创新性说明2010版

“东华科技陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计大赛国投天津北疆21000MW机组烟气脱硫制IS项目创新性说明设计单位常州大学石油化工学院设计团队E.R.S成员姓名朱晓磊 袁乔 姚恩 仝志方 姜芸佳指导教师马江权 王俊 戚律 魏科年 高晓新2017年7月20日国投天津北疆21000MW机组烟气脱硫制IS项目 创新性说明目录1. 工艺方案创新11.1 深度脱硫工艺11.1.1 废气污染源11.1.2 深度脱硫技术21.2 资源化利用技术21.2.1 产品结构创新21.2.2 资源化利用技术创新21.2.3 硫元素回收率32. 反应与分离技术创新42.1 高效反应新工艺42.1.1二效催化反应42.1.2 全流程高效反应新工艺42.2 高效分离新工艺52.2.1 高效过滤工艺52.2.2 高效蒸发工艺52.2.3 高效干燥工艺52.3 反应分离技术集成63. 节能技术创新与碳排放减少83.1 全流程能耗低83.2 换热网络优化83.3 机械式蒸汽再压缩（MVR）技术的应用94. 设备创新104.1 反应器结构创新104.2 换热设备结构创新114.2.1 高通量管114.2.2 横纹槽管124.3 输送设备结构创新124.3.1 输液泵除气装置124.3.2 连续空载磁力泵134.4 分离设备结构创新144.4.1 降膜式蒸发器分布器创新144.4.2 吸收塔液体分布器创新16国投天津北疆21000MW机组烟气脱硫制IS项目 创新性说明1. 工艺方案创新1.1 深度脱硫工艺1.1.1 废气污染源近年来，我国的中东部城市的天空被蒙上一层厚厚的“面纱”。空气质量差，能见度较低，天气污染严重。人们面对天气突然变化的“袭击”措手不及雾霾。而雾霾的危害，不仅仅是对于人身健康，而且对于社会交通造成了不可忽视的影响。而造成雾霾问题最主要的原因就是硫化物的大量排放。京津唐地区雾霾问题尤为严重，尤其是天津市最近几年雾霾问题尤为突出。天津津能发电有限公司是天津一家大型的煤炭发电公司。考虑到二氧化硫是主要的大气硫污染源，本项目最终应津能发电有限公司的脱硫需要，选择该电厂含硫尾气作为废气来源。雾霾天津北京图1.1 华北地区雾霾图烟气成分如下：表1.1 烟道气成分名称组成（%）氮气73.94二氧化碳19.79氧气5.99二氧化硫0.20二氧化氮0.05一氧化氮0.01氯化氢0.01氟化氢0.011.1.2 深度脱硫技术通过实地调研，我们最终确定北疆电厂的烟道气组成中SO2的体积分数仅为0.2%，而CO2含量接近20%。常规的吸收剂多为碱性吸收剂，对于SO2吸收的选择性不高，影响后续解吸操作。经过工艺对比，最终确定膜吸收工艺进行一级脱硫，选用再循环难度小、能耗低的亚硫酸钠作为吸收剂。该工艺是膜分离技术与化学吸收技术相结合的技术，通过膜减少了其他气体被吸收剂吸收的量，可使解吸后SO2达到较高纯度。考虑到烟道气经过一级吸收后仍存在一定的量，同时，SO2还原制硫后气体中仍含有未反应的SO2，最终决定将工艺尾气通入尾气吸收工段进行二级脱硫。经过吸收单元与尾气吸收单元硫排放浓度达到5.9mg/Nm3,达到了深度脱硫的要求。1.2 资源化利用技术1.2.1 产品结构创新本项目年产6.5万吨不溶性硫磺，副产5.5万吨硫磺以及6160吨亚硫酸钠。