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深度脱硫年产9万吨二硫化碳项目-摘要 硫然而生目 录1项目概况11.1 项目简介11.2 背景11.3 项目设计12工艺简述22.1 燃煤烟气压缩工段22.2 燃煤烟气吸收工段22.3 燃煤烟气解析工段32.4 SO2脱水塔42.5 液化气吸收解析工段42.6 克劳斯工段52.7 二硫化碳生产工段62.8 二硫化碳精制工段73工艺创新84节能85设备设计96控制技术97清洁生产与安全107.1清洁生产107.2安全风险评价108厂区布置109经济分析1110总结121项目概况1.1 项目简介（1）项目名称：深度脱硫年产9万吨二硫化碳项目（2）项目建设单位：中国石化齐鲁石油化工公司 中国华能辛店电厂（3）项目建设地点：齐鲁化学工业园区 1.2 背景我国酸雨和二氧化硫污染严重，造成了巨大的经济损失，严重影响了国民经济的发展和人民群众的正常生活。酸雨面积已经占国土面积的30，酸雨和二氧化硫污染造成经济损失每年在1000亿元以上。我国能源结构的特点决定了控制燃煤二氧化硫的排放是我国控制二氧化硫污染的重点，而控制火电厂二氧化硫排放量又是控制燃煤二氧化硫污染的关键。目前我国主要采用了使用低硫煤、关停小火电机组以及部分火电厂安装烟气脱硫装置等措施控制火电厂二氧化硫排放，其中使用低硫煤贡献最大，受我国国情决定，未来控制火电厂二氧化硫污染最主要的方法是烟气脱硫。在2015年5月1日，工信部要求禁止使用间歇焦炭法生产二硫化碳，会导致约占总产能1/3的落后产能将退出历史舞台，二硫化碳的产能将出现严重不足，满足不了市场需求，同时这些落后产能的淘汰，使二硫化碳行业一年可减排二氧化硫约20万吨，相当于2400个百万机组电厂一年的排放量。基于以上两方面的原因，提出以燃煤烟气和液化气为原料生产二硫化碳的项目，不仅可以达到对燃煤烟气深度脱硫的目的，而且可以资源化利用生产高附加值的产品，获得一定的利润，根据可行性研究报告得出项目建设规模为年产9万吨二硫化碳。1.3 项目设计本次设计的内容包括工艺设计、工艺优化及清洁生产分析和安全生产评价，在确定项目的合理可行性以后，进行全工艺流程的模拟、PID和PFD的绘制、设备设计及选型、厂区及车间的布置。在安全环保方面，采用HAZOP软件进行危险性分析，并提出合理的预防措施，保障生产安全。在节能方面，使用Aspen Energy Analyzer 软件进行换热网络的优化设计，减少能耗。最后对项目进行经济效益分析，结果显示经济效益和社会效益明显。2工艺简述2.1 燃煤烟气压缩工段这个工段主要包括3个压缩机（C-0201、C-0202、C-0203）和多个换热器，将辛店电厂的燃煤烟气（4-3-2-2）通过管道运输运到分厂，得到烟气总流量为240万m/h，常压且温度为120，经过三级压缩得到13个大气压的燃煤烟气，将其分为两股等量的烟气47和68，流量为10万m/h,温度为140，通入燃煤烟气吸收塔，具体见图2-1所示。图2-1 燃煤烟气压缩流程简图2.2 燃煤烟气吸收工段此工段为两套并联的吸收系统由2个吸收塔（T-0301、T-0302），2个泵（P-0305、P-0306），4个换热器（E-0301、E-0302、E-0303、E-0304），2个储罐（V-0301、V-0302）。这里以一套吸收装置举例，有机胺吸收剂(MDEA)由流股5进入塔顶，燃煤烟气47从塔底进入，二者逆流吸收液吸收二氧化硫，进行的反应为：SO2+H2OHSO3-+H+ （2-1）HSO3-H+SO32- （2-2）R3N+SO2+H2OR3NH+HSO3- （2-3）副反应为：CO2+H2OHCO3-+ H+ （2-4）HCO3-H+ +CO32- （2-5）R3N+CO2+H2OR3NH+HCO3- （2-6）处理后的烟气1和1-2混合，排放到大气中。