5-创新性说明书

大连石化热电厂减排1.7万吨/年二氧化硫循环经济利用项目 项目摘要 大连理工大学Chem Strangers目录第一章 总体创新说明1第二章 多技术耦合工艺创新22.1多技术耦合工艺：运用梯级耦合的创新设计思路22.2清洁生产工艺：实现超净排放3第三章 过程技术创新43.1反应技术创新：选用高效双金属催化剂43.2分离技术创新：运用新型膜结晶技术5第四章 产品结构方案创新7第五章 节能生产创新85.1热集成技术：减少公用工程消耗量85.2有机朗肯循环：有效利回收150低温余热85.3多效蒸发技术：节省生蒸汽用量63.6%95.4 MVR热泵技术：节约能耗61.0%95.5单产碳排放量减少10第六章 高效过程装备应用创新116.1连续螺旋折流板换热器，换热面积减少16.7%116.2 新型流体输送设备的应用，保证设备抗腐蚀能力116.3 新型高效分离设备，精确控制晶体产品生产12第七章 项目创新性小结131大连石化热电厂减排1.7万吨/年二氧化硫循环经济利用项目 创新说明书第一章 总体创新说明本项目为中国大连石化公司热电厂烟气脱硫及其资源化利用项目，项目建设内容包括减排1.7万吨/年二氧化硫，联产0.74万吨/年亚硫酸钠、1.2万吨/年硫酸钠（含2000吨/年食品级硫酸钠）和1.3万吨/年硫酸循环经济利用项目。建厂于大连市大连石化公司热电厂内。项目结合企业区位和周边科研技术集成优势，从工艺流程（第二章、多技术耦合工艺创新）、新型反应和分离过程技术应用（第三章、过程技术创新：反应技术创新-高效催化剂，分离技术创新-膜结晶，晶体产品优化）、产品结构优化（第四章、产品结构方案创新：利用多尺度调控生产多种、多级产品）、节能绿色生产（第五章、节能生产创新：多种节能技术集成运用）和高效过程装备应用（第六章、高效过程装备应用创新）等几个方面展开创新设计。创新技术的运用，使得本项目在传统脱硫装置的基础上突出更强的可行性、可操作性、可调控性和经济补偿特性，符合国家产业政策、能源和环保政策，满足企业长远规划和项目长远发展的综合理念，有效带动企业产品链延伸和结构调整，提升地方经济效益。综上，本项目综合工艺、过程技术、产品结构、节能技术和高效装备的多角度创新，实现基于耦合工艺和节能绿色技术的多种、多级产品高效节能联产。第二章 多技术耦合工艺创新2.1多技术耦合工艺：运用梯级耦合的创新设计思路多技术耦合，需要对技术优势区间进行匹配设计，项目应用大连理工大学国家科技进步奖含烃石化尾气梯级耦合膜分离技术的核心创新思路，充分利用硫元素浓度梯度变化和各种反应、分离技术的优势处理区间，设计含硫烟气深度脱硫与硫酸、硫酸钠、亚硫酸钠三种产品的耦合生产工艺，充分发挥各种技术的优势，协调增效，高效节能地获得了烟气中的可资源化产品，实现能源与资源的梯级利用，有效降低过程能耗、节省成本、减少排放，可以产生良好的经济和社会效益。项目工艺流程框图见图2-1。图2-1 工艺流程框图工艺流程中涉及到的反应：脱硫装置 ：SO2+2NaOHNa2SO3+H2O脱硫装置： SO2+Na2SO3+H2O2NaHSO3亚硫酸钠装置：2NaHSO3Na2SO3+SO2+H2O硫酸钠装置 ： 2NaHSO3+H2SO4Na2SO4+2SO2+2H2O硫酸装置 ：2SO2+O22SO3硫酸装置 ：SO3+H2OH2SO4通过对深度脱硫以及产品资源化利用的分析，将四种技术创新性耦合。来源于电厂的烟气与本厂硫酸车间含硫尾气集中送入脱硫装置内脱硫处理，吸收富液通过加热、加酸方式进行反应，运用多效蒸发、MVR热泵技术制成工业级亚硫酸钠和工业级硫酸钠产品，运用新型高效膜结晶技术制成含杂质少、分布均匀的食品级硫酸钠产品，采用“3+1段”的两转两吸工艺，运用新型高效催化剂制成工业级硫酸产品，实现基于耦合工艺和节能绿色设计的多种产品和产品链延伸。