设计文档2013设计文档1-设计摘要

15 齐齐哈尔大学小宇宙团队年产4.4万吨过硫酸铵联产8万吨液态二氧化碳项目设计摘要 1.项目简介本项目是为大唐临汾热电300MW机组设计一座烟气深度脱硫并对脱硫产物资源化利用的分厂。本装置综合利用了临汾煤电化工工业园内的电厂烟气、焦化废水、硫酸和液氨等原料，经SCR脱硝、布袋除尘、二氧化碳捕集、废水蒸氨和深度脱硫等过程生产附加值高的产品，产品结构如表1-1所示。表1-1 产品结构序号产品名称单位数量备注1过硫酸铵万吨/年4.44 98.5%2液态二氧化碳万吨/年7.9899.983氢气万Nm3/年438.7 99.95%4碳酸氢铵万吨/年0.88农业优级5粉煤灰万吨/年30.7-6蒸汽万吨/年7.2低压2.工艺设计本项目经过多方面的工艺方案论证，最终采用了水蒸气直接蒸氨工艺、SCR脱硝工艺、布袋除尘工艺、氨法脱硫工艺、硫酸铵电解工艺以及常温常压氨法二氧化碳捕集工艺。设有脱硝除尘工段、深度脱硫工段、硫酸铵电解工段和二氧化碳捕集及精制工段。流程简图如图1所示。图1 工艺流程简图来自总厂的烟气与氨和空气混合均匀后进入脱硝反应器，脱硝后的烟气进入空预器降温，降温后进入布袋除尘器，脱硝除尘后的烟气进入预洗塔经水喷淋降温；塔顶气体送入吸收塔，氨水吸收烟气中的二氧化硫，实现深度脱硫，二氧化硫体积浓度控制10PPM以下；塔顶气体经升压降温后送入气液分离器，大部分烟气驰放，一部分气体送至烟囱排放，另一部分则送入二氧化碳捕集工段；底部的氨水进入氨回收塔，塔顶的氨和水蒸气送至预洗塔循环使用；吸收塔釜液与20%浓度氨水混合后，送入氧化反应器，通入空气氧化；氧化后的反应釜液送入预洗塔进一步氧化，氧化后的塔釜液送入双效蒸发系统进行浓缩处理。来自同世达的焦化废水送入蒸氨塔进行蒸氨，得到的氨送入吸收塔使用；来自双效蒸发系统的硫酸铵浓缩液进入电解槽进行电解，产生过硫酸铵浓缩液，经结晶离心干燥后获得产品；来自脱硫工段的烟气送至二氧化碳吸收塔，经氨水吸收后的塔釜液送至二氧化碳再生塔进行再生，二氧化碳吸收塔顶的气体送入氨吸收塔，经水喷淋吸收后送至氨再生塔进行氨的再生，二氧化碳再生塔塔顶气体降温后经离心获得碳酸氢铵产品；气体则经过三级级压缩后，获得食品级液态二氧化碳产品。3.节能节水设计（1）换热网络优化通过 Aspen Energy Analyzer 软件，然后根据夹点设计法，对全流程换热网络进行了设计，最终确定换热网络方案如图2所示，优化前后节能对比如图3所示。图2 优化后换热网络图108（kJ/h）108（kJ/h）图3 优化前后节能对比（2）双效蒸发系统本项目中主要产品为通过电解硫酸铵浓缩液而得到的过硫酸铵，而硫酸铵的电解对其浓度有一定的要求，因此必须对硫酸铵浆液的浓度进行有效控制，而传统的氨法脱硫工艺塔底产品主要是硫酸铵晶体，不利于后续工序的进行，因此需要将硫酸铵的主要浓缩任务改在塔外进行。传统的多效精馏其效数受投资和操作条件的限制，效数增加，塔数增加，设备费用增加，而且，多效精馏系统的操作相对困难，且对设计和控制都有更高的要求，而多效蒸发系统多个蒸发器中的温度经过一定时间后，温度差及压力差自行调整达到稳定，使蒸发能连续进行，并且，由于重复利用了热能，因此多效蒸发可以显著降低蒸发过程的热能耗用量。因此，运用多效蒸发系统，可以使硫酸铵浓缩液的浓度可以有效控制，同时可以回收大量较清洁的水，节约水资源，再综合考虑到经济问题，最终本项目设计选择更优的双效蒸发系统。本项目利用Aspen Energy Analgzer软件做了能耗分析后得到的数据，根据数据计算可知，针对本项目而言双效蒸发系统相对于双效精馏节约能耗约为22.4%。能耗对比结果如表2所示。图4 双效蒸发系统图5 传统双效精馏系统表2 能耗对比一览表热负荷(MW)中压蒸汽低压蒸汽空气冷却水合计双效蒸发015.52023.9839.50双效精馏9.9223.1917.80050.90（3）蒸汽喷射热泵本项目设计采用蒸汽喷射式热泵蒸氨工艺，属于节能型蒸氨工艺，其主要节能措施是在蒸氨塔后设置蒸发器和蒸汽喷射器,喷射器产生一定的减压效果,使蒸氨废水在蒸发器中二次蒸发,然后二次蒸汽被回收进行循环利用。蒸汽喷射热泵系统如图6所示，能耗对比见表3。