学士学位论文华润锦州电厂年捕集量160万吨ccs.docx

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学士学位论文华润锦州电厂年捕集量160万吨ccs

目录

第1章总论1

1.1编制依据1

1.2编制原则1

1.3项目总述1

1.4项目可行性分析2

1.5项目审核2

1.6厂区及生产概况2

1.7原料来源2

1.8设计工艺3

第2章总图运输4

2.1厂址概况4

2.2厂址的气候、交通运输条件5

2.3厂区布置5

2.3.1车间布置范围5

2.3.2设计规范6

2.4主要布置理念6

2.5分区说明6

2.5.1生产区布置6

2.5.2辅助车间布置7

2.5.3绿化布置7

2.5.4车间布置8

2.6合成车间布置图8

第3章工艺方案9

3.1概述9

3.2二氧化碳捕集方案设计9

3.2.1溶剂吸收分离法9

3.2.2固体吸附法10

3.2.3膜分离方法11

3.2.4膜基吸收12

3.2.5其它捕集方法13

3.2.6工艺技术方案比较和选择13

3.2.7双效精馏节能原理15

3.2.8捕集工艺方案选择16

3.2.9CO2捕集工艺方案流程17

3.3二氧化碳的利用18

3.3.1二氧化碳的直接利用18

3.3.2二氧化碳的化学利用19

3.3.3二氧化碳利用方案比较24

3.4二氧化碳封存24

3.4.1碳酸盐矿石固存25

3.4.2海洋处置CO225

3.4.3CO2的地质储存25

3.4.4生物封存27

3.4.5二氧化碳封存方案比较28

3.5CO2利用工艺方案流程29

3.5.1工艺流程示意图29

3.5.2工艺条件选择29

3.6物料衡算31

3.6.1物料衡算原理31

3.6.2物料衡算结果32

3.7能量衡算32

3.7.1能量衡算原理32

3.7.2能量衡算结果33

3.8初步设计结果33

3.8.1工艺流程图33

3.8.2物料衡算图33

3.8.3带控制点的工艺流程图33

第4章设备设计和计算及选型34

4.1膜接触器设计34

4.1.1概述34

4.1.2设计原则34

4.1.3中空纤维膜组件选择34

4.1.4膜接组合方式设计35

4.1.5塔式膜接触器设计36

4.2塔设备设计与选型37

4.2.1概述37

4.2.2T101低压塔设计37

4.2.3T102高压塔设计41

4.2.4T202精馏塔设计44

4.2.5塔设备的制造47

4.3反应器设计47

4.3.1概述47

4.3.2反应器的设计47

4.4其它设备选型52

4.4.1换热器选型52

4.4.2压缩机设计与选型53

第5章自动控制55

5.1自控水平和主要控制方案55

5.2仪表类型的确定55

5.3标准化55

5.3.1泵的控制选择的标准。

55

5.3.2离心压缩机的控制选择56

5.3.3换热器的控制选择57

5.4工艺各单元自动控制58

5.4.1膜接触塔Y101的控制58

5.4.2解析塔低压塔T101的控制59

5.4.3解析塔高压塔T102的控制60

5.4.4反应塔T201的控制61

5.4.5反应塔T201的控制62

第6章设备布置及管道布置64

6.1车间设备布置64

6.1.1捕集车间设备64

6.1.2合成车间设备布置64

6.1.3合成车间布置图65

6.2管道铺设65

6.2.1管道铺设原则65

6.2.2管道敷设66

6.3管道轴测图67

第7章给水与排水68

7.1给排水设计设计标准与依据68

7.2给排水系统设计68

7.2.1供水68

7.3排水70

7.3.1生产用水70

第8章节能与环保72

8.1热量集成技术与节能工艺72

8.1.1概述72

8.1.2换热网络优化72

8.1.3换热网络设计77

8.1.4公用工程情况82

8.2主要换热路线83

第9章空压站、氮站、冷冻站85

9.1设计依据85

9.2空压站85

9.2.1工艺用压缩空气85

9.2.2仪表空气86

9.3氮站86

9.3.1设计总则86

