二氧化碳技术方案.docx

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二氧化碳技术方案

5万吨/年食品级液体二氧化碳项目

初

步

技

术

方

案

湘潭弘润气体有限公司

2014年05月

1.技术方案

1.1气源条件

本项目所用气源来自于煤制合成气干法脱碳尾气，原料气CO2纯度约98%，本方案按总硫（H2S和COS）含量100ppm考虑，后期正式设计时根据实际情况再做调整。

1.2产品方案

本方案的目标产品定位为食品级液体二氧化碳，产品质量按国际饮料技术学会（ISBT）标准和中国新国家标准GB10621-2006《食品添加剂液体二氧化碳》执行，具体内容见下表。

（1）国家新标准GB10621-2006

序号

项目

指标

1

二氧化碳含量，10-2（V/V）≥

99.9

2

水份，10-6（V/V）≤

20

3

酸度

按5.4检验合格

4

一氧化氮，10-6（V/V）≤

2.5

5

二氧化氮，10-6（V/V）≤

2.5

6

二氧化硫，10-6（V/V）≤

1.0

7

总硫（除二氧化硫外，以硫计）,10-6（V/V）≤

0.1

8

碳氢化合物总量（以甲烷计）,10-6（V/V）≤

50（其中非甲烷烃不超过20）

9

苯,10-6（V/V）≤

0.02

10

甲醇，10-6（V/V）≤

10

11

乙醇，10-6（V/V）≤

10

12

乙醛,10-6（V/V）≤

0.2

13

其它含氧有机物，10-6（V/V）≤

1.0

14

氯乙烯，10-6（V/V）≤

0.3

15

油脂，10-6（m/m）≤

5

16

水溶液气味、味道及外观

按5.10检验合格

17

蒸发残渣，10-6（m/m）≤

10

18

氧气,10-6（V/V）≤

30

19

一氧化碳,10-6（V/V）≤

10

20

氨,10-6（V/V）≤

2.5

21

磷化氢,10-6（V/V）≤

0.3

22

氰化氢,10-6（V/V）≤

0.5

注:

其它含氧有机物包括二甲醚、环氧乙烷、丙酮、正、异丙醇、正、异丁醇、乙酸乙酯、乙酸异戊酯。

（2）国际饮料技术协会标准（ISBT）及《可口可乐》标准

序号

项目

指标

1

二氧化碳含量，10－2（V/V）≥

99.9

2

水分，10－6（V/V）≤

20

3

酸度

通过测试

4

一氧化氮，10－6（V/V）≤

2.5

5

二氧化氮，10－6（V/V）≤

2.5

6

二氧化硫，10－6（V/V）≤

1.0

7

总硫（除二氧化硫外,以硫计），10－6（V/V）≤

0.1

8

碳氢化合物总量（以甲烷计），10－6（V/V）≤

50（其中非甲烷烃不超过20）

9

苯，10－6（V/V）≤

0.02

10

乙醛，10－6（V/V）≤

0.2

11

不易挥发有机残留物10－6（V/V）≤

5.0

12

不易挥发残留物10－6（V/V）≤

10

13

水溶液气味、味道及外观

通过测试

14

蒸发残渣，10－6（m/m）≤

10

15

氧，10－6（V/V）≤

30

16

一氧化碳，10－6（V/V）≤

10

17

氨，10－6（V/V）≤

2.5

18

磷化氢，10－6（V/V）≤

0.3

19

氰化氢，10－6（V/V）≤

0.5

我公司承诺最终产品纯度≥99.95%（优于国家标准），其余指标均达到并部分优于上述标准。

1.3生产规模

本方案食品级液体二氧化碳的生产规模根据合成氨的实际生产经验理论设计为6万吨/年的生产能力，实际以5万吨/年（每小时6.25吨，日产150吨）的产量，按全年开车8000小时计。

1.4工艺技术方案选择

通常，为了运输和使用方便，生产中一般都把二氧化碳制成液体或固体产品，从理论上讲，只要二氧化碳达到临界温度31.04℃以下，在特定压力下即可液化，压力越高液化温度越高。