表1.2 主副产品一览表序号产品名称单位数量纯度备注1不溶性硫磺万吨/年6.599.2%主产品2硫磺万吨/年5.599.9%副产品（切换生产）3亚硫酸铵吨/年616099.1%副产品通过调节聚合反应的条件，控制主产品不溶性硫磺与副产品硫磺的产量，可实现产量自由切换。1.2.2 资源化利用技术创新考虑到以二氧化硫为原料制得产品的附加值以及生产工艺的复杂程度、生产过程的能耗消耗量，经过调研最终确定不溶性硫磺不溶性硫磺作为目标产物。具体创新如下：1.创新性地使用膜吸收解吸所得的二氧化硫与一氧化碳反应，原料来源广泛、价格适中同时制得的产品纯度高。2. 由于原料硫磺与产物不溶性硫磺在二硫化碳中的溶解度差别很大，经反应器出料后经常温水急冷、过滤、中品位不溶性硫磺干燥、萃取、过滤、高品位不溶性硫磺干燥，即可得到高品质的不溶性硫磺，无需进行精馏等复杂操作，节约成本，降低能耗。该方案绿色环保，价值可观，市场可调，经济可行。3. 经过气液分离后所得废水中含有二氧化硫。考虑到水中二氧化硫浓度以及纯度都很高，有可再利用的可能。通过文献调研，最终确定通过二氧化硫烧碱法制得产品亚硫酸钠，通过精制可达到食品级的标准。1.2.3 硫元素回收率本项目烟道气中硫元素排放量一年为12.58万吨，制得纯度为99.2%的不溶性硫磺6.5万吨，99.9%的硫磺5.5万吨以及99.1%的亚硫酸钠6160吨。考虑到尾气处理工段产生的亚硫酸铵等含硫溶液仍可资源化利用，具体亚硫酸铵量为回收硫元素：6.599.2%+5.599.9%+0.61603212699.1%=12.10万吨硫磺回收率：12.1012.58100%=96.18%可见本项目硫元素回收率高，资源化利用率高。2. 反应与分离技术创新2.1 高效反应新工艺2.1.1 二效催化反应为了进一步提高烟道气排放质量，在通入吸收塔前，将烟气通入二效催化反应器，通过Pt-Al2O3催化剂催化，原烟道气中一氧化氮反应生成氮气，还原反应器尾气中的一氧化碳反应生成二氧化碳，具体反应如下：2NO+2CO=N2+2CO2O2+2CO=2CO2通过二效催化反应器，减少了有害气体NO，CO的排放，符合绿色生产的要求。2.1.2 全流程高效反应新工艺本项目选择来自国投天津北疆电厂的烟道气，经过膜吸收解吸，经过中间产物硫磺，选用低温熔融法，制得高纯度的不溶性硫磺，达到市场较高水平。本项目选用膜吸收反应器（吸收剂为亚硫酸钠）吸收烟道气中的二氧化硫，与传统工艺比，该工艺具有二氧化硫选择性高，吸收剂可处理再循环等特点。对于气液分离器产生高纯二氧化硫废水综合利用副产亚硫酸钠。同时，考虑到低温熔融法能耗低，对设备腐蚀小，对环境友好等优点。最终选用低温熔融法制取不溶性硫磺。具体流程如下：图2.1 全流程工艺图2.2 高效分离新工艺2.2.1 高效过滤工艺本项目采用连续式过滤压滤机进行过滤。图2.2 连续式过滤压滤机示意图这种压滤机增加了椎体部分的过滤，因而增加了过滤面积，使过滤机的过滤效果更高；由于螺旋刮刀和推料螺旋的外缘与过滤介质表面只有很小的距离，始终保持很薄的滤饼层，过滤速率较高；操作均在密封状态下经行，适合易燃易爆、有毒或剧毒的危险产品。本新型连续式过滤压滤机较板框压滤机、箱式压滤机、叶片式过滤机及管式过滤压滤机等，可实现连续操作，滤饼卸除无需打开压滤机，可直接从椎体收集；在过滤时，对于有毒的萃取剂CS2，可实现不挥发到空气中，对环境友好。