4-创新点说明书

50000Nm/h煤制氢废气深度脱硫及资源化利用-创新点说明-2017年“东华科技陕鼓杯”第十一届大学生化工设计竞赛50000Nm3/h煤制氢废气深度脱硫及资源化利用一体化项目设计创新性说明书参赛学校：_广东石油化工学院_参赛团队：_Chemical Man_参赛队员：_ 肖文顺、杨嘉铭_ 吴秉权、陈颂佳、葛海 指导老师：_陈辉/黄燕青_ _完成时间： 2017.3-2017.7 目录第1章 深度脱硫技术11.1 采用Claus+LT-Scot组合工艺脱硫11.2 废气脱硫及资源化利用31.3 碳排放减少4第2章 反应技术创新52.1 复合型MDEA脱硫剂（CT8-26）的应用52.2 Claus段燃烧炉采用富氧空气7第3章 分离技术创新93.1 急冷塔流线形规整波纹填料的应用93.2 膜喷射无返混塔板（MP）在再生塔中的应用12第4章 工艺创新144.1 增加汽提塔，最大限度减少废水排放量144.2 CO2冷凝提纯段多级压缩冷凝工艺创新15第5章 过程节能技术创新175.1 换热网络集成优化175.2 采用新型多热泵精馏系统195.3 余热锅炉的应用21第6章 新型过程设备应用技术创新226.1 新型制硫燃烧炉衬里结构的应用226.2 新型吸收塔除雾器的应用266.3 产品输送系统的创新286.4 换热设备结构创新30第7章 控制系统的创新327.1 精确控制反应炉进空气量327.2 APC和DCS控制系统的应用33第8章 环境保护技术的创新338.1 废气处理338.1.1 工艺废气处理348.2 废水处理348.2.1 脱硫废水处理358.2.2 含油污水处理368.3 废固处理388.3.1 制硫催化剂和抗氧保护制硫催化剂388.3.2 加氢催化剂废固处理398.3.3 活性炭废固处理428.4 噪声防治45第9章 参考文献46450000Nm3/h煤制氢尾气深度脱硫及资源化利用-创新点说明第1章 深度脱硫技术1.1 采用Claus+LT-Scot组合工艺脱硫本项目为处理50000Nm3/h煤制氢尾气深度脱硫项目，我们主要选取了煤制氢废气脱硫常用几种工艺并进行综合对比如下：表 1.11煤制氢废气脱硫工艺投资对比表项目双碱法氨法离子液吸收法Claus+LT-Scot法一次性投资较高略高，200250元/kW较高，300400元/kW一次性投资，119. 3万元/kt,运输成本高高低低运行费用运行成本相对较低设备费适中，设备造价昂贵，但运行成本投资费用较高，运行成本相对较高相对较低运行成本低占地面积偏大偏大适中偏大投资回收期长长较长较长建厂规模中小型中小型大中型硫酸厂大中型表 1.12煤制氢废气脱硫工艺对比表项目双碱法氨法离子液吸收法Claus+LT-Scot法脱硫率，90%95%98%99.4%高硫煤差差好好适应性副产物脱硫石膏硫酸铵高纯度SO2或硫酸少量含硫化合物以及CO2，N2防腐防腐要求相对较高防腐要求高防腐要求很高防腐要求较高三废排放少量废水排出大量废水排出少量废水排出无废水，无废气，催化剂定期更换应用业绩少量使用，技术成熟有业绩，可进一步优化目前十余套装置业绩，可进一步优化国内外都有使用，技术成熟表 1.13煤制氢废气脱硫工艺采用吸收剂对比表Claus+LT-Scot氨法脱硫双碱法脱硫离子溶液脱硫选用的吸收剂CT8-26氨水NaOH、Ca(OH)2离子液组成92%MDEA8%添加剂20%的氨水溶液石灰粉（纯度85%，90%过200目）钠碱粉（纯度90%）以有机阳离子、无机阴离子为主,添加少量活化剂、抗氧化剂和缓蚀剂吸收能力高较高高极强吸收温度（）404542705070105110吸收液PH9.015.56.5129液气比l/m33-4452345吸收方式气-液气-液气-液气-液吸收剂利用率高较高高高腐蚀性无低无无通过表1.1-1，表1.1-2，表1.1-3的综合对比，我们最终决定采取的脱硫工艺为Claus+LT-Scot组合工艺。本项目厂址选在广东茂名石化工业园区，主要处理的废气来自茂名石化的煤制氢车间。下图为废气的组成表：表 1.14处理前尾气组成组成kmoL/h原料气流量m/hH286.29Ar0.00CO127.59CO223808.40N23436.14H2S22421.52COS41.68CH3OH78.38合计50000.00表 1.15处理后尾气组成项目尾气焚烧炉尾气温度/700压力/kpa100质量流量 /（kg/hr）168180.5体积流量/（m3/hr）449714.1Mass Flow /（kg/hr）SO25.053CO230764.26N2111000H2O2792.81O223200小结：经过处理，本项目工艺流程最终排放尾气SO2浓度为28mg/m3，根据最新的石油化学工业污染物排放标准GB31571-2015大气污染物排放标准，特殊地区的二氧化硫排放浓度不得超过50mg/m3，所以本项目工艺尾气处理达标。