大气课程设计

1 前言

随着人类社会的不断进步、经济的持续发展、生活水平的日益提高以及对自身健康的重视，人们对生存环境越来越关注，对大气环境质量的要求越来越严格，我国从可持续发展的角度考虑，提高了工业卫生的标准，对烟尘排放浓度要求越来越严，排放标准越来越高。要求散发有害气体、粉尘的单位，要积极采用密闭的生产设备和生产工艺，并安装除尘和净化、回收设施。同时还要求除尘设备必须技术先进、性能可靠、去除污染物高效。

目前，我国大部分地区存在大气污染现象，主要的大气污染物有烟尘、NOx、和SO2。火力发电厂燃烧后产生的烟气中包括大量烟尘、NOx、和SO2，大量的烟尘排入大气会导致可见度降低、危害人体健康。二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)是形成酸雨的主要原因。酸雨对农作物、森林和水生物都有严重的危害。当酸雨严重时，将造成农作物减产，树木生长不良和水生物死亡。因此火力发电厂的烟气除尘以及除硫脱氮工作越来越受到人们的重视，很多国家都严格地规定了有害物的排放标准，以达到对人类生存环境的保护。对电厂燃烧时产生的烟尘、SO2和NOx要采取相应技术措施出除，才能满足环保的要求。

1

2 设计正文

一、设计任务

1.1设计题目

某小型燃煤电站锅炉烟气除尘、脱氮除硫处理系统的设计：锅炉型号：FG-35/3.82-M型（35t/h蒸气）； 设计耗煤量：543.5kg/h； 排烟温度；160℃；空气过剩系数:α=1.4； 烟气密度（标态）：1.37kg/m3；室外空气平均温度；4℃； 锅炉出口前烟气阻力：1200Pa； 排烟中飞灰占煤中不可燃成分的比例：18％； 烟气其他性质按空气计算；煤的工业分析：CY=68%；HY=4%；SY=3%；OY=5%；NY=3%；WY=5%；AY=14%；VY=11%；按锅炉大气污染物排放标准（GB13217-2001）中二类区标准执行：标准状态下烟尘浓度排放标准：200mg/m3；标准状态下SO2排放标准：900mg/m3；标准状态下氮氧化物排放标准：400mg/m3。

1.2 设计原始参数

1.2.1 锅炉参数

锅炉型号: FG-45/3.82-M型 额定蒸发量：35t/h

燃煤量：543.5kg/h 排烟温度：160 ℃

1.2.2污染源强相关参数

烟气密度（标准状态）：1.37kg/m3 烟气在锅炉出口的阻力：1200Pa

排烟中飞灰占煤中不可燃成分的比例：18％ 当地大气压：101.325×(273+4)/273=102.81KPa 室外空气温度：4℃ 空气过剩系数：α=1.4

1.2.3煤的工业分析值

C=68%；H=4%；S=3%；O=5%；N=3%；W=5%；A=14%；V=11%

2

1.2.4按锅炉大气污染排放标准（GB13271—2001）中二类区标准执行

烟尘浓度排放标准（标准状况下）：200mg/m3 二氧化硫排放标准（标准状况下）：900mg/m3 氮氧化物排放标准（标准状况下）：400mg/m3

1.3 设计内容

1、计算污染源强、锅炉排烟量等相关参数； 2、选择适当的处理装置；

3、除尘器的比较和选择，确定除尘器类型、型号及规格，并确定主要运行参数； 4、确定装置的位置及管道布置，计算各管段的管径、长度、烟囱高度和出口内径、系统总阻力等；

5、风机及电机的选择设计：根据净化系统所处理烟气量、烟气温度、系统总阻力等计算选择风机种类、型号及电动机的种类、型号和功率；

6、编制工艺流程图和平面布置图；

二．设计方案确定

2.1除尘

2.1.1 旋风除尘器工作原理

旋风除尘器是利用旋转气流所产生的离心力将尘粒从合尘气流中分离出来的除尘装置。它具有结构简单，体积较小，不需特殊的附属设备，造价较低．阻力中等，器内无运动部件，操作维修方便等优点。旋风除尘器一般用于捕集5-15微米以上的颗粒．除尘效率可达80％以上，近年来经改进后的特制旋风除尘器．其除尘效率可达5％以上。旋风除尘器的缺点是捕集微粒小于5微米的效率不高． 旋风除尘器内气流与尘粒的运动概况：

