2012年三井杯决赛-绿城之星

国电南宁电厂一号发电机（660MW）CCS&U系统项目报告ProjectreportfortheCCS&UsystemofNanningPowerPlant团队：广西大学绿城之星设计组指导老师：童张法、韦藤幼、潘远凤团队（Team）工艺设计与经济核算

ProcessDesign

&EconomicEvaluation吴炼设备选型计算

EquipmentDesign&Calculation厂区及车间布置、3dsmax

PlantandWorkshopLayout&3dsmaxAspen流程模拟

AspenProcessSimulation冯琦陈燕萌丁泳锋CAD工艺流程图及自动控制CADFlowChart&AutomaticControl潘映霞内容简介（Introduction）概述（Overview)1工艺设计（ProcessDesign）

2Aspen流程模拟（AspenProcessSimulation）3设备计算与选型（EquipmentDesign&Calculation）5厂区及车间布置（PlantandWorkshopLayout）

6工艺流程图及自动控制4（FlowChart&AutomaticControl）经济分析与项目总结7（EconomicAnalysisandProjectSummary

）1、概述（Overview）该系统按照竞赛要求，CO2捕集率达到了80%以上项目建设总投资2.28亿元，年平均费用为1.2亿元，占电厂年产值的7.5%。发电成本上浮率小于30%

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烟气脱硫除尘工段desulphurizationanddustremovalCO2分离捕集工段

CO2separationandcaptureCO2封存与资源化利用工段CO2sequestrationandutilization1.1前言（preface）南宁电厂CCS&U系统CCS&USYSTEM1、概述（Overview）1.2项目特色(Specialfeatures)采用膜分离与膜吸收串联新型工艺，大大降低了分离捕集工段能耗及成本

采用广西丰富的低品位锰矿作为烟气脱硫吸收剂，同时副产硫酸锰产品，充分利用了低品位矿产资源，而且成本低利用绿色植物光合作用吸收CO2

，将CO2作为气态碳肥产品，在封存的同时实现了资源化利用。利用烟气为原料生产食品级液态CO2烟气脱硫除尘工段desulphurizationanddustremovalCO2分离捕集工段CO2separationandcaptureCO2封存与资源化利用CO2sequestrationandutilization2、工艺设计

（Processdesign）

2.1烟气脱硫工艺方案选择(FGDprocessplanselection)石灰石-石膏烟气脱硫Limestone–gypsumfluegasdesulfurization海水烟气脱硫法SeawaterFGD循环流化床干法烟气脱硫CFBdryfluegasdesulfurization氧化锰法烟气脱硫Manganeseoxidefluegasdesulfurization工艺技术成熟运行可靠

经济效益低产生一定的废水工艺简单投资和运行费用低没有废弃副产物不适用于内陆地区的火电站

设备投资较低工艺流程简单吸收剂利用率高脱硫效率较高技术不成熟脱硫效率高可充分利用低品位锰矿资源脱硫产物具有较高经济效益

广西锰矿资源丰富√2、工艺设计

（Processdesign）2.2CO2分离捕集工艺方案选择CO2separation

andcaptureprocessselection项目优点缺点胺化合物吸收法工艺技术成熟操作简单吸收剂使用量大吸收剂再生能耗较大钙基吸收剂法吸收剂储量丰富、运行成本低吸收剂在循环过程中会烧结影响热稳定性金属氧化物法单位体积吸收剂吸收容量较大吸收剂成本较高ECO2技术再生所需能耗量少成本高，工艺尚不成熟膜分离工艺简单、操作简便对原料气要求较高压缩能耗高膜基吸收法吸收效率高吸收剂再生能耗高吸收剂损耗大变压吸附法技术较为成熟，操作过程程序化能耗较高设备投资较高单独使用各种分离捕集法，均不能很好的满足本项目工艺要求！！！2、工艺设计

（Processdesign）2.2CO2分离捕集工艺方案选择CO2separation

andcaptureprocessselection前述各CO2捕集工艺均存在较大缺点膜分离与膜基吸收串联工艺适合大规模的CO2分离和捕集大大减小了设备投资极大降低了气体压缩能耗及吸收剂再生能耗工艺特色2、工艺设计

（Processdesign）2.3CO2封存工艺方案选择(CO2sequestrationprocessselection)地质封存Geologicalstorage海洋封存Oceanstorage将CO2固化成无机碳酸盐法Solidifiedintoinorganiccarbonate

