2-创新性说明书

年产4.4万吨过硫酸铵联产8万吨液态二氧化碳项目创新性说明书 目 录1. 工业废气污染源创新12. 脱除硫资源化利用创新13. 原料及产品结构的创新23.1 原料创新23.2 产品结构创新24. 工艺及工艺流程创新34.1 常温常压二氧化碳捕集34.2 塔内塔外结合高效率氧化44.3 氨和水回收系统44.4 Aspen挂接Excel模拟电解过程55. 设备创新65.1 采用高效除雾器65.2 蒸氨塔采用高效塔盘65.3 管壳式换热器强化传热与自清洁技术86. 过程节能设计96.1 双效蒸发系统96.2 蒸汽喷射热泵106.3 热泵精馏126.4 热集成136.5 水集成136.5.1 水夹点技术136.5.2 水的再生与利用157. Fluent脱硫吸收塔流场模拟168. 动态模拟179. 环境保护1810. 环境与安全风险评估18 齐齐哈尔大学小宇宙团队1.工业废气污染源创新二氧化硫是目前大气污染物中含量较大、影响面较广、危害能力最强的一种气态化合物。火电行业二氧化硫是全国二氧化硫排放大户，据2014年全国环境统计公报显示，火电行业二氧化硫排放量约占全国工业二氧化硫排放量的39.3%， 污染十分严峻。在2017年年初，山西省临汾市的空气质量指数(AQI)一直处于500的上限水平，该市还是全国唯一一个细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)三项污染物“爆表”的地区。其中对健康急性伤害较大的二氧化硫浓度一度超过1300微克每立方米。据此，本项目对该地区龙头发电企业大唐国际临汾热电公司1号300MW机组进行烟气脱硝除尘脱碳深度脱硫处理。2.脱除硫资源化利用创新本项目为年产4.4万吨过硫酸铵联产8万吨液态二氧化碳项目，原料来自大唐临汾热电公司锅炉烟气，锅炉烟气的主要成分为：CO2、SO2、NO、O2、H2O、灰尘等；目前国内氨法烟气脱硫的主要产品为硫酸铵，作为氮肥使用，可有助于提高农作物产量，但其本身仍有很大弊端，弊端如下：(1)硫酸铵产品本身价格低廉，以硫酸铵为氨法脱硫的主要产品增加了脱硫的成本；(2)大量使用硫酸铵会导致土壤板结；(3)国内硫酸铵的用量供大于求，销售出路受限制；针对以上问题，本项目对氨法脱硫产品做了创新性生产(改硫酸铵生产过硫酸铵)，相对硫酸铵而言，过硫酸铵的市场前景广阔，附加值更高，因此将主产品改为过硫酸铵增加了产品收益，减少了脱硫成本；表2-1 过硫酸铵与硫酸铵经济性对比名称市场价格(元)主要用途附加值硫酸铵700肥料低过硫酸铵8000精细化学品高3.原料及产品结构的创新3.1 原料创新大唐国际临汾热电公司位于临汾煤化工工业园区，区内有多家大型焦化企业，焦化企业生产过程中会产生大量的焦化废水，其中含有较多的剩余氨水。剩余氨水是一种成分复杂、浓度高、毒性大、难降解的工业废水,主要产生于炼焦过程中。剩余氨水中的主要成份有NH3、H2S、CO2、HCN、铵盐等。对剩余氨水的处理一般采用生化处理方法,由于剩余氨水中的氨氮和污染物浓度均比较高,若直接进行生化处理的话,细菌将难以承受,因此在生化处理之前,会利用蒸氨工艺回收部分氨,以降低剩余氨水中的氨氮和污染物的浓度,再送至生化处理设施。据此，本项目增设废水蒸氨工段，将焦化废水中的氨加以回收利用，以供烟气脱硫使用，节约了脱硫成本，保护了环境；图3-1 废水蒸氨工段流程图3.2 产品结构创新本项目产品结构丰富，可实现年产4.44万吨98.5%的过硫酸铵、7.98万吨99.98%的食品级液态二氧化碳、438.7万立方米99.95%的氢气以及0.88万吨农业级碳酸氢铵、30.7万吨的粉煤灰以及7.2万吨的低压蒸汽。图3-2 产品结构图4.工艺及工艺流程创新4.1 常温常压二氧化碳捕集目前，国内对于传统燃煤电厂碳捕集工艺的研究处于起步阶段，二氧化碳捕集方法主要是化学吸收法，化学吸收法被认为是电厂烟气CO2捕集最可行的方法。