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天铁轧二54万Nm3/h烟气处理项目 项目摘要 1 / 20目录第一章 项目简介1第二章 原料及产品的确定22.1产品方案22.2工艺设计3第三章 节能设计53.1热集成分析53.2项目亮点6第四章 设备优化9第五章 厂区选址与布置125.1总厂布置125.2三维布置13第六章 安全环境分析15第七章 项目经济性分析16第八章 项目总结18 Keep on Innovation 1第一章 项目简介本项目是为天津天铁轧二制钢有限公司建设一个54万Nm3/h的烟气处理分厂，采用SCR催化还原法脱硝工艺，氨法脱硫工艺及MDEA法脱碳工艺对烟气进行处理，并对烟气中的SO2，CO2等予以资源化利用，产出3.57万吨/年硫酸铵，5.85万吨/年碳酸丙烯酯，选址在天津市北辰化学工业园区。设计中尽量采取原料的循环利用，减少原料需求量，利用节能新技术，降低能量损耗，兼顾经济效益和清洁生产，减少系统对环境的不利影响，对排出的污染物提出了合理的治理方案，思路明确，亮点突出，其主要体现在如下几个方面。 图1-1设计亮点Keep on Innovation 1第二章 原料及产品的确定本项目为天津天津天铁集团54万Nm3/h烟气处理及资源化利用项目，总厂烧结机产生的烟气经管道送至分厂进行脱硝，脱硫，脱碳处理，并回收烟气中的CO2，SO2用以制备产品，产品硫酸铵为优等品，年产3.57万吨，碳酸丙烯酯(PC)为一等品，年产5.85万吨。总厂的烟气组成由我们进行调研所得，结果如图2-1所示：图2-1 烟气组成示意图2.1产品方案表2-1 产品方案示意图产品名称硫酸铵碳酸丙烯酯执行标准GB 535-1995ISO 9001：2000规格优等品一等品产量3.57万吨/年5.85万吨/年2.2工艺设计本项目经过产品选择和工艺方案论证，选择先脱硝再脱硫最后脱碳的工艺顺序，采用SCR催化还原工艺脱除氮氧化物，氨法脱硫工艺脱除SO2，使用甲基二乙醇胺吸收部分烟气中的CO2制取碳酸丙烯酯，液氨及氨水由天津天铁焦化有限公司提供，环氧丙烷及甲基二乙醇胺采用外购形式。全流程分为烟气处理工段和产品制备工段，其中烟气处理工段分为烟气脱硝部分，烟气脱硫部分，烟气脱碳部分，产品制备工段分为碳酸丙烯酯合成部分及硫酸铵制备部分，并实现了全流程的稳态模拟及优化。工艺流程简图见图2-2：详情见初步设计说明书第四章化工工艺系统；图2-2 工艺流程简图来自总厂的烟气先经除尘装置进行除尘处理，处理后的烟气进入脱硝装置脱除氮氧化物，脱硝部分采用SCR催化还原工艺，在氨气的作用下将氮氧化物还原为N2和H2O，脱硝后的烟气经风机送至脱硫塔内进行烟气脱硫处理，脱硫部分采用氨法脱硫工艺，弱酸性吸收液(主要为亚硫酸铵)由塔顶经喷嘴雾化喷淋至塔内，与烟气逆流接触，吸收掉烟气中的SO2，吸收液抽至塔外进行氧化反应，处理后的烟气送至烟气脱碳部分。塔外氧化器主要使用空气强制氧化技术，氧化产物打回脱硫塔内的浓缩段给烟气降温，并利用烟气中的热量对氧化产物进行预浓缩，浓缩后的液体送至产品处理工段进行双效蒸发及干燥等工序制取硫酸铵产品。烟气脱碳部分采用MDEA对烟气中的CO2进行吸收，解析出来的CO2与环氧丙烷混合后连续催化合成碳酸丙烯酯（PC）, 改善了废气处理项目长期以来的亏损状态，并运用水集成技术与集中处理的方式尽量减小污染物的排放，使之对环境的污染大大降低。全流程模拟如图2-3所示：图2-3 总流程模拟示意图Keep on Innovation 8第三章 节能设计3.1热集成分析在本项目中，涉及公用工程量较多。