创新性说明书

辽宁新城热电100MW锅炉烟气镁法脱硫项目创新性说明目 录第一章 清洁生产技术创新41.1 深度脱硫技术41.2 脱除硫的资源化利用技术51.3 碳排放减少51.4 硫废水零排放处理6第二章 反应技术及分离技术创新72.1 高效反应新工艺72.2 反应分离集成技术82.2.1 水夹点技术优化8第三章 过程节能技术创新143.1 换热网络集成优化143.2 利用相变潜热的多效蒸发技术17第四章 新型过程设备应用技术创新204.1 反应器结构创新204.2 分离设备结构创新244.2.1 填料材质创新244.2.2 塔内装置创新264.2.3 塔内防腐创新264.3 输送设备结构创新274.3.1 变频渣浆泵274.3.2 脱硫管道旋流防堵装置294.4 换热设备结构创新30第一章 清洁生产技术创新1.1 深度脱硫技术采用氧化镁法脱硫技术，传统氧化镁法脱硫工业流程中脱硫塔多设置为空塔喷淋或板式塔，存在着气液传质接触不充分的缺点。改进后的氧化镁新型脱硫技术在脱硫吸收塔方面选择填料吸收塔，并选取了高效的PP材质的252Y高效填料。通过ASPEN模拟的优化。得到如表1-1数据。表1-1 Aspen优化前后对比项目新鲜进料量kg/h循环浆液量m3/h液气比l/m3优化前110001426.7752.31优化后91001294.9592.10由表1-1可知，优化后的氧化镁脱硫新工艺补充的新鲜进料量减少，液气比降低至2.1L/m3后。进出口烟气对比数据如下表1-2所示。表1-2 进出口烟气数据对比项目烟气量m3出口硫含量mg/m3进口烟气数据6157182538.53出口烟气数据597108.52122.92出口烟气中SO2含量为22.92mg/m3，低于最新排放标准文件煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020）中规定的35 mg/m3的排放限制，达到深度脱硫效果。且由表1-2可以得到改进后的氧化镁脱硫技术脱硫率达99.09%，年减排SO2量可达8921t。1.2 脱除硫的资源化利用技术在本项目采用的改进后的氧化镁脱硫工艺中，从填料脱硫吸收塔吸收的二氧化硫与氢氧化镁浆液反应生成亚硫酸镁，随后亚硫酸镁在塔外搅拌反应釜经过强制氧化为硫酸镁，硫酸镁溶液蒸发浓缩，随后经冷却结晶、重结晶工序制取高纯度的七水硫酸镁晶体。七水硫酸镁制取工段流程模拟图见图1-1。图1-1 七水硫酸镁制取工段流程模拟经重结晶系统生产的高品质的七水硫酸镁晶体可达2万吨/年的产量。将烟气中SO2大部分转化为了有经济效益的七水硫酸镁晶体产品。本项目应用的电厂位于辽宁盘锦盘山县的高升经济区内，高升经济区是以农业为主打的全国示范农业经济区，本脱硫项目产生七水硫酸镁晶体作为制作化肥的重要原料，在辽宁盘锦盘山县有着良好的销售市场，极大地降低了本脱硫项目的运行成本。1.3 碳排放减少 七水硫酸镁制取工段七水硫酸镁制取工段中的蒸发系统本项目将传统氧化镁法的单效蒸发改造为三效蒸发系统，改造前后数据对比见表1-3，可见改造后可以达到每年减排CO28285t，产生了良好的环境效益。表1-3 单效与三效蒸发数据对比外界输入热负荷 MW热公用工程加热介质加热介质用量t/hCO2排放量t/h年投资 RMB单效蒸发6.73MPS11.901.5979 2589702三效蒸发2.95MPS5.220.69801135697节省百分数%56.16656.13456.31856.1461.4 硫废水零排放处理本项目运行中会产生一定量的脱硫废水，废水中含有多种污染物，排放前必须进行处理。