1.2 废气脱硫及资源化利用本项目为处理50000Nm3/h煤制氢含硫废气并资源化利用的生产项目，经过深度脱硫工艺，产品为高纯硫磺，生成的硫磺可以作为下游生产硫酸的原料，另外可以作为橡胶制品的添加剂，所产硫磺主要销往东南亚，有较好的市场利用价值。在处理废气的同时，变废为宝，实现废气的资源化利用。下表为本项目硫磺的相关指标：表 1.21本项目硫磺指标项目产量万吨/年纯度，%净收益万元/年硫磺1899.98%19800小结：本项目通过采用Claus+LT-Scot组合工艺，年产18万吨硫磺的项目带来了较好的经济效益，变废为宝，完全符合国家的“可持续发展”战略。1.3 碳排放减少本项目LT-Scot尾气处理单元经过再生塔排出的尾气主要组成为CO2，N2， 根据物料衡算表得到尾气中二氧化碳的流量为24857kg/h，在原处理工艺中是将尾气中的处理达标后直接排空，但CO2作为温室气体会加剧温室效益，按照每年开工8000小时换算，每年的二氧化碳排放量达到了19.9万吨/年。在环保方面不符合国家“超低排放”的理念。现将再生塔含碳尾气在经过脱硫，脱水和低温提纯工艺等工艺后，将尾气中的CO2制成纯度为99.99%的食品级液态二氧化碳。下表为本项目的产品指标。表 1.31本项目二氧化碳产品技术指标项目原工艺新工艺改进程度再生塔CO2排放量万吨/年19.95.9-14净收益万元/年1980031000+11200小结：本项目通过增加脱碳单元一方面减少了大量CO2温室气体对大气的影响，另一方面变废为宝，年产14万吨/a食品级液态CO2也为本项目带来了每年1.12亿的经济效益，符合国家可持续发展的科学理念。第2章 反应技术创新2.1 复合型MDEA脱硫剂（CT8-26）的应用4 胡天友,岑嶺,何金龙,常宏岗,岑兆海,倪伟,赵国星,彭修军. 加氢尾气深度脱硫溶剂CT8-26的研究J. 石油与天然气化工,2016,45(02):7-12. 2017-08-13.在本项目的LT-Scot单元的吸收塔中，需要采用吸收剂来吸收酸性气中的H2S工业中常用的硫化氢气体吸收剂为甲基二乙醇胺（MDEA）溶液，但在本项目中的吸收塔中，原料气的CO2/H2S比值要高于常规值。这种条件下MDEA水溶液的脱硫选择性能较差，且抗发泡性能也较差。CT8-26是西南油气田天然气研究院将MDEA溶液改进后的硫化氢吸收剂。下表是纯MDEA脱硫剂与复合型MDEA脱硫剂（CT8-26）理化性质的比较。CT8-26主要有以下特点:(1)CT8-26水溶液有更好的脱硫选择性，在相同操作条件下，虽然CO2吸收率比MDEA水溶液低5%，但酸气中H2S浓度有明显大幅度提高。(2)随着脱硫选择性的改善，溶液对CO2的吸收量降低，所需再生蒸气量减少，过程能耗进一步降低。(3)CT8-26新型选择性脱硫溶剂再生比MDEA水溶液容易，贫液H2S、CO2含量更低，新型选择性脱硫溶剂使用方便，如果装置原使用醇胺溶液脱硫，无需改动设备，可直接使用。表 2.11 MDEA与CT8-26性质对比项目单位原MDEA溶液CT8-26对比是否含添加剂无有-CO2共吸率 %23.0414-9.04%抗发泡能力较小大平均腐蚀速率mm/a0.02810.0221-0.006表 2.12 MDEA与CT8-26性能对比MDEACT8-26性能特点优点：高适用浓度、高酸气负荷、低腐蚀、抗降解能力强、高脱硫选择性、低能耗；缺点：碱性弱，与CO2反应速度较慢，在低压下容易出现净化器H2S含量超标脱硫选择性、抗发泡能力；化学稳定性好，无化学降解和热降解，无需溶剂碱性复活处理；腐蚀性小；添加剂的使用，使其再生比MDEA水溶液更容易，贫液H2S、C02含量更低表 2.13 采用CT8-26配方型溶剂后改进效果项目MDEA水溶液CT8-26改进效果溶液循环量/th-1820777-43溶液质量分数，%3030吸收前H2S/（kg/h）48544854吸收后H2S/（kg/h）1500.01084+416再生能耗/（GcaL/h）160.0132.7727.23吸收塔尾气中H2S质量浓度/mgm-34325-18由上表对比可知，当吸收塔采用CT8-26新型吸收剂后，原料气中的硫化氢含量大大降低，且再生阶段的能耗从160GcaL/h降至132.77GcaL/h，大大降低了生产能耗：并且吸收塔尾气中硫化氢出口质量浓度从43mgm-3降至25 mgm-3，也大大降低了后续尾气焚烧段的燃料气消耗，减少了项目的生产成本。