燃煤采暖锅炉房烟气除尘系统设计.docx

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燃煤采暖锅炉房烟气除尘系统设计

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《大气污染控制工程》课程设计

题目：

燃煤采暖锅炉房烟气除尘系统设计

院系：

环境与安全工程学院

专业：

环境科学

班级：

学生姓名：

指导教师：

2012年8月31日

前言1

1.设计目的及意义2

2.设计依据2

设计任务书2

原始资料2

3.除尘器3

概述3

除尘器的工作原理及特点4

除尘器的工作原理4

旋风除尘器的结构及特点5

影响旋风除尘器性能的主要因素6

几何尺寸因素6

操作条件因素8

固体粉尘的物理性质因素9

常用除尘器的性能9

■

4.设计方案10

烟气量、烟尘和二氧化硫浓度的计算10

标准状态下理论空气量10

标准状态下理论烟气量10

标准状态下实际烟气量10

标准状态下烟气含尘浓度11

标准状态下烟气中二氧化硫浓度的计算11

.除尘器的选择11

除尘效率11

除尘器的选择12

5.确定除尘器、风机和烟囱的位置及管道的布置14

各装置及管道布置的原则14

管径的确定14

烟道的设计计算15

6.烟囱的设计16

烟囱高度的确定16

烟囱直径的计算16

烟囱的抽力17

7.系统阻力的计算18

摩擦压力损失18

局部阻力损失19

除尘器进气管的计算19

总的阻力损失21

8.系统中烟气温度的变化21

烟气在管道中的温度降22

烟气在烟囱中的温度降23

9.风机和电动机选择及计算23

标准状态下风机风量的计算23

风机风压的计算24

电动机功率的计算24

风机和电机的选择25

十・小结25

参考文献26

按照国际标准化组织（ISO）作出的定义，“空气污染：

通常系指由于人类活动和自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。

”大气污染物的种类非常多，根据其存在状态，可将其概括为两大类：

气蓉胶状态污染物和气体状态污染物。

随着工业的发展，能源的消耗量逐步上升，大气的污染物的排放量相应增加。

就现在我国的经济和技术发展水平级能源的结构来看，一煤炭为主要能源的状况在人的生存每时每刻都离不开空气，大气质量与人类生存环境息息相关，所以对大气的修复比较困难。

虽然人们在大气环境整治方面坐了大量的工作，但目前的空气质量仍然不尽人意，因此防止污染、改善空气环境成为当今迫切的环境任务。

燃煤锅炉排放的二氧化硫严重地污染了我们赖以生存的环境。

我国的大气是以煤烟型污染为主，其中尘与酸雨危害最大。

因此，净化燃煤烟气中的粉尘和二氧化硫是我过改善大气空气质量、减少酸雨的关键问题。

粉尘的危害：

粉尘的危害，不仅取决于它的暴露浓度，还在很大程度上取决于它的组成成分、，理化性质、粒径和生物活性等。

粉尘的成分和理化性质是对人体危害的主要因素。

有毒的金属粉尘和非金属粉尘（裕、镭、镐、铅、汞、碑等）进入人体后，会引起中毒以至死亡。

无毒性粉尘对人体亦有危害。

例如含有游离二氧化硅的粉尘吸，入人体后，在肺内沉积，能引起纤维性病变，使肺组织际渐硬化，严重损害呼吸功能，发生“矽肺”病。

二氧化硫的危害：

二氧化硫为一种无色的中等强度刺激性气体。

在低浓皮下，二氧化硫主要影响是造成呼吸道管腔缩小，最初呼吸加快，每次呼吸曼减少。

浓度较高时，喉头感觉异常，并出现咳嗽、喷嚏、咯痰、声哑、胸痛、呼吸困难、呼吸道红肿等症状，造成支气管炎、哮喘病，严重的可以引起肺气肿，甚至致人于死亡。

大气控制的综合措施主要包括：

严格的环境管理；以环境规划为中心，实行综合防治；制大气污染的技术政策；控制环境污染的经济政策；高烟囱扩散；绿化造林；安装废气净化装置；加强环境科学研究，检测和教育。