脱硫废水的处理方法有很多种，利用最广泛的是物理化学处理方法，但该方法工艺复杂，运行成本高且无法取出氯离子。而烟道处理技术可采用雾化喷嘴，将本项目脱硫废水进行雾化，喷入电除尘之前的管道内，利用烟道内高温气体将雾中水蒸干，形成细小固体颗粒，结晶随烟气烟尘进入电除尘被电极捕捉，进入除尘器灰斗随灰外排，达到脱硫废水零排放的目的。但该方法由于液体蒸干产生的固体结晶颗粒附着在烟道内壁对烟道腐蚀严重，故本项目采用专利燃煤电厂脱硫废水烟道喷雾蒸发零排放处理装置及方法（CN 106167283 A），利用燃煤电厂烟气对脱硫废水进行快速蒸发。将135烟气、280烟气及贴壁烟气一定比例组合在一起快速蒸发经脱硫废水雾化组件雾化的脱硫废水射流，使脱硫废水的盐结晶析出，产生的结晶颗粒潮湿表面完全干燥，形成脱硫废水烟道喷雾蒸发零排放处理系统，大大降低了该工艺中脱硫废水对下游设备及管道的腐蚀风险，消除了结晶盐对烟道及下游设备玷污“挂壁”、“挂柱”而堵塞烟道的风险，同时该方法可使脱硫废水中的氯化物，将Hg0氧化，使Hg2+在烟气冷却过程中和颗粒物发生吸附凝并，在流经静电除尘过程中协同脱除，真正实现了燃煤电厂“零排放”及协同脱除烟气中的Hg0。具体装置图见图1-2、1-3。第二章 反应技术及分离技术创新2.1 高效反应新工艺七水硫酸镁重结晶罐采用DTB型结晶器，特点是性能优良，生产强度大，能生产大粒结晶产品，器内不易结晶疤，已成为连续结晶器的最主要形式之一。结晶器内有一中心导流筒和外导流筒，在其下端装有特殊制造的循环泵，悬浮液在中心导流筒和外导流筒之间的环形通道内循环流动，形成良好的混合条件。外导流筒将结晶器分为晶体成长区与澄清区。外导流筒与器壁间的环隙为澄清区，此区内搅拌的作用已基本消除，使晶体得以从母液中沉降分离，只有过量的细晶才会随母液继续循环，从而实现对晶核数量的控制。重结晶罐结构设计见图1。图2-1 重结晶罐结构设计图罐体直径为1800mm，总体高度8700mm，采用SAF2205复合板制造，基层8mm的Q235-B材料，复层2mm的SAF2205双相不锈钢材料，既保证了耐腐蚀性，又保证了设备的强度和刚度要求，同时兼顾了经济性。在生产出的七水硫酸镁含量98%98.3%，经过重结晶后质量达到99.5%以上，证明重结晶工艺和重结晶罐的设计手机号成功的，达到了设计要求，生产工艺稳定。（1） 硫酸镁重结晶采用三级真空闪发降温，逐级转排料增大了七水硫酸镁粒度，为脱水和干燥提供了较好的条件。同时节约了能源，提高了生产的经济性。（2） 经半年使用检查，设备未出现任何腐蚀情况，特别是焊缝光亮无颜色变化，证明设备选材是合适的。（3） 设备结构设计合理，强度和刚度均满足生产要求。（4） 特殊制造的循环泵结构合理，密封性好，流量和扬程满足工艺要求。2.2 反应分离集成技术2.2.1 水夹点技术优化一般来说，从一个用水单元出来的废水如果在浓度、腐蚀性方面满足另一个单元的进口要求，则可为其所用，从而达到节约新鲜水的目的。这种废水的重复利用是节水工作的主要着眼点。化工生产除了耗能外，还是一个大量耗水的过程。本着节能减排的生产原则，降低水资源的消耗是工艺设计过程中的重点之一。本项目为辽宁新城热电100MW锅炉烟气镁法脱硫项目，生产中耗水量较大，因此我们选用Water Design软件对本流程进行水网络优化。考虑如图1所示的用水单元。该单元中，物料通过与水接触到达净化的目的。这个过程可以用图2所示的负荷-浓度图来表示，浓度最高的为物料线，较低的为供水线。供水线斜率越大，流量越小。由图可以看出，位于物料线下发的供水线均可满足要求。