目前，化学吸收法采用的最主要吸收剂是一乙醇胺(MEA)溶液。但是，选用MEA法，烟气和吸收剂流量的增大将会导致吸收剂成本提高、对吸收塔腐蚀增大、降解严重等问题。与MEA法相比，利用氨水捕集CO2具有CO2脱除率高、再生能耗低、设备腐蚀率低、溶液不易被O2降解等优点，氨(氨水)法脱碳开始受到广泛关注。本项目设计采用世界先进的常温常压氨法捕集CO2工艺，并对二氧化碳进行了精制处理，其纯度达到99.98%。关于二氧化碳捕集及精制工段的具体内容请参见项目初步设计说明书第三章化工工艺与系统。图4-1 二氧化碳捕集与精制工艺流程图4.2 塔内塔外结合高效率氧化传统氨法脱硫亚硫酸铵氧化方式为塔内氧化，由于氧化产物硫酸铵对于烟气中的二氧化硫没有吸收作用，这样就导致了溶液中吸收液的量减少，为了维持系统脱硫效率，只能向塔内多注氨，造成出口烟气中的逸氨增加，同时也会产生气溶胶问题，带来二次污染问题，鉴于此，本项目改传统的氧化为塔内塔外结合的氧化方式，避免了以上问题，通过Aspen Plus模拟数据对比并查阅相关资料可知，当反应器体积相同时，多釜串联氧化效果优于单釜反应，而且，多釜串联时反应釜搅拌轴的功率远远小于单釜时的功率。综合考虑上述因素，本项目设计了五级通气式搅拌釜反应器，亚硫酸铵的氧化效率可达98.4%；图4-2 塔内-外结合氧化流程图4.3 氨和水回收系统氨法脱硫过程中会产生氨逃逸问题，逃逸的氨不仅污染环境，而且危害人体健康，高浓度的氨逃逸还可能造成安全问题，因此氨逃逸问题是氨法脱硫过程中必须注意到的重要问题之一；同时，氨法脱硫过程消耗大量的水资源，而本项目总厂所在地山西临汾，水资源相对较匮乏，因此本项目设计增设氨回收系统，把吸收塔出口处的氨加以回收，从而将氨逃逸量控制在1PPM以内，远低于国家相关标准，解决了氨逃逸问题；同时，由于烟气中存在着大量以蒸汽形式存在的水分，回收大量的水，直接排放使得这部分水被浪费掉，采用本套系统，可以回收50%的水分，以供循环使用，节约水资源；图4-3 氨和水回收系统流程图4.4 Aspen挂接Excel模拟电解过程硫酸铵电解主要产物是纯度98.5%以上过硫酸铵(属于工业优等品)以及纯度99.95%以上的氢气，具有较高的市场潜力和附加值，因此需要对硫酸铵的电解过程进行必要的参数模拟，以达到掌握该过程相关数据进而指导实际工业生产的目的。Aspen Plus里没有电解相关的模块，但其强大的第三方软件接口，为我们提供了便利，本项目采用Aspen Plus与Excel挂接，对电解过程进行模拟，得出了主副产品的相关数据，可对工业实际生产提出建议。具体源程序请参见电解模拟文件夹。图4-4 Aspen Plus挂接Excel电解模拟流程图图4-5 电解过程PID图5.设备创新5.1 采用高效除雾器氨法脱硫是目前应用较广的烧结烟气脱硫技术，但存在比较严重的硫铵逃逸现象，氨逃逸主要有两种途径：一是挥发氨随烟气逃逸到大气中，二是硫酸铵以气溶胶的形式随烟气逃逸，后者是氨逃逸的主要形式，目前，可以通过改善溶液 PH值、反应温度、改善除雾器的结构、增加喷淋层数等措施来消减氨逃逸。本设计中，我们选用一种新型高效的余弦形除雾器，在相同的工艺参数下，该余弦形除雾器与吸收塔原波纹板除雾器相比，在塔内烟气流速同为3.8m/s时，新型的余弦式除雾器比传统的波纹板式除雾效率可提高4.5%。图5-1 不同速度下除雾器的除雾效率对比图图5-2 余弦形除雾器结构示意图与实物图5.2 蒸氨塔采用高效塔盘ADV浮阀塔对于普通浮阀塔来说，长期以来最常用的塔盘是F1型浮阀塔盘。其基本原理是让气相沿塔盘横向流过泡层，造成强烈的气液混合，从而在两相之间产生良好的传热传质过程。但是浮阀塔盘的制造成本相对较高，过去往往采用单个面积较大的浮阀。