1.设计目的及意义

通过课程设计进一步消化和巩固本课程所学的內容，并使所学的知识系统化，培养运用所学理论知识进行净化系统设计的初步能力。

通过设计，了解工程设计的内容、方法及步骤，培养学生确定大气污染控制系统的设计方案、进行设计计算、绘制工程图、使用技术资料、查阅有关设计手册、编写设计说明书的能力。

通过查阅资料，了解烟气的危害与防治在研习设计资料的基础上，提出对烟气采用何种控制方式；根据烟气量，密度，以及要达到的排烟浓度等因素，进行除尘器的设计与选择；合理地进行风机和电机的选择。

2.设计依据

设计任务书

燃煤锅炉燃烧过程排放的烟气中含有大量的烟尘和二氧化硫，如不采取有效的治理措施，将会对周围大气环境及居民健康造成严重影响与危害。

因此，本设计结合燃煤锅炉烟气排放特点，根据所提供的原始参数及资料，拟设计一套燃煤采暖炉房烟气除尘系统。

要求设计的净化系统效果好、操作方便、投资省，且出口烟气浓度达到锅炉大气污染物排放标准（GB13271-2001）中二类区标准，即：

烟尘排放浓度W200mg/Nm\SO2排放浓度＜900mg/Nm\

原始资料

锅炉型号:

