附录一半焦活化工段设计

40万Nm3/h燃煤烟气深度脱硫设计方案 烟气脱硫脱硝催化剂改性活化工艺设计目录烟气脱硫脱硝催化剂改性活化工艺设计目录1烟气脱硫脱硝催化剂改性活化工艺设计11.1引言11.2设计原则和规范标准11.2.1设计原则11.2.2设计采用标准及规范21.3原料半焦的筛选21.4 半焦活化工艺设计31.4.1干燥器的设定31.4.2负载活性组分51.4.3高温锻烧71.3.5挤出成型91.3.6能量回收和综合利用101.4公用工程消耗101.5本章小结12140万Nm3/h燃煤烟气深度脱硫设计方案 烟气脱硫脱硝催化剂改性活化工艺设计正文1烟气脱硫脱硝催化剂改性活化工艺设计1.1引言 本设计所描述的烟气脱硫脱硝技术，是以半焦作为吸附剂和催化剂，将烟气中的SO2和NOx催化氧化脱除的方法。但原料半焦的孔容和比表面积均较小，还不具备良好的脱硫脱硝性能，因此需要对原料半焦进行改性活化，使其具有较大的比表面积(300m2/g，适合的孔容（0.4m3/g），以及一定数量的碱性含氧官能团。根据我校李春虎教授课题组在实验室通过高压水热活化、酸活化、碱活化等方法完成原料半焦的制备小试鉴定，并对活化后半焦进行了活性评价及表征，结果表明活性焦脱硫剂的比表面积最高可达400m2/g，硫容12%硝容3%。本章是在实验室活化的基础上，考虑到工程放大因素，对半焦催化剂的改性活化工艺进行设计，使其满足工业化生产需求。1.2设计原则和规范标准1.2.1设计原则1)所有机械的电气设备应符合所在环境的防爆、防护等级要求。2)所有设备的排气指标、噪声指标应满足相关法规及规范要求。3)所设计机械的生产能力应符合设计负荷弹性范围30%-110%的要求。4)设备的材料性能必须满足生产环境、连续运行周期(年运行7800小时)、机械寿命的要求。1.2.2设计采用标准及规范(1) GB/T983-1995不锈钢焊条(2)GB/T5117-1995碳钢焊条(3) GB/T5118-1995低合金钢焊条(4) GB6654-1996压力容器用钢板(5) GB5310-1995高压锅炉用无缝钢管(6) SH3074-95石油化工钢制压力容器(7) HG20581-1998制化工容器材料选用规定(8) HG20580-1998制化工容器设计基础规定(9) HG20583-1998制化工容器结构设计规定(10) JB/T4731-2005钢制卧式容器1.3原料半焦的筛选 本设计所用的原料为活性焦脱硫剂，其元素分析和工业分析如下。表1-1 原料半焦的元素分析成分CHON质量含量/%60-754-710-260.3-0.6表1-2 原料半焦的工业分析项目MfAfVfFC质量含量/%3-84-1013-2060-751.4 半焦活化工艺设计根据李春虎教授课题组对半焦活化方法的多年实验研究，可以通过以下工艺组合来实现半焦的改性活化。活性半焦脱硫剂负载活性组分高温煅烧具体工艺如图1-1所示。活性焦脱硫剂图1-1 半焦改性活化流程图1.4.1干燥器的设定采购回来的活性焦脱硫剂的孔道内吸附有大量的水分，这将影响半焦的脱硫脱硝活性，因此需将带水半焦(含水量0.3 m3H20/m3半焦)放入干燥器中恒温110干燥脱水两小时。以1m3半焦为基准，干燥过程的热量衡算过程如下:1m3半焦从20吸热升温到110，需要的热量为:Q1=0.8*650*1*(110-20)=46800kJ0.3 m3水从20液态变为110汽体，需要吸收的热量为:Q2=4.187* (100-20)+2258.3+1.85 x (110-100)* (0.3 *1000)=783528kJ因此，考虑到干燥过程的热量损失等，对单位体积半焦进行干燥脱水，需要的总能量为:Q=1.2*(Q1 +Q2)=996394kJ考虑到此干燥过程为间歇操作，半焦生产任务较小但要频繁更换的特点，此工艺选用平流式厢式干燥器。厢式干燥器中待干燥物料放在容器中，可随小车方便的推入推出，且容易清洗，适合本干燥工艺。厢式干燥器的基本示意图如图2-4所示。图1-4厢式干燥器半焦干燥过程的物料衡算和热量衡算结果如表1-5所示。表1-5干燥工艺物料和热量衡算表操作参数操作温度/110烘干时间/h2物料衡算半焦含水量/m3H2O/m3干半焦0.3半焦处理量/ m3/d1.5热量衡算烘干1m3半焦所需热量/kJ996394工作一天所需供给热量/kJ14945911.4.2负载活性组分 将活性焦脱硫剂的半焦，等体积浸渍在已配置好的Fe3+-Ti02溶胶中，室温下放置5小时，以获得改性半焦前驱体。后取出放入干燥箱中110下干燥2小时，最后恒温锻烧，即得到负载了Fe3+-Ti02的半焦光催化剂。 浸渍过程采用饱和浸渍法，将浸渍液均匀不断的喷洒(喷淋)到翻腾的载体上，使浸渍液全部附载在半焦上，没有过剩的浸渍液。本负载工艺采用滚球机间歇操作，随着半焦载体在转动的容器内翻腾，浸渍液即可均匀的喷洒在载体颗粒上。具体的饱和浸渍如图1-5所示。