50000Nm3 h煤制氢废气深度脱硫 及资源化利用初步设计说明书

“东华科技-陵鼓杯”

第十一届大学或化工残行竞赛

50000Nm3/h煤制氢废气深度脱硫

及资源化利用

初步设计说明书

ChemicalMan团队

2017年“东华科技一陕鼓杯”

第十一届大学生化工设计竞赛

50000Nm3/h煤制氢废气深度脱硫

及资源化利用

一体化项目设计

初步设计说明书

参赛学校：广东石油化工学院

参赛团队：ChemicalMan

参赛队员：肖文顺、杨嘉铭

吴秉权、陈颂佳、葛海

指导老师：陈辉/黄燕青

完成时间：2017.3-2017.7

目录

第1章项目总论..............................................................1

1.1项目概况.................................................................1

1.2设计依据和原则..........................................................1

1.2.1项目设计依据.......................................................1

1.2.2项目设计原则.......................................................2

1.2.3指导思想...........................................................3

1.3原料组成及流量..........................................................3

1.4产品方案及规格..........................................................3

1.5项目意义.................................................................3

1.6辅助软件的应用..........................................................4

第2章总图运输..............................................................5

2.1设计依据................................................................5

2.1厂址比较与选择..........................................................5

2.1.1内蒙古包头九原工业园................................................6

2.1.2江西九江市潺阳区城东工业基地.......................................7

2.1.3茂名石化工业区......................................................7

2.2厂址的对比与选择.........................................................8

2.3厂址概况.................................................................10

2.4区位优势.................................................................10

2.4.1原料来源充足......................................................10

2.4.2地理位置优越......................................................10

2.4.3交通便利..........................................................11

2.4.4产业基础..........................................................11

2.4.5市场优势..........................................................11

2.4.6丰富水资源........................................................11

2.4.7劳动力资源..........................................................12

2.4.8优惠政策..........................................................12

2.5设计原则.................................................................12

2.6总平面布置...............................................................13

2.6.1厂区布置............................................................13

2.6.2辅助生产及公用工程设施.............................................14

2.6.3储存设施的布置.....................................................15

2.6.4运输设施的布置....................................................15

2.6.5生产管理及生活服务的设施...........................................15

2.7装置布置.................................................................16

2.7.1装置布置原则.......................................................16

2.7.2布置概况..........................................................16

2.7.3装置安全措施.......................................................17

2.7.4环境保护措施.......................................................17

2.8厂内运输设计.............................................................17

2.8.1厂内运输设计要求...................................................17

2.8.2本厂运输设计.......................................................18

2.9厂区绿化.................................................................18

2.10装置火灾危险类别划分...................................................19

2.11建筑物耐火等级划分.....................................................20

2.12界区内装置间设计距离...................................................21

2.13产区周边环境间距.......................................................22

第3章脱硫工艺.............................................................23

3.1原料路线确定的原则和依据................................................23

3.2工艺概述.................................................................23

3.3脱硫工艺方案比较和确定..................................................24

3.3.1Claus+LT-Scot工艺...................................................25

3.3.2氨法脱硫技术工艺...................................................27

3.3.3双碱法烟气脱硫技术工艺.............................................31

3.3.4离子液脱硫工艺.....................................................33

3.4工艺比较与选择..........................................................36

2

3.4.1吸收剂消耗对比.....................................................36

3.4.2流程繁简的对比.....................................................36

3.4.3方案投资对比.......................................................37

3.4.4各工艺的优缺点对比.................................................37

3.4.5工艺技术对比.......................................................38

3.4.6工艺确定...........................................................40

3.5反应机理.................................................................40

3.5.1Claus反应机理.......................................................40

3.5.2LT-Scot反应机理.....................................................42

3.6反应动力学方程..........................................................43

3.6.1Claus反应动力学方程.................................................43

3.6.2LT-Scot反应动力学...................................................45

3.7反应热力学方程.........................................................47

3.7.1Claus工艺反应热力学方程:...........................................47

3.7.2LT-Scot工艺反应热力学方程..........................................47

3.8Claus工艺的对比与选择.................................................48

3.8.1催化剂的对比.......................................................48

3.8.2设备选择..........................................................49

3.9LT-Scot工艺对比与选择..................................................52

3.9.1催化剂及吸收剂的对比...............................................52

3.9.2设备选择..........................................................54

3.10工艺流程描述...........................................................55

3.10.1Claus单元流程描述..................................................55

3.10.2LT-Scot单元流程描述................................................58

3.10.3酸性水汽提单元....................................................62

第4章脱碳及资源化利用....................................................63

4.1原料路线确定的原则和依据................................................63

4.2工艺概述.................................................................63

4.3二氧化碳的分离工艺对比..................................................64

3

4.3.I乙醇胺吸收法.......................................................64

4.3.2膜分离法.........................................................66

4.3.3变压吸附工艺.......................................................67

4.3.4液化提纯工艺.......................................................69

4.4C02分离工艺工艺对比及确定..............................................71

4.4.1流程繁简及能耗对比...............................................71

4.4.2过程消耗对比.....................................................72

4.4.3工艺参数对比.....................................................72

4.4.4工艺优缺点对比...................................................73

