1-2010版2-设计文档3-创新性说明

河北农业大学威风堂堂团队 团队名称：河北农业大学威风堂堂队指导老师：李继文、刘祺凤、刘红蕾、纪晓婧、刘媛 团队成员：赵雅琦、靳晓悦、杜学朴、李军豪、陈宇翔完成时间：2017年7月2017“东华科技-陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛8.64亿立方米每年废气脱硫项目创新性说明 11 / 12目 录第一章 技术创新性11.1深度脱硫技术11.2烟气除尘技术11.3脱除硫的资源化利用技术11.4碳排放的减少1第二章 产品结构方案创新32.1主产品：工业级无水硫酸镁32.2副产品：碱式碳酸镁4第三章清洁生产技术创新63.1三废处理情况6第四章 设备创新（反应塔器）84.1水化反应器（R-0101）84.2碱式碳酸镁合成工段设备创新9第五章 分离设备创新105.1三效蒸发器（V0201-V0203）10第六章 过程节能降耗技术创新116.1换热网络节能116.2综合考虑经济性和操作弹性的换热网络优化设计11第一章 技术创新性1.1深度脱硫技术本工艺采用镁法脱硫技术，使用低价的轻烧氧化镁来处理烟气，烟气中含有大量的二氧化硫气体以及大量的二氧化碳气体，烟气经过喷淋塔水洗除尘去除其中的不溶性杂质，并对其中的部分二氧化硫进行吸收，氧化镁经过水化反应生成高浓度的氢氧化镁浆液，进入吸收塔吸收脱除烟气中的二氧化硫气体，本设计中该法的脱硫效率高达99.98%。同时本设计打破常规思维转而生产高纯度的工业级无水硫酸镁以及副产碱式碳酸镁，在产品上有很大的突破。1.2烟气除尘技术在本设计中，由于烟气中含有大量的不溶性杂质，会影响脱硫效率以及对设备造成一定的破坏，所以选用水洗除尘技术，这里选用了专利（专利号201510168438.5）该设备具有不易腐蚀、不生锈、不易堵塞、吸力大过滤效果好，能耗低等优点，并且清洁简单，维修方便，占地面积小等优点，该除尘技术除尘效果高达100%。1.3脱除硫的资源化利用技术在本设计中，烟气经过吸收塔后生成亚硫酸镁，然后经过氧化塔反应生成硫酸镁，在经过三效蒸发，结晶等过程生成高纯度的工业级无水硫酸镁，使得二氧化硫被深度脱除并资源化利用。1.4碳排放的减少为避免大量的二氧化碳排放会对空气质量造成影响，造成温室效应，以及未进行反应的氢氧化镁会对管道以及反应塔器等设备造成腐蚀，本设计采用实用新型专利设备，（氢氧化镁生产碱式碳酸镁的设备，专利号CN205500803U），经过碳化塔等设备使氢氧化镁以及二氧化碳进行反应，产生高纯度高价值的碱式碳酸镁，碱式碳酸镁产生附加价值，本设计对该技术做出相应的改进从而回收成本。同时响应了政府低碳环保的政策号召。该过程在设计中单独占一个车间，其模拟过程如图1-1所示。图1-1碱式碳酸镁工段第二章 产品结构方案创新2.1主产品：工业级无水硫酸镁本设计打破传统的生产方式，不仅局限于生产硫酸或者是生产亚硫酸镁煅烧回收氧化镁，在设计中考虑到成本以及能耗的问题，选择生产品质比较高的工业级无水硫酸镁，该产品是七水硫酸镁经过三效蒸发等过程达到一定的温度脱除结晶水，生成无水硫酸镁，再经过分离纯化得到高纯度的无水硫酸镁。主产物信息见表2-1。表2-1工业级无水硫酸镁的规格名称分子式主含量 %镁 %PH值 ( 5% 水溶液 )重金属(Pb) %砷(As) %参考价格/元工业级无水硫酸镁MgSO49819.85.0-9.20.00080.00023500硫酸镁在国内外有很大的潜在需求量，肥料用硫酸镁是硫酸镁的主要用途，占需求量的90%。以肥料用硫酸镁为例，根据全国1770个土壤样品有效镁含量及土壤养分状况系统研究法关于对作物镁营养的施肥推荐，按我国目前耕地1.25亿公顷计算，严重缺镁的土壤约0.1亿公顷，需要补施280万吨MgO，缺镁土壤约0.16亿公顷，需要补充374万吨MgO，土壤镁含量中等的土壤约0.41亿公顷，需补施330万吨MgO，共计每年我国需要补充984万吨MgO，折合硫酸镁（25%MgO）4000万吨，约占亚洲镁肥料用量的1/4，潜在需求量巨大。图2-1我国硫酸镁市场结构分析图2-2 2012-2016年10月中国硫酸镁进口量及增速统计2.2副产品：碱式碳酸镁烟气中含有大量的二氧化碳气体，本设计考虑到环境的要求，选择处理二氧化碳生成产品做成副产物。