图6 蒸汽喷射热泵系统表3 蒸汽喷射热泵系统与无蒸汽喷射热泵系统能耗对比一览表项目无蒸汽喷射热泵系统蒸汽喷射热泵系统节能效益折算蒸汽量热量折算蒸汽量热量折算蒸汽量MJ/hkg/hMJ/hkg/hkg/h直接蒸汽144100.111000117900.290002000二次蒸汽-35435.42725.8换热器热交换量25357.1195018802.91446.4504效益合计-2504（4）热泵精馏本项目设计中氨回收塔塔顶温度为：99，塔底温度为：100，温差为1，温差很小，可以设置热泵把塔顶汽相压缩升温作为塔底再沸器的热源，从而省去再沸器和冷凝器，节约能源。通过Aspen Energy Analgzer软件对设置热泵前后做了能耗分析后得到的数据，通过计算可知，设置热泵节约能耗约为28.9%。因此建议在实际生产过程中，对氨回收塔设置热泵，以达到节能的目的。氨回收塔塔顶汽相压缩式热泵工艺流程如图7所示，普通精馏和热泵精馏对比见表4。图7 氨回收塔塔顶汽相压缩式热泵工艺流程图表4 普通精馏与热泵精馏能耗对比一览表热负荷(MW)中压蒸汽低压蒸汽空气冷却水合计普通精馏04.7642.86107.645热泵精馏00.00505.4235.423图8 氨和水回收系统流程图（5）氨和水回收系统氨法脱硫过程中会产生氨逃逸问题，逃逸的氨不仅污染环境，而且危害人体健康，高浓度的氨逃逸还可能造成安全问题，因此氨逃逸问题是氨法脱硫过程中必须注意到的重要问题之一；同时，氨法脱硫过程消耗大量的水资源，而本项目总厂所在地山西临汾，水资源相对较匮乏，因此本项目增设氨和水回收系统，把吸收塔出口处的氨加以回收，从而将氨逃逸量控制在1PPM以内，远低于国家相关标准，解决了氨逃逸问题；同时，由于烟气中存在着大量以蒸汽形式存在的水分，回收大量的水，直接排放使得这部分水被浪费掉，采用本套系统，可以回收50%的水分，以供循环使用，节约水资源；氨和水回收系统流程如图8所示。（6）水集成本项目利用Water Design软件对全厂进行了水集成，采用水集成夹点技术后，建立优化后的用水网络，水的重复利用率相比之前没采用的水集成网络提高了20.54%，有效改善了园区用水紧张的局面，有助于推进全厂的节能降耗，取得良好的经济效益和环保效益。优化后用水网络如图9所示，优化前后对比如图10所示。图9 优化后用水网络图10 优化前后用水对比图4.设备设计（1）采用高效除雾器本设计中，我们选用一种新型高效的余弦形除雾器，在相同的工艺参数下，该余弦形除雾器与吸收塔原波纹板除雾器相比，在塔内烟气流速同为3.8m/s时，新型的余弦式除雾器比传统的波纹板式除雾效率可提高4.5%。余弦形除雾器结构示意图与实物图如图11所示。图11 余弦形除雾器结构示意图与实物图（2）高效塔盘的应用本项目在蒸氨塔采用ADV高效浮阀塔盘。长期以来最常用的塔盘是F1型浮阀塔盘，ADV高性能浮阀塔盘，正是在F1型浮阀塔板的基础上，吸取其有利因素，并克服其缺点而开发的，其结构示意图如图12所示。图12 ADV浮阀结构示意图（3）管壳式换热器强化传热与自清洁技术传热效率低下和传热表面积污结垢造成的传热劣化问题，是国际上多年来一直未解决的热传递过程中的难题，也是制约化工等高能耗行业提高能耗利用率的瓶颈问题。考虑上述因素，本项目在氨法脱碳工段换热器中使用了“洁能芯”，它即可有效地解决管壳式换热器效率低下的问题，又无须改变换热器的结构。洁能芯构造图如图13所示。图13 洁能芯构造图 5. Fluent脱硫吸收塔流场模拟本项目设计过程中采用Fluent对脱硫吸收塔进行模拟以得到塔内的流体流动情况，在GAMBIT中建立物理简化模型，并生成网格。采用四面体结构化网格，并对网格质量进行检查，每个网格单元的最小内角大于18、最小雅克比矩阵与最大雅克比矩阵行列式的比值大于0.7。塔内速度矢量图见图14。 图14 塔内速度矢量图 6. 编程模拟电解Aspen Plus里没有电解相关的模块，但其强大的第三方软件接口，为我们提供了便利，本项目采用Aspen Plus与Excel挂接，对电解过程进行模拟，得出了主副产品的相关数据。硫酸铵电解工段流程图如图15所示。图15 硫酸铵电解工段流程图7. 