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镇海炼化镇海炼化 18 万吨丙烷资源化利用万吨丙烷资源化利用项目项目 四川大学四川大学远航远航团队团队 秦皇岛秦皇岛热电厂烟气脱硫并资源化利用热电厂烟气脱硫并资源化利用项目项目项目项目摘要摘要 燕山大燕山大学硫在我心团队学硫在我心团队 20172017 年年“东华科技东华科技- -陕鼓杯陕鼓杯” 第十一届全国大学生化工设计竞赛第十一届全国大学生化工设计竞赛 秦皇岛热电厂秦皇岛热电厂 烟气烟气脱硫并脱硫并资源化利用项目资源化利用项目 项目项目摘要摘要 团队名称团队名称：燕山大学硫在燕山大学硫在我心我心团队团队 指导老师指导老师：康建新康建新、姜洋姜洋、何云华何云华、王龙刚王龙刚、李莹李莹 团队成员团队成员：李洁李洁、张硕张硕、唐政唐政、代品一代品一、霍天霍天怡怡 完成时间完成时间：20172017 年年 8 8 月月 1 / 11 秦皇岛秦皇岛热电厂烟气脱硫并资源化利用热电厂烟气脱硫并资源化利用项目项目项目项目摘要摘要 燕山大燕山大学硫在我心团队学硫在我心团队 1 1.项目简介 本项目是为秦皇岛热电厂烟气脱硫并资源化利用项目， 旨在对秦皇岛热电厂 三期工程 2300MW 燃煤机组进行脱硫、脱硝项目建设，按照国家目前火电厂的 脱硫、 脱硝、 除尘要求， 每年处理烟气 8.6109Nm3,减少二氧化硫排放 4.5 万吨， 脱硫效率达到 99.0%，减少 NOx 排放（按 NO 计）1.1 万吨，脱硝效率 91.9%， 年产 21.4 万吨工业级优等品磷酸二氢铵，联产 11.0 万吨 104.5%发烟硫酸。本 团队在工艺设计中，兼顾经济效益和高效脱硫，思路明确，亮点突出，其主要体 现在如下几个方面： 2.原料产品确定 本项目秉持着烟气脱硫并资源化利用和与园区原料、 产品体系有效融合的理 念，在秦皇岛东部临港开发区进行资源整合，充分利用中国-阿拉伯化肥有限公 司和华瀛磷酸有限公司与秦皇岛热电厂三家企业的地理优势， 打破了原有体系的 束缚，建立了新的原料、产品流转体系与项目合作关系，在充分发挥地域优势的 同时，节省大量的运输费用，创造最大的经济价值。 本本项目充分利用项目充分利用中国中国-阿拉伯化肥有限公司阿拉伯化肥有限公司和和华瀛磷酸有限华瀛磷酸有限公司公司与秦与秦 皇岛热电厂皇岛热电厂三家三家企业企业一墙一墙之隔之隔的的地理优势地理优势，建立建立了了新的新的原料原料、产品流转产品流转体体 系与项目系与项目合作合作关关系系，资源资源整合整合，旨在创造最大的经济价值旨在创造最大的经济价值； 本项目工艺在本项目工艺在 NADS 氨法氨法的的基础上基础上进行进行了创新了创新，设计设计为为磷酸磷酸二氢铵联二氢铵联 产发烟硫酸工艺产发烟硫酸工艺，同时设计同时设计了了氨氮废水汽提氨工艺氨氮废水汽提氨工艺，回收回收原料原料的的同时解决同时解决 了了氨氮废水氨氮废水处理过程处理过程中中“氨氨”二次二次污染问题污染问题，以废治废以废治废，绿色环保绿色环保； 采用采用 GGH 烟气热烟气热收集系统收集系统、反应釜循环反应釜循环热收集系统热收集系统等多项节能措施等多项节能措施 对工艺流程进行优化对工艺流程进行优化，同时同时工艺流股工艺流股间增加换热器间增加换热器，进行进行热量回收热量回收，来提来提 高效率高效率、降低能耗降低能耗； 采用新型动力波湿式采用新型动力波湿式反应器反应器，集反应集反应与脱吸于与脱吸于一身一身，提高提高二氧化硫二氧化硫分分 离能力离能力的的同时同时节省节省了了脱吸塔脱吸塔的设备费用的设备费用，新型屏蔽泵降新型屏蔽泵降低能耗低能耗，新型新型填料填料 增强性能增强性能。 