9.3.2氮封装置87

9.4冷冻站87

9.4.1冷却水系统87

9.4.2冷却塔设计88

第10章供热89

10.1蒸汽系统设计标准与依据89

10.2供热系统设计89

10.2.1蒸汽冷凝水系统89

10.2.2本分厂的用蒸汽项目90

第11章采暖通风与空气调节91

11.1采暖通风与空气调节设计标准与依据91

11.2采暖通风与空气调节系统设计91

11.2.1设计范围91

11.2.2设计目标91

11.2.3通风系统91

11.2.4采暖系统92

第12章储运设计93

12.1设计依据93

12.2原料和辅助原料93

12.2.1环氧丙烷94

12.2.2N-甲基二乙醇胺（MDEA）94

12.2.3乙醇胺（MEA）95

12.2.4二氧化碳95

12.3产品95

12.4厂内运输设计96

第13章维修97

13.1设计原则与依据97

13.2设备维护97

13.2.1压力容器定期检修98

13.2.2压力管道的操作与维护99

13.3维修人员的配备与管理100

13.3.1维修人员的主要任务100

13.3.2人员要求101

第14章技术安全与防火及卫生102

14.1物料性质102

14.2工艺参数102

14.2.1设计规范102

14.2.2危险性分析103

14.3消防方案103

14.3.1消防措施103

14.3.2火警探测系统103

14.3.3自动报警系统104

第15章供电与电信107

15.1供电与电信系统设计标准与依据107

15.1.1设计依据107

15.1.2设计范围107

15.1.3用电负荷及负荷性质107

15.1.4供电电源108

15.2供电方案108

15.2.1变电所和配电间108

15.2.2总降压变电所设计109

15.2.3继电保护的选择与整定109

15.2.4生产车间环境特征110

15.2.5工业建筑电气照明110

15.2.6防雷和接地111

第16章劳动安全与卫生113

16.1设计准则113

16.2设计中采用的主要安全卫生防护措施113

第17章土建116

17.1土建设计标准与依据116

17.1.1土建设计原则116

17.1.2土建设计所需工艺条件117

17.2建筑设计118

17.2.1建筑设计范围118

附录I物料衡算119

附录II热量衡算126

附录III化工用泵选型说明131

附录IV换热器选型说明137

附录V各捕集方案的模拟对比149

附录VI设备一览表165

第1章总论

1.1编制依据

1、2010“三井化学杯”第四届大学生化工设计竞赛指导书。

2、现行相关设计标准、规定、规范。

3、化工投资工程可行性研究报告编制办法。

4、华润电力锦州电厂提供的相关基础资料。

1.2编制原则

1、选用先进的生产工艺技术和设备运用高效节能技术减少捕集成本，降低再生能耗，提高经济效益。

2、以生产安全性、经济性、环保性为前提，严格遵照相关章程和规定。

3、厂区平面布置以安全合理、环境优美为目标，满足相关安全规定和细则，并充分考虑扩建的可能性。

4、合理安排热集成，尽可能降低能耗。

1.3项目总述

19世纪以来，在人类的生产力水平不断提升的同时，消耗了大量的矿石能源，大量的二氧化碳排放到空气中造成了气候变暖。

到目前为止，气候变暖已经是一个涉及到人类社会和经济发展的重大问题。

减少二氧化碳排放是国际社会可持续发展所面临的一项重要任务。

燃煤电厂烟气在工业二氧化碳排放总量中占了相当大的比例，从燃煤电厂的烟气中对二氧化碳进行捕集，在源头上减少CO2气体的排放，并实现绿色化利用，是人类目前解决气候变暖及能源枯竭的关键所在。

膜基气体吸收是膜分离与溶剂吸收气体技术相结合的新型气体分离过程,具有稳定的传质界面、高比表面积、高传质效率、能耗低、装置体积小、操作稳定和弹性大等优势，是目前最为理想、最为经济的二氧化碳捕集设备。

膜接触器，能在两个互不混溶相之间产生非分散接触并且提供了更大的接触面积,并克服了传统接触设备的液泛、雾沫夹带、沟流、鼓泡等缺点，是一种全新的、更加有效的接触传质方法。