2.2 Claus段燃烧炉采用富氧空气1乔卫领，李捷，叶茂昌，何智勇，岑嶺. 富氧克劳斯硫磺回收工艺应用探讨J. 石油与天然气化工，2009，(02):132-136+86.本项目Claus单元的燃烧炉需要氧气来把H2S反应为SO2，原工艺方案采用鼓入空气，但以这种燃烧方式助燃空气仅有21%的氧气参与燃烧过程，而空气中将近79%的氮气不但不帮助燃烧，反而吸收了大量的燃烧反应放出的热量，并作为烟气排出炉体，造成燃料的很大浪费。下图为燃烧炉中氧气浓度与装置处理量的关系图，结论如下:图 2.21氧气浓度度与装置处理量关系图在采用一定量的富氧后，对于H2S 含量越高的酸性气，生产能力就越强。在生产能力确定的情况下，氧气浓度越高，燃烧炉的燃烧效率就越好。表 2.21富氧工艺优缺点分析项目富氧工艺备注优点降低过程气量、提高效率和装置生产能力进入系统的氮气量相对减少，节约大量能耗增加H2S在燃烧炉内直接转化成硫的转化率通过高温来来增加H2S的含量有利于降低过程气中有机硫的含量通过高温来减少COS，CS2的含量节约投资设备尺寸至少减少一半总投资节约35%以上缺点炉内的温度可达到1650C甚至更高，超过目前所使用的耐火材料所能够承受的极限现有解决方法主要有：分段燃烧法多级燃烧嘴法急冷火焰法经过综合分析，虽然富氧空气的价格略高于空气，但考虑到本项目的处理综合能耗以及相对投资，我们决定采用氧气浓度为39%的富氧空气代替空气作为燃烧原料，这样不仅减少了相对总投资，也大幅度提高装置处理能力。另外制硫装置投入运行后负荷处于设计上线，采用富氧空气后能够以最大限度提高单套硫磺装置负荷同时降低能耗。下表为通过Aspen Plus流程模拟软件分别对采用空气和富氧空气燃烧的结果分析。表 2.22改进前后结果类型空气燃烧富氧（39%）燃烧改进结果燃料消耗量，kg/h1432742-690废热锅炉冷却水量，kg/h4345036156-6994相对投资费用，%10060减少30%-35%总硫转化率，%85.3288.69+3.37相对出料率，%100110+10小结：可以从上表看到，Claus燃烧炉在采用富氧空气燃烧后，燃料气（天然气）的消耗量从1432kg/h减少到了742kg/h，按照天然气购入价格2820元/吨计算，每年可以减少天然气成本1556.6万元。大大减少了单位生产成本。另外由于燃烧效率的提高，废热锅炉的冷却水量也减少了6994kg/h，达到了节能环保的目的。考虑到富氧空气的成本，本项目中采用从厂区外购入工业氧气并与空气按比例混合鼓入生产区（混合后氧气浓度为39%，其余为氮气）作为燃烧器的助燃空气，可以起到节约能源、提高产品加热质量、改善环境的良好效果。48第3章 分离技术创新3.1 急冷塔流线形规整波纹填料的应用1余琴花. S流线型规整波纹填料在硫酸装置干燥塔中的应用J. 硫酸工业，2012，(04):46-47.本项目急冷塔工作原理是将高温酸性气从急冷塔塔底通入，从塔顶喷入急冷水，塔内装填陶瓷散堆填料。经过气液对流实现酸性气降温效果。在现代工业的处理酸性气的填料塔中，为了避免酸性气的腐蚀，大都采用耐酸碱性能好的陶瓷散堆填料。传统的填料塔基本上都采用散堆填料，但是由于散堆填料呈无序的堆积，在运行过程中散堆填料之间相互撞击或摩擦产生的大量粉末，堵塞填料空隙，造成空气流动阻力降较大，特别是运行一段时间后，阻力降继续慢慢升高，影响装置的生产能力。采用散堆填料的填料塔，压降一般都在2KPa左右，有的甚至更高，对装置的生产能力造成很大影响。下图为原填料塔采用的陶瓷散堆填料实物图：图 3.11原填料塔采用陶瓷散堆填料实物图经过文献查找及产品对比分析我们发现萍乡市车田工业瓷厂研发的S流线型规整波纹填料具有比表面积大、压降低的特点，能有效解决急冷塔压降高的问题，适用于新装置采用和老装置提能改造。一.流线型规整波纹填料产品特点流线型规整波纹填料具有以下特点：一是填料上端和下端的通道垂直设置，并与倾斜状的通道圆滑过渡连接，当介质流经填料时，能垂直地从上到下进行流动，流动方向不会发生变化，流动阻力小，流动更畅通，分而更均匀，从而可提高干燥效果；二是该填料在干燥塔中呈有序堆积，填料之间不会相互撞击或摩擦，填料之间的空隙不容易堵塞，填料孔隙率大，因而可大大降低了流动阻力，提高介质流动速度，减少阻力降，可延长干燥塔运行周期，降低运行成本。