创新性说明书

1、100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书I100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书2017 年“ 东华科技 东华科技 -陕鼓 杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛大唐渭河发电厂 100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书设计团队：TYB 团队团队成员：王驰元 张鹏 高世先 刘天昌 于 颖指导老师：李青彬 王莉 韩永军 褚松茂程国斌平顶山学院（华中）TYB 团队2017 年 8 月II100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书目 录第一章清洁生产技术创新11.1 深度脱硫技术11.2 脱除硫的资源化利用技术21.3 碳排放减少3第二章 反应技术及分离技术创新52.1 高效反应技术52.2 高效分离新技

2、术6第三章 过程节能技术创新83.1 换热网络集成优化83.2 相变潜热的多效及热泵应用技术93.2.1 塔内换热浓缩节能93.2.2 多效蒸发节能11第四章 新型过程设备应用技术创新144.1 反应器结构创新144.2 分离设备结构创新154.3 输送设备结构创新164.4 换热设备结构创新17III100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书第一章清洁生产技术创新1.1 深度脱硫技术本项目采用氨法脱硫工艺，来自脱硝系统含硫废气经换热锅炉回收一部分热量，再经 GGH 换热器与净化烟气换热降温，废气在进口管道处与稀浓度的硫酸铵气液接触换热，硫酸铵被浓缩废气得到降温。而后废气上升至填料脱硫段，废气与

3、吸收剂逆向接触废气中的二氧化硫得到吸收，经过填料洗涤段废气中携带的氨气被工艺循环水吸收，大颗粒气溶胶也被脱除，经丝网除雾段脱除小颗粒气溶胶得到净化废气排出塔外。图 1-1 脱硫工艺流程图 表 1-1 废气分析 1脱硫效率 97.5%进口废气脱硫废气温度C30080.35759压力bar11体积流量cum/hr1000000602383.9有害气体含量mg/m3二氧化硫2205.981.9氨03.4E-08100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书根据火电厂烟气脱硫工程技术规范_氨法 （HJ/2001-20100）规范要求氨逃逸浓度应低于 10mg/m3。由表 6-2 废气分析可知，氨的出口量为微

4、量。根据火电厂大气污染物排放标准（GB 13223-2011）标准要求该项目废气出口二氧化硫浓度应100mg/m3，由表 6-2 废气分析可知废气二氧化硫含量为 81.9 mg/m3，满足国家标准要求。综合以上分析，本项目脱硫废气为达标废气，脱硫效率为 97.5%超出一般氨法脱硫效率。1.2 脱除硫的资源化利用技术表 1-2 脱硫方案对比氨法脱硫工艺以含硫废气、 氨水、以及低廉的水和空气为原料，将氨与二氧化硫全部转化为硫酸铵，硫酸铵在肥料行业有着很大的市场如果以合适的价格出售出去，将会抵消一部分工艺上的资本消耗。综上所述氨法脱硫是一种在满足脱硫要求后又能达到脱硫产物资源化利的脱硫工艺。石灰石-

5、石膏湿法在吸收 SO2 的同时，又排出 CO2 从温室气体效应看，石灰石-石膏湿法脱硫不能算是循环经济的理想选择。况且,如果亚硫酸钙氧化不完全，只能堆积，也一样会污染环境。氧化镁法实际上并一种完美的技术，副产品处置系统复杂，硫酸镁和亚硫酸镁的溶解度较高，提取吸收浆中的硫酸镁和亚硫酸镁需脱水干燥，消耗较大。出处理成本较高，并且要求其副产品能作为肥料的合格硫酸镁,或满足造纸用的亚硫酸镁,都应选用MgO 含量较高的脱硫剂, 当脱硫剂选用 MgO 含量在 90 %以上的脱硫剂时,即使回收的硫酸镁按该成本高于其他技术2序号项目氨法石灰石石膏法氧化镁法双碱法1脱硫效率95 %95%95%95%2占地面积小

6、大中中3吸收剂氨水石灰石石膏氧化镁氢氧化钠亚硫酸钠4吸收剂价格中低高中5副产物(NH4)2SO4二水石膏亚硫酸镁和硫酸镁Na2SO46二次污染氨逃逸，气溶胶CO2无无100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书方案。脱硫副产物可利用价值高，可以创造一定得经济价值，无二次污染。双碱法的 Na2SO3 氧化副反应产物 Na2SO4较难再生，需不断的补充 NaOH 而增加碱的消耗量。Na2SO4 的存在也将降低石膏的质量。相较之下氨肥法更符合在满足脱硫要求后又能达到脱硫产物资源化利用的工艺。1.3 碳排放减少1. 废气热量回收引起的碳排放减少本项目所处理的废气是来自电厂低温脱销系统的含硫废气，废气温度为

