论文总字数：20803字

摘 要

当前，燃煤电厂含硫废气减排和治理形势严峻。虽然我国在燃煤电厂二氧化硫排放与治理方面积累了丰富经验并取得技术突破，但是仍然存在诸多问题。因此，本项目结合北仑电厂现状，设计以废弃物二氧化硫为原料，采用气态三氧化硫磺化工艺生产高附加值产品苯磺酸。利用Aspen Plus软件对除尘氧化工段、压缩分离工段、三氧化硫磺化工段及尾气处理工段进行全流程模拟，并对反应器采用严格计算，得到反应器的操作参数。运用夹点分析法，对全流程的换热网络进行优化改进。使用Cup-Tower、SW6-2011软件对相关设备进行校核，获得合格的设备设计参数。

关键词：二氧化硫，苯磺酸，流程模拟, 换热网络, 设备



Abstract：Presently, the sulfur emission reduction and treatment situation of coal power plant is serious. Although China has accumulated rich experience on sulfur dioxide emission and treatment in coal-fired power plants and made technology breakthrough, there are still many problems. Therefore, Based on the present situation of Bei-lun power plant, high-valued product benzene sulfonic acid was obtained using waste sulfur dioxide as raw material with gas trioxide sulfonation process in this project. Using Aspen Plus software, the whole process including dust removal oxidation section, compression separation section, section and tail gas treatment section were simulated, and the reactor operating parameters was given with the strict calculation. The heat exchanger network was optimized by the method of pinch point analysis. The relevant equipments were checked by Cup-tower and SW6-2011 software, and qualified equipment design parameters were obtained.

Keywords：sulfur dioxide, benzene sulfonic acid, process simulation, heat exchanger network, equipment.

目录

1 前言 3

2 脱硫工艺设计 4

2.1 脱硫工艺方案 4

2.1.1 发烟硫酸工艺 4

2.1.2 三氧化硫络合磺化工艺 4

2.1.3 液态三氧化硫磺化工艺 4

2.1.4 气态三氧化硫磺化工艺 5

2.1.5 磺化技术方案比较 5

2.2 整体工艺方案确定 7

3 苯磺酸生产工艺模拟 8

3.1 Aspen Plus物性方法 8

3.2 催发剂选择 10

3.3 分工段模拟与分析 11

3.3.1 除尘氧化工段 11

3.3.2 压缩分离工段 12

3.3.3 三氧化硫磺化工段 13

3.3.4 尾气处理工段 14

3.4 Aspen工艺流程模拟与优化 15

3.4.1 解析塔优化 15

3.4.2 压缩制冷循环 16

4 热量集成设计 18

4.1 概述 18

4.2 换热网络 18

4.2.1 优化前换热网络热分析 19

4.2.2 换热网络优化 21

5 换热器选型及典型设备 22

5.1 换热器简介 22

5.2 换热器选型依据 23

5.3 换热器选型原则 24

5.4 换热器选型 28

5.5 换热器选型结果 35

6 磺化反应器设备设计 35

6.1 概述 35

6.2 设计依据 36

6.3 设计过程 36

6.4 强度校核 38

6.5 反应器设备设计结果 44

结论 45

参考文献 46

致谢 47

1 前言

我国是世界上燃煤大国之一，我国排放的二氧化硫90%来自燃煤。工业二氧化硫排放量走势如图1所示，根据2010-2016统计数据表明，两者相关度达到0.96。

图1工业二氧化硫排放量走势图

近年来虽然我国在燃煤电厂二氧化硫排放与治理方面积累了丰富的经验并取得了突破，但实际工业二氧化硫排放量仍逐年增加（图1）。根据《“十三五”节能减排综合工作方案》的目标，到2020年，全国二氧化硫、氮氧化物排放总量分别控制在1580万吨和1574万吨以内，燃煤电厂含硫废气治理和减排面临前所未有的严峻形势^[1]。

结合当前现状，我国二氧化硫减排目标应从管理和技术等多方面入手，不仅需要我们从源头上减少二氧化硫排放，还需要依靠科技的发展进行脱硫技术的应用。苯磺酸（C₆H₆O₃S），易溶于水和乙醇，微溶于苯，外观为无色针状或叶状结晶。由于苯磺酸与碳酸盐反应慢，因此被广泛用于油田注水，来解除地层的堵塞，提高地层渗透率。苯磺酸还用做酯化和脱水反应的催化剂和铸造工业的固化剂^[2]。

为此，本文结合北仑电厂现状，设计了一套含硫废气的深度脱除及资源化利用方案。依据北仑电厂含硫废气排放量及其他综合因素，确定处理规模为2.3×10⁵ m³/h。利用Aspen Plus软件进行工艺过程模拟、设备选型与设计，利用Aspen Energy Analyzer对全流程的换热网络进行了设计与优化，并对工艺自动控制方案进行设计；使用Cup-Tower软件对相关塔设备进行水力学校核；使用SW6-2011软件对主要工艺设备进行强度核算。

2 脱硫工艺设计

2.1 脱硫工艺方案

工业上相对成熟的脱硫工艺主要有燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫，含硫废气脱除并资源化利用方法则有：发烟硫酸磺化工艺、三氧化硫络合物磺化工艺、液态三氧化硫磺化工艺与气态三氧化硫磺化工艺。现分别予以介绍。

2.1.1 发烟硫酸工艺

发烟硫酸磺化脱硫是三氧化硫溶于浓硫酸的产物（H₂SO₄·xSO₃）磺化脱硫。它的优点是反应可在低温进行、动力学反应速率快、反应稳定、易操作、工艺简单且设备投资少，主要用于制备反应活性较低的多磺酸和芳香化合物磺化物^[3]。其缺点是氧化过程中常生成砜的副产品，且与有机物发生剧烈反应。在反应时还会产生水，导致硫酸浓度下降，当稀释到95%浓度时反应中止，硫酸变废酸。

2.1.2 三氧化硫络合磺化工艺

三氧化硫络合磺化法是将SO₃与一些有机物生成络合物的磺化脱硫。生成的络合物能降低反应活性，抑制副反应。但是由于络合需要一定量的有机物，成本较高，且其催化剂的活性难以保证，工业应用较少。

DMAP（4-二甲氨基吡啶）与2－甲基吡啶复合催化剂的催化作用下以价格低廉易得的DMF（N，N-二甲基甲酰胺）与三氧化硫的络合物为原料生产氨曲南^[4]。反应方程式为：

2.1.3 液态三氧化硫磺化工艺

液态三氧化硫磺化的适用条件是不活泼液态芳烃。磺酸产物在反应温度下必须以液态的形式存在，一般其体系黏度不大。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：20803字