4.5食品级CO?生产工艺......................................................74

4.5.1工艺流程...........................................................74

4.5.2催化剂的对比及选择...............................................76

4.5.3催化剂反应原理及其动力学方程.....................................77

4.5.4设备介绍...........................................................77

第5章工艺流程模拟........................................................79

5.1概述.....................................................................79

5.2物性方法选择...........................................................79

5.2.IClaus单元模拟.....................................................80

5.2.2LT-Scot单元模拟..................................................81

5.2.3汽提单元模拟.....................................................82

5.2.4脱碳单元模拟.....................................................83

5.3工艺流程优化...........................................................83

5.3.1急冷塔T201的优化................................................83

5.3.2提纯塔T401的优化................................................85

第6章物料衡算.............................................................88

6.1物料衡算的意义.........................................................88

6.2物料衡算遵循的原则....................................................88

6.3物料衡算的步骤.........................................................88

4

6.4物料衡算.................................................................89

6.4.1Claus单元..........................................................89

6.4.2LT-Scot尾气处理单元...............................................91

6.4.3汽提单元..........................................................95

6.4.4脱碳单元物料衡算...................................................97

第7章能量衡算.............................................................98

7.1能量衡算的意义..........................................................98

7.2能量衡算的原则..........................................................98

7.3全流程能量衡算..........................................................99

7.3.1Claus单元..........................................................99

7.3.2LT-Scot尾气处理单元...............................................100

7.3.3汽提单元..........................................................102

7.3.4脱碳单元........................................................103

第8章过程节能及能耗计算.................................................105

8.1概述..................................................................105

8.2换热网络设计任务......................................................106

8.2.1工艺流股的提取...................................................106

8.2.2确定能量目标.....................................................107

8.2.3工艺换热网络设计................................................108

8.3项目综合能耗及计算....................................................110

8.4每吨产品能耗计算表....................................................111

8.5每吨产品能耗比较.....................................................112

8.6万元产值综合能耗......................................................112

8.7能源合理性分析........................................................113

8.8节能措施...............................................................113

第9章自动控制及仪表.....................................................115

9.1工厂及控制概况........................................................115

9.2化工自动化内容.........................................................116

5

9.2.1仪表概述.........................................................116

9.2.2仪表选用原则.....................................................116

9.2.3控制系统.........................................................116

9.3过程控制与检测.........................................................117

9.3.1离心泵的基本控制..................................................117

9.3.2离心式压缩机的控制方案............................................118

9.3.3换热器的控制方案................................................119

9.3.4精储塔的控制方案..................................................119

9.3.5反应器的控制方案..................................................121

9.3.6储罐控制.........................................................121

9.3.7气液分离罐的控制..................................................122

9.4ESD紧急停车系统....................................................123

9.5安全仪表系统SIS应用.................................................124

第10章设备选型...........................................................127

10.1概述.................................................................127

10.2设计原则..............................................................127

10.3设备选型..............................................................127

第11章配管布置...........................................................128

11.1设计依据.............................................................128

11.2布置要求..............................................................128

11.3管道设计..............................................................129

11.3.1管道的确定......................................................129

11.3.2壁厚及材料......................................................130

11.3.3管路阀门和管件的选择............................................130

11.3.4管路绝热设计....................................................131

11.3.5管道一览表....................................................132

11.4管道布置...............................................................132

11.4.1管道敷设原则....................................................132

6

11.4.2管道连接........................................................133

11.5常见设备的管道布置....................................................133

11.5.1泵的管道设置....................................................133

11.5.2换热器的管道布置................................................134

11.5.3塔的管道布置....................................................134

11.5.4容器的管道布置..................................................134

11.5.5压缩机的管道布置................................................135

11.5.6调节阀的管道布置................................................135

11.5.7管廊的管道布置..................................................136

11.5.8其他管道布置....................................................136

11.5.9配管示例.....................................................137

第12章储运系统...........................................................138

12.1设计依据.............................................................138

12.2设计原则...............................................................138

12.3储存系统...............................................................139

12.3.1储罐设置方案....................................................139

12.3.2储罐的安全间距....................................................139

12.3.3罐区的安全措施....................................................140

12.3.4罐区管理制度....................................................140

12.4运输系统...............................................................140

12.4.1管廊运输........................................................140

12.4.2装载区设计....................................................141

12.4.3厂区内运输路线设计............................................141