2 / 11 秦皇岛秦皇岛热电厂烟气脱硫并资源化利用热电厂烟气脱硫并资源化利用项目项目项目项目摘要摘要 燕山大燕山大学硫在我心团队学硫在我心团队 图图 1. 原料组成原料组成 图图 2 .产品组成产品组成 本项目在产品结构方案上进行了调整与创新，体系结构方案详情见表 1。 表表 1 体系体系结构方案结构方案 名称名称 用途用途 来源来源 利用利用去向去向 液氨 脱硫吸收液 中国-阿拉伯化 肥有限公司 秦皇岛热电厂 磷酸 磷酸二氢铵制备过程 华瀛磷酸 有限公司 秦皇岛热电厂 氨氮废水 汽提处理，氨收集 中国-阿拉伯化 肥有限公司 秦皇岛热电厂 磷酸二氢铵 化肥厂复合肥生产 秦皇岛热电厂 中国-阿拉伯化肥 有限公司 发烟硫酸 磷酸制备过程 秦皇岛热电厂 华瀛磷酸有限公司 3.工艺设计 本项目经过产品选择和工艺方案论证，采用在 NADS 氨法基础上改进的磷酸 二氢铵联产发烟硫酸的新氨法工艺,设计了由除尘脱硝工段、氨氮废水汽提氨工 段工段、二氧化硫吸收工段、磷酸二氢铵制备工段、发烟硫酸制备工段组成的工 艺流程，并实现了全流程稳态模拟与优化。 工艺流程如图 3 所示，详见初步设计说明书第四章化工工艺及系统。 3 / 11 秦皇岛秦皇岛热电厂烟气脱硫并资源化利用热电厂烟气脱硫并资源化利用项目项目项目项目摘要摘要 燕山大燕山大学硫在我心团队学硫在我心团队 图图 3.工艺工艺流程流程 来自热电厂的含硫烟气经过 SCR 脱硝反应器，通过与氨含量 5%的空气反应 脱除 NOx 来达到排放要求后进入静电除尘器进行除尘； 经过预处理后的高浓度氨 氮废水通过一级预热器， 二级预热器加热后，进入到汽提脱氨塔内进行蒸汽汽提 脱除氨， 汽提塔塔顶出来的含氨蒸汽和预处理来的高浓度氨氮废水经一级换热器 换热后与处理后烟气混合， 可被水吸收作为氨水吸收剂。经过处理后的废水再回 流到化肥厂进行下一步处理；混合含氨蒸汽的烟气从二氧化硫吸收塔下部进入， 二氧化硫吸收塔内分段喷淋， 吸收液循环喷淋，氨水作为补充液加入到吸收液之 中， 氨水由液氨制备； 经吸收塔而来吸收液与磷酸混合后进入动力波湿式反应器， 向反应器内不断通入空气， 产生的二氧化硫经空气进入发烟硫酸制备工段，产生 的磷酸二氢铵溶液进入三效蒸发器结晶， 成品运往中阿化肥厂；由动力波湿式反 应器而来的二氧化硫经过一转一吸工艺制备发烟硫酸。 4.节能设计 换热换热网络优化网络优化 4 / 11 秦皇岛秦皇岛热电厂烟气脱硫并资源化利用热电厂烟气脱硫并资源化利用项目项目项目项目摘要摘要 燕山大燕山大学硫在我心团队学硫在我心团队 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 和 PID 图纸，对比分析得出最优。详见 Aspen 流程模拟源文件和 PID 图纸。 全厂各工段换热网络的匹配方案如图 4 所示。 图图 4 换热换热网络网络匹配方案匹配方案 图图 5 冷热换热网络的模拟冷热换热网络的模拟 同时完成了冷热换热网络的模拟，如图 5 所示；进行 EDR 设计，详见 EDR 设 计源文件。 GGHGGH 烟气烟气热交换系统热交换系统 烟气在低温排放情况下存在气凝胶，酸雾等问题，故需要高温排放，排放温 度在 80-90之间， 我们选定的烟气排放温度为 85。 故需要烟气热交换系统， 我们也对其进行了模拟。 交换过程如下：锅炉烟气经过静电除尘器和引风机后进 入脱硫系统，首先经烟气-烟气再热（GGH）降温进入脱硫塔。