SZL4-13型，共4台（X4）

排烟温度：

160£

烟气密度（标准状态下）：

空气过剩系数：

排烟中飞灰占煤中不可燃成份的比例：

16%

烟气在锅炉出口前阻力：

800Pa

当地大气压力：

冬季室外空气温度：

-rc

空气含水（标准状态下）：

按代

烟气其他性质按空气计算

煤的工业分析值：

设计耗煤量：

500kg/h（台）

C.-=%H.,r=%Sar=%0;,.-=5%

Nar=%Wnr=%A..-=%Var=%

按锅炉大气污染物标准（GB13271-2001）中二类区标准执行。

烟尘浓度排放标准（标准状态下）：

200mg/m3

二氧化硫排放标准（标准状态下）：

900mg/m3

净化系统布置场地如图1所示的锅炉房北侧15m以內。

3.除尘器

概述

工业除尘所涉及的多相混合物称为气相悬浮系或气溶胶。

分散于其中的细小颗粒叫做尘粒或微粒，而尘粒的堆集状态叫做粉体。

在工程设计中为了正确地设计和选择除尘设备，必须掌握粉尘的主要物理和化学性质，用于描述粉尘性质的参数有：

粒径与分散度、密度与堆积密度、凝聚性、湿润性、荷电与导电性、自然堆积角、爆炸性。

在日常工业上用于粉尘颗粒物分离的设备主要有：

重力沉降式除尘器、惯性除尘器、电除尘器、湿式除尘器、过滤式除尘黠、族风除尘器，简述如下：

（1）重力除尘器重力除尘器是使含尘气体中的粉尘借助重力作用自然沉降来达到净化气体的装置。

它的沉降速度太小，仅为离心沉降速度的几十分之一。

实际应用中，结构简单，阻力小、但体积大、除尘效率低、设备维修周期长。

（2）惯性除尘器这是一种利用粉尘在运动中惯性力大于气体惯性力的作用，将粉尘从含尘气体中分离出来的除尘设备。

这种除尘器结构简单，阻力较小，但除尘效率较低，一般应用于一级除尘。

（3）电除尘器电除尘器中的含尘气体在通过髙压电场电离时，尘粒荷

电并在电场力作用下，尘粒沉积于电极上，从而使尘粒与含尘气体相分离的一种除尘设备。

它能有效地回收气体中的粉尘，以净化气体。

各种电除尘器由于具有效率高、阻力低、能适用于高温和除去细微粉尘等优点，获得了比其他除尘器更

快的发展，但投资大。

关于减少电除尘器的耗电量，运用空调技术使高电阻含尘气体也能获得很好效果，使除尘器操作处于最佳条件和提高除尘效率等问题正在开展研究。

（4）湿式除尘器这种除尘器是使含尘气体与水或其它液体相接触，利用水滴和尘粒的惯性碰撞及其它作用而把尘粒从气流中分离出来。

湿式除尘器以水为媒介物，因此它适用于非纤维性的、能受冷且与水不发生化学反应的含尘气体，不适用于除去黏性粉尘。

湿式除尘器具有投资低，操作简单，占地面积小，能同时进行有害气体的净化、含尘气体的冷却和加湿等优点。

特别适用于处理高温度高湿度和有爆炸性危险气体的净化，但由于采用了水为净化物，会带来了二次污染。

（5）袋式除尘器主要依靠编织的或毡织的虑布作为过滤材料来达到分离含尘气体中粉尘的目的，由于粉尘通过滤布时产生的筛分、惯性、黏附、扩散和静电作用而被捕集分离。

袋式除尘器适应性比较强，不受粉尘比电阻的影响，也不存在水的污染问题。

在选取适当的助滤剂条件下，能同时脱除气体中的固、气两相污染物。

但其存在过滤速度低、压降大、占地面积大、换袋麻烦等缺点。

（6）旋风除尘器旅风除尘器是利用旅转的含尘气体产生的惯性离心力，将粉尘从气流中分离出来的一种干式气一固分离装置。

这种除尘器主要优点：

结构简单，本身无运动部件，不需要特殊的附属设备，占地面积小；操作、维护简便，压力损失中等，动力消耗不大，运转、维护费用较低；操作弹性较大，性能稳定，不受含尘气体的浓度、温度限制，对于粉尘的物理性质无特殊要求。

目前，旋风除尘器广泛应用于化工、石油、冶金、建筑、矿山、机械。

轻纺等工业部门。

症风除尘器具有自身的优点，但相对于袋式除尘器、湿式除尘器、电除尘器，旋风除尘器对于捕集分离5um以下的粉尘颗粒收集效率不高，其它性能指标一定程度上都优于上述除尘器。

根据当前我国工业发展的情况，材料供应和动力供应情况：

是不允许抛弃旅风除尘器，而全部使用昂贵材料多、运转费用髙、耗电量髙的文氏管除尘器、袋式除尘器、电力除尘器，这就决定了干式旋风除尘器在环境保护或工业除尘中存在很大的需求量。

此外，随着除尘器应用场合特殊化（如高温高压的工况条件下）、结构微型化（如可吸入颗粒物的采样、汽车进气的预处理）的发展，在奠定旋风除尘器特殊地位的同时，对其也提出了更高的性能要求。

除尘器的工作原理及特点

除尘器的工作原理

根据图3.1所示，症风除尘器工作原理可以叙述如下：

含尘气体从进气口以较高的速度沿圆简切线方向进入，气流由直线运动变为圆周运动，并向上、向下流动,向上的气流被顶盖阻挡返回，向下的气流在简体部分和锥体部分作自上而下的螺旋运动（称为外旋流）。

含尘气体在旋转过程中产生离心加速度，由于尘粒产生的离心力比空气黏性阻力大很多倍，使尘粒产生径向远离旋转中心的运动，因此将尘粒甩向器壁,尘粒一但与器壁接触便与气体相分离沿器壁经锥体排入集灰箱内。

旋转下降的外旋气流在圆锥部分运动时随圆锥形收缩而向除尘器中心靠拢，当气流到达锥体下端某一位置时，便以同样的族转方向在除尘器中部形成一股作自下而上的螺族运动气流（称为内旌流），并经排气管外排出，部分未捕集的粉尘颗粒也随气流而排入大气中。

旋风除尘器的除尘机理和结构一般族风除尘器的结构如图所示。

图3-1.錠风|余尘:

絆

3•—排抚締—闘琏体8—園1SJ申

4—进r徐6—須左眾百6—m盖

图3.1—般旋风除尘器结构示意图

旋风除尘器的结构及特点

旋风除尘器也称作旋风分离器，是利用器内旋转的寒陽气体所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出来的一种干式气固分离装置。

