6、创新性说明书

中煤榆林能化公司年产30万吨烯烃联产3万吨甲硫醇含硫尾气资源化利用项目目录第一章 废气源选择及其体系创新- 1 -1.1废气源选择- 1 -1.2深度脱硫技术- 1 -1.3碳排放量减少- 2 -1.4产品方案创新- 3 -第二章 过程节能创新- 4 -2.1热集成- 4 -2.2 热耦合变压精馏技术- 4 -2.3热泵精馏技术- 6 -2.4 膜分离技术- 7 -第三章 乙烯精制塔（T0404）动态模拟- 9 -3.1概述- 9 -3.2控制方案- 10 -3.3进料流量扰动的影响- 11 -3.4进料组成扰动的影响- 13 -第四章 环境保护创新- 16 -4.1开发克劳斯尾气利用新途径- 16 -4.2 CAST工艺废水处理- 16 -第五章 过程设备创新- 17 -5.1 ADV高性能浮阀塔盘应用- 18 - 21 -第一章 废气源选择及其体系创新1.1废气源选择随着我国经济社会快速增长，近年来，华东、华北、西北等地区雾霾侵袭不断，环境问题成为中国21世纪以来面临的严峻挑战，据调查研究“雾霾”天气产生和工业化快速发展有着直接关系，特别是工业生产过程中含硫废气大量排放是导致“雾霾”产生的重要原因。榆林作为国家能源化工基地，能源化工产业发达，生产过程中排放出大量的克劳斯含硫工业废气，资源利用不足严重影响区域环境质量提升。下表1-1为工业化生产进程中排放的克劳斯尾气规格。表1-1 克劳斯尾气组分序号组分名称质量分数/%1CO223.52H2S0.53H2 O21.24N254.55SO20.3本项目针对榆林现代煤化工企业生产过程中传统燃烧排放的克劳斯尾气为原料，与总厂乃至园区产品体系形成有效融合理念，新建一年产30万吨烯烃联产3万吨甲硫醇含硫尾气资源化利用新型化工行业项目，工艺生产过程中采用新型工艺设计理念，将克劳斯尾气中的硫转化为甲硫醇，产品附加值高，环保经济，符合我国环境保护要求。1.2深度脱硫技术本项目将榆横工业园区所有煤化工企业生产过程中大量排放的克劳斯尾气进行收集于气柜，再经斯科特反应器，将废气中的硫及硫的氧化物加氢全部还原为硫化氢气体，经卷式膜分离系统进行粗脱硫，减少后续设备负荷，再经过N-甲基二乙醇胺（MDEA）溶剂进行深度脱硫，脱硫效率达到99.9%，解析出的硫化氢与甲醇在钨酸钾催化剂作用下生产甲硫醇。在国家规定中，新建化工项目硫排放降低至100ppm以下，在国家严格环境政策保护下，未来硫排放需降低至35ppm以下，在本工艺中硫排放量降低至32ppm，大大减小了SO2对环境的污染，减少对区域环境的污染，满足未来发展需求，而且本项目工艺不仅高效的脱除了尾气中的硫化物，而且将其资源化利用。同时为了响应国家“十三五”规划，到2020年，全国万元国内生产总值能耗比2015年下降15%，能源消费总量控制在50亿吨标准煤以内。全国化学需氧量、氨氮、二氧化硫、氮氧化物排放总量分别控制在2001万吨、207万吨、1580万吨、1574万吨以内，比2015年分别下降10%、10%、15%和15%。全国挥发性有机物排放总量比2015年下降10%以上。本项目充分响应国家政策，达到深度脱硫并予以资源化利用的效果。1.3碳排放量减少根据大量文献查找克劳斯尾气中二氧化碳有效组分占23.5%,在脱硫过程中高效地将克劳斯尾气中二氧化碳分离，分离出的二氧化碳与园区氢气耦合生产甲醇。本项目将传统直接排放大气中的二氧化碳予以资源化与园区氢气耦合生产甲醇进一步生产烯烃，每年减少碳排放量150万吨/年，有效地缓解了二氧化碳排放产生的温室效应。1.4产品方案创新本项目秉持着环保清洁理念，将工业生产过程中传统燃烧排放的克劳斯尾气深度脱硫并予以资源化利用，同时与总厂乃至园区产品形成有效融合理念，提高原子利用率，充分实现资源化。