但是，为了确定别的单元来的废水能被本单元再利用的可能性，需要指定本单元最大进口浓度。同时，为了确定所需水的最小流率，需要指定本单元最大出口浓度。这样就得到了该单元用水的极限曲线。图中，C表示污染物浓度；角标M表示物料，W表示水，IN表示进口，OUT表示出口，MAX表示最大。图2-2 极限曲线将工艺用水和公用工程用水的流股信息输入到Water Design中，为了方便计算和更直观的表现优化结果，将用水流股简化为单杂质流体。根据本工艺情况，选取Mg2+为杂质，则流股信息如图3所示：图2-3 用水流股信息具体用水情况如下表1所示：表2-1 工艺流程用水情况 生产时间h每小时单耗水量 t/h总量wt/a占生产用水量比值%车间用水72008.09958312.827.47公用工程用水720019.967143762.467.73废液处理用水72001.4100804.75罐区用水72000.014100.80.05总计212256100水夹点技术是水网络集成技术的一个分支，用各操作单元的用水的负荷对浓度参数作图，得到负荷浓度关系图。用水系统的极限复合曲线与最小供水线的交点就是的水的“夹点”。在夹点的上方，该操作单元的用水的极限进口浓度高于夹点浓度，要通过处理后利用，不能使用新鲜水，通过其他操作单元的处理用水来补充；在水夹点下方，该操作单元的极限出口浓度低于夹点浓度，不应排放废水，应将提高它的重复利用价值。这就是用水的“夹点技术”。在实施所设计出的最大水复用率的用水网络时，要对某些作为中间用水过程 出口水流中的部分非关键组分进行水处理，使它们的浓度达到匹配的用水单元进 口浓度要求。最小供水线斜率的倒数就是系统的最小新鲜水用量。由用水系统夹 点分析图可知夹点位置处最小用水量为 901.15t/h，新鲜水浓度为 35.00 ppm，平均输出水浓度 62.06ppm。用水网络浓度间隔如图所示，用水组合曲线和最佳供水量如图所示： 图2-4 用水组合曲线图2-5 最佳供水量从系统某一单元操作中产生的废水或多个单元操作产生废水的总汇，经过全部再生和部分再生后，在对其它单元无不利影响条件下，作为该单元操作的水源，从而大幅度减少新鲜水的需求和废水处理量。废水的再生再利用中，夹点处再生可实现新鲜水用量和废水处理量最小，此时最小新鲜用水量为 901.15t/h。其初步用水网络和优化后用水网络分别如图所示：图2-6 初步用水网图2-7 优化后用水网络根据上述用水网络设计，优化前和优化后对比如下表所示：表2-2 优化前后用水量对比新鲜用水量(te/hr)充复利用率%优化前全部新鲜水1761.6651.15优化后再生重复利用901.15综上所述，通过设计水集成网络，可以最大限度降低水资源的消耗第三章 过程节能技术创新3.1 换热网络集成优化通过Aspen Energy AnalyzerV9.0进行计算机辅助换热网络的设计和优化。对于换热网络的优化我们有以下创新和特色：调整冷热公用工程和删除不合理的换热器。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。 根据以上目标，构建与优化换热网络如下： （1） 根据撕裂流股的要求自动生成流股匹配方案，对方案进行筛选。Aspen 程序按照总花费系数排序，其中包含了操作费用和设备费用，过大换热面积的换热器会导致总操作费用提高， 因此在 Aspen energy analyzer 中自身就考虑了夹点温度与节能综合经济效率，确保了能耗成本和装置成本的关系。以总花费为基础，选取一个适当的换热网络，以本工艺换热网络为例，如下图所示：图3-1 未优化前换热网络该换热网络的换热器数目为11台，按照最小换热器台数原则，还可以撤去若干台换热器。