 而相关研究结果表明，SCR 脱硝装置可氧化 7080%的气态单质汞，而氧化 汞极易溶于水，若不除去将会污染脱硫吸收液。因此本项目拟准备在 SCR 反应 器前增添铁基纳米材料作为吸附剂除去烟气中的汞。 该吸附剂由水热法制成， 主体材料为 Fe2O3-SiO2， 具有高比表面积、 孔容大、 孔径分布均匀的优点。经过实验证明，该材料可以吸附烟气中 98%的氧化汞，而 且烟气中存在的 NOx、SO2与 HCl，对该材料吸附汞的效率均具有促进作用。同 时吸附剂再生实验结果表明，经过多次循环再生试验后，该吸附剂仍然保持着较 好的孔隙结构， 仍具有较高的汞脱除性能。 因此采用该纳米 Fe2O3-SiO2材料不仅 可以有效减少烟气中的汞金属，降低环境污染的同时还可以节省成本。 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 19 / 26 第五章第五章 新型过程设备应用新型过程设备应用技术创新技术创新 5.1 HRS 热回收热回收塔塔 作为制备硫酸的重要设备，吸收塔的选择极其重要。 由于浓硫酸吸收三氧化 硫会释放大量热量，传统工艺均是通过连续的换热器进行降温，这不仅会加大冷 却水的消耗，还会造成热量的浪费。 本工艺拟采用 HRS 热回收塔用于回收 SO3吸收时产生的低温余热，为母液 的再生提供热能。含 SO3的气体与低压蒸汽混合后从 HRS 热回收塔的塔底进入 并从塔顶排出。该塔装有上下两层填料，下部填料层的循环酸温度超过 200， w（H2SO4）在 99%以上；而上部填料层的循环酸则与传统吸收塔的酸温、酸浓 类似，本项目直接采用成品酸储罐内的硫酸作为上部吸收酸。两股酸都从塔底流 入与塔相连的泵槽，然后由 HRS 酸循环泵送入 HRS 锅炉与锅炉给水进行换热， 生产 0.31.0MPa 饱和蒸汽。由于酸液吸收 SO3后浓度增加，所以酸液会被送入 HRS 稀释器通过加水以维持原先的浓度，而恢复浓度后的循环酸则再度回到吸 收塔下部的填料层再次进行吸收。 图图 5-1 HRS 热回收热回收塔塔示意图示意图 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 20 / 26 本项目在基本 HRS 热回收系统的基础上做了优化，在 SO3混合气入口处加 上低压蒸汽喷射装置，使低压蒸汽与 SO3混合进入 HRS 热回收塔，这样可以使 蒸汽中的潜热进入 HRS 循环酸后再转移到 HRS 锅炉产生的中压蒸汽中， 从而实 现低压蒸汽向中压蒸汽的热量传递。 表表 5-1 HRS 与与传统工艺传统工艺比较表比较表 传统工艺传统工艺 HRS HRS 带蒸汽喷射带蒸汽喷射 蒸汽产量/（t/t 酸） 0 0.42 0.45 中压水稀释用量/ （kg/h） 537.84 180.153 83.902 能量回收率/% 70 93 94 HRS 热回收系统不但可以生产蒸汽以代替高质量热源,同时可以降低相关部 位的冷却负荷，降低循环冷却水和空冷电耗，对降低能源消耗具有重要意义。 5.2 气体冷却气体冷却电除雾组合塔电除雾组合塔 本项目前处理工段采用动力波洗涤器去除烧结烟气中少量的 HF、HCl 及灰 尘。但使用单级动力波洗涤技术存在以下问题： 为达到烟气的降温需求，单台动力波洗涤技术的液气比必须足够大，但这 会导致液泵能耗过离，操作费用大； 动力波洗涤器压力降高达 20kPa，为保证超重力脱硫塔有足够的进气压力 以及控制脱硫系统的总压力降，需要增设额外的增压系统，增加了额外的费用； 随着动力波洗涤器内压力的下降，饱和蒸汽压下降，直接导致出口尾气中 水蒸气量的増加，降低 SO2的百分含量，不利于后续工段 SO2的吸收。 为解决上述问题， 本项目在动力波洗涤器后增设 3 台并联的气体冷却电 除雾组合塔，如下图所示。 通过增设气体冷却塔以满足烟气的降温要求， 同时气体冷却塔具有除湿的功 能，可以提高烟气中 SO2的体积分数。由于烟气量较大，使用单台气体冷却塔不 仅会造成塔的规格较大、占地面积大，且不利于传热传质、造成较高的洗涤液消 耗，故增设 3 台并联气体冷却塔；同时，由于前处理过程中产生的酸雾量较大， 每台填料塔后必须配套增设三级前处理设备电除雾装置。 因此本项目最终采用 气体冷却塔电除雾组合塔的形式，以节约占地面积。 