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荥阳300MW发电厂烟气脱硫联产2万吨/年硫酸铵项目创新性说明书以梦为马2017 “东华科技-陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛荥阳300MW发电厂烟气脱硫联产2万吨/年硫酸铵项目创新型说明书设计单位郑州大学设计团队以梦为马团队成员代维康 刘露轲 李亚飞 赵梦瑶 杨艳伟指导教师白净 侯翠红年产2万吨烟气脱硫制硫酸铵项目-创新性说明书 目录第一章 清洁生产技术创新11.1 湿式氨法深度脱硫技术11.2 脱硫的资源化利用技术21.3 碳排放减少2第二章 反应技术及分离技术创新42.1 高效反应新工艺42.1.1 吸收工艺42.1.2 反应工艺42.2 高效分离新工艺52.3 反应分离集成技术5第三章 过程节能技术创新73.1换热网络集成优化73.2多效利用技术8第四章 新型过程设备应用技术创新94.1反应器结构创新94.1.1 吸收塔材料创新94.2分离设备结构创新104.3输送设备结构创新104.4换热设备结构创新114.5自控创新114.5.1 自动控制系统114.5.2 SIS自动化系统控制12第一章 清洁生产技术创新1.1 湿式氨法深度脱硫技术本项目采用改进的湿式氨法技术对焦炉烟气进行深度脱硫。图1-1 氨法脱硫工艺流程示意图氨法脱硫技术与其他脱硫技术相比，具有以下技术优势：装置阻力小，节省运行电耗；利用氨法脱硫的高活性，使液气比较常规湿法脱硫技术降低。脱硫塔的阻力仅为850Pa左右，系统阻力较常规脱硫技术节电30%以上。另外，循环泵的功耗降低了近70%。装置设备占地小；氨回收法脱硫装置无需原料预处理工序，副产物的生产过程也相对简单，总配置的设备在30台套左右，且处理量较少，设备选型无需太大。既脱硫又脱硝-适应环保更高要求；氨对NOX同样有吸收作用，另外脱硫过程中形成的亚硫铵对NOX还具有还原作用，所以氨法脱硫的同时也可实现脱硝的目的，环保实测数据氮氧化物去除率为22.3%。脱硫塔不易结；燃料含硫变化范围适应性强，特别是高含硫煤、高硫重油、高硫石油焦的脱硫，无二次污染。1.2 脱硫的资源化利用技术氨法的最大特点SO2的可资源化，可将污染物SO2回收成为高附加值的商品化产品。副产品硫铵是一种性能优良的氮肥，在我国具有很好的市场前景。氨法脱硫在资源化利用方面的技术特点如下： （1）完全资源化变废为宝、化害为利 氨回收法技术将回收的二氧化硫、氨全部转化为化肥，不产生任何废水、废液和废渣，没有二次污染，是一项真正意义上的将污染物全部资源化，符合循环经济要求的脱硫技术。 （2）脱硫副产物价值高 氨回收法脱硫装置的运行过程即是硫酸铵的生产过程，相比石灰石-石膏法，氨法相对运行费用较小，并且煤中含硫量愈高，运行费用愈低。企业可利用价格低廉的高硫煤，同时大幅度降低燃料成本和脱硫费用，一举两得。 氨法技术本身已经通过专家及工程实践证明是成熟可靠的，如果企业采用合成氨生产过程中产生废氨水作脱硫剂，将更符合循环经济和节能要求，可以申报国家发改委专项资金奖励。脱硫副产的亚硫铵溶液既可以通过后续装置干燥结晶制成硫铵化肥出售，也可以不用干燥，将亚硫铵溶液直接运去氮肥厂做复合肥原料，进一步降低能耗，成本低廉。本项目考虑到氨水及碳铵的经济效益，以及河南省及周围省市的农业需求，参考了其他厂氨法脱硫工艺，决定采用发电厂燃煤锅炉产生的氨氮废水作为原料制取氨水和氨气用于脱硫。并且采用创新工艺，直接在本厂将亚硫酸铵和亚硫酸氢铵氧化生产硫酸铵肥料，进行出售。1.3 碳排放减少 在氨法流程设计过程中，为减少工程中的碳排放，本项目建设热量回收装置。该装置中用焦炉烟气的多余热量参与供电环节，充分对能量进行了集成利用，有效的减少了工程中的碳排放。本项目公用工程主要使用冷却水与低压蒸汽，使用量分别为 64万吨/年和24 万吨/年，公用工程的大量使用会提高工艺系统能耗，增大公用工程的碳排放量。为了节能降耗，节省投资，本项目采用了二效蒸发、闪蒸罐回收蒸汽等热集成技术对原工艺系统进行优化，项目公用工程用量与能耗明显降低，有效的降低了碳排放量。