Word2013The Rainbow 设计团队-文档集4-创新性说明

河津电厂2350MW机组烟气深度脱硫及硫资源再利用项目 创新性说明书河津电厂2350MW机组烟气深度脱硫及硫资源再利用项目创新性说明书重庆大学 The Rainbow指导老师：黎学明 羡小超 胡小华 董立春 魏顺安组员：张婷 闫兴秀 邱先灯 周长宇 张翠目录一原料方案创新11.1 原料方案创新1二神经网络优化22.1 遗传算法优化神经网络的前馈控制模型22.2 pso粒子群算法优化PID神经元网络解耦控制模型5三资源循环与利用7四反应器技术创新84.1 反应器原理84.2 反应器结构8五过程节能技术创新105.1 热泵技术105.2 MVR蒸发技术10六、设备创新136.1 换热器创新136.2 流体输送创新14七 节能减碳计算167.1碳排放计算总述167.1.1熔炉167.1.2蒸汽锅炉167.1.3电力进出口造成的二氧化碳排放量167.2.本项目减碳计算177.2.1以MVR双效浓缩蒸发系统减碳做具体计算说明177.2.2其他工段减碳17一原料方案创新1.1 原料方案创新本项目是漳泽电力河津发电分公司2350MW机组烟气脱硫处理项目，年处理1535万吨硫含量0.5%的烟气，生产60万吨10.7%的亚硫酸产品。本项目脱硫的重要工段是吸收塔烟气脱硫，采用亚硫酸钠为吸收剂。烟气脱硫的方法有干法，半干法，湿法三种。在现有的工业脱硫案例上，氨法，石灰石-石膏法最为常见，但石灰石-石膏脱硫效率低，易结垢，脱硫副产品经济价值低，在综合脱硫评价上，石灰石-石膏法于氨法稍逊一筹。氨法脱硫是湿式碱法中的一种，具有高于95%的脱硫效率，副产品亚硫酸铵经济价值也是少见成效，但是氨水或液氨属于危险等级，给现实化工生产中带来巨大隐患。湿法具有极高的脱硫效率，但分离过程艰难，干法分离效果好，但是吸收效率受限。在对比了多种传统的脱硫方法后，本项目采取使用钠碱循环法，以亚硫酸钠为吸收剂，保留了湿法烟气处理的高吸收效率的优点，再结合本项目采用的电渗析方法处理脱硫的分离工段，实现高效脱硫，洁净分离，高品质副产的目的。创新提出钠碱循环-电渗析法烟气脱硫处理工艺。图1-1工艺流程示意图项目原料亚硫酸钠的循环使用，可以节省原料，减少投资，同时节约资源，有利于环境友好型的发展。原料的节省同时节约大量的运输成本，减少碳排放。二神经网络优化2.1 遗传算法优化神经网络的前馈控制模型本团队创新性地引用了遗传算法神经网络的智能优化算法进行优化，其过程主要分为BP神经网络训练拟合和遗传算法极值训优两步，算法流程为图2.1所示。图2.1 算法流程图本团队通过Aspen Plus拟优化得到部分不同工况下的操作参数，建立了三层神经网络模型，再用遗传算法求得溶液的进液量。只要输入的烟气的进气量、烟气中二氧化硫含量、烟气温度、出口烟气二氧化硫含量，经过模拟训练后即可输出优化的进液量。用这种算法可以大幅度提高PID的控制的效率还可以节约吸收液的用量，进一步节约运行了成本。我们以烟气的进气量、烟气中二氧化硫含量、烟气温度、出口烟气二氧化硫含量为自变量，以吸收液为因变量，根据算法流程进行计算。图2-1 神经网络的拓扑结构图根据算法流程首先应用matlab 软件编写BP神经网络算法程序语言，通过对已知数据的不断训练学习和反馈，建立起隐含在神经元内的潜在规律，输出期望的结果。模拟训练结果如下所示。使BP神经网络较好的描述该系统。因此建立如图所的神经网络，并确定合适的数据量。图2-2神经网络图图2-3神经网络预测误差图图2-4预测结模拟结果显示预测误差极小，为0.00086，且拟合度较高，R=0.99999，模型预测效果好。再将训练出来的模型嵌套在遗传算法中，进行优化吸收液的量。