但由于不同二氧化碳原料气中都会有各种不同杂质，会在二氧化碳液化时或多或少地一起冷凝，从而对二氧化碳产品质量产生巨大影响。

二氧化碳生产其实就是净化和液化的过程，不同的二氧化碳生产工艺其本质差别就是净化技术的不同。

下面介绍几种净化精制工艺方法：

（1）吸附与低温精馏组合法

该法综合吸附和精馏的优点，配合使用特定的选择性很强的吸附剂，有针对性地脱除沸点比二氧化碳高、通过精馏无法分离的杂质，然后将二氧化碳液化进行低温精馏提纯，除去剩余的轻组分杂质。

该方法投资省，气源条件好的情况下产品质量能够达到食品级。

但不适用于重组分杂质含量较多的情况。

吸附与低温精馏组合法典型案例：

我公司在总结多套装置经验，并借鉴国外先进技术的基础上，开发了独特的“双级预冷吸附与低温精馏组合”的新工艺，成功应用于芷江化肥二氧化碳气体2.5万吨/年食品级液体二氧化碳装置上，产品质量达到并部分优于食品级标准。

（2）催化氧化与低温精馏组合法

该方法适用于重组分杂质含量较多，且无法通过吸附剂有效除去的情况。

其特点是：

利用催化氧化原理，在贵金属（活性氧化铝负责铂、钯）催化剂存在的条件下，将原料气中的所有可燃性杂质与氧发生燃烧而加以脱除，特别是那些沸点比二氧化碳高的有毒有害杂质，如多碳烃、醛、醇等有机物，燃烧后产物是水和二氧化碳，由于燃烧反应彻底，为这些杂质彻底去除提供了技术保证，再结合使用合理的脱硫技术和低温精馏技术，产品质量可以达到国际饮料协会标准。

该方法产品质量好，品质稳定，是目前生产食品级二氧化碳最可靠的方法。

但投资大，操作复杂，主要用于食品级产品的生产。

催化氧化与低温精馏组合法典型案例：

我公司同类设计的山东某气体有限公司15万吨/年食品级液体二氧化碳装置，分别建设一套10万吨和一套5万吨两套装置，均采用催化氧化法脱烃，产品中总烃含量小于10ppm，远远优于国家标准。

其中10万吨装置正常运行时，日产食品级液体二氧化碳400吨，年产量达到13万吨，为国内单套产能最大的食品级液体二氧化碳生产装置。

上面对目前工业上广泛应用的二氧化碳生产工艺方法进行了简单的介绍，应该说各种方法都有各自的优点和缺点，只要选择运用得当，合适的工艺应用于合适的情况，都能够达到理想的效果。

根据本项目涉及原料气的自身特点以及食品级产品的定位，本方案选择采用催化氧化与低温精馏组合法生产食品级液体二氧化碳产品。

1.5工艺流程与配套设施

1.5.1工艺流程简述

根据本项目所涉及的原料气特点，本项目食品级方案选择催化氧化与低温精馏组合的工艺路线，本工艺流程简图见图1。

从界区外来的原料气，加入少量空气（采用仪表空气）或纯氧，经过预冷缓冲后进入二氧化碳压缩机，二氧化碳压缩机为无油润滑型，三段压缩，设计终端压力为3.0MPa。

原料气从压缩机二段引出进行预脱硫，脱除其中的大部分硫化氢，然后返回三段压缩。

三段出来的原料气经过脱硫加热器预热至60~90℃后进入水解塔，将原料气中的有机硫水解为无机硫，然后进入精脱硫塔脱除原料气中的硫化物，脱硫合格的原料气经过脱烃热交，与从脱烃塔出来的高温气体换热而被预热至380℃以上，热量不够时通过脱烃电加热器补充，然后进入脱烃塔，在脱烃塔中贵金属（活性氧化铝负载铂、钯）催化剂存在的条件下，原料气中的可燃杂质（甲烷、H2、CO等可燃杂质）与O2发生催化燃烧反应，生成CO2和H2O，脱烃过程操作温度为380~500℃。

从脱烃塔出来的高温气体经过脱烃热交回收热量后，经过脱烃水冷器冷却至常温，然后经过除湿器与回冰机系统的低温气氨换热降温除湿，然后经过分子筛干燥塔深度干燥，深度干燥后的原料气经过提纯塔釜加热盘管为精馏提纯塔提供热量后进入冷凝器，与冰机系统来的液氨换热而被冷凝液化后，进入提纯塔进行精馏提纯，原料气中的不凝性杂质（加氧过程加入的过量N2、O2等）从提纯塔顶部出来去再生分子筛塔内的分子筛吸附剂后放空，从提纯塔底部出来的合格的食品级液体二氧化碳产品经过过冷器冷却至约-25℃后进入产品储罐。