在气体吸收时，膜接触器能提供比传统的吸收塔大30倍的接触面积；在液-液接触时，膜接触器能提供比传统的接触设备大500倍的接触面积。

近20年，膜基气体吸收在分离和回收CO2方面得到了迅速发展，目前研究工作主要集中在高性能溶剂和膜材料的开发、传质模型的建立、高效率膜组件的设计。

因此，膜基吸收法必将成为一种效率最高、成本最低的二氧化碳捕集方法。

碳酸丙烯酯（PropyleneCarbonate，简称PC）又称碳酸丙二醇酯，俗称丙碳，为无色或微黄色透明液体，可溶于水和四氯化碳，与乙醚、丙酮、苯等混溶。

作为一种优良的极性溶剂，碳酸丙烯酯主要用于高分子作业、气体分离工艺、电化学以及纺织、印染等领域，还可用作增塑剂、纺丝溶剂、烯烃和芳烃萃取剂等，是高能电池及电容器的优良介质，它也是一种重要的有机化学品,是酯交换法生产碳酸二甲酯的重要原料。

根据相关领域发展趋势，2012年国内PC消费总量将达22.5万吨，2009～2012年年均增长率在17%左右，项目具有广阔的市场前景。

利用二氧化碳和环氧丙烷合成碳酸丙烯酯是一种较为成熟的工艺路线，是典型的原子经济性反应，符合绿色化学的发展方向。

1.4项目可行性分析

通过可行性研究论证后，从经济利益角度上，本项目投资发电成本上浮可控制在30%以内。

前提是能够保证国家相关优惠政策及时到位、产品的销售价格和足够的市场（包括出口）以及相关工业项目能够得到共同开发。

其中，原料供应是否充足、国家各项优惠政策是否及时到位是能否盈利的主要控制因素。

1.5项目审核

经过可行性分析本项目从项目规划、产业布局、发展重点、水资源平衡、运输安全、环境保护、项目管理和风险防范等方面，基本符合国家有关对化工行业的规范和要求。

1.6厂区及生产概况

厂区位于辽宁省锦州市华润电力锦州电厂旁，总占地面积32.1亩。

厂区分为产前区、生产区、生产辅助区和储罐区。

1.7原料来源

本项目为华润电力锦州电厂分厂，紧邻辽河油田，项目所需的原料环氧丙烷可全部由当地石化企业提供，由于短管路运输，可大大降低运输成本。

二氧化碳完全由本厂捕集所得成本较低。

同时该地交通便利，在特殊情况下，环氧丙烷可通过海运、公路、铁路从国外或我国其它地区获得。

1.8设计工艺

本项目捕集工艺采用膜接触器，解吸过程运用双效精馏技术，能有效降低能耗、减少捕集成本。

以捕集到的二氧化碳为原料，利用锦州市丰富的石化产品环氧丙烷（PO），采用寿命较高的非均相催化剂，利用南京聚拓化工科技有限公司所研发的专利“多向侧流径向固定床反应器”生产附加值高的碳酸丙烯酯（PC）。