2.2.2 高效蒸发工艺蒸发器一般可分为升膜式蒸发器与降膜式蒸发器，较升膜式，降膜式蒸发器传热温差大，换热性能好；蒸发器体积减小；适用于不稳定性物质的蒸发。由于需蒸发溶液中含有亚硫酸钠，该物质在较高温度下会分解，所以不考虑需高温下进行蒸发的升膜式蒸发器，而选用降膜式蒸发器。2.2.3 高效干燥工艺本双锥回转真空干燥机，包括机架，通过轴承设置在机架上的空心轴，固定连接在空心轴一段的回转筒，设置在回转筒内的真空过滤器，及设置在空心轴内的真空管，所述真空管一段贯穿回转筒的侧壁并与真空过滤器连接，另一端延伸至空心轴外并与真空管之间密封连接，所述空心轴原理回转筒一点与真空管之间密封连接，所述回转筒包括内壳体、外壳体和设置在所述内壳体及外壳体之间的加热板。图2.3 双锥回转真空干燥机本新型双锥回转真空干燥机采用真空干燥，采用电加热取代传统的水蒸气加热，方便控温，在FI0301进行干燥时，避免了干燥时局部高温使不溶性硫磺分解的问题，也防止了有毒的CS2因加热外泄，实现了安全操作。并且在干燥过程中进行连续的筒体回转，防止干燥过程中固体结块。本创新干燥机在夹套中铺设电热板，减少了设备体积，方便控温，减少了水蒸气的用量，节约了能耗。2.3 反应分离技术集成经电厂预处理过的烟道气，组成较复杂，SO2含量较低，其中大部分仍然是N2以及CO2。而常规的吸收剂多为碱性，SO2吸收的选择性普遍不高，且吸收后很难被再解吸利用。考虑到这一点，我们采用膜分离技术进行烟气脱硫，并与W-L FGD法相结合，提高二氧化硫的选择性，且吸收剂Na2SO3吸收SO2是化学吸收，推动力大。同时生成的NaHSO3不稳定，易分解成Na2SO3，最终可实现循环再利用。图2.4 膜吸收反应原理如图2.4所示，来自电厂的烟道气进入中空纤维膜膜丝管程，吸收剂走壳程，由于O2、N2在吸收溶液中迅速达到饱和，因此停止传质，当吸收液pH8.2,碱性亚硫酸钠溶液只吸收SO2。二氧化硫通过膜吸收反应这一反应分离集成过程，进行一级脱硫。考虑到烟道气中仍存在少量的煤灰颗粒，为了降低膜污染，中空纤维膜组件膜材料形式采用阶梯膜，且膜孔采用不对称形式，如图2.5：图2.5阶梯孔-中空纤维膜结构示意图烟道气在透过膜的过程中，先经过小孔膜，煤灰颗粒以及其他大分子被截留下来，小分子的二氧化硫可通过，最终被吸收液吸收。由于煤灰颗粒较大，无法通过小孔，故膜污染主要为滤饼层污染，只需简单反冲，便可继续使用。选用膜吸收反应器的优点如下：提高了对二氧化硫吸收的选择性，增加了二氧化硫的纯度；减少了塔设备费用，节约了投资成本；降低了二氧化硫再分离的技术要求，节省了能耗。3. 节能技术创新与碳排放减少3.1 全流程能耗低本项目制取的硫磺与不溶性硫磺在标况下均为固态，在分离过程中无需提供大型公用工程。硫磺制不溶性硫磺过程，经急冷、萃取，不溶性硫磺与萃取剂CS2分别以固相与液相存在，只需通过过滤即可得到产物不溶性硫磺。一般化工生产过程中，精馏的能耗约占总能耗的40%，而本项目无需设置精馏塔，节能效果相当明显。3.2 换热网络优化本项目使用夹点分析和热集成节能技术，结合Aspen Energy Analyzer V9.0软件，得到了适用于本系统的换热网络方案，使厂区内的冷热工艺物流在合理范围内换热，从而达到节省能量的目的。相较不采用热集成技术直接用公用工程进行换热的换热网络，热集成后的换热网络能量回收率（节能率）达到31.9%。