只要通过检测出烟气的进气量、烟气中二氧化硫含量、烟气温度、出口烟气二氧化硫含量，通过学习好的神经网络即可模拟输出塔的优化进液量。2.2 pso粒子群算法优化PID神经元网络解耦控制模型对于我们设计的整个工艺流程，在吸收塔之前是前期处理过程，包括电厂本身拥有的设备与工艺过程，燃烧产生烟气、脱硝等过程；以及烟气经过脱硝等过程后，我们进行烟气的截获、除尘后进入吸收塔，用亚硫酸钠溶液吸收二氧化硫产生，吸收液进入电渗析设备进行再生产，再生产后的废液重新再生为吸收液进行循环吸收。那么对于整个工艺流程的核心设备时吸收塔和电渗析反应器，其中吸收塔是最主要的设备和过程。因为前期的预处理相当于进料前的准备过程，后期的吸收液再生和生产产品过程相当于吸收剂的循环再生的基础上附加了一个高附加额的生产工艺。由于各个控制量之间不是毫无关联，例如控制吸收塔出口烟气的含量必须达到深度脱硫排放标准之后才可以排放、电渗析设备产品的浓度必须达到6%以上，回流吸收液的浓度与原始吸收液混合前需要达到相同的亚硫酸溶液浓度等。因此拟建一个三输入三输出的PID神经元耦合控制系统。图2-5 3输入3输出PID神经元网络结构图2-6 基于pso算法优化的PID神经网络从PID神经元网络控制的效果图可以看出，利用粒子群算法的学习方法来优化PID控制系统，可以起到很好的效果。控制量不仅迅速接近控制目标，而且响应时间较短。能在0.02秒内接近目标值。将此智能的自适应PID模型应用到DCS控制系统中的基本模块，替代普通的PID，使整个DCS控制系统具有更好的控制性能。只需要将根据实际稍作修改，整定好比例、积分、微分参数，使参数和控制规律能很好的适应复杂的实际工况。17三资源循环与利用项目采用钠碱循环工艺烟气脱硫法，实现吸收剂亚硫酸钠的循环利用，节约资源。原料的循环利用极大的减少了项目的投资成本。循环工艺流程如图。图3-1 工艺流程图四反应器技术创新4.1 反应器原理本工段采取了新颖的反应器双极膜电渗析反应器，实质就是将双极膜水解技术和离子膜分离技术的结合。在直流电场下，水分子在双极膜内发生解离；电解质的阴阳离子在电场作用下，分别透过阴阳离子膜进入酸室和碱室，与双极膜分解水产生的氢离子和氢氧根离子结合生成酸和碱，其原理如图4-2所示。特点是产品分离和生产同步，产物纯度高，但是对杂质敏感，对进入电渗析的溶液除杂要求高。该方法适用于将盐生产出对应的酸碱，废物资源化利用。该反应器可以通过控制两极的电压来控制反应的速度和反应的量，可以根据需要实现定量反应，因此能简单实现不同工况下反应。反应原理：NaHSO3+H2ONaOH+H2SO3图4-2 双极膜电渗析制备酸碱示意图4.2 反应器结构双极膜电渗析反应器是将反应和分离集一体的反应分离技术，反应器的物料原理图如图5.1。图4-1双极膜电渗析反应器工作示意图以电厂发电过程中产生的尾气中的二氧化硫为处理原料，通过预处理除尘后，经过吸收塔吸收烟气中的二氧化硫、吸收液中生成亚硫酸氢钠，然后将吸收浓液通过双极膜电渗析反应器生成亚硫酸，氢氧化钠和得到吸收残液，再通过蒸发器将氢氧化钠进行浓缩，再将氢氧化钠和残液反应，又得到吸收液亚硫酸钠循环使用，而双极膜反应器得到的亚硫酸是生产的产品，含量为10.7%的质量分率。双极膜电渗析法用烟气中二氧化硫制备亚硫酸工艺，能有效的避免后续环境污染处理，达到了“清洁、环保、安全”的设计理念。电渗析残液可循环使用，溶液得到综合利用，使其符合清洁生产的要求。在反应器设计中，首先根据文献和双极膜电渗析试验条件，确定了电渗析的基本操作参数；根据处理任务，通过经济评价优化出最佳电流密度和进液方式，得到反应的最佳操作条件。再根据操作条件进行材料选型和反应器组装。根据设计双极膜电渗析器的膜对数、膜对压降和电极反应压降，计算得到电渗析反应器的操作电压。