图 3.12流线型规整波纹填料实物图流线型规整波纹填料与普通规整波纹填料、散堆填料相比，具有比表面积大、压降低的特点，其性能参数如下：表 3.11填料效率对比表（体积传质系数Kxa， ）：液体喷淋密度m/.hF因子流线型规整普通规整波纹填料波纹填料100L/h（12.74m3/m2/h）1.72375838311.923876无法操作200L/h（25.48m3/m2/h）1.53442456761.725287无法操作300L/h（38.22m3/m2/h）1537763无法操作表 3.12塔压降对比表（mm水柱/米填料）：液体喷淋密度m/.hF因子流线型规整普通规整波纹填料波纹填料100L/（12.74m3/m2/h）1.7247741.9262160200L/h（25.48m3/m2/h）1.5353621.7268148300L/h（38.22m3/m2/h）1.1528641.5348240从以上数据对比可以看出，流线形填料相对于普通填料具有较低的压力降，说明这种填料可以在较高的气液负荷下运行。当液相流量是200L/h和300L/h时候，普通规整波纹填料的极限动能因子FV为1.15-1.34之间，流线形规整波纹填料的极限动能因子 FV为1.51.92。在较高的气液负荷下（FV1.5），流线形填料因压力降比较小，可正常操作，并表现出了较好的传质性能，降低了能源的损耗，提高了企业经济和社会的效益。另外填料使用寿命可达10年以上，且每年检修无须掏出清洗，无须添加填料。二、改造后的效益分析项目改造前改造后改进结果喷淋量m3/h2614.3-11.7塔板压降Pa4000900-3100小结：改造后急冷水泵流量下降11.7m3/h，节约了电耗。以本工艺5万Nm3/h酸性气的处理量考虑，按年运行8000小时计算，可减少急冷水流量为：8000h11.7m3/h=9.36万m31.0（水密度，g/m3）=9.36万吨。仅此一项可给企业带来可观的经济效益，并且改造后，填料塔压降大大降低，能使装置产能和稳定性有一定提升。考虑到流线型规整波纹填料的优良性能，我们决定在LT-Scot单元的吸收塔也采用同种塔板，一定程度上也可以提高吸收塔工作的稳定性，提高装置产能。3.2 膜喷射无返混塔板（MP）在再生塔中的应用1王柱祥，商恩霞，宋洪涛. 一种膜喷射无返混塔板P. 天津：CN101507883，2009-08-192马弘，杜淑慧，赵顺雯. 膜喷射无返混塔板在石油炼化胺液再生塔中的应用J. 石油与天然气化工，2016，(06):21-24.一、原因LT-Scot单元中再生塔属于加热汽提塔，胺液在蒸汽加热的情况下蒸发反应分解，酸性气体从胺液中分解出来，达到再生的目的。原工艺中再生塔采用的是传统浮阀塔板，其实物图如下图所示：图 3.21再生塔原浮阀塔板但是随着设备运行时间的增加，再生塔出现了拦液及带液现象，使得塔板效率及整塔效率均大幅降低，导致一系列问题的产生：富胺液再生效果变差，即再生后的贫胺液不达标，进而直接影响脱硫效果及脱硫产品指标。胺液被夹带到气体中，进入后续工段，既加大了胺液的损耗，又影响了后部硫磺装置的操作。塔底再沸器蒸汽消耗加大，能耗增加。处理能力及生产能力受限。针对可能存在的问题，决定将原浮阀塔板全部更换为膜喷射无返混塔板。二.改造方案针对这些问题将原有浮阀塔板全部更换，采用天津市创举科技有限公司提供的新型膜喷射无返混塔板（MP），膜喷射无返混塔板通过液膜喷射、V 型分离等技术，新型塔板具有以下几点特点：（1） 无返混、无浓度梯度（2） 高传质效率（3） 阻力降低（4） 抗堵性强（5） 适用范围广图 3.22新型膜喷射无返混塔板实体图三、改造结果表 3.21新型塔板应用状况项目单位传统浮阀塔板新型膜喷射无返混塔板改进结果处理量t/h210240+30全塔压降k Pa157100-57单板压降Pa520440-80贫液含硫质量浓度g/L51.6-3.4蒸汽消耗t/h3016.5-13.5胺液质量分数%3440+6小结：通过采用新型膜喷射无返混塔板（MP），装置的处理量增加了30t/h，大大提高了生产能力。另外单板压降也降至440Pa，提高了生产稳定性和安全性，单单蒸汽消耗就减少13.5t/h（低于设计值），按每年开工8000小时计算，每年可以减少蒸汽消耗10.8万吨蒸汽，大大降低了单位生产成本。考虑到膜喷射无返混塔板的优良性能，本项目的汽提塔和提纯塔也都采用该种塔板，这样一定程度上提高了装置稳定性和处理量，从而提高了装置产能。