图1只是一个简单的工艺流程框图，仅用于说明主要的工艺流程及基本原理，

图1工艺流程框图

1.5.2工艺说明

（1）脱烃过程的操作温度为380℃~500℃，该过程本身为放热反应，放热量取决于原料气中可燃杂质（甲烷、H2、CO等）的含量，如果本项目原料气中可燃杂质的含量能够满足脱烃过程的自热平衡，则正常运行时不需要开脱烃电加热器，脱烃电加热器主要用于脱烃系统开车时系统升温；

（2）原料气的加氧量通过分子筛后面设置的在线氧含量分析仪来控制的；

（3）当脱烃系统因更换催化剂或食品级产品市场销售不畅等原因停用时，压缩机出来的原料气可以通过副线直接跳过脱烃系统，使装置照常运行生产工业级产品。

1.5.3配套设施

（1）动设备

序号

名称

规格型号

单位

数量

报价（万元）

1

CO2压缩机

DW-50/30，3.0MPa，50m3/min

台/套

2

180.0

2

冰机

JJZ2LG20

台/套

3

90.0

3

再生罗茨风机

15m3/minΔP=3000mmH2O

台

1

1.8

4

充车泵

40m3/h，扬程30米

台

2

4.0

5

合计

说明：

CO2压缩机为无油润滑型；冰机带经济器、配蒸发冷。

（2）静止设备

序号

名称

规格型号

材料

数量

估价（万元）

1

原料气冷却器

Ф900

Q245R/304

1

8.0

2

缓冲罐

Ф2600

Q245R

1

5.0

3

预脱硫塔

Ф2000

Q345R

2

25.0

4

脱硫加热器

Ф800

Q345R/20

1

6.5

5

水解塔

Ф1400

Q345R

1

12.0

6

脱烃水冷器

Ф800

Q245R/304

1

9.5

7

精脱硫塔

Ф1400

Q345R

1

12.0

8

脱烃热交

Ф900

304

1

22.0

9

脱烃电加热器

200KW

304

1

15.0

10

脱烃塔

Ф800

304

1

12.0

11

除湿器

Ф700

304/Q345R

1

8.5

12

分子筛塔

Ф1400

Q345R

2

24.0

13

冷凝器

Ф1000（卧式）

304/Q345R

1

20.0

14

提纯塔

Ф600/1000

304/Q345R

1

18.0

15

过冷器

Ф600（卧式）

304/16MnDR

1

7.0

16

再生电加热器

Ф550

Q345R

1

1.5

17

储槽

150m3/台

16MnDR

2

104.0

18

合计

20

310.0

（3）分析仪器

序号

名称

规格或检测限

数量

估价（万元）

1

常量氧分析仪

1

0.5

2

微量硫分析仪

检测限0.03ppm

1

4.5

3

总烃分析仪

1

6.0

4

微量水分析仪

－80℃～20℃，在线分析

1

1.5

5

纯度快速分析仪

量程99.9%、99.99％各一支

2

0.1

6

合计

5

（4）辅助材料

序号

名称及代号

用量

单价

估价（万元）

1

预脱硫剂

20m3×2台

0.35万/m3

14.0

2

水解催化剂

10m3

1.10万/m3

11.0

3

精脱硫剂

10m3

0.80万/m3

8.0

4

脱烃催化剂

2.5m3

35万/m3

87.5

5

分子筛吸附剂

10m3×2台

1.1万/m3

22.0

6

瓷球等

若干

0.5

7

合计

.0

（5）管道阀门配置

按设计规范进行设计、配置。

（6）自控技术及仪表方案

采用DCS控制系统，调节阀采用气动薄膜调节阀，仪表动力气源由项目内提供。

1.6公用工程

1.6.1供电

用电设备及负荷一览表

序

号

用电设备

装机容量

工作负荷（kw）

1

CO2压缩机

（560kw+3kw）×2台，10KV

2

冰机系统

（220kw+3kw）×3台+26.4kw，380V

3

脱烃电加热器

200kw，380V

4

再生罗茨风机

18.5kw，380V

5

再生电加热器

150kw，380V（间断运行）

6

充车泵

7.5kw×2台，380V（间断运行）