图1-5 滚球机1.4.3高温锻烧1.4.3.1高温锻烧的操作步骤 把先前制得的活化半焦放入回转式焙烧炉内，在氮气、氧气(1-3%)和水蒸气(15-20%)气氛中，空速2000h-1下，700高温锻烧1小时，即可完成半焦的高温增湿通氧活化过程。高温锻烧时，半焦中的C能与锻烧气中的H2O(g)反应，因此能有效的增加半焦的孔容和比表面积，提高其脱硫脱硝性能。1.4.3.2高温锻烧设备的选用根据高温锻烧工艺的特点，在此选用回转式焙烧炉。此设备采用烟道气直接加热，改性半焦从顶部进料箱加入并随转筒旋转换热。这套设备可连续生产，处理能力大，构造简单，非常适合本套工艺。另外，选用变压吸附分离装置(PSA)提供锻烧过程所需要的O:和Na，锅炉供应水蒸汽。回转式焙烧炉的装配图如图2-6所示。图1-6回转式焙烧炉1.4.3.3高温锻烧过程的物料和能量衡算半焦的生产任务为1.5m3/d，由于高温锻烧为连续工艺，因此可求得每小时的半焦处理量为0.0625m3。因此，由空速2000h-1和转筒内半焦体积0.0625 m3，可求得加热热风的体积流量为:V=0.0625 x 2000=125m3/h=0.0347 m3/s本锻烧工艺加热的热风组成为:N2+(1-3 %)02+(15-20%)H2O。在700 锻烧温度下，其密度为0.2443 kg/m3 ; 20- 700 时，热风的平均比热为1.367 kJ/kg*K 。则转筒内半焦(密度650kg/m3，比热0. 8kJ/kg*K)由常温20 加热到锻烧温度700，需要外界提供的加热速率为:Q1=0.8*(650*0.0625)*( 700-20)=22100kJ/h=6.14 kW热风由常温20加热到锻烧温度700，换热速率为: Q2=1.367*（0.2443x0.0347）*（700-20)=7.88 W考虑到热量损失，锻烧工艺的总传热速率为:Q=1.2*（Q1 + Q2）=28.04 kW另外，取回转式焙烧炉转筒的长径比L/D=10，考虑到半焦的生产任务为0.0625 m3/h，取转筒长度L=2.3m，内径D=0.23 m。具体的高温锻烧设备参数、物料衡算和能量衡算结果见表1-6 。表1-6 高温煅烧操作参数和热量衡算表煅烧操作参数操作温度/700操作压力/atm1转筒材料不锈钢圆筒炉体+烟道气保温层日处理量/m31.5操作特点连续性操作半焦停留时间/h1焙烧炉转筒尺寸转筒长度/m2.3转筒直径/m0.23物料衡算每小时进料/m30.0625热量衡算热风加速速率/kW6.14半焦加热速率/kW7.88总传热速率/kW28.041.3.5挤出成型 半焦制备过程中，会有一些半焦颗粒破碎成碎小，需要将这些粉末成型，以此来增加半焦催化剂的催化活性、机械强度及延长使用寿命。成型是在一定外力作用下将各类粉体、颗粒或熔融原料互相聚集，制成具有一定大小、形状和强度的固体颗粒的单元操作过程。 工业上常用的成型设备很多，本工艺选用螺杆挤条机。挤条机按螺杆数不同，可分为单螺杆和双螺杆等形式，是目前最常用、最重要的催化剂成型设备。将半焦催化剂粉末和适量助剂捏合的团块从进料机筒加入，后由螺杆向前推送并对物料进行压缩，当物料传送到模头孔板时，最终被挤压成具有一定尺寸和形状的条状催化剂颗粒。具体的单螺杆挤条机示意图如图1-7所示。 图1-7 单螺杆挤条机1.3.6能量回收和综合利用 高温锻烧工艺中焙烧炉反应完的尾气为700含有大量的显热，因此可以将这两部分热量回收利用。将700 尾气作为干燥过程的干燥介质，对含水半焦进行干燥脱水等。热量分别估算如下:（1）焙烧炉尾气可提供的热量 焙烧炉尾气与加热热风的组成相近，可用N2+(1-3%)02+(15-20%)H20近似代替尾气计算。 已知在700 锻烧温度下，其密度为0.2443 kg/m3 ; 20 - 700时，热风的平均比热为1.367kJ/kg*K。则由700冷却到20 ，尾气的换热速率为:Q2=1.367*(0.2443*0.0347)*(700-20)=7.88 kW1.4公用工程消耗1)电源条件 高压电源:10KV10%，交流三相三线制，中性点经小电阻接地 低压电源:380V10%，交流三相五线制，中性点直接接地220V10% 控制电源:AC220V频率500.5Hz单相DC220V2)蒸汽 高压蒸汽: 压力8.55MPa (G)温度535中压蒸汽: 压力5.0MPa (G)温度270低压蒸汽: 压力1.5MPa (G)温度201低压蒸汽: 压力0.1MPa (G)温度1003)仪表空气 压力0.6MPa (G) 温度25 质量 含油量0.01ppm 露点温度-43 含尘量1um4)循环冷却水 给水温度25 给水压力0.4MPa(G)5)锅炉给水 温度 压力 137-150 120MPa(G) 150 6.5MPa(G)6)氮气低压氮气(99.98% , O210ppm) 40 0.40 MPa(G)中压氮气(99.98% , O210ppm) 40 4.1 MPa(G)1.5本章小结本章对半焦催化剂的改性活化工艺