第4章 工艺创新4.1 增加汽提塔，最大限度减少废水排放量在LT-Scot单元的急冷塔产生大量废水，其中含酸性水由于不能直接排放，常用工艺需要进入焚烧单元焚烧，运行费用昂贵，操作难度大。在本项目中经过分析决定在急冷塔后增加汽提单元，将LT-Scot单元急冷塔产生的酸性废水提浓。汽提单元极大的减少了废水的排放量。表 4.11汽提塔物料平衡表ITEMINOUTQ-INQ-PROQ-G1Q-L1温度/9595116.939124.7365压力/kpa200180180230气相分率0010质量流量 kg/hr20900.5614533.8816158.0919276.35体积流量 m3/hr21.7422215.1262715969.2420.52917Mass Flow kg/hr-H2S1.8878354.35E+006.2707382.55E-20CO0.4470950.8293731.2764681.47E-23H22.53E-071.62E-082.70E-072.16E-27CO25.178064.1736989.4136664.71E-26N20.0904973.61E-030.094113.00E-26H2O20892.8714524.4416141.0319276.35O28.46E-085.59E-099.02E-086.80E-25H3O+2.29E-022.10E-0204.09E-04HS-0.0108650.01896703.54E-26HCO3-0.0533120.0325204.58E-17CO3-6.91E-083.20E-0806.42E-26小结：对于本项目而言，污水处理费平均为5.0 元/吨 (COD500)，对于处理量20900kg/h的汽提塔，每年至少节省运行成本83.6万，大大降低了单位运行成本。同时对生产过程中产生的废气和废水循环利用，减少了废气和废水的排放量，积极响应国家关于节能减排的产业政策。有显著的社会效益。4.2 CO2冷凝提纯段多级压缩冷凝工艺创新在脱碳单元原料气经过干燥塔来达到干燥除水的效果，再经过压缩机和冷凝器来使原料气液化，原工艺采用的是直接用压缩机将原料气从常温常压加压至3.5MPa，然后经过冷凝器用液氨降温至-25来得到液态的二氧化碳。但在设计过程中发现压缩机出口原料气的温度高达507.8，这对压缩机，设备间连接管道以及预冷器的耐高温性能要求非常高，而且在原料气的冷凝液化过程中液氨的用量也较高。经过工艺对比，我们决定采用多级压缩多级冷凝的工艺，将第一个压缩机出口压力设为1.4MPa，再经过预冷器换热降温，再用第二个压缩机将原料气加压至3.5MPa，最后再用液氨冷凝降温至-25。其Aspen模拟流程图分别如图所示。图 4.21改进前二氧化碳液化装置图 4.22改进后二氧化碳分离提纯装置表 4.21原工艺与多级压缩多级冷凝工艺比较项目原液化工艺多级压缩冷凝工艺改进效果压缩机出口温度/C507.8147-360.8压缩机能耗/MW4.50753.6439-0.86液氨消耗量 kg/hr7562028140-47480总能耗成本元/吨CO2264193-71由上表数据可得，采用新的多级压缩多级冷凝工艺虽然设备上较原工艺多增加了一个压缩机，但新工艺中两个压缩机的总能耗却大幅度降低了，压缩机总能耗从4.5075MW降低到3.6439MW，按年开工8000小时计算，每年可节省电能消耗6908800kWh，可节省年投资518万。另外经过第一个压缩机的出口温度大大降低，这对压缩机，预冷器以及设备间连接管道的耐高温要求大大降低，从而降低了总设备费。最主要的冷凝器所消耗的液氨量也明显降低，大大降低了食品级二氧化碳的单位生产成本。第5章 过程节能技术创新5.1 换热网络集成优化对于我们这套处理量为50000Nm3/h煤制氢含硫废气的生产装置，工艺流程比较复杂，运行成本较高。我们通过换热流程的设计和换热网络的优化尽可能的进行内部热量的集成和最大化利用。在设计换热网络时，需要考虑工艺流股换热的可能性，最好还要将设备费用等因素也考虑进去，以便获得最为合理的换热网络。 我们选取换热网络优化前与换热网络优化后进行比较。