脱硫后烟气进入 5 / 11 秦皇岛秦皇岛热电厂烟气脱硫并资源化利用热电厂烟气脱硫并资源化利用项目项目项目项目摘要摘要 燕山大燕山大学硫在我心团队学硫在我心团队 GGH 后升温到 85，达标排放。详细设计请见附录 3-换热网络与节能设计 。 图图 6 GGH 烟气烟气热热交换交换系统系统流程图流程图 烟气热烟气热收集系统收集系统 该项目创新的应用了烟气热收集系统（反应釜循环热系统） ，对整个系统的 冷热物流进行合理分析，通过流程布置，实现了能量的充分利用。利用高温烟气 热量收集设备， 收集的烟气热量用于反应器加热来节省能量， 经 Aspen 运行合理 可行，可节约大量的公用工程。详细设计请见反应器设计 、 附录 3-换热网络 与节能设计 。 图图 7 烟气烟气热收集系统热收集系统 5.设备设计 本项目设计过程中主要对脱硫吸收塔、 磷酸二氢铵反应器、静电除尘器等设 备进行了详细设计，对换热器、泵、增压风机等设备进行了选型。详见典型设 备设计与选型和反应器设计说明书 。 动力波湿式反应器动力波湿式反应器 本项目设计选用动力波湿式反应器， 动力波湿式反应器解决了二氧化硫易溶 于反应液的缺点，节省了磷酸的使用量，同时由于反应器拥有脱吸功能，从而节 省了脱吸塔的设备费用，大大降低了投资成本.详细设计请见反应器设计说明 书 6 / 11 秦皇岛秦皇岛热电厂烟气脱硫并资源化利用热电厂烟气脱硫并资源化利用项目项目项目项目摘要摘要 燕山大燕山大学硫在我心团队学硫在我心团队 图图 8 动力波湿式反应动力波湿式反应示意图示意图 新型节能屏蔽泵和新型节能屏蔽泵和磁力泵磁力泵 本项目所使用的泵采用了新型节能屏蔽泵， 其为全封闭、无机械密封的独特 结构；定转子采用不锈钢套分别屏蔽密封，输送液体可进入内部电机冷却，从而 解决普通泵因为输送介质泄露、污染环境、运行可靠性差、维护困难等问题；转 动部分采用石磨轴承支撑， 输送介质润滑， 是低噪音绿色环保型升级换代替代品。 本项目储罐区用泵均采用新型可连续空载磁力泵， 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，配上独特的风冷循环结构设计，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。详 见创新性说明第四章。 6.清洁生产 本项目为秦皇岛热电厂烟气脱硫并资源化利用环保项目， 脱硫过程绿色高效 主要体现为： 采用液氨、磷酸作为原料路线，充分利用中国-阿拉伯化肥有限公司和华瀛 磷酸有限公司与秦皇岛热电厂三家企业的地理优势， 整合资源， 建立了新的原料、 产品流转体系与项目合作关系， 在充分发挥地域优势的同时，节省大量的运输费 用，绿色节能，低碳环保； 结合化肥厂氨氮废水不易处理， 易造成二次污染的问题与秦皇岛热电厂和中 阿化肥厂的地理优势， 我们设计了氨氮废水汽提氨工段，该工段运用汽提工艺对 1 2 7 / 11 秦皇岛秦皇岛热电厂烟气脱硫并资源化利用热电厂烟气脱硫并资源化利用项目项目项目项目摘要摘要 燕山大燕山大学硫在我心团队学硫在我心团队 化肥厂氨氮废水进行处理， 回收的氨用于脱硫过程，节约原料成本的同时对环境 友好，绿色环保，达到了以废治废的目的； 本项目采用氨法脱硫， 脱硫效率高达 99%， 同时资源化利用主要过程中无“三 废”产生，基本保证低污染乃至无污染，实现项目环境友好型、生产经济型。 7.厂区选址与布置 选址确定选址确定 图图 9. 