碱式碳酸镁的制备在工业上一直是一个大问题，但是本设计采用专利，本实用新型提供的氢氧化镁生成碱式碳酸镁的设备，以碳化及热转型直接获取碱式碳酸镁，解决了传统设备热解重镁水消耗大量蒸汽热能问题。本设计利用碳化放热过程，热转型温度低，设备操作简单可靠，成本低竞争力强，在消化工业副产氢氧化镁和二氧化碳同时过滤热水全部返回配料系统，热水热能被保留且实现废水零排放。副产物信息如表2-2所示：表2-2碱式碳酸镁规格名称分子式主含量%产品级别粒度参考价格/元碱式碳酸镁4MgCO3Mg(OH)25H2O45%工业级4005100第三章清洁生产技术创新3.1三废处理情况镁法脱硫的工艺本身就具有环保清洁的特点，本项目采用先进的工艺技术，生产过程中只产生极少的废液及废固，并且所有的废水、废固均采取了可行的处理方法进行处理，处理后的废水、废气可以达到国家标准规定的排放指标，本项目符合清洁生产的要求。表2-3三废处理一览表有害物质名称及来源含量治理工艺去向排放标准(mg/L)排放浓度（t/h）含硫酸根、亚硫酸根的喷淋液0.11%两废液混合，调pH直接排放pH:6.58.50.350.4碳酸镁生产工段碱性滤液碳酸镁3.9%氢氧化镁9.6 10-2%生活废水：有机污染物、无机污染物、病原体COD 400800mg/L送去污水厂处理GOD 100400mg/LNH3 50100mg/LSS 100400mg/L水洗除尘后，脱出的烟气中的颗粒物65%（含水量35%）无机惰性固体颗粒产量低，危害小，无须治理填埋处理0.0277生活垃圾垃圾杂物送至垃圾处理站处理0.005 0.006第四章 设备创新（反应塔器）4.1水化反应器（R-0101）本设计水化反应器采用高效三相水化反应器，气液固三相反应体系中存在一种新的反应机制，即：剥落机制，水化发生在氧化镁表面和孔隙中，之后经历了水蒸汽“微爆”冲击、氢氧化镁从氧化镁表面剥落、裸露的新鲜氧化镁再次水化。由于剥落机制的存在导致气液固三相体系水化率明显高于液固体系水化率。 应用该反应器制备的氢氧化镁浆液的浓度高达20%，水化率高达92%以上，水化时间仅需27min即可达到反应要求。基于釜式反应器的原理，操作条件灵活。设计使用无分布板的旋流式喷嘴，气体通过六個方向上倾斜10的喷嘴喷出，托起颗粒，使颗粒激烈搅动。中部的二次空气喷嘴均偏离径向2025，造成了向上旋的气流，起到剥离水化层的作用，促进反应的进行。对比传统的两相法，此方法大大地缩短了水化所需的时间、有效地提高了水化程度，给设计带来了更好的效益。其结构如图所示：图4-1水化反应器结构图4.2碱式碳酸镁合成工段设备创新本实用新型提供的氢氧化镁生产碱式碳酸镁的设备，以碳化及热转型直接获取碱式碳酸镁，解决了传统设备热解重镁水消耗大量蒸汽热能问题。其特征在于氢氧化镁在化料器中化料，在调浆器中调浆，经碳化塔碳化成不同晶型的碳酸镁料浆，再经热转型器进行热转化，利用碳酸镁不稳定分解释放二氧化碳气体和解析变成氢氧化镁而转变成碱式碳酸镁的特性，经固液分离器分离出碱式碳酸镁滤饼,经干燥器与粉碎包装机获得成品。其利用碳化放热过程,热转型温度低,设备操作简单可靠，成本低竞争力强。在消化工业副产氢氧化镁和同时，过滤热水全部返回配料系统,热水热能被保留且实现废水零排放。图4-2碱式碳酸镁合成工段第五章 分离设备创新5.1三效蒸发器（V0201-V0203）本设计采用平流加料三效蒸发器。三效蒸发反应器物料受热时间短、蒸发速度快、浓缩比重达，能有效保持原料的物性，并且节能效果显著，比单效蒸发器节约蒸发量约蒸发量的70%左右，同时该设备还社优独特的除沫装置，防止跑料现象的发生。当多效蒸发器的各效都有晶体析出时，晶体在效与效之间的输送会发生困难，这时可采用平流操作流程，原料液分别输入各效，完成液也分别自各效放出，溶液不在效间流动。三效蒸发工艺流程图见图5-1。图5-1硫酸镁纯化分离工段第六章 过程节能降耗技术创新6.1换热网络节能本设计使用了夹点分析和热集成节能技术，运用了Aspen Energy Analyzer V9.0软件，通过该软件实现了较大能量回用的换热网络设计。使厂区内的冷热物流在合理范围内进行主动换热，从而达到节省能量的目的。这项改进与不采用热集成技术直接用公用工程进行换热的换热网络相比，能量回收率（节能率）达到38.66%。如图6-1所示。图6-1 Aspen Energy Analyzer模拟后结果6.2综合考虑经济性和操作弹性的换