设计方案如图5.1-1和图5.1-2所示：图 5.11优化前换热网络表 5.11优化前换热网络成本指标一览表Cost index% of TargetHeatingCost/s0.4021166.4CoolingCost/s4.67810-326.54OperatingCost/s0.4069156.7CapitalCost5.80810672.04Total CostCost/s0.4662136.3图 5.12优化前换热网络表 5.12优化后换热网络成本指标一览表Cost index% of TargetHeatingCost/s0.2898119.9CoolingCost/s1.19310-266.37OperatingCost/s0.3017116.2CapitalCost3.37710641.88Total CostCost/s0.336298.32表 5.13优化前后换热网络性能对比优化前优化后改进结果HeatingkJ/h167.0119.9-47.1CoolingkJ/h207.2131.9-75.3Number of Units62.96103.740.74Number of Shells34.3226.04-8.28Total Aream288.0946.18-41.91Total CostCost/s0.46620.3362-0.13小结：通过以上数据对比可以看出，换热网络优化后，总的换热面积减少了41.91m2，另外总投资减少了（0.4662-0.3362）/0.4462=27.9%，节能效果显著。虽然换热单元数有增加，但是减少的公用工程总费远大于增加的设备总费，因此该换热网络优化达到了节能降耗的目的。5.2 采用新型多热泵精馏系统热泵装置是一种利用少量高品位机械能，将低温位热能的温度提高到更高水平的有用能的装置。获得热泵的基本方式是机械压缩。热泵精馏是依据热力学第二定律给系统加入一定的机械功，将温度较低的塔顶蒸汽加压升温作为高温釜的热源。因为回收的潜热用于过程本身，又省去了塔顶冷凝器，冷却能耗和塔釜加热能耗，可使精馏的能耗明显降低。设计过程中T402低温精馏塔塔釜温度0.95、塔顶温度-42.25，顶底温差不大，符合使用热泵的条件。如下图所示，常压恒沸精馏塔热泵精馏是以塔顶采出气体作为工质的热泵精馏，精馏塔塔顶气体与塔底采出的釜液换热，冷凝放热使釜液再沸，冷凝液经节流阀减压降温后，一部分作为产品出料，另一部分作为精馏塔塔顶的回流。热泵精馏取消了塔顶冷凝器，以塔底再沸器代替，这实际上是用一个换热器兼作塔顶冷凝器和塔底再沸器。图 5.21常规精馏塔模拟图 5.22热泵精馏示意图表 5.21常规精馏与热泵精馏模拟结果对比序号项目常规精馏塔塔顶蒸汽直接压缩式热泵改进效果1塔顶采出/(kmoL/h)487.0921541.1758+54.092塔顶冷凝器热负荷/MW-2.6802/3塔釜再沸器热负荷/MW2.0848/4辅助冷凝器热负荷/MW/-0.37085辅助设备负荷/MW/06181小结：与单塔精馏相比，塔顶蒸汽直接压缩式热泵精馏可节省热耗：1-0.61813.29/2.0848=2.46%与单塔精馏相比，可节省冷耗1-0.3708/2.6802=86.17%。，优化后换热网络大大减小了冷耗，减小生产成本的同时达到了节能环保的目的。5.3 余热锅炉的应用一般工艺上的克劳斯燃烧反应炉的出口尾气可高达1100，这股热量属于高品位能量，为了能够更好的将其回收利用，本项目决定通过使用余热锅炉将其回收利用，并转化为中压蒸汽通过蒸汽网络应用到各个耗能单元中，从而使整个项目达到节能减耗的效果。图 5.31余热锅炉使用示意图 通过余热锅炉的使用后，本项目的优化效果表如下：表 5.31优化后效果表项目单位使用余热锅炉前使用余热锅炉后效果对比回收中压蒸气t/h03.6+3.6回收能量MW02.73+2.73第6章 新型过程设备应用技术创新6.1 新型制硫燃烧炉衬里结构的应用2宋全祝. 硫回收装置制硫燃烧炉耐火衬里应用研究J. 神华科技，2012，(02):77-79.一.Claus单元制硫燃烧炉是硫磺回收装置的核心设备之一，该反应炉条件比较苛刻。由于制硫燃烧炉炉膛内正常操作温度为1100，实际生产中燃烧器周边炉膛温度达1400以上，并随轴向方向降低。在燃烧器周边流速很大，最高流速可达lOm/s以上，对周边的耐火衬里具有很大的冲刷力。长时间工作会将炉体部分烧穿。图 6.11制硫燃烧炉示意图二.原工艺制硫炉衬里结构:图 6.12原工艺制硫炉衬里结构图表 6.11原燃烧炉衬里材料一览表最外层中间层最内层材料厚度（mm）材料厚度（mm）材料厚度（mm）入口段轻质漂珠浇注料80高铝制浇注料73刚玉质高强耐火烧注料100前锥段轻质漂珠浇注料80高铝制浇注料150刚玉质高强耐火烧注料150工作段轻质漂珠浇注料80高铝制浇注料150刚玉砖145存在问题：原制硫燃烧炉前锥段外壁易出现不同程度的超温现象，导致炉体前锥段耐火衬里部分脱落，致使炉壁温度过高并烧穿。