大浮阀的使用使得流过单一浮阀的气速截面积过大，气相接触的比表面积降低，反过来会影响传质效率。ADV高性能浮阀塔盘，正是在F1型浮阀塔板的基础上，吸取其有利因素，并克服其缺点而开发的，在浮阀结构和塔板结构上有其独特之处，具体如下：(1)ADV微分浮阀结构示意见图5-3。在浮阀顶平面上增加了3个切口，相当于小阀孔，消除传统F1型浮阀顶部传质死区，使气体分散更加细密均匀匀，气液接触更充分。此外，由于部分气流经阀顶小孔喷出，降低了阀周边喷出的气速，并减少了高负荷时各阀间的气流对冲，从而减少雾沫夹带，相应提高了气相处理量。图6-3 ADV微分浮阀结构示意见图(2)ADV微分浮阀具有特殊的阀腿和阀孔结构，使浮阀不能旋转，只能上下浮动，对气流具有一定的导向作用，可以减少返混，有利于消除塔板上液体滞流区，使液流分布均匀，从而提高效率(见图5-4、图5-5)。图5-4 ADV微分浮阀和传统浮阀鼓泡状况图5-5 塔盘上液体的流动状态(3)采用铰接式塔板连接结构，使塔板连接处也可布阀，增大了塔盘的开孔率，提高了整个塔盘的阀孔排列均匀度，进一步提高了塔板效率和处理能力，同时缩短了塔盘安装时间。(4)在液体人口区安装鼓泡促进器。其原理是减薄液层，降低液体人口处的液体静压，使气泡更易形成，同时使气体分布也趋于均匀，从而提高了传质效率。(5)采用新式降液管，可有效降低受液面积，从而增加鼓泡区面积，提高塔盘处理量。ADV浮阀塔盘与F1浮阀塔盘具有相同的浮阀尺寸，因此F1浮阀塔盘的设计程序和方法完全适用于ADV浮阀塔盘的常规设计。只需要用ADV浮阀一对一替换F1浮阀，而不必改变其他塔盘参数和阀孔排列，就可减少安装时间，节约投资，并且塔板性能就会有如下变化：1塔板处理能力提高40%；2塔板效率提高10%以上；3塔板的泄漏率大幅下降，约降低60%以上；4塔板的操作弹性由5提高至10；5高气速下，雾沫夹带量大幅下降；10%夹带点气速提高约2030%；6蒸氨塔塔板效率较F1增加515%。5.3 管壳式换热器强化传热与自清洁技术 电力是最主要的高耗能行业之一，也是“节能减排”任务艰巨和潜力巨大的行业。在火力发电生产过程中充分利用高效热交换技术和设备是提高能源利用率，实现“节能减排”的重要途径。因此，必须进一步加强研究开发并推广应用高效换热技术和设备，以确保“节能减排”战略目标的实现。传热效率低下和传热表面积污结垢造成的传热劣化问题，是国际上多年来一直未解决的热传递过程中的难题，也是制约化工等高能耗行业提高能耗利用率的瓶颈问题。考虑上述因素，本项目氨法脱碳工段换热器中使用了“洁能芯”。“洁能芯”是北京化工大学在国际上首创的节能降耗效益显著的高新技术产品。“洁能芯”可直接安装于传热管内，既可有效地解决管壳式换热器效率低下的问题，又无须改变换热器的结构。洁能芯的主要技术特点是：具有在线自动清洗与强化传热的双重功能；具有自调性功能，避免刮擦管壁，保障换热设备的运行安全；具有高效率、高可靠性等优点，节能降耗，效益巨大；具有很强的适应能力,能用于换热介质低流速到高流速的各种工况；结构确定的洁能芯，其自转速度只与介质流速有关，不受换热管长度的限制，并可适应换热管的弯曲；采用高分子材料制成,具有自润滑、耐腐、耐磨、耐高温、抗老化等特点；采用流线型结构设计、介质流动阻力增加不明显,完全在工程允许的范围内；具有安装简便的特点,不需要对原换热器设备结构做任何改变。图5-6 洁能芯构造图5-7 换热管内置“洁能芯”工作原理图与安装实景6.过程节能设计6.1 双效蒸发系统本项目中主要产品为通过电解硫酸铵浓缩液而得到的过硫酸铵，而硫酸铵的电解对其浓度有一定的要求，因此必须对硫酸铵浆液的浓度进行有效控制，而传统的氨法脱硫工艺塔底产品主要是硫酸铵晶体，不利于后续工序的进行，因此需要将硫酸铵的主要浓缩任务改在塔外进行。