陆地固碳（绿色植物吸收法）

Terrestrialstorage主要包括：EOR、ECBR、地下深部含盐水层埋存三种方法

受到地质情况分布制约，封存能力有限包括：液态封存法和固态封存法技术不成熟不适用于内陆地区的火电站自然条件下反应率很低需要大量的矿石和反应所需能量技术不成熟尚无工业应用实现温室气体减排促进生态恢复和经济发展可降低CO2分离捕集操作的成本封存的同时实现资源化利用√3、Aspen流程模拟

AspenProcessSimulation流程模拟说明ProcessSimulationCaption

物料衡算MaterialBalance热量利用UtilizationofHeat3.1流程模拟说明(ProcessSimulationCaption)

本流程的全局物性方法是：ELECNRTL局部物性方法是：SOLIDS过程选用的模型：Mixer、Flash2、ESP、RStoic、RadFrac、Heater、Sep2、HeatX、pr3、Aspen流程模拟

AspenProcessSimulation3.1流程模拟说明(ProcessSimulationCaption)

脱硫工段模型：RStoic、Flash2静电除尘与多级压缩其中静电除尘的物性方法为：SOLIDS多级压缩的物性方法则和以前一样使用的模型：RStoic、pr膜分离与膜吸收工段使用模型：RadFrac、Sep2、Flash2、Mixer、HeatX3、Aspen流程模拟

AspenProcessSimulation3.2物料衡算(MaterialBalance)

脱硫喷淋塔物料衡算表SpraytowerMaterialBalance电厂烟气量的1/33、Aspen流程模拟

AspenProcessSimulation3.2物料衡算(MaterialBalance)

膜分离物料平衡MaterialBalanceofMembraneseparation气态碳肥3、Aspen流程模拟

AspenProcessSimulation3.3热量利用(UtilizationofHeat)热的回收利用3、Aspen流程模拟

AspenProcessSimulation3.3热量利用(UtilizationofHeat)闪蒸罐进料预热器衡算表

HeatbalanceofFlashtankPreheater

3、Aspen流程模拟

AspenProcessSimulation4、工艺流程图及自动控制

flowchart&Automaticcontrol4.1总工艺流程图(PFD)烟气脱硫工段特点：软锰矿作为SO2吸收剂硫酸锰生产工段特点高温高压结晶4、工艺流程图及自动控制

flowchart&AutomaticcontrolCO2分离捕集工段特点膜分离与膜基吸收串联工艺4、工艺流程图及自动控制

flowchart&Automaticcontrol食品级CO2生产工段4、工艺流程图及自动控制

flowchart&Automaticcontrol4、工艺流程图及自动控制

flowchart&Automaticcontrol4.4自动控制(Automaticcontrol)烟气脱硫喷淋塔自动控制Automaticcontroloffluegasdesulfurizationspraytower硫酸锰结晶罐自动控制Automaticcontrolof

Crystallizer二氧化碳解吸塔自动控制AutomaticcontrolofCO2desorptiontower通过ASPEN模拟解吸塔塔径：D=3000mm5、设备计算选型

Equipmentdesign&Calculation5.1CO2解吸塔设计(CO2desorptiontowerdesign)CO2解吸塔理论塔板数的确定通过ASPENPLUS中的ModelanalysisTools对塔顶CO2组成X与塔板数作图5、设备计算选型

Equipmentdesign&CalculationNT=10块5、设备计算选型

Equipmentdesign&Calculation焓

-775540

-40961.44-730010kJ/sec压强/kPa

152

101.3

101.3温度/K

385

372

375.7汽化率01

0质量流量248464.6511464.65237000kg/hHeatduty

kJ/sec再沸器冷凝器18251.044

-13680.454

本CO2解吸塔采用浮阀塔，通过aspen模拟，得到塔径为3000mm，理论板数NT=10块。物流进出吸收液贫液解吸气chargeCondenserreturnlineReboilerreturnlinedischargeSteamoutlet解吸塔工艺参数CO2解吸塔板形式及塔板布置5、设备计算选型