换热网络如图：图3.1 换热网络运用热集成前后能耗对比如下：表3.1 优化前后能耗比较表冷公用工程/MW热公用工程/MW合计/MW优化前公用工程用量317.9215.8533.7优化后公用工程用量284.778.27362.97节约能源/%10.5%63.7%31.9%每年二氧化碳排放减少量101万吨3.3 机械式蒸汽再压缩（MVR）技术的应用在处理第三工段制不溶性硫磺工段中，过滤机产生的含有少量(NH4)2S2O8和FeCl2的废液, 必须对其进行处理。工业上，一般采用加热蒸发技术对废水进行处理。本项目采用机械式蒸汽再压缩（MVR）技术对废水经行处理，具体流程如下：图3.2 MVR模拟流程图加热蒸发技术中以多效蒸发和MVR为常见，多效蒸发需要消耗大量蒸汽和冷却水，不能实现热能的有效利用。而MVR蒸发技术以其低能耗为优势，越来越多的被关注并应用在含盐废水的“零排放”处理和资源回收领域。本项目多效蒸发与MVR能耗对比如表2.2表3.2 多效闪蒸与MVR每小时能耗对比比较项目单效双效三效MVR能耗/tCO24.422.671.960.39由表可知，当处理等量的废水时，每年相对于单效蒸发而言，使用MVR可以减排32240吨CO2；相对于双效蒸发而言，MVR可以减排18240吨CO2；相对于三效蒸发而言，MVR可以减排12560吨CO2。4. 设备创新4.1 反应器结构创新本新型还原反应器通过在列管底端设置封头夹套，其可以在温度下降时封头夹套内通入蒸汽或热水，保持温度高于119，解决了现有反应器在温度下降时硫磺结晶的问题。其特征在于：下封头内充有DN10和DN25两层瓷球，起保温作用，如图4.1所示。该反应器包括筒体10、上封头4和下封头5，筒体10内腔沿轴向填充若干个立式列管1，上封头4的上端设有原料气进口2，下封头5的下端设有产品气出口3，上封头4的上部设有反应温度测温口9，筒体10壁的上下部分别设有热水出口6和热水进口7，各列管1内装有催化剂，下封头5内充有DN10和DN25不同规格的两层瓷球8，瓷球8起保温作用。反应原料气SO2和CO从上封头4进入，经催化剂反应生成硫磺，从下封头5导出进入下工序。图4.1 反应器示意图硫磺在常压下的熔点是119。在非正常生产情况下比如停车，反应器的温度便会下降，即便下封头5内的瓷球8能够蓄热，但也很难长期维持，一旦温度低于54.0时，硫磺便会结晶，造成瓷球8相互粘连，结块，堵塞；另外，当装置开车时，由于硫磺结晶，瓷球8相互粘连结块堵塞，就必须从外界引入临时热源如蒸汽或热水等等，对结晶堵塞部位进行加热，疏通，这样势必延长了开车时间，同时也增加了工人操作强度，有时还会对人员安全造成威胁。本创新方案当反应器不正常工作导致反应器温度降低时，将蒸汽或热水通过夹套蒸汽进口10通入封头夹套8的夹层9内，通过封头夹套8加热下封头5及筒体13，保持筒体13内温度高于60，即可防止硫磺的结晶，同时避免了反应器底部的瓷球相互粘连，结块，堵塞封头。在装置开车时，又可缩短正常开车的时间，减轻化工人员的操作强度，避免了出现安全事故的可能性。4.2 换热设备结构创新4.2.1 高通量管高通量管是在光管的内表面或外表面上覆盖一层多孔性的金属烧结层，使传热表面大为增加，并提供大量的汽化核心，以强化管内或管外泡核沸腾传热的换热管。