吸收后的有机胺富液4经减压阀vlv-100减压后为2个大气压，进入换热器E-0302与解析后的有机胺贫液8换热，换热后进入燃煤烟气解析塔,具体见图2-2。图2-2 燃煤烟气吸收简图2.3 燃煤烟气解析工段图2-3 燃煤烟气解析简图这个工段由两套吸收液解析设备这里以一套吸收液解析设备为例，由4个解析塔（T-0401、T-0402、T-0403、T-0404），8个泵，4个冷凝器，4个再沸器组成。低压有机胺吸收富液经过换热后，分成4股料，由泵送入解析塔中进行低压高温解析，塔底有机胺贫液经过换热后经混合器v-0301加料调整浓度循环到燃煤烟气吸收塔中，塔顶主要是SO2、H2O和少量CO2,进入下一工段，具体见图2-3。2.4 SO2脱水塔这个工段由1个脱水塔（T-0601）,1个冷凝器(E-0601)，1个再沸器（E-0602）组成。来自解析塔塔顶的SO2、H2O和少量CO2，由于气体中有大量的水蒸汽，如果直接送入下一工段的反应器则会增大反应器的体积，因此在此设置一个精制塔，用来分离水和SO2、CO2，将分离的SO2和少量的CO2送入下一工段，具体见图2-4。图2-4 SO2脱水流程简图2.5 液化气吸收解析工段这个工段由2个塔（T-0101、T-0102）,1个压缩机（C-0101），6个换热器，7个泵组成。因为电厂和炼油厂都是采用有机胺法脱硫，这里流程只做简单叙述，来自齐鲁石化炼油厂的液化石油气流量为46万m/h,首先经过2级冷凝将温度由300降到50，在对液化气进行加压得到20个大气压的液化气进入到吸收塔中高压低温吸收，用MDEA吸收液进行吸收除去里面的H2S和少量的硫醇、硫醚、羰基硫，液化气脱硫后送回总厂，塔底有机胺富液先降到2个大气压，在与有机胺贫液换热后，用泵送入解析塔解析，塔底有机胺贫液循环到液化气吸收塔中，重复使用；塔顶解析出H2S和少量其他杂质，送入下一工段具体见图2-5。 图2-5 液化气吸收解析工艺简图2.6 克劳斯工段这个工段主要由3个换热器（E-0701、E-0702、E-0703），3个固定床反应器（R-0701、R-0702、R-0703），3个气液分离器（V-0702、V-0703、V-0704）组成。来自电厂解析的SO2和来自炼油厂的H2S混合加热到200后进入固定床反应器反应产生硫磺，在温度较低时硫磺的分子是由8个硫原子组成的，呈环状排列。该反应为放热反应，当温度较高达到444.6时，硫原子间粘度开始下降，液体硫磺吸热开始变成蒸汽，S8分解，蒸汽中有S8、S6、S4、S2等分子存在，含原子数少的分子占的比重大，反应器中主要发生如下反应：主要反应：SO2+H2SSn+H2O （2-7）(其中，n=2,4,6,8)副反应：H2S+CO2=COS+H2O （2-8）CH4+2S2=CS2+2H2S （2-9）S2+2O2=2SO2 （2-10）加热后的H2S和SO2进行第一级反应生成S8、S6、S4、S2等杂质，然后通过气液分离器，将硫冷凝成为液体的形式与其他杂质分开，由于H2S和SO2不能完全反应，通过模拟得到二者在三级反应后转化率达到95.7%，因此这里采用三级反应、三级冷凝的方法得到液体硫磺；由于反应的尾气中由于含有较多的SO2，不能直接排放，因此将尾气通入到电厂的吸收塔中，进行脱硫后再随燃煤烟气一同排放，具体见图2-6。图2-6 克劳斯工艺简图2.7 二硫化碳生产工段天然气和硫的反应过程在温度较低时硫磺的分子是由8个硫原子组成的，呈环状排列。