Equipmentdesign&Calculation弓形降液管宽度：Wd=338mm

1塔板中心降液管宽度Wd’=280mm2边缘区宽度取：Wc=0.06m，两边安定区宽度取Ws=0.10m3阀孔采用正三角形叉排，取孔心距t=75mm

4塔板开孔数883，塔板开孔率14.9%5双溢流型塔板5、设备计算选型

Equipmentdesign&Calculation5.2换热器计算选型(HeatExchangerSelection

)

根据工艺条件，假设传热系数，估算传热面积.换热器类型列管规格，排列方式，对流方式，封头，法兰的选择.设计管长，壳体，折流板，和其他详细参数.由Aspen对设计结果进行核算，并和工艺比较.确定最终型号5、设备计算选型

Equipmentdesign&Calculation5.2换热器计算选型HeatExchangerSelection本项目主要选用管壳式换热器，材料主要用20R合金钢。

传热面积210.5m2管/壳程数1/1传热管规格φ25设计温度150工作温度106.8/95.867.3/92

（进/出）℃工作压力0.1Mpa0.85Mpa介质解吸气

吸收液（富液）参数名称壳程管程设计压力0.11Mpa0.94Mpa试验压力0.11Mpa0.94Mpa由aspen模拟得:本项目膜分离工段烟气处理量大，需压缩烟气量为1860000m3/h5.3压缩机的选型CompressorSelection

5、设备计算选型

Equipmentdesign&Calculation

2MCL607型离心压缩机

改装出口压力：600kPa压缩级数:两级

进口流量:3940m3/min6.1厂址选择(siteselection)

本项目是为现有燃煤电厂设计一套燃烧后CCS&U系统，厂址的选择受到电厂地理位置的限制，同时需考虑原料供应、运输条件、气候条件等多方面要求6、厂址选择、厂区及车间布置

Siteselectionplantandworkshoplayout

6.1厂址选择(siteselection)地理位置优越，处于中国华南、西南和东南亚经济圈的结合部，有得天独厚之优势6、厂址选择、厂区及车间布置

Siteselectionplantandworkshoplayout

气候温和，长年阳光充足，雨量充沛，雨季与热季重叠，利于农林业生产森林资源丰富，林业用地面积占土地总面积的55.4%，大力发展农林产业，为CO2的封存提供了充足的空间水陆交通便捷发达，具有两沿特点，一是沿铁路线，多条铁路在此交汇，二是沿江，沿邕江可达广州香港等地脱硫工段所使用的低品位锰矿含量丰富，原料和运输成本较低6.2厂区布置(plantlayout)

本项目按照生产功能，全厂规划为三个区域，分别为生活区、生产区（包括主生产区和辅助生产区）以及储运区。各区域具体分布情况如下图所示：6、厂址选择、厂区及车间布置

Siteselectionplantandworkshoplayout6.2厂区布置(plantlayout)生活区、生产区、储运区自成一体，但又紧密结合，既保证了生活区环境清静，也保证了生产安全6、厂址选择、厂区及车间布置

Siteselectionplantandworkshoplayout主生产区与辅生产区平行排布，相互靠近，生产管理不滞后，控制检修机动灵活厂区内交通道路宽敞，职工上下班、原料和产品进出各有其专用道及专用进出口，避免了倒车、错车、不安全因素的存在充分利用厂区内的空地、死角，在节约用地基础上最大程度增加绿化面积6.2厂区布置(plantlayout)3dsmax软件模拟的厂区立体图：6、厂址选择、厂区及车间布置

Siteselectionplantandworkshoplayout6、厂址选择、厂区及车间布置

Siteselectionplantandworkshoplayout6.3车间布置(workshoplayout)

本项目设计CCS&U系统三个工段主要包括脱硫除尘车间、硫酸锰生产车间、CO2分离捕集车间、食品级液态CO2生产车间等，下图为车间布置图。6、厂址选择、厂区及车间布置

Siteselectionplantandworkshoplayout6.3车间布置(workshoplayout)

根据工艺流程方向车间主要采用长方形半露天布置，设备布置灵活，节约建筑面积和基建投资，减少土建施工工程量，降低厂房造价，对厂房的扩建改建具有较大的灵活性管道综合布置首先要保证安全、正常生产及便利操作和检修，其次应节约材料及投资，经济合理地选择管材，合理布置，尽量整齐、美观，创造良好的生产环境7、经济分析

EconomicAnalysis建设期投资估算Projectinvest