第13章车间布置...........................................................142

13.1设计依据.............................................................142

13.2基本资料............................................................142

13.3车间布置原则........................................................143

13.4车间组成.............................................................143

7

13.5车间布置方案...........................................................143

13.5.1平面结构形式....................................................143

13.5.2柱网布置和跨度...................................................144

13.5.3厂房的宽度.......................................................144

13.6设备的布置.............................................................144

13.6.1塔的布置........................................................144

13.6.2换热器的布置...................................................145

13.6.3容器的布置....................................................145

13.6.4泵和压缩机的布置...............................................146

13.6.5炉类设备的布置.................................................146

13.6.6固定床反应器的布置..............................................147

13.6.7安全、卫生和防腐蚀问题..........................................147

第14章公用工程...........................................................149

14.1企业集成方案.........................................................149

14.2设计依据..............................................................149

14.3公用工程站...........................................................150

14.3.1氮气站..........................................................150

14.3.2富氧空气站.......................................................150

14.3.3液氨站..........................................................150

14.3.4冷却水站........................................................150

14.4供电系统...............................................................151

14.4.1供电电源........................................................151

14.4.2变配电站........................................................151

14.4.3保安电源系统..................................................151

14.4.4通讯系统......................................................152

14.5给排水系统.............................................................152

14.5.1设计依据........................................................152

14.5.2本厂气候........................................................152

14.5.3工艺用水........................................................152

8

14.6维修系统...............................................................153

14.6.1设备维护内容...................................................153

14.6.2压力容器、管道的定期检修.......................................154

14.6.3泵的维修......................................................154

14.7消防系统...............................................................155

14.7.1设计依据........................................................155

14.7.2基础消防措施.....................................................155

14.7.3厂区消防布置.....................................................156

14.7.4稳高压消防给水系统...............................................156

14.7.5灭火器.........................................................156

14.7.6消防管网的布置...................................................157

14.7.7消防水炮和消火栓.................................................157

14.7.8火灾系统监测和火灾报警系统.......................................157

第15章分析检验...........................................................158

15.1设计依据..............................................................158

15.2设计原则..............................................................158

15.3硫磺的分析化验.......................................................158

15.4二氧化碳的分析化验...................................................160

第16章重大危险源分析及安全措施.........................................161

16.1概述.................................................................161

16.2重大危险源分析.......................................................161

16.2.1潜在危险场所.....................................................161

16.3重大危险源物质分析...................................................161

16.4HAZ0P分析..........................................................162

16.4.1概述............................................................162

16.4.2节点图及具体分析.................................................163

16.4.3HAZOP分析的作用和意义...........................................166

16.5安全措施...............................................................166

9

16.5.1概述............................................................166

16.5.2总图布置和建筑方面的安全措施....................................166

16.5.3工艺及设备等方面的对策措施.......................................167

16.5.4罐区安全措施....................................................168

16.5.5建（构）筑物.....................................................172

16.5.6职业安全卫生与常规防护安全对策措施..............................174

16.5.7事故及应急管理...................................................174

第17章环境保护...........................................................175

17.1执行法规与标准........................................................175

17.1.1项目编制原则.....................................................175

17.1.2环境质量标准.....................................................176

17.2废气处理.............................................................176

17.2.1工艺废气处理：.................................................177

17.2.2无组织排放气处理...............................................177

17.3废水处理...............................................................177

17.3.1脱硫废水处理..................................................178

17.3.2含油污水处理..................................................180

17.4废渣处理...............................................................181

17.4.1制硫催化剂和抗氧保护制硫催化剂.................................182

17.4.2加氢催化剂废固处理..............................................182

17.4.3废活性炭废固处理................................................185

第18章概算...............................................................188

18.1工程概况.............................................................188

18.2设计依据..............................................................188

18.3项目总概算...........................................................188

第19章参考文献...........................................................189

10

第1章项目总论

1.1项目概况

目前煤焦制氢是炼厂氢气来源的新兴选择。近年来中国的茂名、淄博、九江、南京、

安庆等地炼厂建设了一系列大规模煤制氢装置。在煤化工领域，直接液化、合成氨等也

需要使用大规模氢气。此外，在石化/化工园区建设气化装置，为园区用户供应氢气、

蒸汽和工业气体正在成为发展趋势。因此，保证经济可行的大规模氢气来源势在必行，

所以提升针对煤制氢尾气的脱硫处理也势在必行。

GB31570-2015《石油炼制工业污染物排放标准》己颁布实施，GB31570-2015明

确规定，炼油行业新建企业自2015年7月1日起，现有企业自2017年7月1日起，酸

性气硫磺回收装置烟气中SOz排放质量浓度小于100mg/m3（0℃,101.325kPa,下同），

部分环境敏感地区小于50mg/m3。同时对硫化物排放总量也作了规定，这就要求装置

硫回收率只有高于99.5%,才能达到此规定要求。尾气处理工艺的开发和实施势在必行

并日趋重要。因此，煤制氢废气脱硫及资源化利用对于国家有着很大的战略意义。

该项目是采用组合工艺，处理50000Nm3/h煤制氢废气脱硫及资源化利用的一体化

化工项目，为中国石油化工股份有限公司茂名分公司设计。

该项目选址于广东茂名石化工业园区，利用煤制氢含硫废气作为原料，经过脱硫脱

碳并进行资源化利用，最大限度满足工艺简单、低能耗、脱硫效率高、高品质副产品和

环保的设计要求。

项目设计研究分析了市场及经济评价，不仅经济效益高，还制定了抵抗风险的措施,

增强了降低风险能力。严格三废排放要求和控制处理措施，最大化的减少生产给环境造

成的污染。此外，详细的安全评估