7、 300 废气热能利用率较高，为了充分利用废气余热本项目在废气进口出设置废热锅炉在有效降低废气温度的同时又能产生大量低压蒸汽，蒸汽一部分到脱硫塔除雾段，一部分为两效蒸发提供热量，另一部分送至园区其他用户如图 1-2 废热锅炉低压蒸汽走势图所示。这样既可有效降低进入脱硫塔的温度，降低后续系统对防腐材料耐温要求，延长防腐材料的使用寿命，又提高脱硫系统的可用率和安全性。有效利用废气热量，收集废气中的余热。图 1-2 废热锅炉低压蒸汽走向图 表 1-3 废热锅炉物料状态参数表3100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书由上表可知经过废热锅炉废气热量回收废气温度由 300降至 172，并产生 31722.

8、01kg/hr 低压蒸汽，年产量为 26.6464884 万吨，约为厂区减少煤用量 4.84万吨，减少碳排放 13.0196 万吨二氧化碳。注：一公斤标准煤能产生 5-6 公斤低压蒸汽，一吨标准煤能产生 2.66-2.72 吨二氧化碳2. 两效蒸发减少的碳排放两效蒸发，不仅利用二次蒸汽加热了原料液，使其满足后续工艺的要求，而且节省了大量的水源和一定量的蒸汽，此处可帮助项目每年节省低压蒸汽 28.61千吨，每年节省煤用量 1.48 万吨，减少二氧化碳排放 3.98 万吨。具体分析过程见本章 3.2.2 多效蒸发节能。3. 塔内浓缩减少的碳排放硫酸铵在脱硫塔内与高温废气接触换热，使烟气降温的同时，

9、硫酸铵溶液得到浓缩，此处可帮助项目每年节省低压蒸汽 24.33 万吨，每年节省煤用量 4.42 万吨，减少二氧化碳排放 11.9 万吨，具体分析过程见本章 3.2.1 塔内换热浓缩节能。表 1-4 节能措施碳排放减少汇总表本项目通过对废气热量的回收、利用进口废气热量使硫酸铵溶液得到浓缩、采用两效蒸发利用二次蒸汽潜热减少产区低压蒸汽消耗，每年间接减少碳排放28.92 万吨。4名称废气热量回收塔内浓缩两效蒸发总计节省煤炭用量：万吨/年4.8448160734.424493821.48269163610.75200153碳排放减少量：万吨/年13.0325552411.90188843.988440

10、50228.92288411类别入口废气出口废气工艺软水低压蒸汽温度 C30017220170.4808压力 bar1118气相分率1101相态气气液气体积流量 cum/hr1000000776476.831.775077822.908摩尔流量 kmol/hr20982.9320982.931760.8391760.839质量流量 kg/hr621600.4621600.431722.0131722.01100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书第二章 反应技术及分离技术创新2.1 高效反应技术在本项目脱硫塔中在填料吸收段吸收剂吸收废气中二氧化硫气体而后送至外界亚硫酸铵缓冲罐，缓冲罐中亚硫酸铵经

11、过补氨，一部分去填料吸收段做吸收剂，另一部分送至氧化段氧化，再经浓缩段浓缩送至两效蒸发，经离心干燥得到终产品。本项目氨法脱硫设置三处补氨，分别为亚硫酸铵缓冲罐、氧化段、硫酸铵缓冲罐，在亚硫酸铵缓冲罐处可以及时通过改变补氨量来调节吸收剂的 PH 值来达到较好的脱硫效果，在氧化段通过补氨满足最优氧化条件提高氧化效率，硫酸铵缓冲罐补加氨水使亚硫酸铵全部转化为硫酸铵以保证得到高品质硫酸铵。图 2-1 脱硫塔示意图（左 脱硫塔简图右 Aspen 模拟图）5亚硫酸铵缓冲罐主要成分为水、亚硫酸铵100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书2.2 高效分离新技术氨法烟气脱硫工艺由于其气-液或气-气反应速度快、脱硫

12、效率高及脱硫副产物可回收利用，但在脱硫过程中容易产生大量的气溶胶微粒，影响氨法脱硫的效果。一般，氨法脱硫中形成的气溶胶微粒从数量角度分析主要为亚微米级颗粒，但从质量浓度分布来看以微米级及大于 10m 的颗粒为主，脱硫后颗粒物浓度可比脱硫前增加数倍至十几倍以上，主要为(NH4)2SO4、(NH4)2SO3 等可溶性无机盐NH3微粒，可通过以下两种途径形成：第一，脱硫液挥发逸出的气态与烟气中SO2 间的反应形成；第二，脱硫液滴在高温烟气及大气环境中蒸发析出。国外主要采用在脱硫塔烟气出口处安装湿式静电除尘器，以脱除氨法脱硫过程中形成的气溶胶微粒，但安装湿式静电除尘器投资运行费用高。通常，对于微米级以

