word20131-设计文档集0-项目摘要

项目摘要100万立方米/日含硫废气深度脱硫及绿色甲醇合成项目队员：钱绮明 谢犨纬 梁炜 李兴涛 莫春玲指导老师：何畅 杨祖金中山大学Sky团队 100万立方米/日含硫废气深度脱硫及绿色甲醇合成项目项目摘要目录1. 项目简介12. 废气源及资源化利用产品确定13. Selexol吸收工艺24. 绿色合成甲醇工艺35. 克劳斯与SCOT工艺的耦合46. 清洁生产47. 热集成与节能技术57.1 换热网络优化57.2 内部热耦合塔77.3液力透平泵88. 技术创新98.1 膜分离技术98.2 高效催化剂应用109. 设备应用技术109.1 折流杆换热器109.2 新型塔板1110. 自动控制系统1211. 厂区选择与厂址布置1312. 安全环境分析1313. 经济分析1415中山大学Sky团队1. 项目简介本项目采用美国UOP公司开发的技术Selexol吸收工艺，对来自重庆涪陵地区高硫页岩气中100万立方米/日的含硫废气进行深度脱硫脱碳处理，处理指标按照强制性国家标准GB17820-2012天然气中一类气标准执行，资源化利用产品为年产4万吨的硫磺和20万吨的甲醇。本团队在工艺设计中，兼顾技术创新和清洁生产，思路明确，亮点突出，主要体现在以下几个方面：2. 废气源及资源化利用产品确定 本项目废气源选定来自重庆涪陵地区高硫页岩气，对其中100万立方米/日的含硫废气进行深度脱硫脱碳处理。另外，脱除出来的H2S和CO2气体进行资源化利用，形成以天然气为主产品，副产硫磺、绿色甲醇的产品体系：图2 产品方案结构 图1 页岩气组成 表1 项目产品方案及规格表序号产品规格处理量/产量备注1天然气一类气1500万立方米/日主产品2硫磺99.70%4万吨副产品3甲醇99.03%20万吨副产品3. Selexol吸收工艺本项目经过产品选择和工艺方案论证，采用美国UOP公司开发的技术Selexol吸收工艺，Selexol可以脱除H2S、CO2、COS和硫醇，用于天然气、煤气化制合成气、蒸足转化合成气和炼厂气的净化，并且其排出的酸性气体可以满足Claus硫回收装置进料的浓度要求（一般要求含H2S 25%35%）, 同时Selexol具有脱水能力，可以满足汽管道煤气的露点要求。吸收工段工艺流程简单框图如图3所示：图3 吸收工段工艺流程框图采用该溶剂的装置投资较省，运行费用也低，因为一般采用多段闪蒸的办法即可将溶剂再生，因此又特别适用于加压的煤气化流程；由于溶选的蒸汽压很低，所以溶剂的损失很小，主要是机械损失；溶剂本身无腐蚀、无毒、不起泡，是一种理想的酸性气体吸收剂。4. 绿色合成甲醇工艺工业上合成甲醇常用的原料组成为CO和H2，俗称合成气，在本项目中，我们利用从高硫页岩气中脱除下来的中压、低压二氧化碳，与来自原厂的氢气作为混合原料气合成甲醇，实现了CO2的资源化利用的同时显著的减少了碳排放，是一条绿色环保的合成路线，另一方面，从经济性方面分析可知，以废气为原料生产化工原料甲醇，经济性十分可观。该工艺流程简单框图如图4所示：图4 绿色甲醇合成工艺流程框图在Aspen Plus中用动力学反应器在210，50bar，Cu/ZnO/Al2O3催化剂的反应条件下得到CO2的单程转化率约为33.3%，与文献数据相符。反应在固定床管式反应器中进行，反应后的混合物经过精馏提纯的过程后可获得年产20万吨的99.5%甲醇产品。5. 克劳斯与SCOT工艺的耦合本项目采用克劳斯工艺，利用从高硫页岩气中脱除出的H2S气体生产硫磺，年产量为4万吨。常规克劳斯工艺是目前炼厂气、天然气加工副产酸性气体及其他含H2S气体回收硫的主要方法，特点是流程简单、设备少、占地面积小、投资省、回收硫磺纯度高。本工艺采用两级催化转化的常规克劳斯工艺，为了提高硫的回收率，采用SCOT工艺与克劳斯工艺联用的方法，将克劳斯装置产生的尾气通入SCOT装置，先后经过加氢还原、吸收、解吸过程，最终以H2S的形式返回原装置制硫磺，总硫回收率达到99.99%。SCOT装置采用与主吸收工段一样的selexol吸收剂，与采用MEA吸收剂相比，系统的统一性、经济性更强。该工段的工艺流程简单框图如图5所示：图5 克劳斯&SCOT工艺流程框图6. 