为了充分利用能量，本项目通过使用Aspen Energy Analyzer 软件，根据夹点设计法，结合实际情况，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，对比分析得出最优。详见 Aspen plus流程模拟源文件。图 3-1 优化后的换热网络图3-2 优化前的化热网络优化前后公用工程用量对比：图3-3优化前后公用工程对比使用Aspen Energy Analyzer对换热网络进行优化以后，我们使用了EDR软件对换热器进行了详细的设计，具体设计结果见典型设备设计说明书。3.2项目亮点本项目采用多种创新技术，理论与实践相结合，对氨法脱硫技术中的氨逃逸问题及脱硫效率的问题加以改善，并使用软件进行模拟，得到的模拟结果与工业数据吻合较好，具有较高的可信度。部分创新说明如下： 图3-4项目亮点其中双效蒸发的流程模拟如下：考虑到蒸发过程中会有晶体析出，我们采用了错流双效蒸发，更有利于晶体的析出，第一效蒸发器采用低压蒸汽进行加热，二次蒸汽直接用于给下一蒸发器提供热量，保证蒸发效果的同时减少了公用工程的使用。图3-4双效蒸发的模拟 图3-5双效蒸发节能示意图水力透平的流程模拟如下：在CO2吸收塔塔底设置水力透平机组，充分利用脱碳富液的压能差来带动半贫液泵，将富液卸压至7bar，半贫液提升至21.7bar，当压能差不能满足半贫液的压力提升要求时，不足的能量由电机提供。图3-6 水力透平的模拟 图3-7 水力透平节能示意图详细节能情况请见初步设计说明书第四章化工工艺系统；第四章 设备优化SCR脱硝反应器中烟气流量较大，如使用传统反应器气体扰动很严重，催化还原效果较差，理论计算困难，无法达到稳定的脱除效果。故我们团队在反应器中添加使用导流板，其作用是让烟气流速均匀， 尽可能使通过催化剂的烟气流量分配合理。图4-1 反应器结构图表4-1脱硝反应器模型参数入口尺寸（高宽）催化剂尺寸（长宽）催化剂层数（含备用）直导流板高度直导流板 间隔出口尺寸（高宽）2m7.5m8m7m3600mm100mm4m7.5m导流板的模拟过程及结果分析首先得到不加导流板的反应器模拟结果，见图2-12不加导流板速度分布云图。从图中可以看出，反应器内存在多处涡流且反应器的左方速度接近于零，右方达20m/s，速度分布明显不合理。图 4-2 不加导流板速度分布云图为达到模拟流场的最好效果，对反应器弯道处及催化剂上方设置导流板以调整其流速分布，经过多次变化模拟，得到一种效果较好的流场分布，此时的反应器称为改进型反应器。通过反复对网格文件的完善和模拟过程参数的调整完成残差曲线的收敛，最终得到催化剂层流速分布系统流速分布等模拟结果。详细结果见图2-13添加导流板后速度分布云图与图2-14添加导流板后速度分布流线图图4-3添加导流板后速度分布云图图4-4添加导流板后速度分布云图由图4-3和图4-4可见反应器内部速度得到很好的改善，基本4-6m/s之间，流场分布比较合理；结构及导流板设置合理保证了SCR脱硝系统流速分布均匀，内部无涡流，流速过渡平缓。满足了SCR系统对烟气流速及流向的要求。Keep on Innovation 18第五章 厂区选址与布置根据本项目的具体情况，选厂工作在长远规划的指导下，选择靠近主厂和销售地点的地方，最终确定厂址为北辰化学工业园区，为天铁轧二制钢脱硫车间。北辰区位于天津市城北，水陆交通便捷、四通八达，区域优势明显。境域地势坦荡低平，西高东低，气温变化除地理环境限制外，气团交替是主要支配因素。由于背靠欧亚大陆，面临太平洋，除夏季能得到海洋性气候调节，大部分时间被西北大陆气团所控制，表现为夏季炎热、冬季寒冷。