本项目在产品结构方案上进行调整与创新，如下表1-2所示。表1-2 产品方案产品名称产量（万吨/年）利用去向甲硫醇（目标产品）3.7去往下游蛋氨酸产业链乙烯12.1去往总厂聚合车间丙烯22.4去往总厂聚合车间丁烯2.7去往总厂聚合车间二甲基硫醚0.3去下游产业本项目将经过深度脱硫提浓后的硫化氢、二氧化碳进行资源化提高产品附加值，不仅解决了工业生产中含硫废气大量排放的问题同时予以资源化利用，同时缓解了二氧化碳排放产生的温室效应，耦合甲醇产能过剩问题，生产出具有市场前景广阔、盈利空间较大的烯烃、甲硫醇产品。根据物料平衡计算年产30万吨烯烃、3万吨甲硫醇项目含硫废气减排量如下表1-3所示。表1-3 含硫废气减排量表项目减排量万吨/年二氧化碳减排量150硫化合物减排量3.1综上由表1-2、1-3可以看出本项目以克劳斯尾气为原料，采用新型工艺生产技术理念，将硫转化为甲硫醇产品，硫年排放量减少3.1万吨/年，二氧化碳转化为烯烃，二氧化碳排放量减少150万吨/年，故本项目环保、经济、可行。第二章 过程节能创新2.1热集成在大型过程系统中，存在大量需要换热的流股，一些流股需要被加热，一些流股需要被冷却。本项目为克劳斯尾气制烯烃项目，经过两个主要反应合成烯烃。纵观整个流程，大量能量被消耗在分离过程中，本项目使用夹点技术及Aspen Energy Analyzer软件进行换热网络设计，下表2-1为换热网络优化前后参数比较，实现了较大能量的回收。 表2-1优化前后参数对比项目热公用工程负荷（kW）冷公用工程负荷（kW）换热器总换热面积（m2）换热单元数换热器设备成本指数操作成本指数总年度费用成本指数优化前2.171055.7691058.493104242.61071.2731.538优化后4.1651044.0261051.272105433.1771070.26490.5893从表2-1中可以看出，换热网络优化后相比较优化前，公用过程用量、操作成本指数、总年度费用大幅度减少，与优化前的换热网络相比，能量的利用率更大，使整个工艺跟节能经济。相比较没有进行优化的换热网络相比较，优化后的换热网络能量回收约为44.04%，能量回收效果显著。2.2 热耦合变压精馏技术本项目对中间产物甲醇分离设计了热耦合变压精馏，甲醇进入加压塔，加压塔塔用蒸汽加热，塔顶的气相作为常压塔的热源，气相被冷凝下来后，部分采出、部分回流。从加压塔塔釜出来的甲醇液体，进入常压塔，常压塔塔顶气相用冷却水冷凝，冷凝后回流，部分回流，部分采出，塔釜温度控制在100度，保证从常压塔釜出来的基本都是水。甲醇热耦合变压精馏技术如图2-1所示。图2-1 甲醇热耦合变压精馏技术将变压热耦合精馏与普通精馏进行能耗对比，再经过相关计算后，具体对比结果见表2-2。表2-2普通精馏与变压热耦合精馏能耗对比表操作方式公用工程能耗对比（kW）冷凝器再沸器普通精馏-82068.77184916.5228变压热耦合精馏-45710.82150024.78节能分率44.3%41.1%将上述能耗与公用工程耗量结合，按冷却水1元/吨、175低压蒸汽180元/吨、250中压蒸汽210元/吨的价格对操作成本进行对比；对操作成本进行对比可以得到操作成本对比算表，如表2-3所示。表2-3 普通精馏与变压热耦合精馏操作成本对比表操作方式公用工程操作成本对比（元/小时）总操作成本对比（元/小时）冷凝器再沸器普通精馏91503286742017变压热耦合精馏50961935924455变压热耦合精馏操作成本节约分率41.8%通过对比不难看出，若按年生产时间7200小时计，采用双效精馏技术每年可节约操作成本1.26亿元人民币。可见利用变压热耦合精馏分离甲醇具有很大的发展前景与应用范围。