产品市场需求量大，生产过程符合原子经济型绿色环保、原料成本低廉、利用率高。

同时，将其余二氧化碳注入当地辽河油田进行封存同时提高石油产量。

第2章总图运输

2.1厂址概况

锦州地处辽宁省西南部，北依松岭山脉，南临渤海辽东湾，与葫芦岛、锦州、朝阳、阜新构成一小时经济圈。

锦州市地貌结构为“三山一水三分田，二分道路和庄园”。

地势西北高、东南低，从海拔400米的山区，向南逐渐降到海拔20米以下的海滨平原。

山脉连绵起伏，东北部有医巫闾山脉，西北部有松岭山脉，大、小凌河、女儿河横贯境内。

锦州市地理位置优越，区位优势独具特色。

锦州南临渤海，北依松岭山脉，位于著名的“辽西走廊”东端，是连接中国东北地区和华北地区的交通枢纽。

锦州物华天宝，地产丰饶，素有“海上锦州”的美誉。

锦州市拥有海岸线总长97.7公里。

近海水域面积12万公顷，沿海滩涂面积26.6万亩，25万亩近海渔场。

锦州还是辽宁省主要产盐区之一。

矿产资源有石油、天然气、煤炭、石灰石、膨润土、萤石、花岗岩等。

全地区目前已发现矿种有48个，已开发利用22个，膨润土储量为亚洲第一。

图2-1锦州市地貌图

2.2厂址的气候、交通运输条件

锦州市位于中纬度地带，属于温带季风性气候，常年温差较大，全年平均气温8℃一9℃。

年降水量平均为540一640mm，无霜期达180天。

气候主要特征是：

四季分明，各有特色，季风气候显著，大陆性较强。

为发展农、林、牧、渔各业提供了良好的条件。

2006年完成机耕面积513.5万亩，机播面积399.0万亩，机收面积127.2万亩。

农田水利建设得到加强，有效灌溉面积175.5千公顷，其中节水灌溉面积43.5千公顷。

锦州市地理位置优越，区位优势独具特色。

锦州南临渤海，北依松岭山脉，位于著名的“辽西走廊”东端，是连接中国东北地区和华北地区的重要交通枢纽。

有“四省通锦”之说。

京哈铁路、锦承铁路、秦沈铁路客运专线、京哈公路、京沈高速公路、辽宁滨海公路横贯全境。

锦阜、锦朝高速公路及102线国道使锦州与周边城市形成了“一小时城市群”。

锦州港是中国沿海最北部的一类开放商港，已跻身于中国港口二十强。

锦州机场是辽宁省西部唯一一座达国际4C级标准的民航机场，已开通锦州－－北京中转联航，可飞往全国各地。

优越的地理位置，发达的海陆空立体交通体系，大大增强了锦州的城市影响力和经济、文化的辐射力，也为锦州市建设区域性中心城市和现代物流中心城市奠定了天然的基础。

2009年省政府批准修建辽宁锦州湾国际机场，辐射辽西5市。

锦州港拥有4油、3集、8杂15个生产性泊位和1个辅助性泊位，2005年港口吞吐量完成3000万吨，集装箱20.1万标箱。

公路总里程达到3622公里，黑色路面铺装率、二级以上公路比重、高速公路里程都居辽西之首。

全市拥有营运公共汽车537辆，运营线路网长度467公里，运营出租车3884辆。

2.3厂区布置

2.3.1车间布置范围

根据本CCS&U系统工艺过程及相关设备的选择，进行总平面布置和各车间布置。

CCS&U分厂分由五部分区域组成，包括二氧化碳捕集区、PC合成车间、原料与产品储运区、辅助生产区以及行政生活区。

车间布置设计包括车间厂房布置和车间设备布置。

其中，车间厂房布置的范围主要是五部分区域的总平面布置以及的交通线路布置。

车间设备布置用以确定各个设备在各车间的平面布置以及立面布置。

2.3.2设计规范

《企业厂区总平面布置设计规范》

SHT3053-2002

《化工企业总图运输技术规定》

HG/T20649-98

《建筑设计防火规范》

GBJ16-87

《工业企业总平面设计规范》

GB50187-93

2.4主要布置理念

工厂总平面图应在贯彻节约用地原则的基础上，满足工厂的生产、运输、安全要求；

按功能分区，功能分区内各项设施的布置应紧凑、合理；

在符合生产流程、操作要求和使用功能的前提下，建筑物、构筑物等设施应联合多层布置，厂区、功能分区及建筑物、构筑物的外形宜规整；

工厂总平面图布置应考虑工厂发展的可能性及妥善处理工厂分期建设问题。

2.5分区说明

2.5.1生产区布置

生产区包括原料储罐区、捕集车间、合成车间、冷冻站以及生产过程控制室。

2.5.2辅助车间布置

1）变电站

变电站位于厂区南侧边缘，靠近总厂大路，方便电线的进出。

变电站周围设置围栏，构成了一个相对独立的区域，可以确保安全生产。

2）中心控制室

总控制室位于南侧边缘，与冷冻站相邻，并且与各个车间相邻。

位于主导风向的上风向，是全场自动控制的中心，实时监控生产区、储罐区及各辅助生产设施的运行情况，同时负责与各部门的联系，调整生产指标。

3）中央化验室

化验室位于中部靠路边边缘区域，与储罐区生产区相近。

检测原料、产品质量，保证生产的正常进行，负责日常的检测与化验工作。

4）维修站

维修站位于厂区的中部区域靠西南侧，占地面积300m2，内部间隔有机修、仪修、电修等小车间，分区布置可以避免维修车间之间的相互干扰。

同时，维修站与生产车间保持较远距离，可以防止维修车间产生的火星引起易燃易爆液体发生爆炸。

5）消防站

主消防站位于厂区中部区域靠西南侧，对生产车间、行政区、辅助车间的辐射距离均小于100m。

道路设置使厂区发生火灾时，车辆可迅速到达现场。

6）装卸台

装卸台设置在产品DMC储罐旁的空地，靠近工厂2号大门，负责产品的装卸运送，周围道路宽阔，交通便捷。

2.5.3绿化布置

厂区进行了充分的绿化，在办公大楼的前专设绿化地，可以美化环境。

在一些建筑物的四周植有草坪，消减生产过程中产生的污染物。

罐区地面植有大量草坪，发展用地上也进行了充分的绿化。

2.5.4车间布置

1）捕集车间布置

为三层厂房，长为30m，宽为30m，高度为15m，总占地面积为900m2，主要包括Y101膜接触器1座、T101低压解析塔1座、T102高压解析塔1座、烟道气储气柜1座、鼓风机1台、离心泵18台、各塔的再沸器、离心泵区及换热器区组成，具体布置见图集。