它主要由排灰管、圆锥体、圆柱体、进气管、排气管以及顶盖组成。

旋风除尘黠具有以下特点：

（1）.结构简单，器身无运动部件，不需要特殊的附属设备，占地面积小，制造,安装投资较少。

（2）操作维护简便，压力损失中等，动力消耗不大，运转，维护费用较低。

（3）操作弹性较大，性能稳定，不受含尘气体的浓度，温度限制。

对于粉尘的物理性质无特殊的要求同时可根据化工生产的不同要求，选用不同的材料制作或内衬不同的耐磨，耐热的材料，以提高使用寿命。

旋风除尘黠一般用于捕集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旅风除尘器，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。

CLT/A型旋风除尘器主要由旋风筒体、集灰斗、蜗壳（或集风帽）组成，有两种出风方式：

X型（水平出风）一般用于负压操作；Y型（上部出风）一般用于正或负压操作。

CLT/A型旋风除尘器为基本型旋风除尘器，属螺旋型旋风除尘器。

其顶盖板做成下倾15。

的螺旋切线形，含尘气体进入除尘器后，沿倾斜顶盖的方向做下旋流动，而不致形成上灰环，可消除引入气流向上流动而形成的小旋涡气流，减少动能消耗，提高除尘效率。

它的另一个特点是筒体细长和锥体较长，而且锥体锥角较小，能提高除尘效率，但压力损失也较高。

所以，旋风除尘器广泛用于工业炉窑烟气除尘和工厂通风除尘，工业气力输送系统气固两相分离与物料气力烘干回收等。

影响旋风除尘器性能的主要因素

几何尺寸因素

（1）旋风除尘器的直径Dn

一般族风除尘器的直径越小，气流旋转半径越小，粉尘颗粒所受离心力越大，旋风除尘•器的除尘效率也就越高。

但过小的筒体直径，由于旋风除尘器器壁与排气管太近，造成较大直径颗粒有可能反弹至中心气流而被带走；使除尘效率降低。

另外，简体太小容易引起堵塞，尤其是对于黏性物料。

因此，一般简体直径不宜小于50〜75mm,工程上常用的旋风除尘黠的直径〜般是在200ram以上。

如今，旋风除尘器的直径也日趋大型化，已出现大于1000mm的大型族风除尘器。

（2）旋风除尘•器高度H

通常，较高除尘效率的旋风除尘器，都有较大的长度比例。

它不但使进入简体的尘粒停留时间增长，有利于颗粒分离，且能使尚未到达排气管中的颗粒，有更多的机会从旋流中分离出来，减少二次夹带。

足够长的旋风除尘器，还可以避免族转气流对灰斗顶部的磨损。

但是过长的旋风除尘器，会占据较大的空间，尤其对于内置放风除尘器来说，更受到设备内部空间的限制，因此，提出了族风除尘器自然长度f这一概念，即从排气管下端至症风除尘黠自然族转顶端的距离。