当加热时粘度逐渐升高，继续加热到200，粘度开始下降，当温度开始达到444.45时，反应为强吸热反应，液体硫磺开始变成蒸汽，蒸汽中有S8、S6、S4、S2等分子存在，随着温度的升高吸热量减少，约在680反应热效应为零，含原子数少的分子占的比重大，分析研究发现，在500-800时甲烷与硫磺都能发生反应，反应为放热反应，主要生成H2S和CS2,发生如下反应：CH4+2S2CS2+2H2S （2-11）3CH4+2S63CS2+6H2S （2-12）2CH4+S82CS2+4H2S （2-13）副反应：2H2S+3O2=2SO2+2H2O （2-14）这个工段主要由多个管式反应器（R-0801），液体压缩泵(P-0801),压缩机（C-0801）组成。来自克劳斯工段的的硫磺通过液体压缩泵加压到13个大气压温度为134.6，外购的天然气通过气体压缩机加压到13个大气压，温度290将二者通入管式反应器中进行反应，同时管式反应器通过电加热提供甲烷和硫磺反应的热源，具体见图2-7。图2-7 二硫化碳生产简图2.8 二硫化碳精制工段这个工段由1个精馏塔（T-0801）,2个气液分离器（V-0803，V-0805），2个冷凝器（E-0801，E-0802）,2个储罐（V-0801，V-0802），4个泵（P-0801，P-0802，P-0803，P-0804）组成。甲烷与天然气反应制得气态二硫化碳和硫化氢，反应气里面混有少量硫杂质。将13个大气压的反应气降压到2个大气压，温度由600降到400，进入气液分离器，通过冷却将硫磺液化分离，硫磺的纯度达到86%，继续循环到管式反应器反应；气液分离器出来的气体主要是二硫化碳和硫化氢，由于硫化氢易溶于二硫化碳，二者组成不凝性气体，很难通过气液分离器分离，因此将不凝气从塔底通入精馏塔（T-0801），进行分离，得到纯度为99.93%的二硫化碳产品。从二硫化碳精馏塔塔顶出来的主要是硫化氢气体和少量其他杂质，为了提纯硫化氢，将气体通入气液分离器(V-0805)，将硫化氢液化与其他杂质气体分开，得到纯度为99.03%的硫化氢，气液分离器出来的气体中由于具有少量的硫化氢气体和其他烃类气体，因此不能直接排放，可以将其通入到炼油厂的吸收塔中进行吸收，具体流程如下图2-8。图2-8 二硫化碳精制简图3工艺创新（1）本项目利用有机胺法对含硫废气脱硫，不仅达到深度脱硫的效果，吸收液可以循环使用，而且对含硫废气资源化利用。（2）本项目通过对电厂燃煤烟气和炼油厂液化气分别脱硫，将电厂中二氧化硫转化为附加值高的二硫化碳产品，解决了电厂使用有机胺法生产硫酸耗资大，产品附加值低的问题。（3）本项目克劳斯工艺中硫化氢的转化率达到95.7%，但尾气中含有少量的二氧化硫，将其引入电厂吸收塔中进行脱硫，防止其污染空气。（4）本项目将甲烷和硫磺的反应不凝气直接通入精制塔中分离二者得到纯度较高二硫化碳。（5）本项目硫化氢精制后尾气含有少量的硫化氢和其他烃类物质，可以将其引入炼油厂吸收塔中进行脱硫，防治其污染空气。4节能本过程，由于采用了热集成技术，节能405MW。共需要冷公用工程803.6MW，热公用工程283.9MW。所使用的冷公用工程为：冷却水（20）、液氮（-120）；所使用的热公用工程为：低压蒸汽（0.4MPa）、中压蒸汽（1.4MPa）。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，能量回收率（节能率）达到24.4%，见图4-1。图4-1 换热网络5设备设计根据Aspen Hysys的模拟，我们对工艺流程中的克劳斯反应器R0701、二硫化碳精制塔T0801、换热器E0701和E0801进行了详细设计，包括基本设备的工艺参数和特殊内构件的设计。利用cup-tower软件对流程中的全部塔设备进行了水力学校核，并用SW6-2011进行机械强度校核。利用Aspen Exchanger Design And Rating对全部换热器进行了工艺设计、选型、基本参数设计。