一层平台长宽均为15m，离心泵区摆放14台离心泵，以及9台换热用泵及6台备用泵。

泵与泵之间的距离大于0.7m，泵列与泵列之间的距离大于2.0m，考虑到平台由方形柱体支撑，对泵体进行合理摆放。

一层平台布置图见图集。

2）捕集车间布置图

1、车间平面图包括：

各个平台俯视图共3张，装置区的范围、方位、尺寸和坐标；

2、车间立面图包括：

膜接触器解吸塔设备立面图1张，换热器位置，各层的相对标高，设备编号；

详见工艺设计施工图内的捕集车间平面立面图。

3）合成车间布置

合成车间长为6.0m，宽为6.0m，由固定床反应器T201、T202精馏塔、各塔的再沸器、离心泵区及换热器区组成。

合成车间采用室外露天布置，塔系与多层平台相连，便于流体的输送以及物流的换热，满足生产进行的同时节省空间，便于集中控制。

合成车间在满足碳酸丙烯酯生产的工艺条件下，各塔以裙座支撑于地面基础上，按照塔与塔之间的距离为1.0-3.0m的要求，取塔之间的距离为3.0m。

2.6合成车间布置图

1、车间平面图包括：

各个平台俯视图共2张，装置区的范围、方位、尺寸和坐标。

2、车间立面图包括：

反应器反应精馏塔设备立面图1张，换热器位置，各层的相对标高，设备编号。

详见工艺设计施工图内的合成车间平面立面图。

第3章工艺方案

3.1概述

工业设计主要说明本设计的具体情况，主要包括捕集工艺设计、产品工艺设计、工艺条件选择、封存方式设计、物料衡算书、能量衡算书等。

3.2二氧化碳捕集方案设计

目前有很多技术都可以用于烟气中CO2的有效脱除，但没有哪种技术是普遍适用的。

对于不同的捕集要求，应该选用不同的工艺过程和工艺条件。

目前工业上采用的CO2分离方法主要有：

溶剂吸收法、变压吸附法、膜分离法、低温分离法、O2/CO2循环燃烧法和这些方法的组合应用等。

以上这些方法在经济性、选择性以及适用性等方面都存在各自的特点，目前在工业上应用最为广泛的脱碳方法主要是溶剂吸收法和变压吸附法。

3.2.1溶剂吸收分离法

1）胺类吸收法

以乙醇胺类作吸收剂的方法有MEA（乙醇胺）法、DEA（二乙醇胺）法及MDEA（N-甲基二乙醇胺）法等。

工业上最先使用的是三乙醇胺（TEA），但由于CO2的吸收效率低和溶剂的稳定性差，因而逐渐被MEA和DEA所取代。

他们可以降低吸收液的腐蚀并提高其抗降解性，常常用来脱除酸性气体。

胺基类溶剂的蒸汽压一般比较低，因此可以在较高的浓度下进行操作，从而可以提高CO2的吸附负荷。

MEA具有较强的碱性，与CO2反应速率较快，具有吸收速度快、吸收能力强的特点。

MEA法存在的主要问题是装置的能耗较高，且MEA的氧化降解较严重。

目前正准备通过优化吸收/再生工艺的结构及使用抗氧化添加剂等措施以降低操作成本与常规醇胺法比，新工艺开发成功后约可降低捕集成本50%以上MEA适合在CO2分压力较低的情况下应用，吸收率受操作压力影响不大，既可在高压下操作，也可在常压下操作，操作温度与烟气温度相当。