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 21 / 26 图图 5-2 气体冷却塔气体冷却塔电除雾组合塔电除雾组合塔示意图示意图 5.3 省煤器省煤器 省煤器是一种用于加热锅炉给水的换热器。与没有安装省煤器的锅炉相比， 进入锅炉的给水温度更高。另外，如果提供相同的热能，则可生产更多的蒸汽。 结果带来了高效率。一般来说，给水温度每增加 10，效率将提高 2%。 在本项目中， 从转化床出来的 SO3气体经过与 SO2和水管锅炉的换热后， 仍 有较高的温度。为了不浪费这些热量，本项目在水管锅炉前设置了一个省煤器， 让 SO3气体先通过省煤器再进入水管锅炉，从而利用热量提高锅炉的热效率。 图图 5-3 省煤器省煤器示意图示意图 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 22 / 26 5.4 新型节能屏蔽新型节能屏蔽泵的泵的应用应用 为了贯彻绿色节能的理念， 本项目所用泵通过市场调查决定采用新型节能屏 蔽泵，替代以往高耗能的常规屏蔽泵产品。 常规屏蔽式电动机与同功率同极数普通电动机相比效率要低 10 个百分点， 功率因数则更低。但是该系列泵磁路为径向结构，结构简单、漏磁较少，由于空 间的限制，采取这种特殊的隔磁方式，减小隔磁桥的尺寸来增大磁阻，使漏磁减 小， 使用较少钕铁硼永磁体能够提供电动机所需的气隙磁密。该设计使泵的整体 效率提高，利用哈氏合金、钕铁硼永磁材料，使电机效率高、功率因数高及功率 密度大、过载能力强，且温升低，噪声小，长期高温运行时可靠性高，无泄漏、 防爆、耐腐蚀等特点，且可以在 200下稳定运行。 下面以 G50-32-9NY，Q50，H32，N7.5KW 屏蔽泵为例，其能耗节约结果与 成本节约对比结果见表 5-2、表 5-3： 表表 5-2 节能泵与常规泵能耗对比表节能泵与常规泵能耗对比表 名称名称 电机效率电机效率 （%） 功率因素功率因素 额定电流额定电流 （A） 额定有功功率额定有功功率 （kw h） 电力能耗电力能耗 节约比节约比 常规屏蔽泵 74 0.83 18.5 10.1 20.2% 节能屏蔽泵 92.80 0.98 12.5 8.06 表表 5-3 节约成本算表节约成本算表 年节约用电量（年节约用电量（kw h /年年） 电价电价（元（元/ kw h） 节约成本节约成本（万元（万元/年）年） 17870 0.635 1.1347 由上表可知，该款节能屏蔽泵比常规屏蔽泵节能 20.2%，一年运行下来节 约的成本就可以将一台屏蔽泵的成本节省下来，具有确切客观的经济效益。 5.5 Cs 基基 SO2氧氧化催化剂化催化剂 目前国际上广泛使用的催化剂为V基催化剂，但其起燃温度偏高，一般在 400以上，这意味着需消耗大量热源。因此本项目经过比较后选用Cs基催化 铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目铜冠冶化烧结烟气处理与资源化利用项目 创新性说明书创新性说明书 合肥工业大学开拓者团队合肥工业大学开拓者团队 23 / 26 剂，其起燃温度较常用的SO2转化催化剂低3050左右，不高于350，其正 常操作温度为380650，且生产工艺简单，生产成本低廉。对于用冶炼烟气 制酸，提高SO2总转化率，保护环境，均具有重要意义。 目前国内生产的 Cs 基催化剂主要为 KCs 系列催化剂。活性成分为 V2O5， 使用精制硅藻土作为载体，选择铯盐为助溶剂，铈盐为添加剂。 其中 KCs-3 为低温环状催化剂，起燃温度为 350，低温活性好，380活 性大于 25%，强度高，热衰退速度慢，抗毒物性能强，抗粉化性能强，且使用寿 命长。使用该催化剂，可收到很好的节能降耗增产效果，可实现达标排放，减少 环境污染。其主要性质如下： 表表 5-4 SO2氧化催化剂氧化催化剂 KCs-3 的主要性质的主要性质 项目项目 数据数据 外观颜色 淡青色 颗粒尺寸/mm 7.511 堆密度/（kg/m3） 600 比表面/（m2/g） 10.5 孔隙率/ % 5669 活性（耐热后 SO2转化率，%） 380 25 410 55 颗粒径向抗压碎力（N/cm） 80 磨耗率/ % 4 根据生产试验，使用 KCs-3 催化剂，一段操作温度稳定