旋转气流的绝大部分沿器壁自圆简体，呈螺旋状由上向下向圆锥体底部运动，形成下降的外旋含尘气流，在强烈旋转过程中所产生的离心力将密度远远大于气体的尘粒甩向器壁，尘粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的动量和自身的重力沿壁面下落进入集灰斗。旋转下降的气流在到达圆锥体底部后．沿除尘器的轴心部位转而向上．形成上升的内旋气流，并由除尘器的排气管排出。自进气口流人的另一小部分气流，则向旋风除尘器顶盖处

3

流动，然后沿排气管外侧向下流动，当达到排气管下端时，即反转向上随上升的中心气流一同从诽气管排出，分散在其中的尘粒也随同被带走。

旋风式除尘器工作过程

如图所示，旋风式除尘器由筒体1、锥体2，进气3、排气管4和排灰口5等组成。当含尘气体由切向进气口进入旋风除尘器时，气流由直线运动变为圆周运动，旋转气流的绝大部分沿除 尘器内壁呈螺旋形向下、朝向锥体流动，通常称此为外旋气流。含尘气体在旋转过程中产生离心力，将相对密度大于气体的粉尘粒子甩向除尘器壁面。粉尘粒子一旦与除尘器壁面接触，便失去径向惯性力而靠向下的动量和重力沿壁面下落，进入排灰管。旋转下降的外旋气流到达锥体时，因圆锥形的收缩而向除尘器中心靠拢。根据旋矩不变原理，其切向速度不断提高，粉尘粒子所受离心力也不断加强。当气流到达锥体下端某一位置时，即以同样的旋转方向从除尘器中部由下反转向上，继续做螺旋形运动，构成内旋气流。最后净化气体经排气管排出，小部分未被捕集的粉尘粒子也随之排出。

图1旋风式除尘器的组成及内部气流

1-筒体；2-锥体；3-进气管；4-排气管；5-排灰口； 6-外旋流；7-内 旋流；8-二 次流；9-回流区

旋风除尘器的主要优点如下：

(1)旋风除尘器内部没有运动部件。维护方便。 (2)制作、管理十分方便。

(3)处理相同风量的情况下体积小，结构简单，价格便宜。 (4)作为预除尘器使用时，可以立式安装，使用方便。 (5)处理大风量时便于多台并联使用，效率阻力不受影响。

(6)可耐400℃高温，如采用特殊的耐高温材料，还可以耐受更高的温度。 (7)除尘器内设耐磨内衬后，可用以净化含高磨蚀性粉尘的烟气。

4

(8)可以干法清灰，有利于回收有价值的粉尘。 但其也有几个缺点，主要如下：

(1)卸灰阀如果漏损会严重影响除尘效率。

(2)磨损严重，特别是处理高浓度或磨损性大的粉尘时，入口处和锥体部位都容易磨坏。 （3）除尘效率不高(对捕集粒径小于5um的微细粉尘和尘粒密度小的粉尘，效率较低)，单独使用有时满足不了含尘气体排放浓度的要求。

(4)由于除尘效率随筒体直径增加而降低，因而单个除尘器的处理风量受到一定限制。

2.2 脱硫脱氮

电子射线辐射法烟气脱硫技术

电子射线辐射法烟气脱硫技术由烟气冷却、加氨、电子束照射、粉体捕集四道工序组成，其工艺流程是温度约为150℃左右的烟气经预除尘后再经冷却塔喷水冷却到60～ 70℃左右，在反应室前端根据烟气中SO2及NOX的浓度调整加入氨的量，然后混合气体在反应器中经电子束照射，排气中的SO2和NOX受电子束强烈作用，在很短时间内被氧化成硫酸和硝酸分子，被与周围的氨反应生成微细的粉粒（硫酸铵和硝酸铵的混合物），粉粒经集尘装置收集后，洁净的气体排入大气。

该工艺能同时脱硫脱硝，具有进一步满足我国对脱硝要求的潜力；系统简单，操作方便，过程易于控制，对烟气成分和烟气量的变化具有较好的适应性和跟踪性；副产品为硫铵和硝铵混合肥，对我国目前硫资源缺乏、每年要进口硫磺制造化肥的现状有一定的吸引力，但在是否存在SO2污染物转移、脱硫后副产物捕集等问题上有待进一步讨论。