内表面多孔高通量管见图4.2，外表面多孔高通量管见图4.3：图4.2 内表面多孔高通量管图4.3 外表面多孔高通量管由于烧结型高通量换热管表面具有一层包含相互连通、形状各异的凹穴与孔隙的多孔层，与普通换热器相比，高通量管换热器的传热系数可达2000W/m2K以上，可以在很小的温差下（约10）维持沸腾，阻垢性能良好。高通量管换热器体积小，占地面积小，节省投资。通过查阅文献，为了同时扩大管内、外的有效传热面积，最大程度地提高管程的传热系数，节约材料，降低成本，节约能源，同时满足设备安装空间有限等特殊要求。我们将高通量管应用于气提塔塔底再沸器E0102，提高了换热器的效率。4.2.2 横纹槽管横纹槽管是双面强化管，如图4.4所示，管内表面是环形凸肋，外表面是相应的环形凹槽。流体流过这些凹槽和凸肋整个截面产生轴向涡流群，造成边界层的分离而减薄厚度，从而强化传热。横纹槽管管内传热系数高达光管的23倍；在管外纵向流动条件下，管外传热系数可达光管的1.6倍。横纹槽管对于管内流体的膜态沸腾传热也具有很大的强化作用，传热系数比光管大27倍。在传递相同热量和输送流体泵功率相同的条件下，用横纹管取代光管，可使换热器的换热管材料消耗量减少30%50%。图4.4 横纹槽管考虑到三级气液分离降温器E0104换热量较大，换热器体积较大，在此使用横纹槽管，提高了换热效果，降低了换热器体积。4.3 输送设备结构创新4.3.1 输液泵除气装置本输液泵除气装置，可用于排除带压液体中所含气体。该液体除气装置主要包括液体输入通道，液体输出通道，空心腔室，和带有阻尼器的气体逸出通道。这种装置能有效地排除机械式输液泵流出液体中的气泡。图4.5 输液泵和液体输送管路除气装置原理图在解吸工段中，由前工段膜吸收工段输送来的富液中夹带透过膜的过饱和气体。而经解吸后，目标产物SO2与其他气体混合，再分离能耗高。故本项目拟采用输液泵液体输送管路除气装置，将膜吸收后的富液在泵中实现气液相的分离，避免解吸后气体混合难以分离的问题。4.3.2 连续空载磁力泵本项目储罐区用泵均采用新型可连续空载磁力泵，从而实现磁力泵全天候缺液空载运行“无温升”、“零泄漏”，保证了生产的安全性。该系列泵由上海佰诺泵阀有限公司生产。泵体内衬、叶轮内转子，隔离套均采用纯净的F46材料一次性压模而成，无杂质析出，非常适用于输送高浓度、高腐蚀性的化学液体。轴承套内孔独特的螺旋槽设计，使滑动轴承副润滑更方便，更容易带走泵运转时摩擦产生的热量。泵体外壳采用球墨铸铁，泵体按国家标准法兰设计，机械强度非常好，并且能承受重型管道负荷。传统的磁力泵的都会标明严禁空载运转，但是实际上是需要24小时运转该泵的，在夜间无人值守时，储罐内的介质被泵抽干后没有及时停机，泵在缺液情况下连续运转，从而烧毁滑动轴承副，严重的内转子还会与隔离套产生刮擦而破裂引起介质泄漏及内外磁产生退磁，并与周边的设施和环境产生连锁反应，引起更大事故或损失。与传统磁力泵相比，新型磁力泵磁路为径向结构，结构简单、漏磁较少，由于空间的限制，采取这种特殊的隔磁方式，减小隔磁桥的尺寸来增大磁阻，使漏磁减小，使用较少钕铁硼永磁体能够提供电动机所需的气隙磁密。本实用新型泵使泵的整体效率提高，利用哈氏合金、钕铁硼永磁材料，使电机效率高、功率因数高及功率密度大、过载能力强，且温升低，噪声小，长期高温运行时可靠性高，无泄漏、防爆、耐腐蚀等特点，且可以在200下稳定运行。该系列可连续空载磁力泵采用特殊定制的滚动式陶瓷轴承，隔离套采用非金属进口材料，配上独特的风冷