动态模拟为了能够更好的模拟实际情况下的塔和其他设备的运行状态，我们使用Aspen Dynamic 对部分设备控制系统进行了动态模拟，氨和回收塔控制系统模拟如图16所示，双效蒸发控制系统如图17所示。图16 氨回收塔控制系统模拟图17 双效蒸发控制系统模拟8.清洁生产（1）焦化废水再利用来自同世达的焦化废水经过本项目蒸氨处理后，所得氨将全部作为脱硫吸收剂使用，有效的实现了废物的资源化。（2）二氧化碳的利用本项目采用低能耗的常温常压氨法二氧化碳捕集工艺，年捕集精制7.98万吨食品级液态二氧化碳产品，作为原料提供给下游厂家，在达到环保效益的同时也带来了一定的经济效益。（3）三废的有效处理本项目处理后的烟气中污染物浓度均低于国家相关排放标准，因此可直接排至大气；废水主要为蒸氨工段的蒸氨废水，此部分废水氨氮浓度小于150mg/L，PH=89，可直接送至总厂生化处理池进行处理；本项目中的废渣主要为布袋除尘工段脱除的粉煤灰，粉煤灰常在建筑工程中被用作混凝土、砂浆的掺合料，在建材工业中用来生产砖，在道路工程中常用来作路面基层材料等，本项目所在工业园区内有大型建材厂，因此，本项目所产生的粉煤灰送至建材厂。9.厂区设计（1）厂址选择本项目选址为山西省临汾市煤电化工工业园，园区现有大唐临汾热电、同世达煤化工集团、中煤集团等企业，原料供应充足、产业链完整，同蒲铁路、大运高速纵贯南北，青兰高速、张台铁路横穿东西，交通网络四通八达，园区地理位置紧邻汾河，基础设施完善，地处百里汾河新型经济带，具有相应的税收和政策支持。选址卫星图如图18所示。图18 项目选址卫星图（2）厂区布置本项目厂区长393米，宽297米，总占地面积116760.3m2，包括行政生活区、生产区、辅助生产区、储运区、消防以及发展用地等区域。根据国家相关标准，综合考虑操作人员安全及原料、产品的合理运输，利用AutoCAD软件对厂区内的各区域进行合理的划分与布置，如图19所示。图19 厂区布置图（3）三维布置在厂区布置之上，利用Sketch up、Lumion软件设计了总厂的三维布置图，同时利用CADWorx软件对车间的管道和设备进行了详细设计，厂区三维布置如图20所示。图20 厂区三维布置图10.环境与安全评价在环境与安全评价方面，本项目利用多款软件对厂区进行安评环评，运用Risksystem对氢气罐区进行池火事故模拟、沸腾液体扩展蒸气云爆炸模拟和蒸气云爆炸模拟，ALOHA软件对液氨储罐进行BLEVE事故模拟、池火事故模拟和泄露事故模拟，并对二氧化碳储罐进行泄露事故模拟；利用EIAN软件对全厂进行噪声评价，EIAW进行水质预测评价，并利用AERMODSystem对本项目产生的污染物进行大气环境影响评价。具体请参见安全评价报告和环境评价报告。11.经济分析本项目建设期为两年，投产期为两年，本项目经济分析主要对工程建设、经营成本、产品价值等做出大致评估，得出盈亏分析和敏感性分析，具有重要指导及实践意义，从经济角度证明了本项目的可行性。本项目盈亏平衡分析与敏感性分析如图25和26所示。1.6万吨盈亏平衡点图25 盈亏平衡分析图由图25盈亏平衡分析图可得，本项目中盈亏平衡点为1.6万吨，即当产量达到设计产能的36%即可实现盈利。图26 敏感性分析图本项目中经济指标如表4所示。表4 经济指标总投资（万元）55444.56固定资产投资（万元）46543.86总成本（万元/年）34791.04投资利润率（%）28.4年销售收入（万元/年）52963.8投资回收期（年）6投资利税率（%）45.4盈亏平衡点BEP1.6净现值NPV（万元）49005.2财务内部收益率IRR（%）28.012.项目总结通过查阅文献，齐齐哈尔大学小宇宙团队确定了烟气处理方案与产品方案，确定以烟气脱硝除尘脱碳深度脱硫为核心，生产过硫酸铵、二氧化碳、氢气、碳酸氢铵产品的工艺路线。并在工艺流程中引入塔内塔外结合高效率氧化技术、双效蒸发技术、蒸汽喷射热泵技术和Aspen外挂Excel模拟电解技术。并采用Aspen Plus对流程进行设计与稳态模拟、物料及能量衡算，利用Aspen Dynamics对流程进行了动态模拟，利用Aspen Energy Analyzer进行换热网络集成设计，使用Aspen Energy Design & Rating