为了在电厂的变工况条件下，仍能保证产品的品质和产品的浓度；我们通过改变电渗析反应器的回流量来控制产品的质量。根据电渗析原理和物料守恒，在电渗析反应器中设计了独立的控制算法，用MATLAB编程以实现这个算法；该算法中，通过检测原料液中的浓度、流量、烟气中二氧化硫的进出量，将这些参数导入算法中即可计算出其他物流量、回流比和操作电压。五过程节能技术创新5.1 热泵技术在大规模工业生产中，往往需蒸发大量水分，这就需要消耗大量能源加热水产生蒸汽。为了减少加热蒸汽的消耗，可采用多效蒸发。将加热蒸汽通入一蒸发器，则溶液受热而沸腾，而产生的二次蒸汽其压力与温度较原加热蒸汽（即生蒸汽）为低，但此二次蒸汽仍可设法加以利用。在多效蒸发中，则可将二次蒸汽当作加热蒸汽，引入另一个蒸发器，只要后者蒸发室压力和溶液沸点均较原来蒸发器中的为低，则引入的二次蒸汽即能起加热热源的作用。同理，第二个蒸发器新产生的新的二次蒸汽又可作为第三蒸发器的加热蒸汽。这样，每一个蒸发器即称为一效，将多个蒸发器连接起来一同操作，即组成一个多效蒸发系统。加入生蒸汽的蒸发器称为第一效，利用第一效二次蒸汽加热的称为第二效，依此类推。产生循环利用，于多次重复利用了热能，显著地降低了热能耗用量，这样大大降低了成本，也增加了效率。基于本工段中的蒸发任务浓度升较小，料液沸点升高较小，无相变过程发生，我们选定利用双效蒸发装置来完成蒸发任务。5.2 MVR蒸发技术MVR是机械式蒸汽再压缩技术（mechanical vapor recompression）的简称，是利用蒸发系统自身产生的二次蒸汽及其能量，将低品位的蒸汽经压缩机的机械做功提升为高品位的蒸汽热源。如此循环向蒸发系统提供热能，从而减少对外界能源的需求的一项节能技术。利用MVR技术，可以为系统高效提供值（有效能），而传统的加热所采用的蒸汽中有大量的无效能，会浪费大量能量，从而在总消耗费用上有所体现，需要考虑蒸汽费用、电费、材料费用等三个方面。以蒸汽价格200元/吨为例，热压泵型二效蒸发一吨水所需蒸汽成本在200/2=100元，MVR则主要是蒸汽压缩机的电费，其蒸发一吨水电费约为30元，很显然每蒸发一吨水，MVR能省下70元，以本装置的蒸发任务为例，每小时能省下约1000元，节能效果显著。将余热进行高效利用也是另一个可以大幅度节能的关键点，两效蒸发过后的蒸汽经过MVR圧缩过程后能量品位升高，对一效再沸器提供能量至完全冷凝成液体，同样的，经过浓缩后的液体同样具有较高的能量品位，以上二者的能量均可对待蒸发液体进行相应的余热，在预热阶段我们选择对待蒸发液体进行物流拆分，分别匹配两者的热量，相比串级余热，可以进一步利用两者的余热。最大化的节省额外蒸汽用量。最终的优化结果显示，蒸发工段处MVR压缩消耗电能之外，无需外加蒸汽，即可完成蒸发任务。图5-1采用热泵技术的多效蒸发图5-2未采用热泵技术的多效蒸发表5-1 几种蒸发方案对比方案蒸发所需蒸汽t/h电功kW总费用元/h出料温度单效蒸发2104200102二效蒸发8.8501770103采用蒸汽热量回收的二效蒸发5.401080103采用MVR技术与串级热量回收的二效蒸发0.684775566采用MVR技术与并级热量回收的二效蒸发084763565由表中可以看出，显然，采用MVR技术的二效蒸发过程，可以大幅度减少总能耗，降低费用，并且为下一步的降温过程提供更低的温度的物料，减少下一步的换热负荷。MVR双效蒸发浓缩系统采用的热泵为山东华东风机有限公司产HDSR125型压缩机，其单级增压可达98kpa，流量最高可达192m/min，满足要求，综合蒸发处理量，温度升，压力升和风机运行效率等因素，选用三级风机串联为末效蒸汽进行增压处理，每一级增压65kpa，控制第三级风机出口蒸汽压力为2.85bar即可。