13、上的可溶性颗粒物，设置填料层喷水洗涤有较佳脱除效果；此外，洗涤水对烟气中夹带的脱硫液滴还具有一定的脱除和稀释作用，可有效降低排入大气环境后蒸发析出的气溶胶微粒数量。对于亚微米级颗粒物的控制，主要途径是通过物理或化学作用使其长大成较大颗粒后加以清除；其中，将水汽相变预处理技术与现有燃煤锅炉湿法烟气脱硫技术结合是最有可能实现工程应用的重要途径之一。废气经湿式脱硫洗涤后可呈饱和状态，通过在脱硫吸收塔顶部空间添加少量蒸汽即可建立气溶胶微粒凝结长大所需的过饱和水汽环境，凝结长大的气溶胶微粒可由丝网除雾器高效脱除。图 2-2 气溶胶脱除方案本项目采用一种高效处理气溶胶工艺，废气经过与硫酸铵气液接触换热后，

14、6作用：脱除粗粒度气溶作用：脱除气溶胶微粒蒸汽补加处： 注入蒸汽建立水气相过饱和，细粒度气溶胶凝结长大100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书在脱硫区中自下而上的烟气与自上而下喷出的脱硫液逆流接触以吸收烟气中的SO2，脱硫区内设置填料；烟气经脱硫后进入填料洗涤区，注入洗涤水脱除氨法脱硫中生成的粗粒度气溶胶；然后进入水汽相变区，从水汽相变区中部注入蒸汽，建立水汽相变所需的过饱和水汽环境，使未脱除的细粒度气溶胶微粒发生凝结长大并由水汽相变区烟气出口处的丝网除雾器脱除；净化烟气由脱硫吸收塔顶部的烟气出口经烟囱排放。7100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书第三章 过程节能技术创新3.1 换热网络集成

15、优化本项目通过使用 Aspen Energy Analyzer 软件，根据夹点设计法，结合本厂设备布置的实际情况，在满足设计目标公用工程费用最小和设备费用最小的情况下，调试设计出全装置最优的冷热流股匹配方案。图 3-1 全厂换热网络图最终的节能优化结果如下：表 3-1 热集成前后冷热公用工程对比可以发现节能效果显著，能量回用率较大，加强了生产过程的经济性。8项目热公用工程（Gcal/hr）冷公用工程（Gcal/hr）匹配前11.1225.67匹配后014.45节能100%46.89%100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书3.2 相变潜热的多效及热泵应用技术3.2.1 塔内换热浓缩节能针对目前

16、氨法脱硫技术回收硫酸铵能耗大，产品品质较低，投资大的问题，本项目将硫酸铵浓缩段移至塔内与高温废气气液接触换热，这是一种节能高品质硫酸铵回收的氨法脱硫工艺。该工艺采用氨水作为脱硫剂，氨水与废气充分脱硫后生成亚硫酸铵，将亚硫酸铵在塔内强制氧化生成硫酸铵，硫酸铵在脱硫塔内与高温废气接触换热，使废气降温的同时，硫酸铵溶液得到浓缩，送至两效蒸发而后离心干燥制成高品质硫酸铵。本方案不仅可以大大节省干燥制硫酸铵产品的热能、减少占地面积、节省投资，而且回收硫酸铵化肥品质高，同时使废气达标排放还不产生废水等二次污染。具体情况由 Aspen 选取工艺条件进行模拟，并建立塔外加热蒸发与本方案进行对比。图 3-2 脱

17、硫塔示意图9烟气进口 稀 浓 度 硫酸 进 口 铵进口喷淋100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书由 Aspen 模拟结果可得下表表 3-2 硫酸铵水分含量表由物料衡算表可知稀浓度硫酸铵溶液水含量为 91.19%，浓缩后硫酸铵溶液水含量为 81.43%蒸发水分量为 26031.79 kg/hr。由此可知塔内换热浓缩可以达到每小时 26031.79 千克水蒸气的蒸发量。利用 Aspen 建立物料加热单效蒸发与塔内浓缩进行对比分析。图 3-3 Aspen 模拟塔内浓缩（左）与塔外加热蒸发（右）比较图 3-4 加热蒸发 Aspen 数据结果综上分析塔内蒸发不仅降低废气温度，而且有效利用废气热量为厂区