清洁生产本项目为高硫页岩气“分布-集中”处理脱酸及资源化利用合成绿色甲醇的清洁生产工艺，主要体现在以下几点：7. 热集成与节能技术7.1 换热网络优化为了充分利用能量，本项目通过使用Aspen Energy Analyzer软件，根据夹点设计方法，结合实际工艺情况，进行流股匹配，设计出了一种最优的冷热流股匹配方案。同时将优化后的换热网络返回流程模拟和PID图纸，对比分析得出最优。考虑到实际换热的可能性，全厂换热网络优化分吸收车间、制硫磺车间和甲醇车间分开进行。各工段换热网络的匹配方案如图6、7所示，节能效果如图8所示。图6 吸收车间优化后换热网络（Tmin=7）图7 制硫磺车间最优化换热网络（Tmin=14）19.6%35.5% 图8 优化前后用量对比（MW）综上，进行换热网络优化之后，热公用工程可节能142.0MW，能量回收率达到19.61%；冷公用工程可节能313.0MW，能量回收率达到35.53%，实现了较大能量的回收。7.2 内部热耦合塔将热量从精馏段传到提馏段来实现节能是精馏过程节能的一种有效方法，即二次回流和蒸发(SRV)。内部热耦合精馏塔 (HIDIC)的热耦合机理仍是SRV方法，但去掉了再沸器和冷凝器，具有较大的节能潜力。下图是HIDIC的示意图.图9 HIDIC示意图精馏段和提馏段被分为两个塔，热耦合通过两段之间的热交换器来实现。为了提供传热必须的推动力，精馏段将在较高的压强下进行操作。为了调整压强，两段之间安装了压缩机和调节阀。由于内部热耦合，使精馏段产生向下的液相流，提馏段产生向上的蒸汽流，从而可以去掉常规的再沸器和冷凝器，达到节能目的。用Aspen对常规精馏塔和热耦合塔分别进行模拟，然后对两种类型精馏塔用能进行对比分析，结果显示，在能耗方面，采用内部热耦合塔能实现节能72.5%。7.3液力透平泵本项目吸收工段脱硫化氢吸收塔在高压下操作，而气提塔则在常压下操作，因此，需要用溶液循环泵（贫液泵）将气提塔塔底来的贫液加压至高压后进入吸收塔，故而泵的扬程很高，功率很大，需要选用高压电动机驱动。另一方面，离开吸收塔塔底的高压富液通常流经液位调节阀节流至较低压力后进入闪蒸罐。这样，就造成了高压富液压力能的浪费。如将高压富液通过透平装置进行回收，那么，配套电机的功率就可以降低很多。采用透平泵利用系统中稳定的压力能通过液力透平叶轮转换为机械能，再由透平泵主轴将能量传递到电机上，带动溶液循环泵，实现系统余能的回收降低系统电耗，对企业节能降耗有着现实的意义。本项目来自硫化氢吸收塔的高压富液（5.4MPa，流量（450m3/h550m3/h）进入“带透平机组的贫液泵”的透平壳体内冲击透平叶轮高速旋转，将脱硫化氢富液能量转化成泵轴的旋转机械能，驱动脱硫化氢贫液泵叶轮（不足动力有电机补偿），水泵叶轮把来自气提塔的低压贫液（0.1MPa）增压后（5.4MPa）泵入脱碳吸收塔。图10 工艺流程图8. 技术创新8.1 膜分离技术膜分离技术是利用特殊制造的、具有选择透过性的薄膜，在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种新型分离方法。本工艺采用的是中空纤维膜分离器，与其他膜分离器相比，它具有以下优点： 耐压性能好；膜为自支撑结构，无需加支撑体，可大大简化组装成膜组件的复杂性，而且膜组件可做成任意大小和形状；中空纤维膜组件有很高的装填密度，它可以提供很大的比表面积，据 Mastson等报道，中空纤维膜组件比表面积可达到 8000m2/g。与列管式换热器类似，中空纤维膜分离器的丝内侧简称管程，丝外侧简称壳程。按气体流道和流动方向来划分，中空纤维膜分离器有以下 3 种操作模式：1) 原料气走丝外，原料气与渗透气流动方向相反，属逆流流形。2) 原料气走丝外，原料气与渗透气流动方向垂直，属错流流形。3) 原料气走丝内，原料气与渗透气流动方向相反，属逆流流形。在所有的流型中，逆流流型分离效果最理想。实际应用中，大多采用原料气走丝外的操作模式，因为循环气压力通常较高。所以，我们选择逆流流型以及原料气走丝外的操作模式。