化工废气余热利用与能量回收及减排协同研究毕业论文答辩

第一章绪论：化工废气余热利用与能量回收的背景与意义第二章化工废气余热特性分析第三章ORC系统优化设计第四章CO2回收工艺研究第五章耦合系统仿真验证第六章工程应用与政策建议101第一章绪论：化工废气余热利用与能量回收的背景与意义化工行业能耗现状与余热利用挑战在全球能源结构转型的关键时期，化工行业作为高耗能产业，其能源消耗占全球总能耗的15%左右。然而，化工生产过程中产生的废气余热利用效率却极低，据统计，高达60%的废气余热未被有效利用。以某大型化工厂为例，其年排放废气量达到1亿立方米，废气温度高达300°C，但实际利用率仅为5%，这意味着每年浪费了高达2.3亿度电的热能。这些未利用的余热不仅造成了巨大的能源浪费，还进一步加剧了温室气体的排放。传统余热利用方式，如简单的换热器，其效率通常低于40%，导致大量低品位热能流失到环境中。同时，化工废气中通常含有高浓度的CO2，如某乙炔生产装置的废气中CO2浓度高达12%，若不进行回收处理，不仅造成资源浪费，还会对环境造成更大的压力。因此，如何高效利用化工废气余热，实现节能减排的双重目标，已成为当前化工行业亟待解决的重要课题。3化工废气余热利用的意义促进化工行业的技术创新与发展政策支持符合国家节能减排政策导向，获得政策红利社会效益提升企业形象，促进社会可持续发展技术进步推动4化工废气余热利用的技术途径催化氧化脱硝利用催化剂将废气中的NOx转化为N2和H2O，同时副产H2用于燃料电池，实现减排与资源回收的双重目标余热锅炉供暖利用余热锅炉产生的蒸汽进行供暖，替代燃煤锅炉，减少CO2排放高温废气制氢利用高温废气进行甲烷裂解制氢，副产CO用于合成氨，实现资源的综合利用CO2吸附回收通过吸附剂吸附废气中的CO2，实现CO2的回收利用，减少温室气体排放5不同技术途径的比较分析有机朗肯循环发电余热锅炉供暖高温废气制氢CO2吸附回收优点：技术成熟，发电效率较高，可实现余热的梯级利用缺点：设备投资成本高，运行维护复杂，对废气的温度和压力要求较高优点：技术成熟，供暖效果好，可降低厂区的能源消耗缺点：设备投资成本高，运行维护复杂，对废气的温度和压力要求较高优点：资源利用效率高，可实现CO2的回收利用缺点：技术要求高，设备投资成本高，运行维护复杂优点：CO2回收率高，可减少温室气体排放缺点：吸附剂的选择和再生问题，设备投资成本高6催化氧化脱硝优点：可实现NOx的高效脱除，副产H2用于燃料电池缺点：催化剂的选择和再生问题，设备投资成本高02第二章化工废气余热特性分析化工废气组分与热力参数分析化工废气的特性直接影响余热利用的效果和效率。以某乙炔生产装置为例，其年排放废气量达到20000m³/h，温度高达280°C，主要组分包括乙炔(C2H2，2.5%)、氢气(H2，15%)、二氧化碳(CO2，18%)、氮气(N2，65%)等。这些组分的热力参数对余热利用的影响至关重要。例如，氢气的含量较高，其热值也较高，因此在余热利用过程中需要特别关注其热能的回收。此外，废气的温度、湿度、压力等参数也会对余热利用的效果产生影响。例如，温度越高，余热利用的效率就越高；湿度越大，余热回收的难度就越大。因此，在进行余热利用方案设计时，必须对化工废气的组分和热力参数进行详细的分析和评估。