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摘 要

中国目前约70%的电力由火电提供，电厂发电过程中会排出大量含硫废气，这些废气若排入大气会导致严重的环境污染问题。因此，含硫废气的处理对社会可持续发展具有重要意义。本设计以宁波北仑电厂含硫废气与园区的甲苯、废氨水为生产原料，采用三氧化硫磺化工艺，生产对甲苯磺酸，并副产硝酸铵。该工艺包括废气除尘工段、二氧化硫氧化工段、磺化反应工段、NO₂反应工段和CO₂吸收工段，运用Aspen Plus 8.4流程模拟软件对工艺进行了全流程模拟，并对换热网络进行设计和优化。同时采用Cup-Tower、SW6-2011等软件，对设备进行设计、选型与校核。二氧化硫氧化反应器采用等温列管式固定床反应器，磺化反应器选用连续釜式反应器，选用螺旋导流板夹套。

关键词：二氧化硫，二氧化碳，流程模拟，设备设计

Abstract: Presently, about 70% electricity in China is provided be thermal power plants. A large amount of sulfur-contained exhaust gas is emitted during power generation. If these exhaust gas are released into the atmosphere, serious environmental pollution problems will generate. Therefore, the treatment of sulfur-contained waste gas is of great significance to the sustainable development of society. This project applies the sulfur waste gas in Ningbo Beilun Power Plant, the toluene and waste ammonia water in the park as raw materials, and uses SO₃ sulfonation process to produce paratoluene sulfonic acid and ammonium nitrate as a by-product. The process includes exhaust gas dust removal section, sulfur dioxide oxidation section, sulfonation reaction section, nitrogen dioxide reaction section, a carbon dioxide absorption section. Aspen Plus 8.4 flow simulation software is used to simulate the entire process, and optimize the heat exchange network design. Cup-Tower, SW6-2011 and other software are used to design, select equipments. An isothermal tubular fixed bed reactor is adopted for the sulfur dioxide oxidation, and a continuous tank reactor with spiral deflector jacket is used to the sulphonation.

Key words: sulfur dioxide, carbon dioxide, process simulation, equipment design

目 录

1 前言 4

2 含硫废气处理工艺设计 5

2.1 二氧化硫氧化工艺现状 5

2.1.1 高温转化技术 5

2.1.2 低温转化技术 5

2.2 磺化工艺技术现状 5

2.2.1 浓硫酸磺化技术 6

2.2.2 氯磺酸磺化技术 6

2.2.3 液体三氧化硫磺化技术 6

2.2.4 气体三氧化硫磺化技术 6

2.2.5 工艺对比 6

2.3 含硫废气处理工艺路线确定 7

3 处理工艺流程模拟 9

3.1 工段模拟与分析 9

3.1.1 废气除尘工段 9

3.1.2 二氧化硫氧化工段 9

3.1.3 磺化反应工段 10

3.1.4 二氧化氮反应工段 10

3.1.5 二氧化碳吸收工段 11

3.2 设备优化 12

3.2.1 MDEA再生塔优化 12

3.2.2 CO₂精制塔优化 13

4 换热网络设计 14

4.1 合成理论基础 14

4.1.1 夹点技术 14

4.1.2 换热网络合成步骤 15

4.2 换热网络集成 15

4.3 换热网络优化 16

4.4 节能效果 18

5 物料衡算与能量衡算 18

5.1 物料衡算 18

5.1.1 除尘工段 20

5.1.2 SO₂氧化工段 20

5.1.3 分离工段 21

5.1.4 磺化工段 24

5.1.5 硝化工段 25

5.1.6 CO₂吸收解吸工段 27

5.2 能量衡算 31

5.2.1 SO₂氧化工段 33

5.2.2 分离工段 33

5.2.3 磺化工段 35

5.2.4 硝化工段 36

5.2.5 CO₂吸收解吸工段 36

6 设备设计 38

6.1 设计标准与依据 38

6.2 塔 39

6.2.1 概述 39

6.2.2 设计依据 39

6.2.3 塔型比较 40

6.2.4 塔板类型与性能比较 40

6.2.5 塔设计 42

6.2.6 设计结果 62

6.3 反应器 63

6.3.1 概述 63

6.3.2 设计依据 63

6.3.3 反应器类型 63

6.3.4 反应器设计 64

6.3.5 设计结果 66

7 设计图纸 67

结 论 90

参 考 文 献 91

致 谢 92

1 前言

2016年，我国火力发电量占总发电量的74.4%^[1]，其主要特点是便于输送、使用方便。火力发电主要依靠煤燃烧，其发电过程会产生大量含硫废气，导致我国大气中87%的SO₂来自于电厂发电。2014年，全国排放含硫废气总量达1037.2万吨^[2]。工业二氧化硫排放情况如图1所示。图1表明：电力行业排放二氧化硫占工业排放的57.8%，是含硫废气中最主要的来源。

图1工业二氧化硫排放

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