（2）换热网络的修改 在 Aspen energy analyzer 中本身含有编辑换热网络的功能，通过删除不必要的换热器。例如：R0102_heat_Exchanger 和R0401_heat_Exchanger是反应器的热量传递，一般不需要通过添加换热器来实现换热，而是由反应器的换热管或者夹套来实现换热，所以删除这两个换热器。删除不必要的撕裂流股，包括工艺物流和公用工程物流的流股。 删去较小的换热器，例如对于E0401的作用是给搅拌反应釜进口的氧气加热，由于换热面积过小（不到2m2），采用加热炉加热氧气来代替E0401，能够达到同样的效果且经济上更合理。 将公用工程流股调整为全并联模式，与实际公用工程情况相匹配 。用20冷却水代替30常压空气作为冷却介质，能有效减少换热面积，降低装置成本。（3）根据最终修改结果，得出换热网络结果图如下。图3-2 优化后换热网络优化后的换热网络所需换热器数目为 4 台，包含 2 个流股热量回收利用的换热器， 数目减少且结构更为精简。（4）换热网络节能综合经济效益分析根据上述换热网络，获得最终公用工程用量和节省公用工程率。表3-3 优化后公用工程消耗值UtilityCost Index(Cost/s)Load(KJ/h)%of TargetCooling Water4.700e-0057.964e+00516.02MP stream1.271e-0022.079e+00783.28（代表冷物流，代表热物流）表3-4 冷、热公用工程用量优化前后对比Heating（KW）Cooling(KW)Number of Units匹配前72251838.311匹配后693613817节能/%424.88总节能/%8.23表3-5 冷、热公用工程费用优化前后对比Heating(Cost/s)Cooling(Cost/s)Operating(Cost/s)Capital(Cost/s)Total Cost(Cost/s)匹配前1.468e-0027.569e-0051.468e-0022.173e+0063.687e-002匹配后1.271e-0024.700e-0051.275e-0029.355e+0052.231e-002节省/%13.4237.9013.1556.9539.49从上表计算可知，年节约公用工程量为39.49%，年公用工程投资约200万元，粗略计算可知，年节约公用工程投资78.98万元。根据上述换热网络，可以获得所需换热器面积，并与直接与公用工程换热的进行比较,由于并没有过大的换热器，换热器价格按线性处理，已知使用换热网络后换热器投资为1108.0429万元。经过优化后，节能0.7459MW。共需要冷公用工程0.289MW，热公用工程0.4569MW。所使用的冷公用工程为：20冷却水；所使用的热公用工程为：0.9MPa、175的蒸汽。公用工程均可由化工园区提供。表3-6 换热面积比较及价格比较优化前换热器面积/m2优化后换热器面积/m2增加面积率/%优化前换热器成本/万元优化后换热器成本/万元换热器成本增加量/万元总流程116711194.111108.04291062.5023-24.197根据上述两个计算可知，仅需一次性额外投资1108.0429万元可年节约投资609.2万元，证明该换热网络在技术经济上可行。3.2 利用相变潜热的多效蒸发技术在七水硫酸镁制取工段考虑到单效蒸发提浓硫酸镁溶液耗能太多，传统的单效蒸发模式已经不适应新形势下节能减排的要求，故在对比单效蒸发与三效蒸发的基础上选择了三效蒸发的方式。