2.3热泵精馏技术热泵精馏是将塔顶的气相物料经压缩机加压升温后进入热泵换热器，对塔底物流进行加热，换热后的塔顶物流再经减压阀减压、闪蒸后进入液相回流，气相采出。塔底物流换热后绝热闪蒸液相采出，气相回流。热泵精馏工艺流程图如图2-2所示。图2-2 脱二氧化碳塔（T0403）热泵精馏表2-4普通精馏与热泵精馏能耗对比算表操作方式热能能耗对比（kW）电能能耗对比（kW）总能耗对比（kW）采用热泵精馏节能分率冷凝器再沸器普通精馏-4407.00364408.67674-8815.68034-开式热泵精馏系统714.65-1973.632688.2869.5%将上述能耗与公用工程耗量，按液氨1900/吨、液态乙烯6569元/吨、电0.75千瓦时/元的价格，并结合国家火力发电水平电热转化系数约为3.29，对操作成本进行对比，可以得到操作成本对比算表，如表2-5所示。表2-5普通精馏与热泵精馏操作成本对比算表操作方式热能操作成本（元/小时）电能成本（元/小时）总操作成本（元/小时）操作成本节能分率冷凝器再沸器普通精馏83005200-13500-开式热泵精馏系统3200-1480.34680.365.3%通过表2-5对比不难看出，使用热泵精馏能够有效地降低冷凝器与再沸器的热负荷，减少公用工程耗量并降低生产操作成本。采用开式热泵精馏技术较传统精馏具有更好的节能效果，节能效率达69.5%，若按年生产时间7200小时计，每年可节约操作成本6350万元人民币。2.4 膜分离技术本工艺采用Separex公司的卷式膜分离器分离二氧化碳、硫化氢组分。卷式膜分离器结构如图2-2所示。图2-2 卷式膜分离器结构采用MATLAB软件对卷式膜分离效果进行设计，得出该膜分离器对硫化氢，二氧化碳有较好的透过率,透过率为99.5%，截留其他组分，对后续生产工艺达到节能技术，大幅度地降低后续生产负荷。第三章 乙烯精制塔（T0404）动态模拟3.1概述本项目不仅仅研究稳态特性，也研究动态特性，以保证产品合格。精馏工艺是化工、炼油等行业内应用极为广泛的单元操作，依据其中的各组分的挥发度不同的特想，经过将液体混合物多次部分气化和部分冷凝，实现分离的单元操作，精馏塔分为板式塔和填料塔两种主要类型，板式塔和填料塔各有不同的应用领域，一般来讲，真空、常压工况选填料塔居多；易堵、含颗粒、加压工况选板式塔较多；板式塔又分为泡罩塔、浮阀塔、浮喷塔、浮舌塔、穿流板塔、筛板塔等，不同的塔板均具有不同的功能，都是为了提高设备的生产能力、降低造价、结构简单和提高分离效率。精馏塔的操作方式也可以分为连续精馏和间歇精馏，但对于一般的大型化工厂来说，均采用连续精馏。随着化工行业的发展与进步，对于产品的纯度也有了更高层次的要求，也就对精馏塔有的更高的要求，如果没有相应先进的精馏塔自控方案，也就很难达到预期的目的。当精馏塔的生产负荷、进料状况、环境的变化均会导致产品的浓度发生变化，故我们将Aspen Plus软件中的数据导入到Aspen Plus Dynamics中进行模拟仿真，并为乙烯精制塔添加了相应的设备和数据，通过软件内部分控制器的连线，设计出合理的控制系统，以保证塔底乙烯的浓度维持在一个合理的范围内。3.2控制方案1.精馏塔塔顶压力控制冷凝器的负荷：当塔顶的压力有波动是时，冷凝器均可以给出相应的指示去该表冷公用工程的进料量，以维持塔顶压力的恒定；2.精馏塔回流罐的液位由塔顶产品的流量来控制：当回流罐的液位发生波动时，塔顶的产品及时增大或减小产出，以维持回流罐的液位稳定在一个合理的范围内；3.精馏塔塔板的温度由再沸器的公用工程输入量来控制：当灵敏板的温度发生波动时，再沸器公用工程的用量发生响应的变化，以维持塔板温度稳定在一定的范围内；4.