查阅相关资料知，传统的多效精馏其效数受投资和操作条件的限制，效数增加，塔数增加，设备费用增加，而且，多效精馏系统的操作相对困难，且对设计和控制都有更高的要求，而多效蒸发系统多个蒸发器中的温度经过一定时间后，温度差及压力差自行调整达到稳定，使蒸发能连续进行，并且，由于重复利用了热能，因此多效蒸发可以显著降低蒸发过程的热能耗用量。因此，运用多效蒸发系统，可以使硫酸铵浓缩液的浓度可以有效控制，同时可以回收大量较清洁的水，节约水资源，再综合考虑到经济问题，最终本项目设计选择更优的双效蒸发系统。如下表为利用Aspen Energy Analgzer软件做了能耗分析后得到的数据，根据数据计算可知，针对本项目而言双效蒸发系统相对于双塔精馏节约能耗约为：22.4%。图6-1 双效蒸发系统流程图图6-2 传统双塔精馏流程图能耗对比结果如下所示：表6-1 能耗对比热负荷(MW)中压蒸汽低压蒸汽空气冷却水合计双效蒸发系统015.52023.9839.50双塔精馏9.9223.1917.80050.906.2 蒸汽喷射热泵蒸氨工艺是采用在蒸氨塔中直接加入碱液分解固定铵盐的反应精馏技术具有能耗高、不稳定性等特点，而本项目设计采用的蒸汽喷射式热泵蒸氨工艺，属于节能型蒸氨工艺，其主要节能措施是在蒸氨塔后设置蒸发器和蒸汽喷射器,喷射器产生一定的减压效果,使蒸氨废水在蒸发器中二次蒸发,然后二次蒸汽被回收进行循环利用。蒸氨废水在蒸发器中二次蒸发的过程回收了废水中部分易挥发的残余氨,使得蒸氨废水的氨含量进一步降低。该节能工艺的优点是无需改变蒸氨塔的操作条件,只需在蒸氨流程中设置喷射器和蒸发器,就可以有效改善蒸氨能耗大的问题,降低直接蒸汽单耗,回收利用蒸氨废水的热量。因此,使用蒸汽喷射闪蒸装置的蒸氨节能系统的的节能效益要比只通过换热器回收废水中的显热的蒸氨系统获得的节能效益多很多。图6-3 蒸汽喷射热泵版蒸氨工艺流程图图6-4 无蒸汽喷射热泵版蒸氨工艺流程图蒸汽喷射热泵系统与无蒸汽喷射热泵系统对比结果如下所示：表6-2 蒸汽喷射热泵系统与无蒸汽喷射热泵系统对比结果一览表项目无蒸汽喷射热泵系统蒸汽喷射热泵系统节能效益折算蒸汽量热量折算蒸汽量热量折算蒸汽量MJ/hKg/hMJ/hKg/hKg/h直接蒸汽144100.111000117900.2900002000二次蒸汽-35435.42725.8换热器热交换量25357.1195018802.91446.4504效益合计-2504蒸氨节能系统在增加了蒸汽喷射热泵后,节能效益折算为蒸汽量共2504kg/h。其中二次蒸汽的节能效益折算的蒸汽量为2725.8kg/h，氨水换热器产生的节能效益折算的蒸汽量为504kg/h，从而使得蒸氨节能系统的直接蒸汽用量下降到的90000kg/h，蒸汽单耗也从110kg/t下降到90kg/t(氨水)水平。由此可见,增加了蒸汽喷射热泵的节能系统在降低直接蒸汽单耗,节约能耗方面的优势非常明显。6.3 热泵精馏热泵精馏的出发点是提高精馏过程中一部分能量等级，用于自身的再沸器加热器需要。查阅相关文献可知，根据热泵所消耗的外界能量不同，热泵精馏分为汽相压缩式热泵和吸收式热泵精馏，根据压缩机工质的不同，蒸汽压缩式热泵又分为塔顶汽相直接压缩式、塔底液体闪蒸式和间接蒸汽压缩式三种类型。蒸汽压缩式热泵精馏结构通常可用于以下过程：塔顶和塔底温差较小的精馏塔、被分离物质沸点相近的难分离系统、低压下精馏时塔顶产品需要用冷冻剂冷凝的系统等。本项目设计中氨回收塔塔顶温度为：99OC,塔底温度为:100OC,温差为1OC，温差很小，可以设置热泵把塔顶汽相压缩升温作为塔底再沸器的热源，从而 省去再沸器和冷凝器，节约能源。如下表为通过Aspen Energy Analgzer软件对设置热泵前后做了能耗分析后得到的数据，通过计算可知，设置热泵节约能耗约为28.9%。因此建议在实际生产过程中，对氨回收塔设置热泵，以达到节能的目的。