ASPEN V8.8中单效蒸发、三效蒸发模拟示意图如下图3-3、图3-4。采用三效蒸发的方式与传统单效蒸发蒸发方式二者相关数据对比如表3-7图3-3 单效蒸发流程模拟示意图图3-4 三效蒸发流程模拟示意图表3-7 单效与三效蒸发数据对比外界输入热负荷 MW热公用工程加热介质加热介质用量t/hCO2排放量t/h年投资 RMB单效蒸发6.73MPS11.901.5979 2589702三效蒸发2.95MPS5.220.69801135697节省百分数%56.16656.13456.31856.146注：MPS为Medium Pressure Stream，进口温度175，出口174。由表3-7可知，三效蒸发相比单效蒸发外界输入热负荷减少了56.166%，CO2排放量减少了56.166%，能量得到多级利用，具有显著的节能减排效果。第四章 新型过程设备应用技术创新4.1 反应器结构创新反应器总体结构如下图4-1所示图4-1 反应器总体结构图（1） 产品出料口的设置在反应釜壁连接有清液过滤及溢流管道，当釜内硫酸镁浓度达到规定浓度时通过溢流管道进行外派, 将反应釜底部出料口设置为杂质出料口。反应釜通过沉降方式自行清除脱硫副产品中的杂质，减少絮凝剂的投入，反应釜下设的杂质出料口定期对反应釜沉降的杂质进行清理。相较于传统由下部排出产品物料的设置，这种改进后的产品与杂质出口设置解决了传统亚硫酸镁氧化产生硫酸镁纯度不高、清除杂质困难的缺点，极大地提升了产品硫酸镁的纯度。产品出料口、杂质出料口相关位置如图4-2中标注。产品出料口杂质出料口图4-2 产品、杂质出料口位置标注图（2） 气体再分布装置在反应釜底设置气体再分布装置。可以有效地将空气均匀分布，而且增大了氧气与浆液接触面积， 提高了氧气的传质效率。管式气体分布器如图4-3所示。图4-3 管式气体分布器示意图选用乌克兰ECOPOLYMER科技生产公司生产的ECOPOLYMER管式曝气器，其具有抗腐蚀性超强、具有良好的化学稳定性，耐酸碱，机械强度高，抗冲击能力强。其与刚玉盘式曝气器、橡胶膜盘式曝气器性能对比如下表4-1表4-1 气体分布器性能对比图结构形式材料规格/mm水深/m单位通气量氧利用率（%）气泡直径/mm单位服务面积阻力损失/Pa盘式橡胶膜215423m3/个h21.7-23.520.50m2/个38004700盘式陶瓷（刚玉）4-523m3/个h20.028.620.300.60m2/个38404050管式聚乙烯1204525m3/mh22.028.02.8-3.13.0m2/个15002500绘制后的CAD示意图如图4-4。图4-4 气体分布器CAD示意图其设置在搅拌器的下方，搅拌装置为立式搅拌器，搅拌器可以把曝气中的大气泡打散，通过机械力进一步提高浆液中的含氧量，亚硫酸镁的密度大于水，加入到反应釜后 会由于重力作用迅速沉淀到反应釜底部，该搅拌器可以将浆液充分搅动起来，避免硫 酸镁直接沉淀外排，造成原料的浪费。（3）搅拌装置与曝气装置的结合曝气装置设置在搅拌器的下方，搅拌器可以把曝气中的大气泡打散，通过机械力进一步提高浆液中的含氧量。有关研究表明搅拌装置与曝气装置的结合使用使得测出的亚硫酸镁氧化的表观活化能由7.46KJ/mol降至2.02KJ/mol。4.2 分离设备结构创新4.2.1 填料材质创新本工艺流程设计脱硫塔为填料吸收塔，填料材质采用最新型的PP252Y型规整填料，与传统的250Y型规整填料相比具有压降小、处理能力大和传质效率高的优点。两中填料材质各项性能对比如图4-5、4-6、4-7。