8化工废气组分特性分析乙炔(C2H2)含量高，热值高，易燃易爆，需特殊处理氢气(H2)含量高，热值高，可制氢，副产CO2二氧化碳(CO2)含量高，可回收利用，减少温室气体排放氮气(N2)含量高，不参与反应，不产生热值其他杂质如H2S等，需脱除，避免腐蚀设备9化工废气热力参数分析热力特性高位热值、低位热值、热容等参数需综合评估腐蚀性露点pH值低，需考虑设备防腐压力分布压力波动对设备运行影响较大，需稳定压力10不同工况下的热力参数对比高温工况低温工况间歇工况连续工况温度高，热值高，余热利用效率高设备要求高，投资成本高需考虑高温设备的耐腐蚀性温度低，热值低，余热利用效率低设备要求低，投资成本低需考虑低温设备的保温性能温度波动大，余热利用难度大需考虑设备的动态响应能力需考虑余热储存技术温度稳定，余热利用效率高设备要求稳定，投资成本适中需考虑设备的长期运行稳定性1103第三章ORC系统优化设计传统ORC系统性能瓶颈分析传统有机朗肯循环(ORC)系统在化工废气余热利用中存在诸多性能瓶颈。以某炼油厂的ORC系统为例，其运行数据显示，高温热源温度为250°C，但实际有效利用温度仅为180°C，导致系统发电效率仅为12%，远低于设计值。这些性能瓶颈主要源于以下几个方面：首先，废气过滤效率不足，导致系统压降增加，降低了有效热源温度；其次，冷凝器结垢严重，导致传热系数降低30%，进一步降低了系统效率；此外，变频控制精度不足，导致系统运行不稳定，进一步降低了系统效率。因此，为了提高ORC系统的性能，必须针对这些瓶颈问题进行优化设计。13ORC系统性能瓶颈分析废气过滤效率不足导致系统压降增加，有效热源温度降低冷凝器结垢严重导致传热系数降低，系统效率降低变频控制精度不足导致系统运行不稳定，效率降低工质选择不当导致系统效率降低，运行成本增加设备设计不合理导致系统效率降低，运行成本增加14ORC系统优化设计方法工质选择优化选择合适的工质，提高系统效率设备设计优化优化设备设计，提高系统效率控制系统优化采用先进的变频控制技术，提高控制精度15不同优化方法的对比分析废气过滤系统优化冷凝器优化控制系统优化工质选择优化优点：提高过滤效率，降低系统压降，提高有效热源温度缺点：设备投资成本增加，运行维护复杂优点：提高传热效率，降低结垢，提高系统效率缺点：设备投资成本增加，运行维护复杂优点：提高控制精度，提高系统稳定性，提高系统效率缺点：设备投资成本增加，运行维护复杂优点：提高系统效率，降低运行成本缺点：需要考虑工质的安全性、环保性等因素16设备设计优化优点：提高系统效率，降低运行成本缺点：需要考虑设备的设计周期、设计难度等因素04第四章CO2回收工艺研究化工废气CO2回收技术现状化工行业CO2回收技术的研究和应用对于实现节能减排目标具有重要意义。目前，全球CO2捕集技术主要包括吸收法、膜分离法和冷凝法等。吸收法是目前应用最广泛的CO2捕集技术，其主要原理是利用吸收剂吸收废气中的CO2，然后在解吸塔中解吸CO2，从而实现CO2的捕集。膜分离法则是利用选择性渗透膜将CO2从废气中分离出来。冷凝法则是利用CO2的露点温度较低，通过冷却废气使CO2冷凝出来。不同技术的CO2捕集效率、成本和适用范围各不相同。例如，吸收法的CO2捕集效率较高，但设备投资成本也较高；膜分离法的设备投资成本较低，但CO2捕集效率相对较低。因此，在选择CO2捕集技术时，需要综合考虑各种因素。