针对这一问题对其结构进行改造。三.改造后制硫炉衬里结构：图 6.13改造后制硫炉衬里结构表 6.12新型制硫燃烧炉衬里结构最外层中间层最内层材料厚度（mm）材料厚度（mm）材料厚度（mm）入口段轻质耐火浇注料80高铝制浇注料73异形耐火砖100前锥段轻质耐火浇注料80高铝制浇注料150异形耐火砖150工作段轻质耐火浇注料80高铝制浇注料150刚玉砖145表 6.13改造前后衬里结构对比项目原工艺制硫燃烧炉改进后制硫燃烧炉适用范围适用于炉径较小（小于3400mm）的炉体，抗热震能力强、耐磨损、耐腐蚀、机械强度高；对于炉体炉径过大（大于3400mm）的炉体，抗热震能力下降，尤其是炉体前锥段异型部位易脱落适用范围较广，抗热震能力强、耐腐蚀、整体性强特点1.机械强度高、耐腐蚀、抗冲蚀能力强1、耐腐蚀性强、抗剥落性强、整体性强2.由于存在砖缝，耐火胶泥品质差，收缩缝超标，容易穿透炉衬2.综合隔热性能强、热震稳定性好3.炉衬整体性差，如果炉顶单块砖脱落，会造成顶部大面积塌陷，尤其是锥段异型部位3.施工简便、工期较短，但施工质量及烘炉要求高4.维修难度大，施工工期较长4.可快速升温5.异型砖加工及施工难度大5.易于修补6.对设计、施工及材料要求较高6.特别适合温度剧变的炉顶或异型部位7.砖与浇注料结合不紧密7.两种浇注料结合紧密发展期望改善耐火品质以及隔热层浇注料材质的收缩系数，使其余耐火砖膨胀系数接近进一步改善复合材料品质，增强其耐磨损、耐冲蚀能力小结：Claus燃烧炉的前锥段通过采用新型耐火衬里材料后，在正常工作条件下设备寿命大大增加，生产过程也更加稳定。大大减少了设备维修停工的几率，提高了生产效率。所以我们采用新型耐火衬里复合结构的制硫燃烧炉。6.2 新型吸收塔除雾器的应用1 李鹤鸣.关于湿法脱硫吸收塔中除雾器的选择问题C./2006年火电厂环境保护综合治理技术研讨会论文集.2006:174-176.烟气在通过LT-Scot装置的吸收塔时，要通过塔中的除雾器来脱除净烟气中的液沫和雾滴，如果液滴除雾不完全，或运行时吸收塔液面控制不好，由于重力影响，导致在吸收塔上部附着，造成设备堵塞无法正常运行。通过比较不同类型除雾器特点，来选取适合本工艺的除雾器来提高吸收塔工作效率，增加经济效益。脱硫吸收塔常用除雾器从除雾塔板布置形式上，可分为平板式和屋脊式两种。屋脊式除雾器设计流速大，经波纹板碰撞下来的雾滴可集中流下，减轻产生烟气夹带雾滴现象，除雾面积也比水平式大，因此除雾效率高，出口排放的液滴浓度低于常规浓度标准。图 6.21屋脊式除雾器布置示意图图 6.22平板式除雾器实物布置图表 6.21吸收塔除雾器对比表除雾器类型平板式折流板屋脊式折流板极限雾滴粒径：m3215极限流速：m/s5.57.5适用条件常温低流速烟气高温低流速烟气设备特点除雾面积大，设备费用低一半结构简单除雾效率较好除雾面积更大整体刚度大冲洗效果好维修费用较低除雾效率高结构特点抗拉伸强度一般抗拉伸强度高，每平米荷载可达500KG除雾效果出口烟气中的雾滴浓度低于100mg/Nm3出口烟气中的雾滴浓度低于75mg/Nm3设备不足除雾效率不高不易清洗不适用于高浓度烟气除雾（不易清洗）应用市场广泛应用于烟气脱硫除雾广泛应用于烟气脱硫除雾小结：通过综合对比，屋脊式除雾器除了价格较贵外，其他性能要优越的多，我们决定在吸收塔中用除雾效果相对好的屋脊式除雾器来代替原来的平板式除雾器。在采用屋脊式除雾器后，除雾效率大大提高。另外屋脊式除雾器节省了空间体积，降低了吸收塔的高度。6.3 产品输送系统的创新1周辉，王启延，李灵，娄伦武. 克劳斯工艺尾气硫磺、硫化氢超标的处理J. 化工设计通讯，2014，(03):23-24+27.在本项目的Claus单元三级硫冷凝器出口气体中含有大量的气态硫磺，进入液硫分离器后，大量单质硫磺不能充分分离脱除，接着随工艺气进入急冷塔，与温度较低的急冷水接触后，一方面尾气温度降低，所含的气态硫磺冷凝下来，成为固体，粘结在急冷塔塔板上，堵塞设备，造成急冷塔进出口压差上升。另一方面，硫回收尾气在管道输送过程中温度不断下降，气态硫磺会冷却为液态，当温度低于硫磺熔点119时，就会凝固，在管道和阀门处越积越多，造成堵塞。造成了很大部分的经济损失。为了避免这种情况，只有将管道运输中的硫蒸汽保持在119以上，即另外加一条伴热管来防止液流凝固。