精馏塔塔底液位由塔底采出量来控制：当精馏塔的塔底液位发生波动时，控制塔底采出量以保证塔釜的液位恒定；5.塔顶采出与塔顶回流比值表达：主要为了保证塔顶输出是缓慢的增加或降低，以保证精馏塔的平衡不被破坏，进而保证产品的质量；6.进料流量控制：进料流量的波动是难免的，采用均匀控制系统来控制出料，以保证进料流量的平稳波动。3.3进料流量扰动的影响如图3-1，为进料流量对乙烯精制塔操作参数的影响，给进料流量一个10的阶跃干扰，由于采用的是温度控制系统，由图3-2可知两种方案下均会在7小时左右回到稳定值，对于塔底产物乙烯的浓度，由图3-3可知，可以将浓度控制在一定的合理范围内，可以保证产品的纯度要求。图3-4可以看出在热负荷方面也具有很好的响应，可以快速回到稳态。综上所述，乙烯精制塔对进料流量的扰动有较好的动态操作性。图3-1 时间与进料流量关系图图3-2 时间与温度关系图图3-3 时间与塔釜产品浓度关系图图3-4 时间与热负荷关系图3.4进料组成扰动的影响在实际的化工生产过程中，进料的组分也不是固定不变的，一次我们在考察一个系统 的动态性能是否良好，不仅仅要考虑流量变化对全塔操作的影响，也要考虑进料组成的变化对全塔操作的影响。因此，我们对乙烯精制塔进料的组分做出了一定的阶跃波动，来观察乙烯精制塔对进料组成的改变有什么变化。图3-5为塔板温度随时间的变化曲线，图3-6为再沸器热负荷随时间的变化曲线，图3-7为产物乙烯的浓度随时间的变化曲线，由上述图表可以看出，乙烯精制塔对进料组成也有较强的抗干扰性，可以保证产品的合格。图3-5 时间与温度关系图图3-6 时间与热负荷关系图图3-7 时间与产品浓度关系图第四章 环境保护创新4.1开发克劳斯尾气利用新途径通常情况下，煤化工企业生产过程中产生的克劳斯尾气燃烧排放，对环境造成污染，传统工艺硫用于生产硫磺，据市场调查分析硫磺市场低糜，产能过剩，因此本项目开发新的克劳斯尾气利用途径，将克劳斯尾气经斯科特反应器，将硫及硫的氧化物加氢全部还原为硫化氢气体，硫化氢用于生产甲硫醇，克劳斯尾气中有效组分二氧化碳与园区氢气耦合生产甲醇。通过这样的工艺流程，不仅有效解决了工业生产过程中含硫废气克劳斯尾气大量排放的问题并予以资源化，而且耗了大量二氧化碳，并将其变废为宝，实现了绿色化工生产的目的。4.2 CAST工艺废水处理本项目中产生的生产废水采用CAST生化处理法，是近年来在传统SBR工艺上发起来的一种新型工艺，它是利用不同微生物在不同负荷条件下生长速率差异和污水生物除磷脱氮机理，将生物选择器与传统SBR反应器相结合的产物。这种工艺综合了推流式活性污泥法的初始反应条件(具有基质浓度梯度和较高的絮体负荷)和完全活性污泥法的优点(较强的耐冲击负荷能力)，无论对城市污水还是工业废水都是一种有效的方法，有效地防止污泥膨胀。另外如果选择器的厌氧的方式运行，则具有生物除磷作用。此工艺处理步骤可分为4个阶段，进水-曝气阶段、曝气阶段、沉淀阶段、滗水排泥阶段；曝气系统向CAST池内供氧，有机物经微生物作用被生物氧化，同时进行硝化作用和磷的吸收，停止供氧后，进入沉淀阶段，活性污泥在静态下，向下沉降，上层水变清；在污泥沉淀到一定的深度后，进入下一个周期，比传统的SBR系统增加额选择器及污泥回流设施，并对时序做了一些调整，从而大大提高了工艺的可靠性及效率。第五章 过程设备创新5.1 ADV高性能浮阀塔盘应用对于普通浮阀塔来说，长期以来最常用的塔盘是F1型浮阀塔盘。其基本原理是让气相沿塔盘横向流过泡层，造成强烈的气液混合，从而在两相之间产生良好的传热传质过程。但是浮阀塔盘的制造成本相对较高，过去往往采用单个面积较大的浮阀。大浮阀的使用使得流过单一浮阀的气速截面积过大，气相接触的比表面积降低，反过来会影响传质效率。ADV高性能浮阀塔盘是在传统F