热泵设备总成本为1.6万元，结合理论计算得到采用MVR技术的两效蒸发系统的运行成本为450元/hr，相比未采用MVR技术的两效蒸发系统1080元/hr的数据，可节能58%以上。从整个车间设计寿命15年的角度长远考虑，采用节能技术可大幅度的节约成本，节约资源，减少碳排放。六、设备创新6.1 换热器创新针对换热器管侧流体雷诺数略小的问题，项目采用一种新型的变截面换热管来进一步提升传热效果，其实际设计中，利用换热管自身的一次表面，在管内产生较为显著的垂直于主流方向的纵向涡二次流，促进流体在主流区的径向二次混合，增大壁面处温度梯度，强化管内传热。同时，经过分析和数据实测，流体在新型结构带来的高扰动状态下，其阻力增加十分小，普朗特数较高时传热系数强化效果尤为显著。综合强化传热性能因子可达2.22以上。经过fluent模拟，见图6-2，变截面换热管增加了换热器内流体的湍流程度，强化了传热效果。图6-1 新型变截面换热管的几何模型图6-2 新型变截面换热管内流体流动的Fluent模拟结果6.2 流体输送创新本车间所产生的污泥量较少，经过烟气中的含尘量核算后，全年污泥经过离心脱水后，质量约为60吨/年，体积约为35m3。引出至污泥池暂存。其组成主要为煤粉，空气灰尘，部分铁和铝的氧化物颗粒。与泥土相差不大，且无毒害。可交由具有相关资质的处理厂进行简单处理后填埋。此处的污泥经过离心脱水，粘度大，采用活塞泵进行输送，采取间歇处理的方式，将污泥泵送至污泥车。图6-3图：活塞皮碗的组装式结构活塞泵选择山西晋华光设备公司的3NBB150型卧式三缸往复单作用活塞泥浆泵。该设备在同类产品中具有体积小，效率高，运转平稳，性能稳定等优点。与此同时，经过查阅相关文献，泥浆泵的活塞寿命直接影响到泵本身的使用寿命和性能。结合相关文献，选择使用文献中优化后的配方橡胶和新的活塞装配形式，进一步减小阻力，提高活塞寿命。该新型活塞泥浆泵采用优化后的配方橡胶和新的活塞装配形式，减小运输过程中的阻力，降低电机能耗。表6-1 活塞泥浆泵的规格参数型号3NBB150缸数3最大流量150L/min最大压力7Mpa电机功率7.5kw吸水管直径51排水管直径32扬程水平200-500m，垂直100m重量500kg尺寸1155*795*995七 节能减碳计算减少碳排放可从两方面着手，一是前处理，从源头上减少能源使用，减少二氧化碳生成；二是后处理，在二氧化碳生成后排放前，捕集二氧化碳，减少二氧化碳排放。二氧化碳作为导致温室效应的气体，生成后极难处理，本项目采用各种创新节能办法，使资源循环使用，从源头上减少资源使用，减少二氧化碳生成。7.1碳排放计算总述假设燃料完全燃烧CO2emissions=QFuelEFactEFact=RCNHVC%1007.1.1熔炉FEff=TFTF-TStackTFTF-TOQFuel=QProcFEff7.1.2蒸汽锅炉QFuel=MshProc-hBFWBEffBEff=TFTF-TStackTFTF-TO7.1.3电力进出口造成的二氧化碳排放量CO2emissions=powerMWpower emission factorpower emission factor=0.92 tonsCO2MW在上述方程中，QFuel=燃料燃烧热值（kJ/h）;EFact=对于一个特定燃料的排放因子（kgCO2/kJ）;RC=二氧化碳和碳的摩尔质量比（3.67）；NHV=燃料净热值（kJ/kg）；C%=燃料含碳质量分数；FEff=炉效率；TFTF=理论火焰温度（）；TStack=烟囱温度（）；Qproc=过程的热负荷要求（kJ/h）；To=环境温度（）；BEff=锅炉效率；hBFW=锅炉给水比焓（kJ/kg）;hProc=