通过过程优化，公用工程可减少能量利用的30左右，每年碳排放量可减少0.8531 万吨标煤/年。每吨产品（SO 2）碳排放减少量0.42655 吨标煤/吨产品（SO2）。除此之外，我们采用国际上的一项发明专利 1 D塞赫;F昂罗.减少高炉的二氧化碳排放的方法和相关的装置P.中国专利:CN102482723A,2012-05-30.（中国专利号:CN102482723A），从源头上减少CO2的排放。其主要内容是将某项特殊还原剂装载到炉喉,和粉化形式的某种辅助燃料注入到风口,并且该方法的主要特征在于装载到炉喉的还原剂包括木炭，经检验装载到炉喉的木炭的单位消耗量小于装载到炉喉的还原剂的总量的20。通过这样的方式,使得二氧化碳排放量显著减少,以及对木炭的较大再利用。下面是具体示意图：图1.2装置示意图第二章 反应技术及分离技术创新2.1 高效反应新工艺2.1.1 吸收工艺37750Kg/h在吸收过程中，存在硫酸铵液滴、亚硫酸铵液滴、氨水、少量三氧化硫、氮氧化物、以及少量未被吸收的二氧化硫的逃逸现象。这是采用氨法普遍存在的问题，目前国际上还没有得到彻底解决，只能将其控制到较小范围内。因此，通过查找相关文献，我们对各种影响因素进行了优化分析，最终得出了氨水进口流量为37750Kg/h，进口温度为23时，可以实现高效吸收的目标。23图2-1 氨水进口流量对脱硫率的影响曲线图 图2-2 氨水进口温度对脱硫率的影响曲线图2.1.2 反应工艺本项目一大特色：塔外氧化，即将脱硫吸收塔内吸收介质引出塔外氧化，优点是减少氨逃逸和硫酸铵气溶胶。此处做一对比。塔内氧化，即是在塔内直接将亚硫酸铵氧化成硫酸钠，但是硫酸铵对二氧化硫没有吸收能力，为保证脱硫率，只能向塔内多注入氨，不可避免的造成出口烟气中氨逃逸增加。塔外氧化：脱硫吸收塔内吸收介质主要是亚硫酸铵和亚硫酸氢铵，只需通过调节PH值就可以使得脱硫率很高，并且氨逃逸很小。图2.3反应器设计2.2 高效分离新工艺在氨法工艺流程中，分离主要是在蒸发阶段分离得到最终产品硫酸铵。传统的蒸发结晶方式热力学效率较低，能量浪费较大,因此采用多效蒸发的工艺方法。大量的理论分析、实验研究以及工业应用表明,多效蒸发技术节能效果十分显著。如下图所示多效蒸发主要是利用前一蒸发器内蒸发时所产生的二次蒸汽用作后一蒸发器的加热蒸汽。从而既节省了循环物料的加热热源,又降低了蒸汽冷凝的冷凝换热负荷,达到节能目的。图2-1 多效蒸发流程2.3 反应分离集成技术在本次设计的氨法工艺流程中，反应分离技术主要体现在吸收工段，吸收工段我们采用了两个吸收塔，均设有再循环操作，在两个吸收塔处都设置一定分流量的分流器，来实现部分物料可以同时进行反应和产品分离两个操作，具体示意图如下：图2-2 吸收工段示意图第三章 过程节能技术创新3.1换热网络集成优化换热网络的设计，自由度较大，所获得的方案数目众多，但是合理的换热网络需要经过筛选与优化。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。为简化换热网络，将从flow sheet中得到的流股分流设置为2。在Aspen Energy Analyzer V7.3给出的design中选取其中最为经济且换热面积较小的设计方案进行后续优化过程。设计方案如图4-1所示：图3-1 优化前的设计方案该换热网络的换热器数目为7台，按照最小换热器台数原则，考虑将换热器换热面积很小，热负荷也很小的换热器去除，将其热负荷转移到其他换热器上。当用多种公用工程换热时，可适当减少操作费，但会增加换热器数目和设备费。比如在使用冷却水和制冷剂冷却时，如果冷却水冷却的负荷较小，则可直接使用制冷剂，而不使用两种公用工程，以节省换热器的设备费。换热网络中存在一个loop回路，实际上，一般不能有loop回路的存在，故应该删去负荷或者换热面积较小的换热器，将其合并到其他换热器，打破回路，减少换热器数目。再通过path通路来调节换热量，使换热器的热负荷得到松弛，甚至减少换热器的数目。另外，相距较远的物流间换热会使管路成本增大，增加设备投资成本，且操作不稳定，此类换热器需要斟酌后删除。