项目针对传统脱硫装置运行成本高、副产物附加值低及长期处于亏损运营状态等问题，运用多种技术耦合降低生产能耗，通过宏观、微观多尺度调控产品级别以提高产品附加值，实现深度资源化利用的产业链延伸。2.2清洁生产工艺：实现超净排放在生产工艺上，含硫尾气循环脱硫，催化剂高效利用，原料硫酸内部供给，全厂水系统循环，通过以上工艺路线的优化，实现物料的最大利用，最终净化后的烟气中二氧化硫浓度为31.41mg/Nm3，低于火电厂大气污染物排放标准（GB13223-2011）中超净排放标准35mg/Nm3，做到工艺流程清洁化，实现超净排放。第三章 过程技术创新反应过程，决定脱硫效果，排放达标与否；分离过程，决定过程效率和产品附加值的提升程度，是工艺流程中的核心过程。因此，运用新型反应及分离技是高效生产、过程优化、集成利用的重要手段。3.1反应技术创新：选用高效钒-铯催化剂本项目硫酸车间采用催化剂氧化SO2，催化剂的选用影响硫酸车间含硫尾气的排放量，决定脱硫装置排放是否达标。对于脱硫项目而言，尽可能减少硫排放是治理项目的关键之处。为此，我们通过对传统钒系催化剂与钒-铯催化剂进行比较，在同等催化剂用量的情况下，选用加入金属铯作为助催剂的钒-铯催化剂可使两转两吸装置的尾气SO2排放减少50%以上，同时增产硫酸10-15%，实现高效生产。SO2氧化阶段所用的催化剂为托普索公司的钒-铯催化剂，主要有：VK38（钒触媒）、VK48（高钒触媒）、VK49（铯触媒）、VK69（铯触媒），这四种催化剂的规格见表3-1，通过对数据进行分析，选用钒-铯催化剂可以有效降低反应温度30。表3-1催化剂规格VK38VK48VK49VK69型号钾促进钾促进铯促进铯促进V2O5含量6%7%5%9%点火温度358358318318操作温度400-625400-548369-502369-502热稳定性645645648648我们利用Comsol软件对反应器进行模拟，以催化剂用量最少和反应器体积最小为优化目标，得到相应的浓度分布及压降分布，如图3-1、图3-2所示。经计算，原料中SO2经四段反应后的总转换率高达99.9%，单次催化剂用量减少9.4吨，投资费用减少282.0万元。图3-1反应器浓度切片图 图3-2反应器压降分布图3.2分离技术创新：运用新型膜结晶技术膜蒸馏是一种热驱动的膜分离处理技术，过程中结合了膜分离过程和蒸馏过程，使用微孔疏水膜作为气液分割界面，在进料侧通入由易挥发组分和难挥发组分组成的混合物。进料侧的易挥发组分在一定的温度下，会以气态的形式挥发出来，在一定的跨膜蒸汽压差下，透过膜孔到达渗透侧进行收集，达到分离的效果。具体原理如图3-3所示。图3-3膜蒸馏过程分离原理（左）和传质过程（右）示意图膜蒸馏-结晶技术是膜蒸馏和结晶耦合而成的，所以膜蒸馏-结晶的特点由膜蒸馏和结晶两个过程共同决定，利用膜蒸馏的特点进行结晶分离有着多重的优势：（1）可以在较低的温度压力下进行操作，对生产设备的机械性能要求低；（2）膜蒸馏可以利用太阳能、地热能以及工厂废热等低价热源，有利于降低运作成本；（3）膜蒸馏对易挥发组分有着相当理想的分离回收效果，特别是对于一些有价值的易挥发溶剂如水的回收；（4）膜蒸馏-结晶过程中溶剂在低温、低压的温和环境中被可控地除去，而溶质的结晶过程也是在环境可控的单独容器中进行，可以更好地控制溶质的结晶过程，生产出粒度分布窄、物理形貌好和纯度高的晶体；（5）膜蒸馏-结晶器中膜组件的有效传热传质面积远远大于普通结晶器的传热传质面积，可以利用疏水膜制造一种占用空间小、传质面积大的膜结晶器。