同时，MEA在醇胺类吸收剂中碱性最强，反应速度快，吸收能力在醇胺类溶剂中最强，因此，MEA法比较适合用于烟气中CO2回收。

2）热钾碱法

热钾碱法是一种极具发展前景的吸收/再生脱碳工艺。

它以哌嗪（piperazine）为活化剂，此法包括一个在加压下的吸收阶段和一个常压下再生阶段，吸收温度等于或接近再生温度。

采用冷的支路，特别具有支路的两段再生流程可以得到高的再生效率，从而使净化尾气中的CO2分压很低。

这种脱除CO2的方法在工业上得到了广泛的应用，其吸收能力为水洗法的5倍，热耗、电耗均大幅度下降。

但是高温下K2CO3水溶液吸收法再生能耗大，选择性差，且CO2气体负荷容量大，需要很高的循环速度和大量的吸收塔，对设备的腐蚀也比较严重。

3）氨法脱碳

氨水喷淋法是化学吸收法的一种与MEA法相比，氨水具有明显的优势：

吸收容量高达1.2kgCO2/kgNH3；溶液单价成本仅为MEA的1/6。

缺点是普通碳铵不稳定，挥发损失大，吸收的碳易分解重返大气，削弱了CO2的吸收效率；吸收反应需要在较低温度下进行，低于10℃，烟气降温耗能较大。

吸收工艺流程如下：

图3-1溶剂吸收工艺流程

3.2.2固体吸附法

固体吸附分离是基于气体与吸附剂表面上活性点之间的分子间引力实现的。

CO2的吸附剂一般为一些特殊的固体材料，如：

沸石、活性碳、分子筛等。

吸附过程又分为变压吸附（PSA）和变温吸附（TSA）。

PSA法是基于固态吸附剂对原料其中的CO2有选择性吸附作用，高压时吸附量较大，降压后被解吸出来进行的。

TSA法则是通过改变吸附剂的温度来吸附和解吸CO2。

通常工业上较多采用PSA法。

但该法的吸附容量有限，需要大量吸附剂，吸附解吸频繁，要求设备自动化程度高。

目前正在研究开发应用PSA法回收烟道气中CO2的新技术。

图3-2变压吸附工艺流程

3.2.3膜分离方法

膜法气体分离的基本原理是根据混合气体中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率不同，从而达到分离目的。

对不同结构的膜，气体通过膜的传递扩散方式不同，因而分离机理也各异。

膜分离法在海水淡化，污水处理等方面都早已实现工业化，但在CO2分离方面还处于试验阶段。

迄今应用的CO2分离膜，其材质主要有：

醋酸纤维、乙基纤维素、聚苯醚及聚砜等。

目前用于从烟气中回收CO2的膜材料的选择性不够好，因此要使回收的CO2达到理想的纯度，必须使用多级分离系统。

但是使用多级膜分离系统使压缩气体所需要的能量大大增加，因而导致分离技术成本远高于MEA湿法吸收。

采用固体膜分离气体面临着难以解决的选择性高时通透性低，通透性高时选择性就差的矛盾。

应用膜分离法分离烟道中的CO2目前还处于探索阶段。

采用液体膜既可使通透性和选择性的矛盾得到较好的解决，又可保留膜分离固有的特点，是一项很有希望的分离技术。

目前对于分离烟道气中CO2的