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年产3500吨牛磺酸项目 项目摘要项目摘要1.项目简介本项目是一个烟气脱硫并予以资源化利用的项目，选定的目标钢铁厂年产钢铁44.86万吨，年耗煤炭58.32万吨。依托该厂建设年处理含硫工业废气为3.888亿立方米的脱硫分厂，其中二氧化硫含量5832吨，深度脱除二氧化硫并且利用环氧乙烷-亚硫酸铵一步法生产高值的牛磺酸3500吨/年，联产碳酸氢铵，硫酸铵。预期总投资为2.11亿元，投资15年后，累积现金流量1.43亿元，静态投资回收期为6.17年。本团队在工艺设计中，兼顾经济效益和清洁生产，思路明确，亮点突出，其主要表现在以下方面：（1）依托来自总厂已除尘脱硝脱氧的含硫烟气，进行湿式氨法脱硫，产物较纯净，无氧化风险，氨法吸收烟气的同时，脱除烟气中大量的二氧化碳气体，实现多元吸收；（2）产品选择中，以牛磺酸为主产品的脱硫产物并联产碳酸氢铵，硫酸铵和二氧化碳与氮气的混合气；（3）脱硫塔采用喷淋与填料的组合塔，增大脱硫率，降低能耗；（4）采用环氧乙烷与亚硫酸铵一步法生产牛磺酸铵盐，属于环境友好型工艺，方法新颖，生产极大简化，产品含量高，过程中污染少，并对后续三废详细处理；2.原料产品确定本项目设计的是3.888亿立方米/年含硫烟气资源化利用制牛磺酸，其原料方案采用混合进料，来自总厂的除尘脱硝脱氧的含硫烟气和来自金珠工业园区厂家的环氧乙烷，10%氨水和浓硫酸。表2-1 原料组成原料含硫烟气液氨环氧乙烷浓硫酸新鲜水数量 t/a805639138494233276075233表2-2 进入脱硫分厂的烟气组成组成H2ON2NO、NO2O2SO2CO2含量（体积分数）9.1930%76.3324%0.0003%0.0074%0.2023%14.26%形成了以牛磺酸为主产品，并副产碳酸氢铵、硫酸铵和二氧化碳与氮气混合气的产品体系。表2-3 主副产品及建设规模表序号类别产品名称规格产量1主产品牛磺酸98.5%（食品级）3500t2副产品碳酸氢铵99.2%41725t3副产品硫酸铵99.2%2088t3.工艺设计本项目经过产品选择和工艺方案论证，采用环氧乙烷与亚硫酸铵一步法制牛磺酸的工艺。设计了烟气脱硫工段、碳铵冷却结晶工段、牛磺酸合成工段和硫酸铵精制工段。，并实现了全流程稳态模拟和优化。工艺流程如图3-1所示，详见初步设计说明书第4章化工工艺系统。图3-1 工艺流程示意图（1）烟气脱硫工段：采用成熟的氨-亚铵法脱硫技术，用稀氨水作为氨源对SO2进行吸收。为进一步提高脱硫效率，我们将烟气分成两股，分别通过两个并联的填料式脱硫塔。物料流经脱硫工段，将得到一部分气体（包含CO2、H2O、N2、NH3和达到排放量标准的SO2）和一部分液体（包含NH4HCO3、NH4HSO3和少量（NH4）2SO3）。（2）碳铵冷却结晶工段：来自烟气脱硫工段的溶液经过分解处理和闪蒸与来自脱硫工段的气体，在一定的条件下混合。得到的气体冷却至5摄氏度再闪蒸进行气液分离，得到的气体为氮气与二氧化碳的混合气，排至大气；得到的液体再通过冷却结晶和固液分离，得到副产品-碳铵，其中部分流股再通入混合步骤，进行循环。（3）牛磺酸合成工段：牛磺酸合成工段采用环氧乙烷-亚硫酸铵工艺，资源化利用氨法脱硫的产物，环氧乙烷和亚硫酸铵合成的牛磺酸根经过硫酸酸化，制得牛磺酸粗品，经过结晶提纯后得到本项目的主产品-牛磺酸。（4）硫酸铵精制工段：牛磺酸精制阶段分离得到的液体，与稀氨水混合，经过三效蒸发，固液分离得到我们的副产品-硫酸铵。闪蒸分离得到的液体进过分流器，其中部分流股再通入混合步骤，进行循环。4.设备设计本项目设计过程中主要对反应器、脱硫塔和固液分离器等设备进行了设计，对换热器、泵、压缩机等设备进行了选型。具体详见初步设计说明书第6章：设备选型设计。 在脱硫塔设计中采用螺旋喷嘴，它是一种实心锥形或空心锥形喷雾喷嘴，喷流角度范围可为50-170。液体流率范围为5.5-4140升/分。这种结构紧凑的喷嘴有着畅通的流道可以最大程度地减少液体阻塞，使液体在给定尺寸的管道上达到最大流量。如图4-1：图4-1 螺旋喷嘴在牛磺酸合成的搅拌器中，创新性地采用了双层桨搅拌系统，上层采用六叶圆盘透平桨，下层采用六叶翼型k5桨。有效延长气相停留时间，提高气含率。且采用较低的通气位置可以提高搅拌釜的气含率。六叶圆盘透平桨结构如图4-2，六叶翼型k5桨结构如图4-3 图4-2 六叶圆盘透平桨图 图4-3 六叶翼型k5桨详见创新性说明。5.清洁生产本项目为含硫烟气资源化利用生产牛磺酸的清洁生产工艺，主要体现为：（1）采用含硫烟气、环氧乙烷作为原料路线，将国内产能过剩的环氧乙烷原料资源利用，生产高附加值的牛磺酸副产碳酸氢和硫酸铵，是烟气脱硫行业实现节能减排、清洁生产、废弃物资源化利用和提高经济效益的重要途径。（2）产品选择多样化，既提高了原子利用率，也减少了三废排放。（3）牛磺酸合成工艺采用环氧乙烷-亚硫酸铵法，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。