18、每小时减少 28969.9 千克低压蒸汽的使用量，每年约合 24.33 万吨。10项目稀浓度硫酸铵溶液浓缩后硫酸铵溶液质量总流量：kg/hr49380.3923335.22水流量：kg/hr45034.8719003.08物料水含量 wt%91.199981.4352水分蒸发量：kg/hr26031.79100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书3.2.2 多效蒸发节能为了达到能耗最低标准且满足工艺生产条件我们建立单效蒸发、两效蒸发、三效蒸发三种方案。通对模拟结果分析和结合工艺要求需要最终确定两效蒸发。两效蒸发，不仅加热了原料液，使其满足后续工艺的要求，而且节省了大量的水源和一定量的蒸汽，由于蒸

19、发物料为硫酸铵盐溶液，两效蒸发较三效蒸发又可避免物料结晶引起设备阻塞情况的发生。1单效蒸发图 3-5 单效蒸发流程图图 3-6 单效蒸发低压蒸汽消耗单效蒸发对低压蒸汽的消耗量 24130.3 kg/hr。2. 两效蒸发图 3-7 两效蒸发发流程图11100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书两效蒸发对低压蒸汽的消耗量 20724 kg/hr。3.三效蒸发图 3-8双效蒸发低压蒸汽消耗图 3-9 三效蒸发流程图 3-10 三效蒸发低压蒸汽消耗两效蒸发对低压蒸汽的消耗量 11015.9 kg/hr。表 3-3 多效蒸发低压蒸汽使用情况12100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书从上表可知三效蒸发蒸汽

20、使用量最少，且与两效蒸发相比可节省 9708.1kg/hr 低压蒸汽，但结合工艺情况三效蒸发中第三效换热器换热温差为 1，换热温差较不易实现将会增加极大设备费用投资，且硫酸铵对于三效蒸发易于结晶造成设备堵塞。因此该项目选择两效蒸发，两效蒸发较单效节省低压蒸汽 3406.3 kg/hr，年节省蒸汽28.61 千吨。两效蒸发蒸汽冷凝液中还含有少量HSO3-、NH4+、 SO3等离子，冷凝水到脱硫塔工艺水循环罐做循环水补充及不影响设备同时又回收水中含有的少量离子。13类别低压蒸汽使用量：kg/hr单效蒸发24130.3双效蒸发20724三效蒸发11015.9100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书第

21、四章 新型过程设备应用技术创新4.1 反应器结构创新为解决氨法脱硫工艺中亚硫酸铵氧化率低的问题,本项目采用一种多管气升式环流反应器本项目脱硫塔多管气升式环流反应器设置在脱硫塔的塔底，多管气升式环流反应器具有多排反应管，多管气升式环流反应器还包括有对应多排反应管设置的空气分布管，空气分布管位于反应管的下部,并与鼓风机连通，空气分布管上具有多组喷气分散孔,每组多个。空气管喷气分散孔对应一个反应管所述反应管的上端、下端均为敞口结构,通过空气分布管向塔内的反应器内鼓入空气,使塔内液体形成一定的密度差,从而使反应管内的溶液由反应管下端向上流动,反应管外的溶液由反应管上端向 动,反应管内溶液的流向与反应管

22、外溶液的流向构成环流,形成对反应生成的亚硫酸铵溶液进行循环氧化的结构。图 4-1脱硫塔氧化段示意图14空气分布管每个分布管有多个分散孔 空气鼓入管口 液体形成一定密度差,反应管内溶液由反应管下端向上流100/小时脱硝废气脱硫项目创新性说明书本项目脱硫塔反应段，相邻两排反应管中相邻的三个反应管呈正三角形排布。 图 4-2气升式环流反应器平面布置图采用在脱硫塔内设置多管气升式环流反应器,气升式环流反应器的多个反应管均通过空气分布管与鼓风机连通,对亚硫酸铵溶液进行循环氧化,加大了空气和亚硫酸铵溶液的接触面积和接触时间,增大了气液之间的传质,使气液充分混合, 提高了亚硫酸铵溶液的氧化率和硫酸铵收率，降低了氨法脱硫的工艺操作难度, 与现有技术中在脱硫塔外设置氧化罐的结构相比, 使用新型设备少用了一个操作单元,节约了占地和固定设备投资。4.2 分离设备结构创新4.2.1 脱硫塔入口处创新脱硫塔入口废气的均匀性直接影响到脱硫塔内废气分布的均匀性。废气进入气液接触处为干湿交界面，原料液在此干燥结垢将影响塔运行的安全性和气流流向。设计时应在废气入口上方及两侧安设挡水板，防止喷嘴喷出的料液进入废气入口管道内。运行时，上方挡板水板形成的水帘有利于脱硫和气流均匀分布，两侧挡水板可防止喷嘴喷雾产生的背压将料液抽进废气管道道内。同时，靠近废气管道侧的喷嘴应调整安装角度。防止喷入