厂区厂区选址选址 本项目位于秦皇岛热电厂内部东侧三期工程区域， 烟气脱硝、除尘装置连接 燃煤锅炉机组，处于装置区北部，装置区东部靠近中国-阿拉伯化肥有限公司， 装置区选址情况如图 9 所示。 秦皇岛热电厂与中国-阿拉伯化肥有限公司和华瀛磷酸有限公司同处秦皇岛 市海港区东部工业区。优势的地理位置，为本项目的设计提供了良好的基础，为 建立新的原料、产品流转体系提供了背景条件。 总厂布置总厂布置 总图布置根据人车分离理念，分设车流通道和人员通道，减少交通阻力。采 用了平行布置，将生产区与生活区布置在厂区径向干道两侧，使二者互不影响。 3 8 / 11 秦皇岛秦皇岛热电厂烟气脱硫并资源化利用热电厂烟气脱硫并资源化利用项目项目项目项目摘要摘要 燕山大燕山大学硫在我心团队学硫在我心团队 并且根据紧凑集中理念， 合理布置厂区内建筑及车间位置，达到高效稳定安全的 生产布置。厂区长 322m，宽 252m，总占地面积 81144m2，主要包括烟气脱硝、 除尘区，工艺装置区、储罐区、 生产辅助设施区、生活区等。 我们使用 Auto CAD 进行厂区的平面设计（厂区平面布置图如图 10 所示） 。 图图 10. 厂区平面布置图厂区平面布置图 三维布置三维布置 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 11。详见车间平立面、车间三维布 置和厂区三维布置源文件。 9 / 11 秦皇岛秦皇岛热电厂烟气脱硫并资源化利用热电厂烟气脱硫并资源化利用项目项目项目项目摘要摘要 燕山大燕山大学硫在我心团队学硫在我心团队 图图 11.厂区厂区三维效果图三维效果图 8.安全环境分析 本项目运用 Risk System 软件对厂区内的液氨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；还有 FAULT TREE 软件进行了详细 的事故分析；运用 EIAN2.0 软件对厂区及其周边环境进行噪声评价；运用了 Screen3Mod 大气估算软件进行了环境影响方面的评价；还采用了 HAZOP 分析 软件、对事故的关键节点进行分析后了设置 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。 10 / 11 秦皇岛秦皇岛热电厂烟气脱硫并资源化利用热电厂烟气脱硫并资源化利用项目项目项目项目摘要摘要 燕山大燕山大学硫在我心团队学硫在我心团队 图图 12.环境安全设计部分环境安全设计部分 9.经济效益分析 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 42177.87 万元，年利润 9494.34 万元，投资回收期 5.6 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。 详见 初步设计说明书 第二章 技术经济 和第二十六章 经济概算 。 表表 2 综合经济技术指标综合经济技术指标 序号序号 指标名称指标名称 单位单位 数值数值 一 生产规模 万 t/a 21.4 二、产品方案 1 磷酸二氢铵（99.0%） 万 t/a 21.4 2 发烟硫酸（104.5%） 万 t/a 11.0 三 固定资产投资 万元 34772.53 四 流动资金 万元 5911.33 五 年均总成本费用 万元 115132.1 六 年均经营成本 万元 110458.7 七 年均销售收入 万元 133900 八 全投资内部收益率（税前） % 31.0 九 全投资内部收益率（税后） % 26.0 十 自有资金内部收益率 % 20.5 环境环境 安全安