图6-5 氨回收塔塔顶汽相压缩式热泵工艺流程图普通精馏与热泵精馏对比如下所示：表6-3 普通精馏系统与热泵精馏系统对比结果一览表热负荷(MW)中压蒸汽低压蒸汽空气冷却水合计普通精馏04.7642.86107.645热泵精馏00.00505.4235.4236.4 热集成通过 Aspen Energy Analyzer 软件，然后根据夹点设计法，对全流程换热网络进行了设计，最终确定换热网络方案如下，详情参见初步设计说明书过程节能章节。图6-6 优化后换热网络图优化前后节能效果如下所示：表6-4 优化节能效果一览表项目热公用工程冷公用工程换热网络优化前9.72108kJ/h8.06108kJ/h换热网络优化后6.655108kJ/h2.135108kJ/h节约百分率31.5%73.5%6.5 水集成6.5.1 水夹点技术水夹点技术是水网络集成技术的一个分支，用各操作单元的用水的负荷对浓度参数作图，得到负荷浓度关系图。用水系统的极限复合曲线与最小供水线的交点就是的水的“夹点”。在夹点的上方，该操作单元的用水的极限进口浓度高于夹点浓度，要通过处理后利用，不能使用新鲜水，通过其他操作单元的处理用水来补充；在水夹点下方，该操作单元的极限出口浓度低于夹点浓度，不应排放废水，应将提高它的重复利用价值。这就是用水的“夹点技术”。在实施所设计出的最大水复用率的用水网络时，要对某些作为中间用水过程出口水流中的部分非关键组分进行水处理，使它们的浓度达到匹配的用水单元进口浓度要求。最小供水线斜率的倒数就是系统的最小新鲜水用量。用水网络浓度间隔如图所示：图6-7 用水网络浓度间隔用水组合曲线和最佳供水量如下图所示：图6-8 最佳供水量6.5.2 水的再生与利用从系统某一单元操作中产生的废水或多个单元操作产生废水的总汇，经过全部再生和部分再生后，在对其它单元无不利影响条件下，作为该单元操作的水源，从而大幅度减少新鲜水的需求和废水处理量。废水的再生再利用中，夹点处再生可实现新鲜水用量和废水处理量最小，此时最小新鲜用水量为197.07t/h，新鲜水浓度为330.00ppm，平均输出水浓度609.72ppm。其初步用水网络如下所示：图6-9 初步用水网络优化后用水网络如下所示：图6-10 优化后用水网络根据上述用水网络设计，优化前和优化后对比如下表所示：表6-5 优化前后用水量对比情况一览表新鲜用水量（t/h）重复利用率%优化前全部新鲜水959.3520.54优化后再生重复利用197.07综上所述，采用水集成夹点技术后，建立优化后的用水网络，水的重复利用率相比之前没采用的水集成网络提高了20.54%，同时改善了园区用水紧张的局面，有助于推进全场的节能降耗，取得良好的经济效益和环保效益。7.Fluent脱硫吸收塔流场模拟以火电厂烟气氨法脱硫塔为研究对象，烟气进入吸收塔向上流动，并在喷淋区与硫铵浆液液滴逆流接触，发生传质与吸收反应，以脱除烟气中的 SO2。脱硫后的烟气经除雾器将烟气中含有的大部分液滴除去，最后通过吸收塔顶部的直排烟囱排放到大气中，吸收 SO2之后的浆液滴则落入浆液池中。喷淋区内有三层交错布置的喷淋层，每层安装了69个螺旋喷嘴，该区域主要研究气液两相流动特性。并对塔内有无喷淋层做了对比本项目设计过程中采用FLUENT对脱硫吸收塔进行模拟以得到塔内的流体流动情况，在GAMBIT中建立物理简化模型，并生成网格。采用四面体结构化网格，并对网格质量进行检查，每个网格单元的最小内角大于18、最小雅克比矩阵与最大雅克比矩阵行列式的比值大于0.7。根据求解目标利用CFD前处理软件GAMBIT建立吸收塔的数学物理模型。确定所解决问题的特征之后，一般需要按照以下的基本步骤来解决问题。利用GAMBIT创建基本模型后划分网格，并倒入FLUENT选择合适的结算器：2D，3D，2DDP，3DDP。在FLUENT中检查倒入的网格是否正确合理