18CO2回收技术现状分析吸收法CO2捕集效率高，设备投资成本高，适用于高浓度CO2回收膜分离法设备投资成本低，CO2捕集效率相对较低，适用于中低浓度CO2回收冷凝法CO2捕集效率低，设备投资成本低，适用于低浓度CO2回收吸附法CO2捕集效率高，设备投资成本适中，适用于中高浓度CO2回收低温分离法CO2捕集效率高，设备投资成本高，适用于极低浓度CO2回收19新型CO2回收工艺开发低温分离法采用低温分离技术，提高CO2捕集效率膜分离-吸附复合工艺结合膜分离和吸附技术，提高CO2捕集效率化学吸收工艺改进采用新型吸收剂，提高CO2捕集效率催化氧化脱硝副产H2用于燃料电池，实现CO2回收利用20不同CO2回收工艺的对比分析变压吸附(MPSA)工艺膜分离-吸附复合工艺化学吸收工艺改进催化氧化脱硝优点：CO2捕集效率高，操作简单，适用于高浓度CO2回收缺点：设备投资成本高，运行维护复杂优点：CO2捕集效率高，设备投资成本适中，适用于中低浓度CO2回收缺点：操作条件要求高，运行维护复杂优点：CO2捕集效率高，设备投资成本适中，适用于中高浓度CO2回收缺点：吸收剂的选择和再生问题，设备运行成本高优点：副产H2用于燃料电池，实现CO2回收利用缺点：技术要求高，设备投资成本高21低温分离法优点：CO2捕集效率高，设备投资成本高，适用于极低浓度CO2回收缺点：操作条件要求高，运行维护复杂05第五章耦合系统仿真验证余热利用与CO2回收耦合系统设计化工废气余热利用与CO2回收的耦合系统设计是实现节能减排目标的重要途径。耦合系统设计需要综合考虑余热利用和CO2回收两个方面的技术要求。在耦合系统设计中，需要考虑以下几个方面：首先，余热利用和CO2回收的工艺流程设计，需要保证两个过程的热力学匹配，避免相互干扰。其次，余热利用和CO2回收的设备选型，需要考虑设备的性能参数，如热效率、CO2回收率等。第三，余热利用和CO2回收的经济性分析，需要考虑系统的投资成本、运行成本和经济效益。第四，余热利用和CO2回收的环境效益分析，需要考虑系统的CO2减排量和环境影响。通过综合考虑以上因素，可以设计出高效、经济、环保的耦合系统。23耦合系统设计要点工艺流程设计保证余热利用和CO2回收的热力学匹配设备选型选择合适的设备，提高系统的热效率经济性分析考虑系统的投资成本、运行成本和经济效益环境效益分析考虑系统的CO2减排量和环境影响系统集成保证余热利用和CO2回收的系统集成24耦合系统仿真验证系统集成模型建立耦合系统的系统集成模型能量流图绘制耦合系统的能量流图经济模型建立耦合系统的经济模型环境模型建立耦合系统的环境模型25不同工况下的耦合系统性能对比高温工况低温工况间歇工况连续工况余热利用效率高，CO2回收率可达85%余热利用效率低，CO2回收率下降至70%余热利用效率波动大，CO2回收率波动±5%余热利用效率稳定，CO2回收率稳定在80%26动态工况余热利用效率动态响应时间≤30秒06第六章工程应用与政策建议化工余热利用工程案例化工废气余热利用与CO2回收的工程应用是实现节能减排目标的重要途径。通过工程案例的分析，可以更好地理解余热利用和CO2回收的实际应用效果。例如，某煤化工厂实施的余热利用与CO2回收项目，通过ORC发电系统和CO2吸附装置，每年可减少CO2排放2万吨，同时发电量达3000万千瓦时，投资回收期仅为3年。该项目不仅实现了能源的梯级利用，还显著降低了温室气体排放。类似案例还有某化工厂实施的余热锅炉供暖项目，通过余热锅炉替代燃煤锅炉，每年可减少CO2排放1万吨，同时节约标准煤8000吨。这些案例表明，化工废气余热利用与CO2回收具有显著的经济效益和环境效益，是实现节能减排目标的有效途径。28工程应用案例分析煤化工厂余热利用与CO2回收项目ORC发电系统+CO2吸附装置，年减排2万吨CO2化工厂余热锅炉供暖项目替代燃煤锅炉，年减排1万吨CO2化肥厂余热制氢项目高温废气制氢，副产CO2用于合