电子束法烟气脱硫工艺大致由烟气预除尘、烟气加湿冷却、喷氨、电子束照射、副产品收集、副产品处置六道工序组成。

5

图2电子束烟气处理流程

主要工艺设备有：

1.冷却塔:冷却塔将烟气冷却至适合于电子束反应的温度。

2.反应设备:反应设备由反应器、二次烟气冷却装置、窗箔装置及附着物排出装置组成。反应器的形状应有利于减少电子束接触反应器表面引起的能量损耗,提高电子束的利用率。 3.电子束发生装置:电子束发生装置由发生电子束的直流高压电源、电子加速器及窗箔冷却装置组成。电子在高真空的加速管里通过高电压加速。加速后的电子通过保持高真空的扫描管透射过一次窗箔及二次窗箔(均为30~50μm的金属箔)照射烟气。窗箔冷却装置是向窗箔间喷射空气进行冷却,控制因电子束透过的能量损失引起的窗箔温度的上升。 4.副产品收集设备

5.供氨设备:供氨设备由液氨贮罐、氨气化器及蓄能器组成。贮罐的液氨通过气化器气化,并经蓄能器向反应器供氨。

6.副产品造粒设备:副产品粉末造粒(压缩-打散)后,包装入库。 7.升压风机:处理后的烟气经风机升压后排入烟囱。

三．设计计算

3.1燃煤锅炉排烟量及烟尘和二氧化硫浓度的计算

以1kg煤来计算

6

成分 C H S O N W A V 含量 68% 4% 3% 5% 3% 5% 14% 11% Mol数 56.67 40 0.94 3.125 2.143 需氧量 56.67 10 0.94 1.5625 2.143 烟气量 56.67 20 0.94 0 2.143 3.1.1标准状态下理论空气量

V0 0=56.67+10+0.94-1.5625+2.143=68.19mol/kg=1.53(m 3 /kg) Va 0=4.78x68.19=325.95mol/kg=7.29(m 3 /kg)

3.1.2标准状态下理论烟气量

Vfg 0=56.67+20+0.94+2.143+3.78x68.19+5%x1000?18=340.29mol/kg=7.62(m 3 /kg)

3.1.3标准状态下实际空气烟气量

Vfg =Vfg 0+(α-1)Va 0(m 3 /kg)=7.62+(1.4-1)x7.29=10.54(m 3 /kg) 标准状态下烟气流量V应以m/h计,因此,V?Vfg?设计耗煤量

3m/h)=1.59(m3/s) V?Vfg?设计耗煤量=10.54×543.5=5728.49(

33.1.4烟气含尘浓度

dsh?A(kg/m3) Vfg C? C? 式中

0.18?0.14?2.39?10?3(kg/m3)= 2.39×103（mg/m3）

10.54------排烟中飞灰占煤中不可燃成分的质量分数

dsh A------煤中不可燃成分的含量

Vfg------标准状态下实际烟气量(m/kg)

37

3.1.5标准状态下烟气中二氧化硫浓度的计算

2S?106 Vfg2?0.03?106?5.69?103(mg/m3)

10.54

CSO2?Cso2? 式中S------煤中硫的质量分数

3m/kg) Vfg-----标准状态下燃煤产生的实际烟气量(

3.1.6标准状态下烟气中二氧化氮浓度的计算

CNo2?CNo2?2N?106(mg/m3) Vfg2?0.03?106?5.69?103(mg/m3)

10.54 式中S-----煤中硫的质量分数

3m/kg) Vfg------标准状态下燃煤产生的实际烟气量(

3.2主要构筑设备计算

3.2.1旋风除尘器计算

设计选取XZT-90型旋风除尘器

取入口速度?1?13m/s，处理气体量qv?1.59(m3/s)，T=433K,?P?1.37kg/m

3 涡流指数

n?1?(1?0.67D0.14)(T0.34330.3)?1?(1?0.67?0.90.14)()?0.61 283283 气流在交界面上的切向速度?t0?13?(0.9)0.62m/s?24.92m/s

0.7?0.45 外涡旋气流的平均径向速度?r?qv1.59??0.62m/s

2?r0h02?3.14?0.7?0.225?2.588

局部阻力系数??16A/de?16? 旋风除尘器的压力损失?P?21.59?9.66

13?0.45211??PV12??9.66?1.37?132?1118.29Pa 223.2.2电子射线辐射装置

电子射线辐射法烟气脱硫技术由烟气冷却、加氨、电子束照射、粉体捕集四道工序组成。

脱硫、脱氮反应大致可分为三个过程进行，这三个过程在反应器内相互重叠，相互影响：

a）在辐射场中被加速的电子与分子/离子发生非弹性碰撞，或者发生分子/离子之间的碰撞生成氧化物质和活性基团。烟气中含有O2、H2O、N2、CO2、SO2、NO、NO2等成分，当电子束照射烟气时,在辐射场中被加速的电子与烟气中气体分子如O2及水分子发生非弹性碰撞，生成具有化学反应活性的活性基团或氧化性物质，可表示为： O2、H2O+e*= HO、HO2、HO2· 、H、O2、O2、e O+O2+M=O3+M(M为N2等分子) b)活性基团与气态污染物发生反应。