所以其在结晶分离过程中的应用很大程度地减小了在空间环境上的限制。图3-4 典型的膜结晶流程在本项目中，选择PVDF（聚偏氟乙烯）作为膜蒸馏的膜材料，在50-60的低温下即可进行硫酸钠溶液的浓缩，最终得到粒度分布较窄、平均粒度为60-80m的无水硫酸钠晶体。优异的晶体粒度性质，可以有效降低离心分离、干燥后的杂质包藏，提升终端晶体产品纯度，得到高纯度的食品级硫酸钠。经市场调查，食品级硫酸钠售价可达8000元左右，是工业级硫酸钠的10倍以上，大大提高产品的经济效益。第四章 产品结构方案创新脱硫富盐溶液的处理，决定了工艺经济效益，是突出新型化工生产设计思路的关键。设计中，充分考虑下游产品的市场需求、产品的附加值以及国家政策的支持，决定以烟气制酸，符合国家硫酸工业的十三五规划，采用循环经济模式，将硫酸、硫酸钠、亚硫酸钠三种产品创新性耦合，产品结构方案如表4-1所示。表4-1产品结构方案表产品名称年产量级别用途售价硫酸1.3万吨工业级销售560硫酸钠1.0万吨工业级销售700硫酸钠2000吨食品级销售8000亚硫酸钠7400吨工业级销售2800针对大连石化热电厂的含硫烟气展开设计深度脱硫与深度资源化利用的综合工程，结合地区优势与市场环境综合考量，由于大连周边地区铵盐市场饱和，难以发挥其副产物的经济价值，且硫酸、硫酸钠、亚硫酸钠三种产品价格波动不一（价格波动见图4-1），通过调控产品的生产比例，可以获得较好的经济效益。图4-1各产品价格走势图硫酸作为重要工业原料，可满足下游钛白粉厂的巨大需求，硫酸钠产品主要用于制水玻璃、玻璃、瓷釉、纸浆、致冷混合剂、洗涤剂、干燥剂、分析化学试剂、医药品等，亚硫酸钠作为高附加值产品可提高全厂经济效益，有效补偿处理成本，多产品联产的结构方案绿色环保、价值可观、市场可调、经济可行。第五章 节能生产创新在优化工艺流程、应用新型过程技术、提升产品结构的基础上，进一步挖掘各个单元的节能潜力，降低单耗，实现热能等公用工程的优化利用和绿色生产。5.1热集成技术：减少公用工程消耗量本项目基于夹点分析和热集成节能技术，运用Aspen Energy Analyzer软件进行换热网络设计，使厂区内的冷热物流在合理范围内换热，从而达到能量回用、节省能量的目的。热集成前后公用工程消耗量见表5-1，相较于直接用公用工程进行换热的换热网络，采用热集成技术后虽然换热面积有所增加，但能量回收率（节能率）大幅度提升，节省热公用工程52.8%和冷公用工程38.2%，同时减少所需的换热器数量。表5-1热集成前后冷热公用工程对比表项目Heating kJ/hCoolingkJ/hNumber of UnitsTotal Area m2匹配前70.5640.56246748匹配后33.3325.06228375节能52.8%38.2%5.2有机朗肯循环：有效利回收150低温余热针对硫酸工业存在大量余热，充分考虑电厂实际情况，创新性地引入有机朗肯循环（ORC）工艺，模拟流程如图5-1所示。采用低沸点有机物R717作为循环工质，经蒸发器升温后送入膨胀机进行绝热膨胀做功，做功后的乏汽经冷却水冷却到饱和液体状态后泵送至蒸发器完成循环，有效利用150的低温余热，所产电力可补充本工艺用电，冷却水升温后可补充本厂地暖用水，实现热电联产。利用有机朗肯循环充分利用工业余热，利用低品位能量，同时带来经济效益，该技术于国外已经在中低温太阳能、海洋温差及低温余热利用方面得到了广泛应用，国内江西华电、杭州开山成功投入采用ORC技术利用低温余热发电的装置。