8.2 绿色催化剂应用在绿色甲醇合成工段，通过采用绿色的Cu/ZnO/Al2O3催化剂，实现了从CO2到甲醇的绿色转化，与工业上常用的煤制甲醇、天然气制甲醇工艺相比，以CO2为主要原料合成甲醇，实现了碳排放的明显减少，这对遍布全球的温室效应提供了一个新的解决思路。在本工艺流程中，反应器出口处未反应的原料气循环回反应器，循环比为0.538，最终模拟结果显示CO2全程转化率为99.4%。9. 设备应用技术9.1 折流杆换热器折流板常用于管壳式换热器，可以起到提高传热效果、支撑管束的作用。但是传统的折流板换热器存在着影响传热的死区、流体阻力大、易发生换热管振动与破坏等缺点，我们对此进行设计整改。查阅文献知道折流杆换热器可以解决传统折流板换热器中换热管的切割破坏和流体诱导振动等问题，并且强化传热提高传热效率。折流板换热器的最主要特点是采用了折流板网络结构作为热交换的载体，这也是与传统换热器最主要的区别，设计的关键也是在于折流板网络的构造设计。本换热器采用新型的管束支承结构-折流杆支承结构，该支承结构由折流圈和焊在折流圈上的支承杆（杆有水平、垂直）所组成。折流圈由板材加工而成，支承杆由圆钢制成，结构如图11所示。图11 折流杆结构示意图9.2 新型塔板在精馏塔中采用新型高效3D圆阀塔板（专利：浮阀鼓泡器，专利号ZL01265985.1），将3D圆阀周边设计成锯齿状的下凹导流片结构，使气液接触周长比同样开孔面积的F1浮阀周长增加为了减少阀顶的传质死区，3D 圆阀中央向下开出3个鼓泡口，鼓泡口连着下凹的导向片，结构如图12所示。图12 圆阀塔板结构示意图特点：（1）圆阀周边的下凹导流片和圆阀顶端开设的下凹导向片使上升的气流从多个方位进入液层，形成了一个分层次多方位的鼓泡立体传质模型，使鼓泡均匀细化，传质更加充分，提高了传质效率；（2）减弱了低负荷下部分浮阀关闭所引起的脉动现象，降低了总板压降；（3）阀孔的特殊设计使3D圆阀克服了F1型浮阀在阀孔中旋转、导致浮阀易磨损和脱落且不稳定的缺点等；（4）在塔板的弓形区域合适的方向布置该阀，通过阀的顺流导向，可以减弱或消除塔盘弓形区域的涡流和滞流死区；（5）阀顶导向片和周边区域的导流片的低位设计，使从阀顶鼓泡口和周边导流片的缝隙斜向鼓出的气泡通过板上液层的距离加大，气液两相接触时间增长，从而气液两相传质更加充分，也减少了雾沫夹带。因此，在此处采用新型高效3D圆阀塔板能极大地提高传质效率，加强塔的分离能力。10. 自动控制系统为了保证正常工况下系统连续、平稳的生产和非正常工况下系统具有足够的应变能力，我们为项目设计了控制系统：图13 控制系统我们使用了集散控制系统DCS。以微处理机为核心，综合了控制、计算机、通讯三大技术，是一种组件化、积木化、数模结合的自动化技术工具。一般由现场控制站、操作站、通讯总线三大部分组成。各个部分均采用微处理机，都具有记忆、逻辑、判断和数据运算等功能。DCS以分散的控制适应分散的控制对象，以集中的监视、操作和管理来达到掌管全局的目的。11. 厂区选择与厂址布置本厂初拟定建于重庆市长寿区化工园区内。重庆（长寿）化工园区是重庆市为发展重庆化工产业，打造长寿化工基地，推动经济结构调整而成立的。位于重庆长寿区主城区西部，东起长寿化工总厂，西至长寿区朱家镇石门村，北邻渝长高速公路，南至长江北岸约15平方公里。园区具有突出的区位优势、丰富的自然资源和人力资源、雄厚的产业基础、完善的基础设施，规划合理，布局科学，适合本项目的落地。项目厂址如下图所示：图14 项目厂址位置12. 安全环境分析本项目对厂区内的甲醇、硫化氢、页岩气、氢气等储罐区进行了重大危险源辨识并根据物质的物性进行了罐区物质的源相分析，运用Risk System 软件进行池火事故模型预测、沸腾液体扩展蒸汽爆炸预测、蒸汽云爆炸模型预测分析了事故的伤害范围；此外还运用了ALOHA 软件对相关储罐进行了储罐泄漏事故模拟；还采用了HAZOP 分析对储罐、管道、泵等的危险指数进行评价，并在进行风险预评估后设置SIS、DCS和ESD 相结合的控制系统，实现对设备和系统的稳定控制。图15 安全环境分析13. 经济分析本次经济效益分析参考了化工经济分析中常用的数据处理方式，采用手动计算，应用 Aspen Process Economic Analyzer软件进行