此外还对泵、储罐等设备进行了选型。6控制技术本分厂的控制系统采用基于集散控制系统（DCS）的现场总线控制系统。现场总线控制系统可以使信号传输更加安全和稳定，同时为分厂今后的控制系统升级改造提供了便利。除现场总线控制系统之外，为加强厂区安全，分厂采用了紧急停车系统（SIS）。当危险事故或较大生产波动发生时，该系统可以对信号进行分析，并将关键参数与限制条件加以对比，最终确定是否切断整个生产流程，亦或是确定所需调整的参数使生产回归正常。针对各工序特点及工艺要求设计了专门的控制方案。如原料配比控制方案中用到了双闭环比值控制系统及前馈-反馈控制系统，在能量集成控制方案中用到了分流调节控制，在塔釜液位控制方案中用到了串级均匀控制系统。此外，本项目还对各个设备进行了危险和操作性分析（HAZOP），以保证工艺安全性。7清洁生产与安全7.1清洁生产本项目从投资及成本方面来看，有机胺法脱硫前期的投资较大，但是由于有机胺溶液是循环利用的，后期花费会较少，气副产品可用来生产硫酸，具有良好的市场，对含硫废气很好的进行了资源化利用，而且电厂应用此工艺在逐渐上升；甲烷法Stauffer工艺使用的是管式反应器，可以节约成本，减少开支，而另外FMC和PPG工艺是固定床反应器，投资较大，由于反应是气态硫磺和甲烷气体反应，是气气连续反应，使用催化剂时，催化效果不会特别好，因此使用管式反应器就可以达到生产要求。 7.2安全风险评价通过对本项目的潜在危险和有害因素的初步分析，结合本次预评价范围，进一步运用有关评价方法进行系统安全评价，找出主要灾害事故被触发的原因，系统地了解各危险源危险状况信息；探索几个重大危险源可能触发造成的波及范围和破坏程度。本次安全预评价采用预先危险性分析（PHA）、作业条件危险性、危险性分析与可操作性研究（HAZOP）法、安全检查表、直观经验分析、道化学（DOW）预评价方法等方法进行分析评价，并运用系统工程的原理和方法辩识出影响系统安全的各种事件（包括人、机、物、环境）出现的条件以及可能导致的后果，进而提出安全对策措施及建议，使危险危害降到人可以接受的程度。8厂区布置本项目厂址选定在淄博市临淄区，原料供应充足，极大的节约了原料成本；该工业区配套工程齐全，水电得到可靠保证；公路、铁路网密布交通便利发达，基础设施条件良好；此外，国家在十二五期间鼓励各大中型石油化工企业采用清洁生产方式，而本项目的生产方式正好满足这一要求。因而可以获得国家在该类项目建设的一系列支持和优惠政策。厂区总占地面积为124000平方米，主要包括生产车间、辅助车间、辅助设施、办公和生活设施。工厂布置严格遵照设计规范要求，充分考虑了安全、环保、运输、未来发展等因素。使用Auto CAD进行平面设计，使用Plant 3D进行车间布置与配管设计，运用3D max等软件构建了厂区立体模型，见图8-1。图8-1 厂区平面布置图基础设施条件良好；此外，国家在十二五期间鼓励各大中型石油化工企业采用清洁生产方式，而本项目的生产方式正好满足这一要求。因而可以获得国家在该类项目建设的一系列支持和优惠政策。厂区总占地面积为124000平方米，主要包括生产车间、辅助车间、辅助设施、办公和生活设施。工厂布置严格遵照设计规范要求，充分考虑了安全、环保、运输、未来发展等因素。使用Auto CAD进行平面设计，使用Plant 3D进行车间布置与配管设计，运用3D max等软件构建了厂区立体模型，见图8-1。9经济分析本项目经济评价是在可行性研究完成市场需求预测、生产规模、工艺技术方案、原辅材料、燃料及动力的供应、建厂条件和厂址方案、公用工程和辅助设施、环境保护、工厂组织和劳动定员及项目实施规划等方面进行研究论证之后，确定了最佳方案的基础上进行的。经济分析的内容主要包括投资估算、资金规划、成本估算、销售收入、建设利息