可以将Claus热反应的余热进行再次利用，保持恒定加热蒸汽(0.4MPa，130)加热。另外减小输送管道的长度，就近回收液流以及固态硫，减少由于长距离运输造成的温度损失。通过查阅相关文献，本项目伴热管安装采用外伴热形式，具体如下图所示：图 6.31外伴热管示意图 图 6.32蒸汽伴热系统安装示意图图 6.33加设伴热管道后仪表流程图小结：通过加设伴热管后，硫冷凝器避免了硫磺堵塞管道和阀门的现象，另外外伴热管钢材用量很少，整体投资低，施工安装简单，为了尽可能减少投资成本，采用的加热介质为工艺自产的低压蒸汽。在输送液硫的过程中大大减小了硫冷凝过程的经济损失。6.4 换热设备结构创新 本项目原采用的换热器均为管壳式换热器，在实际生产中发现有的管壳式换热器换热效率不高，且占地面积较大，经过对比分析，我们决定采用一种新型的箱型管壳式换热器，该管壳式换热器不仅可以实现多流程纯逆流的设计，而且能提高低温差无相变液体间的换热效果。它综合了管式和板式换热器的特点，具有高效的换热效果和广泛的适用性，能够最大限度的满足热网加热器的安全与高效使用。传统管壳式换热器主要结构部件主要由管箱、管板、换热管、壳体等组成。腐蚀性的酸性气走管程的换热管，以便于清洗维护，洁净的水或者蒸汽走壳程。具体如下: 图 6.41传统管壳式换热器示意图1 图 6.42传统管壳式换热器示意图2针对现有的换热器我们在换热器结构形式上进行了较大的改进，箱型管壳式换热器的结构如下图所示。各部件结构形式改进的原理和效果如下:图 6.43箱型管壳式换热器示意图1 图 6.44箱型管壳式换热器示意图2注：1 前端管箱;2 管侧分程隔板;3 矩形管板;4 缓冲板;5 壳侧分程隔板;6 箱型壳体;7 后端管箱;8 换热管束图 6.45传统管壳换热器与新型管箱换热器对比一览表项目结构特点效果传统管壳式换热器1. 采用两端管板、换热管为直管2. 换热管两端分别与两端的管板焊接加胀接连接，多台重叠式串联组成。3. 由于温差小，运行时一般无需考虑热膨胀差应力。结构较复杂，体积庞大耐温耐压性能一般，制造成本相对较高新型管箱换热器1.采用矩形的管板形状2.采用正方形的布管形式;3.采用矩形的壳体与矩形管板的焊接的管箱;4.采用折流杆的管束支撑形式;5.壳侧采用扩口式的异形进出口结构和多孔板式的防冲形式。换热效果好;结构紧凑占地空间小;设备运行阻力小;运行安全可靠使用寿命长;经济性好;便于维护1.可以实现多流程纯逆流的设计2.提高低温差无相变液体间的换热效果。小结：本项目将原来所有的传统管壳式换热器都换为新型箱式换热器后，设备的占地面积大大减小，另外相对原来的传统管壳式换热器，新型箱式换热器的运行阻力大大减小，提高了设备稳定性，大大减小了故障发生几率。第7章 控制系统的创新7.1 精确控制反应炉进空气量在Claus反应炉中，根据化学反应式计量数以及工艺设计要求SO2和H2S的反应量的比例系数为一定值，即SO2：H2S=1：2，这个比例与进空气量有关，为了保证高温过程气中SO2和H2S的比例达到要求，过程气比值分析和空气（微）流量组成单闭环比值控制系统。过程气比值分析作为主回路，空气（微）流量作为副回路。根据比值分析的结果微调所需的空气量。图 7.11燃烧反应炉控制方案图小结：在装置正常生产的情况下，炉内只烧酸性气，酸性气流量和空气（主）流量组成单闭环比值控制系统，根据酸性气流量调节所需空气量。其优点是两种物料流量的比值精确，实施方便。而当系统中出现除流量干扰外的其它干扰引起主参数变化时，可以通过修改比值来保持主参数稳定。上述控制方案实施后，较好地实现了高温过程气中SO2和H2S的比例控制，能够最大限度地把SO2转化为单质硫，大大提高了生产效率。7.2 APC和DCS控制系统的应用在硫磺回收装置内采用APC先进控制系统，对主要工艺参数进行优化控制，在满足工艺要求的基础上实现“卡边”控制，从而有效降低装置的操作费用，避免能量浪费。并且可以预测控制未来使之达到应有的控制质量，APC先进控制系统在多家化工厂的常减压装置投用后，对装置操作平稳率、产品质量及侧线收率的提升效果。表明APC系统的应用可使装置操作更加平稳，降低了操作人员的劳动强度；提高了产品质量的控制精度，提高了目标产品的收率。第8章 环境保护技术的创新8.1 废气处理化工厂的主要大气污染物来源有：汽提塔的放空气和吸收塔塔顶分液罐的尾气；化工厂物料往返输送所产生的跑、冒、滴、漏斗以构成了化工厂的大气污染之一。 本项目有组织排放的尾气主要来自各单元的塔顶馏出气，其废气中含有大量的硫化氢，现决定将汽提塔放空气和吸收塔塔顶分液罐尾