图4-5 压降比较（空气/水）图4-6 处理能力比较（空气/水）图4-7 传质效率比较（甲醇/水）4.2.2 塔内装置创新 在烟气脱硫塔中，我们设置了氧化喷枪及搅拌器（引用专利CN 201889160 U-一种设有氧化喷枪及搅拌器的脱硫塔），采用这种新技术，不仅可以加快脱硫塔内亚硫酸镁转化为硫酸镁的转化速度，同时由于搅拌器的不断搅动可以减少塔体内部的结构量。这种改进具有结构简单，效果显著的特点。氧化喷枪及搅拌器结构如图4-8 。图4-8 氧化喷枪及搅拌器结构图4.2.3 塔内防腐创新传统脱硫吸收塔采用碳钢材料，防腐层制作粗糙，由于烟气中夹带固体颗粒物高速通过以及含有腐蚀性物质，年久造成塔设备内壁磨损腐蚀严重，从而导致脱硫塔不能正常运行。本项目采用玻璃鳞片胶泥涂料进行防腐，该涂料耐腐蚀，抗渗性好，涂膜收缩率低，耐磨损，施工简便，易于修补，从而较好的解决了脱硫吸收塔的腐蚀问题。图4-9 玻璃鳞片胶泥涂料4.3 输送设备结构创新4.3.1 变频渣浆泵节能降耗是当前社会发展的趋势，但目前应用于流体输送工业中的泵设备都是通过调节出口挡板、阀门开度来控制流量，其输出功率大都消耗在挡板、阀门的截流过程中。另外，由于在通常的设计中为了满足峰值需求，泵的选型裕量往往过大，造成了不应有的浪费。 而变频泵是通过改变转速来调整泵的特性曲线，从而使泵达到新的工作点达到改变流量的目的。为了解决“大马拉小车”的现象，本项目在设计过程中使用变频调速器来改变渣浆泵的转速来调整流量，这将大大节约电能，达到节能减排的目的。4.3.1.1 渣浆泵的问题及解决方案运行中的渣浆泵处于恒速运转状态，操作人员通过调节泵出口阀门和进料回流阀门来调节进料压力和进料流量，即通过人为增加阻力的方式达到调节压力的目的。这种节流调节方法使大量的电能消耗在阀门的截流过程中。最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量。为减少渣浆泵的电耗，降低生产成本，故本厂采用变频渣浆泵进行输送浆液。变频技术是通过控制渣浆泵电动机工作频率来改变电动机转速，从而达到稳定渣浆泵出口压力及流量的作用。由于水泵类为平稳转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当泵转速下降时，电耗也大大下降，节能效果非常显著。本项目选择三菱公司FR-F700系列变频器，基本参数如下表所示。表4-1 变频调速器基本参数型号FR-F700系列额定电压/V三相AC380-400电机功率/kW7.5直流电源性质电流型控制方式V/F闭环输出电压调节方式PAM控制供电电压低压4.3.1.2 渣浆泵变频控制系统控制原理根据工艺需要设定渣浆泵出口控制压力为P1，现场实际测定压力为 P2，两者的偏差 P经变频器动机转速，从而控制渣浆泵出口的压力。在恒压供料变频控制系统中，为了保持恒压，一般采用负反馈方式进行控制，即将管道上安装的压力信号传感器反馈到变频器，与目标设定值进行比较，如果反馈信号小于目标信号，则控制变频器提高频率;若反馈信号大于目标设定信号，则控制变频器进行降频运行，直到反馈值和目标值相等或基本相等，这样就能保持在一个相对恒定的频率运行，实现恒压运行。渣浆泵变频自动控制系统反馈方框图见图4-1。图4-9 渣浆泵变频自动控制系统反馈方框图4.3.2 脱硫管道旋流防堵装置 浆液制备系统与烟气吸收系统中，由于氧化镁质量问题，故浆液中存在大量 SiO2、CaO等杂质。在浆液输送过程中，极易造成管路变径处及弯头部分造成堵塞。而在烟气吸收系统的排液及氧化过程中，物料输送和污水处理系