（4）在三废处理中，本项目每年产生废气804656吨，废液9544吨，废固228吨。表5-1 废气排放表序号装置名称排放量t/a主要成分及含量排放方式处理去向1V0206832604N2，80.9%CO2，19.1%连续直接排空2V0207670H2O，99.9%连续通往凉水塔3V03011757H2O，97.7%SO2，0.2%CO2，0.67%NH3, 1.43%连续通往生物处理池4V040158H2O，99.4%SO2，0.52%C2H4O，0.03%连续直接排空5V040214H2O，3.45%NH3, 96.5%C2H4O，0.003%连续通往生物处理池6燃煤锅炉142NO,NO2，0.0002%SO2，0.52%CO2，0.67%粉尘，0.13%连续脱硫处理表5-2 废水排放表序号名称排放量t/a主要成分及含量排放方式处理去向1牛磺酸生产废水781COD 1500mg/LBOD5 240mg/L氨氮 65mg/L总氮112mg/L连续送至牛磺酸生产废水处理站2生活污水8763水、COD、氨氮、SS间歇经化粪处理，送至污水处理站表5-3 废固排放表序号名称排放量t/a主要成分及含量排放方式处理去向1锅炉废渣27SiO2、Al2O3、CaO等间歇出售，用于填坑铺路2生产包装21低毒、腐蚀性物质间歇送入资质单位处理3生活垃圾40生活垃圾间隙送入垃圾处理站集中处理4污水处理站污泥140有机物及N、P间歇送至资质单位处理6.厂区选址与布置6.1选址确定图6-1 厂址选择示意图本项目将厂址定在吉林省吉林市龙潭区金珠工业园区内，靠近总厂吉林建龙钢铁厂。具体位置如图6-1所示。园区作为吉林省钢铁工业重点发展的钢铁基地之一，公共设施完善，企业集群使内部产业链优势明显；原料含硫烟气直接来自总厂；三废处理、公用工程均有配套产业供应；园区还得到了政府的政策扶助优惠和资金技术支持，注重产业的健康可持续发展。6.2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。厂区长200 m，宽200 m，总占地面积40000 m2，主要包括生活和办公区、生产辅助区、生产工艺区和储运区等区域。生产区布置是I型。将生产区布置在厂区东南侧，罐区设置在厂区东北侧，生产辅助区紧邻生产区布置，生活办公区布置在厂区西南侧，保证全年均位于上风侧或避开主导风。本项目内各工序、道路的间距均满足规范要求。我们使用Auto CAD进行厂区的平面设计，厂区平面布置如图6-2所示。图6-2 厂区平面布置图6.3三维布置本项目同时对厂区三维进行设计，如图6-3。详见厂区三维布置源文件。图6-3 厂区三维效果图7.安全环境分析安全是工业生产最重要的考虑因素。本项目生产采用先进的本质安全理念，从流程设计、操作条件、储存运输、设备选型等方面来减少事故发生的可能性和危害性。再次，本项目生产中，运用DCS和SIS等控制手段对反应器，脱硫塔等设备进行重点监控，并对整个工艺流程运用自动化手段进行工艺控制。然后，本项目在全厂布置上严格遵循石油化工企业设计防火规范和建筑设计防火规范，使设计做到规范标准；在平时生产操作时，通过多次的安全培训，提高员工安全意识，规范安全操作，降低人为事故发生的概率。最后，本项目运用HAZOP软件全面考虑系统地识别运行过程中潜在的安全问题，并给出相应的措施。运用riskysytem软件对泄漏事故进行模拟，为应急措施的制定提供依据。运用Fault Tree软件快速分析危险事故发生的源头，为快速给出事故应对策略提供理论依据。8.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2.11亿元，年净利润1810.62万元，投资回收期6.17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。详见可行性研究报告第6章第7章。表8-1 综合经济技术指标序号指标名称单位数值1设计规模吨/年35002年操作时间小时/年72003工程项目总投资亿元2.114固定资产投资万元13718.576总定员人1257年成本费用万元/年13743.3619年净利润总额万元/年1810.6210投资利润率%37.7211投资利税率%42.9712内部收益率%26.213投资回收期年6.1714投资净现值（税后）万元14326.149.项目总结本项目以“安全稳健、节能环保、资源化利用、可持续发展、有效融合”的设计原则进行了初步设计。通过查阅、市场调研确定了以含硫烟气和环氧乙烷为原料，采用环氧乙烷-亚硫酸铵一步法制牛磺酸的工艺。然后采用Aspen Plus软件完成全流程的工艺模拟，并对全流程进行物料衡算和能量衡算。再根据模拟数据并结合Aspen Energy Analyzer软件对过程进行了热集成分析，确定了本项目的节能方案。根据流程模拟数据对设备进行选型，并利用SW6-2011软件对设备进行校核；