7

照明及其它

20kw，220V

8

合计

2224.9kw

～1500kw

1.6.2供水

要求水温：

≤40℃，压力：

0.2～0.3MPa洁净水，主要有以下两种用水需求：

（1）压缩机等用冷却水：

200m3/h，循环水；

（2）冰机蒸发冷用脱盐水：

～3.0m3/h；

1.6.3蒸汽（也可以采用压缩机段间的高温气加热，不用蒸汽）

用途：

用于脱硫加热器；

要求：

0.5Mpa饱和蒸汽（~150℃）；

用量：

150kg/h。

1.6.4仪表动力气源

仪表动力采用储槽放空气减压稳压后提供，由设计院统一设计。

1.6.5占地面积

（1）压缩机厂房（门式轻钢）：

～216m2。

（12米×18米）；

（2）冰机系统（混凝土框架）：

～96m2。

（12米×8米）；

（3）静止设备（室外布置）：

～300m2。

（20米×15米）；

（4）贮槽（按150m3立式2台）：

～50m2。

（5米×10米）；

（5）控制室（包括控制室、分析室、配电室、备件室）：

~144m2

以上装置实占地约806m2，考虑车间通道及充车回车场地，总占地1500m2，含装置内部安全间距，厂房等基建工程根据用户要求现场协商确定。

2.技术经济分析

2.1投资概算

序号

名称

报价

备注

（万元）

1

动设备

275.8

2

静止设备

310.0

3

分析仪器

12.6

4

催化剂及辅助材料

143.0

5

管道、阀门及紧固件等

45.0

6

土建（设备基础\压缩机厂房等）

50.0

7

仪表及控制系统

38.0

8

界区内配电

80.0

10KV进线，含干变及高低压柜

9

防腐保温

19.6

含储槽现场发泡保温

10

安装费用

65.0

11

设计费

30.0

包含可研、安全设施设计专篇、工艺、非标设备、仪控、电气、土建全套施工图设计及开车调试和人员培训

12

项目开办许可

50

安全、技监等

13

流动资金及其他不可预计费用

200

14

合计（万元）

1319

特别说明：

（1）上述价格仅用于进行工程预算；

（2）压缩机、冰机等动设备，是按目前市面上主流产品的价格作为参考进行估算的，采购时选择不同厂家的产品价格会略有出入；

2.2成本估算

2.2.1动力及原辅材料（以每吨液体二氧化碳产品消耗为基准）

序号

名称

消耗定额

单价/元

元/tCO2

1

电

≤200kwh/t

0.6

120.0

2

脱盐水

0.5t/t

3.0

1.5

3

循环水

25t/t

0.2

5.0

4

催化剂等

13.95

5

润滑油及其他

1.0

小计

2.2.2工人工资（按车间设置）

序号

工种

定员/人

年总工资/万元

元/tCO2

1

主任

1

10万

2

2

操作工

8

5万×8＝40.0

8

3

充装工

1

5万

1

4

化验员

2

10万

2

5

设备维修

1

8万

1.6

小计

14.6

2.2.3其它费用

管理费：

10元/tCO2，维修费：

6.0元/tCO2，小计：

16元/tCO2。

总成本估算为：

172.05元/tCO2。

（折旧和资源费另计）

3.建设周期

（1）工程设计：

合同生效后一个月内提供非标设备施工图、动设备采购条件，一个半月内提供土建施工图，全套设计完成需三个月；

（2）设备制造及动设备供货：

三个半月；

（3）安装：

二个月；

（4）调试：

十五天；

总建设周期约为八—十个月。

4.我公司现已运营的项目

1

衡山金贝尔化工有限公司

湖南省衡阳市衡山县

该项目依托于衡山金贝尔化工有限公司（原衡山氮肥厂）年生产能力1.5万吨，回收合成氨放空尾气生产液体二氧化碳，2009年投资运营。

2

芷江化肥工业有限公司

湖南省怀化市芷江县

该项目依托于芷江化肥工业有限公司合成氨装置，回收脱碳放空尾气建设年产2万吨装置，于2013年10月投产运营。

5、天柱宏泰钡业投资：

5.1现场建设150立方储槽3台，汽化器、管道等投资预计200万元

5.2槽车运输5台28.8吨/台槽车，预计费用375元

6、合作方式均可（共同探讨）。

湘潭弘润气体有限公司

2014年6月4日