图 5-1有机朗肯循环Hysys模拟5.3多效蒸发技术：节省生蒸汽用量63.6%与单效蒸发相比，多效蒸发技术能更好地降低蒸汽的耗散量，从而进一步降低操作费用，为项目带来可观的经济效益。本项目采用三效蒸发技术，每效压力逐级降低，充分利用二次蒸汽，节省生蒸汽用量63.6%，工艺流程如图5-2所示。图 5-2 多效蒸发工艺流程图5.4 MVR热泵技术：节约能耗61.0%MVR（机械蒸汽再压缩技术）是利用压缩机将蒸发器中产生的二次蒸汽进行压缩，将二次蒸汽的温度、压力都提高，然后再返回蒸发器的加热室中充当热源，可以将全部的二次蒸汽压缩回用，减少了生蒸汽的用量。由于MVR技术具有占地面积小、运行成本低的优势，在国外广泛应用于食品、化工和制药等工业。由于硫酸钠浓缩工段处理量大，设备投资费用高，本项目采用MVR热泵（机械蒸汽再压缩）技术进行蒸发浓缩，增加一台575.4kW的压缩机，节约公用工程34.5MW，降低能耗61.0%。工艺流程如图5-3所示，将蒸发后的二次蒸汽引入压缩机C301提高蒸汽压力和温度分别至0.3bar、170.6（此状态下压缩机出口为气相），提升热能品位后供给蒸发系统，简化工艺流程，同时有效地减少蒸汽用量。开车后，MVR系统无需蒸汽量的消耗即可完成浓缩。图 5-3 MVR蒸发工艺流程图5.5单产碳排放量减少化工项目碳排放=燃料燃烧CO2排放 +火炬燃CO2排放+工业生产过程CO2排放+净购入电力和热力隐含的CO2排放- CO2的回收量。本项目利用多效蒸发技术、MVR热泵技术、有机朗肯循环、热集成技术及采用新型高效换热设备可直接减少净购入电力和热力隐含的CO2排放。综合各项创新技术使得本项目提高经济效益的同时，实现节能减排。第六章 高效过程装备应用创新依托项目设计单位具有的辽宁省重大装备制造协同创新中心和智能制造平台的核心平台优势，应用新型高效换热器、新型流体输送设备及新型分离设备等高效过程装备，进一步降低设备投资，提高过程效率和产品质量。6.1连续螺旋折流板换热器，换热面积减少16.7%因亚硫酸钠浓缩工段预热器E201换热量较大，热负荷25.71MW，所需换热面积大，投资费用高。为降低设备投资及充分利用热量，本项目采用专利CN201310434980一种连续螺旋折流管壳式换热器的设计，提高换热介质的湍动程度以提高传热系数，同时利用螺旋特性产生一定的流体推力减少压降，其常见结构图如图6-1所示。图 6-1 常见四块螺旋折流板交错搭接式结构布置图在相同工况下，相比于传统的弓形折流板，这样的折流板（被称为非连续型螺旋折流板）可减少压降45%左右，而总传热系数可提高20%30%，大幅度减小换热器尺寸。通过计算，我们得到的换热面积减少16.7%，减少设备的投资费用34.8万元。6.2新型流体输送设备的应用，保证设备抗腐蚀能力由于本项目第四工段泵P401，P402，P403，P404输送介质为硫酸，有极强的腐蚀性，因此我们选用新型的CQB氟塑料磁力泵，保证设备抗腐蚀性能力，实现安全生产。磁力驱动泵（简称磁力泵）是将永磁联轴器的工作原理用于离心泵的高科技产品，氟塑料磁力泵，其过流部件全部采用氟塑料制造，设计合理，工艺先进，具有全密封，无泄漏，耐腐蚀性能极强等特点，其性能达到世界同类产品的先进水平，已广泛替代进口磁力泵，其结构图如图6-2所示。磁力泵以静密封取代动密封，使泵室处于完全密封状态，取消了轴封、利用磁力耦合间接驱动，完全消除了滴漏的烦恼，不污染使用场地。由于泵的过流部分选用“氟塑料合金”制造。可连续输送任意浓度的酸,碱等腐蚀介质毫不受损。图 6-2 CQB氟塑料磁力泵结构图6.3新型高效分离设备，精确控制晶体产品生产依托大连理工大学膜科学与技术研发中心，采用新型的膜结晶技术（工艺流程图如图6-3所示），使用膜分离