活性基团或氧化性物质氧化烟气中的SO2生成SO3，可表示为： SO2+*OH=HSO3 SO2+O=SO3 HSO3+·OH=H2SO4 SO2+O2+M=SO4+M SO4+e*=SO3

生成的SO3和高价态氮氧化物与水反应生成H2SO4和HNO3。 c)硫酸铵和硝酸铵的生成。

生成的H2SO4和HNO3与加入的NH3进行中和反应，分别生成硫酸铵和硝酸铵微粒，荷电后被捕集。此外，还可能有尚未反应的SO2和NH3，SO2与NH3反应生成硫酸铵。反应为： H2SO4+2NH3=(NH4)2SO4 HNO3+HN3=NH4NO3

SO2+2NH3+H2O+1/2O2=(NH4)2SO4

经过电子射线辐射处理排放的烟气符合二氧化硫和氮氧化物排放标准。

3.3管道的设计

3.3.1内径的计算

管道内径计算公式：

9

d?18.8Q 式中：Q――体积流量，m3/s

v V――管道内平均流速，m/s； 计算得d=202mm 取d=0.3m

3.3.2压力损失和各管道的数据计算

排烟量5728.49m3/h 风速控制在5～30m/s，设计的管道直径0.3m， 管段①

管道材质选普通钢材，?=0.02流量Q1=1400 m3/h 沿程压力损失

L??2 ?Py???

d2式中L——管道长度，m

d——管道直径，m

?——烟气密度，kg/m3 ?——管中气流平均速率

?——摩擦阻力系数

沿程阻力损失

?Py1?R0Ld300

??Q14001400?4???5.5m/s Aπd23.14?0.32?360040.021.37?5.52?Py1???10?13.81Pa

0.32局部压力损失 ΔP?????22 (Pa)

式中?——异形管件的局部阻力系数可查到 ?——与?相对应的断面平均气流速率,m/s

?——烟气密度, kg/m3

管件局部压力损失系数

10

?=0.12，90°弯头?R/d??1.5，?=0.25，30°直流三通?=0.12

??1?0.12?0.25?0.12?0.49

局部压力损失

1.37?5.52?Pm1???1??0.49??10.15Pa

22管段②

??2??21.37?5.52流量Q2=1400 m/h，?=5.5 m/s，动压= =20.72Pa

223

?Py2?0.02?20.07?5?6.91Pa 0.3集气罩?=0.12, 90°弯头?R/d??1.5,?=0.25, 局部压力损失

??2?0.12?0.25?0.36

?Pm2???2?20.72?0.36?20.72?7.46Pa

管段③

流量Q3=Q1+Q2=2800 m3/h, ??Q28002800?4???11.0m/s Aπd23.14?0.32?360041.37?11.02??82.88Pa 动压22 沿程阻力?Py3???20.02?82.88?10?55.25Pa 0.3 30°直流三通?=0.12 局部压力损失

?Pm3???3?82.88?0.12?82.88?9.94Pa

管段④、⑥、⑧与管段②相同 管段⑤

11

Q5=Q3+Q4=4200 m3/h，??Q42004200?4???16.51m/s 22Aπd3.14?0.3?360041.37?16.512??186.72Pa 动压22沿程阻力?Py5???20.02?186.72?10?124.48Pa 0.3?=0.12

局部压力损失

?Pm5???5?186.72?0.12?186.72?22.41Pa

管段⑦

Q7=Q5+Q6=5600 m3/h ??Q56005600?4???22.02m/s 22Aπd3.14?0.3?360041.37?22.022??332.14Pa 动压22沿程阻力