图5-1 厂区选址示意图5.1总厂布置本项目厂址选择在遵照所列设计规范的要求进行设计，整个厂区呈矩形布置，东西方向跨度271.3m，南北方向跨度137.8m，厂区总占地面积37285.1m2。整个厂区分为四个部分：生活区，辅助生产区，生产区及储运区。图5-2 厂区平面布置图5.2三维布置本项目利用 Auto CAD 对进行了设备布置图的绘制，确定设备的摆放位置，方便生产，同时对厂区三维进行设计，如图 。详见车间三维布置面、车间三维配管和厂区三维布置源文件。 图5-3 车间三维布置图图5-4 车间三维配管图图5-5 三维厂区示意图第六章 安全环境分析本项目运用 Risk System 软件对厂区内的环氧丙烷、液氨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，继而根据源相分析的结果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蒸汽云爆炸事故、BLEVE 事故、池火事故、中毒事故的模拟；运用 Noise System软件对厂区及其周边环境进行噪声评价；运用了 Screen3Mod 大气估算、EIAW水质评价预测等软件进行了环境影响方面的评价；还采用了 HAZOP 分析软件、道化学火灾、爆炸危险指数评价对重大危险源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6-1环境安全设计部分第七章 项目经济性分析本厂经济技术分析遵循相关经济指标与分析方法，在充分了解市场价格后，借助 Aspen Economic Analyzer 进行辅助计算，对全厂投资、利润、现金流量等进行了详细估算与说明。计算可知，本厂总投资23365万元，年利润 12692.1万元，投资回收期 8.4 年。分析结果表明，本厂在经济上是可行，具有较高的经济效益。表7-1 综合经济技术指标序号项目名称单位数量一生产规模万吨/年9.42二产品方案1硫酸铵万吨/年3.572碳酸丙烯脂万吨/年5.85三年工作日天333四主要原、辅料用量1液氨万吨/年0.932MDEA万吨/年0.000533环氧丙烷万吨/年3.724水万吨/年17.375DKC ZERONOXRm3/年19.176KI-Al2O3吨/年3.907空气万吨/年23.80五公用动力消耗1电kWh3.7681072中压蒸汽吨/年4268.48483冷却水万吨/年2813.94深井水万吨/年30.25焦炉气吨/年716六三废排放1废水万吨/年4.0622废气万Nm3/年61.4833废固吨/年19.236七项目定员人137八总占地面积m257280.61建筑占地面积m27046.62道路占地面积m210156.33绿化面积m25881.7九项目总投资万元233651建设投资万元18093.42流动资金万元5271.6十年总销售收入万元63433.1十一年总成本万元44970.9十二年利润总额万元12692.1十三年销售税金及附加万元3540.3十四年所得税万元2239.8十五财务评价指标1投资利润率%312投资利税率%38.93投资回收期年8.44财务内部收益率%12.525财务净现值万元6028.9第八章 项目总结本项目以“安全稳健、节能环保、资源化利用、可持续发展、有效融合”的设计原则进行了初步设计。通过查阅文献、市场调研确定了先脱硝，再脱硫最后脱碳的基本流程。然后采用 Aspen Plus 软件完成全流程的工艺模拟，并对全流程进行物料衡算和能量衡算。再根据模拟数据并结合 Aspen Energy Analyzer 软件对过程进行了热集成分析，确定了本项目的节能方案。在此基础上再用 Aspen plus 软件对所需的公用工程进行了模拟计算和优化设计。根据