经过以上调节之后，最后获得换热网络如图4-2所示。图3-2 优化后的设计方案优化后的换热网络所需换热器数目为6台，包含2个流股热量回收利用的换热器，数目减少且结构更为精简，可回收热量391.9MW，回收能量达50.34%。共需要冷公用工程386.6MW，热公用工程0MW。所使用的冷公用工程为：循环冷却水、冷冻剂；公用工程均可由化工园区提供。3.2多效利用技术本项目在余热回收方面采用了多效蒸发技术，对热量进行了充分利用，从而达到了节能降耗的目的。图3-3 多效蒸发第四章 新型过程设备应用技术创新4.1反应器结构创新本项目采用一种新型除雾器（专利号：CN206008247U），除雾器叶片包括多个平行间隔设置的叶片,每个叶片包括叶片本体、网状结构层和锥状物,锥状物沿叶片本体间隔设置在叶片本体的外表面上,锥状物的锥顶朝向液滴重力沉降的方向设置,锥状物外的叶片本体的外表面上紧密设置网状结构层。该除雾器叶片对板式除雾器的叶片结构进行改造,能够有效地解决除雾器烟气的二次携带的问题,提高了板式除雾器的除雾效率,能够实现高效除雾,同时其阻力小,系统投资成本低,因此,该除雾器用除雾器叶片可以应用于湿法烟气脱硫系统中烟气和液滴的分离中。图4-1 除雾器结构示意图4.1.1 吸收塔材料创新按照装置不同部位腐蚀程度有针对性地选择了防腐蚀设备材料，其具体内容见下表：表4.1 塔设备特殊材料说明特殊位置所选材料烟道气进入浓缩塔的入口碳钢贴衬C276合金浓缩塔高温烟气部分碳钢塔体内衬316L不锈钢整个吸收塔S30408塔体内衬带铆固件的耐腐蚀BEKA塑料PP聚丙烯材料湿烟囱玻璃钢FRP材料4.2分离设备结构创新本项目中涉及到硫酸铵的精制干燥过程，干燥用的振动流化床,其特征在于，振动流化床流化床由上至下包括流体连通的上床体、下床体和风室，上床体的顶部设置有出风口，下床体的相对两侧分别设置有进料口和成品出口，风室设置有至少一个热风进口，风室的成品进口一侧设置有一个冷风进口，风室的外侧还设置有使进入下床体的待干燥物料振动的振动电机。该振动流化床能耗低而且占地面积小。图 4-2振动流化床干燥器示意图4.3输送设备结构创新本项目中用到了螺杆泵变频调控装置，能够有效降低螺杆泵能耗，增加螺杆泵的使用寿命，其降耗节能措施如下：（1）改变电源频率，调节电动机转速，以满足实际工作需要。（2）改变电动机输人端电压，使工作电压范围合理。（3）采用软启功能，提高设备使用寿命。图4-3螺杆泵变频自动控制原理4.4换热设备结构创新本项目的换热器采用新型壳管式换热器。该换热器内设有将管程介质进口和多个U型换热管进口连通且将从所述管程介质进口进入的管程介质均匀非配到各U型换热管内的分配器。且该换热器U型换热管互相串联，使管程长度成倍增加，弥补管程不足的缺点。该换热器具有可靠性好、换热效率高、结构简单、制作容易、便于安装的优点。图4-4 新型管壳式换热器示意图4.5自控创新4.5.1 自动控制系统该装置是针对300MV发电机组对应的氨法脱硫系统，具体的检测和控制范围包括：烟气系统、烟气洗涤吸收系统、硫酸铵制备系统、干燥系统等，设备多且较为分散，控制测量要求高。该脱硫DCS系统采用和利时新一代的DCS系统-MACS。DCS控制依据工艺和自动化仪表的特点，DCS系统设有MACS控制机柜2台、两台操作员站和一台工程师站等设备。DCS自动化控制系统-吸收塔DCS控制截图图4-5 吸收塔DCS控制图4.5.2 SIS自动化系统控制首先对该脱硫系统进行了HAZOP分析，选取以下六个节点，别是泵、储罐、闪蒸罐、吸收塔、氧化釜、换热器。 图4-6 风险分布图在该脱硫装置中，闪蒸罐、吸收塔、储罐、氧化釜需要进行SIS防护措施。在SIS系统过程设计中，如果使用的过程参数过多，将会导致SIS系统有多个SIF功能来保证生产过程的安全可靠。但这会导致安全系统频繁跳车现象的发生，一旦跳车，SIS系统将会导致全厂停车，影响石化企业正常的生产过程，造成经济损失。如果使用过程参数过少，系统本该动作停车防止事故发生，但由于没有设置相应的过程参数，导致SIS系统对危险毫无动作，造成重大危险事故发生。该控制系统依据GB-T50770-2013设计规范，