??2?Py7?0.02?332.14?10?221.43Pa 0.3?=0.12

局部压力损失?Pm7?并联管路压力平衡

??7?332.14?0.12?332.14?39.86Pa

?P??Py??Pm

?P1??Py1??Pm1?13.81?10.51?23.96Pa ?P2??Py2??Pm2?6.91?7.46?14.37Pa

?P3??Py3??Pm3?55.25?9.94?65.19Pa ?P4??P6??P8??P2?14.37Pa

?P5??Py5??Pm5?124.48?22.41?146.89Pa

12

?P7??Py7??Pm7?221.43?39.86?261.29Pa

2、2的压力平衡就可以了，由于管段○④、⑥情况相同，且和管段①并联，只要算管段①和○

?P23.96?14.371??P2??40.02%?10%

?P23.961故节点压力不平衡，采用调整管径方法，进行压力平衡调节

??P?d2??d1?1???P2?压力损失

0.225?23.96??0.3???336mm

14.37???P??P1??P2??P3??P4??P5??P6??P7

?23.96?14.37?65.19?14.37?146.89?261.29=526.07Pa

3.4风机和电机的选择

通风机的风量计算公式：

3 Q风=Q*（1+K1） （m/h）

3式中：Q——管道计算的总风量，m/h

K1――考虑系统漏风所附加的安全系数。一般除尘管道取0.1～0.15，此次计算取0.15。

3 Q风=1384.6×(1+0.15)=1592.29 m/h

选择通风机的风压计算公式：

?P0=(1+K2) ×ΔP×ρ0/ρ=(1+K2) ×ΔP×(TP0/T0/P)

式中：?P――管道计算的总压力损失，Pa；

K2――考虑管道计算误差及系统漏风等因素所采用的安全系数，一般管道取0.1～0.15除尘管道取0.15～0.2，本次计算取0.15。

?P0=(1+0.15) ×3621.30×(160×101.3/20×101.3)

=33315.96 Pa

ρ0、P0、T0——通风机性能表中给出的标定状态的空气密度、压力、温度。

一般来说， P0=101.3 kPa，对于通风机 t0=20 0C，ρ0=1.2kg/m3,对于引风机 t0=200 0C，ρ0=0.745kg/m3。

由Q风、Δp0查通风机样本，选取No 10风机，转速为1450 r/min，流量为39587~60736 m3/h-1 ,全压1869~3160 Pa，电机型号为Y250M-4,电动机功率为45 kw。

13

3.5 工艺流程简图

3.6旋风除尘器三视图

14

3 小结

当今人类社会关于可持续发展的新思想，就是从环境与自然资源角度提出的关于人类长期发展的战略与模式。我国是一个实施可持续发展战略的大国，经济与环境保护必须协调地、持续地发展，这样便给保护环境，治理污染提出了更高的要求。在工业生产过程中，许多生产设备在运行中不可避免的要排出大量含尘气体，如燃煤电站的锅炉、钢铁行业中的炼铁炉以及水泥、陶瓷厂的窑炉等总是要排出大量的含尘烟气。若不及时回收，它将随着废气一同排出，必然对大气造成污染，危害人体的舒适、健康和福利，危害环境，影响农作物的正常生长。

因此开发具有高效、节能、性能可靠、价廉耐用的装置设备是我们共同致力的目标。

15

4 参考文献

[1] 郝吉明 马广大主编的《大气污染控制工程》，高等教育出版社； [2] 赵永辉 火力发电厂输燥系统静电除尘设计、运行管理八点浅见； [3] 朱文心 《火电厂除硫脱氮技术发展概况》中国电力 1997年第11期； [4] 袁文献 《SO2对大气的污染及防治》 水泥科技 2004.N0.1； [5] 鹿政理主编的《环境保护设备选用手册》，化学工业出版社。

16

5 致谢词

首先我要感谢老师给予我课程设计上的指导，让我的设计任务能圆满完成。通过此次对某燃煤电站锅炉烟气除尘脱氮除硫系统的设计，在消化的同时加固了对专业课程所学的内容，在设计过程中清楚地了解到整个系统流程及其各组成部分所起的作用，在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己对专业知识更加深入的认识，为自己日后的工作明确了方向。

其次，在设计任务中帮助我的同学们，他们提供了指导和建议，解决了不少我不太明白的设计上的难题，通过本次设计充分运用了CAD的知识，让我的设计能够不断地完善，但从本次设计中让我体会到了一些专业知识的不足之处，有些除尘器运用起来并不是很熟练，仅能通过查阅资料来完成，相信通过本次实训，在以后的实践或设计中能够对除尘器进一步的运用并做出符合要求设计。

最后再一次感谢所有在设计中帮助过我的良师益友和同学们。

.

17

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hmrx.html