在设计中，旋风除尘器的高度H,应保证有足够的自然长度，但大于自然长度的过长旋风除尘器显然是不经济的。

（3）症风除尘器进口

进口形式

症风除尘黠的进口形式主要有轴向进口和切向进口两种。

切向进口为最普通的一种进口形式，制造简单，用得比较多，采用这种进口有利于气流向下做倾斜的螺旋运动，同时也可以避免相邻两螺旋气流的相互干扰。

渐开线进口可以减少进口气流对简体内气流的撞击和干扰，与其它进口形式相比蜗壳形进口处理气流量大，压力损失小，是比较理想的一种进口形式。

轴向进口是最好的进口型式，它可以最大限度地避免进入气体与族转气流之间的干扰，但因气体均匀分布于进口截面，使靠近中心处的颗粒分离效果很差。

进口的位置有两种方式：

一种与旋风除尘器的顶盖相平，这有利于消除上旋流;另一种与顶盖有一段距离，这可使细粉尘聚集在顶盖下面的上旋流中，这就增加了气流短路的机会。

（4）排气管

排气管有两种形式。

在相同的排气管直径下，下端采用收缩形式，既不影响除尘效率，又可降低阻力损失。

所以，在设计分离较细粉尘的旋风除尘器时，可考虑设计成这种形式的排气管。

一定范围內，排气管直径越小，则旋风除尘器的除尘效率越高，压力损失也越大，反之，除尘器的效率越低，压力损失也越小。

（5）灰斗

灰斗是族风除尘器设计中最容易被忽略的部分。

一般都把它仅看作是排除粉尘的装置。

在实际应用中，除尘器锥底处气流非常接近高湍流，而粉尘也正是由此排出，因此，二次扬尘的机会也就更多。

此外，旋流核心为负压，如果设计不当，造成灰斗漏气，就会使粉尘二次飞扬加剧，严重影响除尘器效率。

操作条件因素

（1）进口气速V

在一定范围内，进口气速越高，除尘效率越高。

但气速过高，粉尘微粒与器壁的摩擦加剧，粗颗粒粉碎，使细粉尘含量增加。

此外，过高的气速，对具有凝聚性质的粉尘也会起分散作用，这些对颗粒分离是不利的。

气体通过旅风除尘器的压力损失和气体的进口速度的平方成正比，所以，进口气速过大虽然除尘效率稍有提高，但压力损失却急剧上升。

其次，进曰气速过大，也会加速旋风除尘器本身的磨损，降低族风除尘•器的使用寿命。

（2）气体的密度P、黏度u、压力P、温度T

气体的密度对除尘效率的影响可以在临界粒径计算公式中得以体现，即气体密度越大，临界粒径越大，故除尘效率下降。

但是，气体的密度和固体密度相比，特别使在低压下几乎可以忽略，所以，其对分离效率得影响较之固体密度来说，可以忽略不计。

通常温度越高，旋风除尘器压力损失越小：

气体密度增加，压力损失也增加。

黏度的影响在计算压力损失时常忽略不计，但从临界粒径得计算公式中知道，临界粒径与黏度得平方根成正比，所以分离效率随着气体得黏度得增加而降低。

由于温度升高,气体黏度增加，当进口气速等条件保持不变时，温度升高除尘效率略有下降。

（3）气体含尘浓度

旗风除尘器的除尘效率，随着粉尘浓度的增加而提髙。

这是因为含尘浓度大时，粉尘的凝聚性能提高，使较小的尘粒凝聚在一起而被捕集。

另外，在含尘浓度增大时,大颗粒对小颗粒的撞击也使小颗粒有可能被捕集。

但值得注意的是，含尘浓度增加后除尘效率虽有提高，可是排出气流的含尘绝对量也会大大增加。

粉尘浓度对旋风除尘器的压力损失有影响。

实践证明旋风除尘器处理含尘气体的压力损失要比处理清洁空气时小，当进口浓度为1〜2g/n?

（标）时，压力损失可以降低到近清洁气体的60%；浓度增大到2〜50g/nf（标）时，压力损失又迅速下降。

固体粉尘的物理性质因素

（1）固体颗粒直径d对旋风除尘器性能影响

较大粒径的颗粒在族风除尘器中会产生较大的离心力，有利于分离，所以，在粉尘筛分组成中，大颗粒所占有的百分数越大，总分离效率越高。

（2）颗粒密度对族风除尘器性能的影响

粉尘单颗粒密度成对分离效率有着重要影响。

临界粒径计算式中dc50或dclOO和颗粒密度的平方根成反比，密度越大，dc50或dclOO越小，颗粒分离效率越高。

影响族风除尘器性能的因素，除上述外，分离器内壁粗糙度也会影响族风除尘器的性能。

浓缩在壁面附近的粉尘颗粒，可因粗糙的表面引起局部涡流，使一些粉尘微粒被抛入上升的气流，进入排气管，降低了除尘效率。

旋风除尘器轴心处具有很髙的负压，所以此处的泄漏程度对除尘效率有着一定的影响。

在旋风除尘器设计时，应考虑排灰口的密封。

另外，气体的湿度过大将会引起粉尘黏壁，甚至堵塞，以致大大的降低旅风除尘器的性能。

常用除尘器的性能

常用除尘器的除尘性爺和适用条件

适用范圉不同粒径除尘敷率％

型式

B余尘i殳备类型

紛尘粒径

紛尘浓度

温度"C

阻力

g/m3

urn

重力晾尘器

>15

>10

<400

200-1000

惯性除尘器

>20

>100

<400

200-1200

強凤除尘器

>100

<400

400-2000

干式

电瞧尘器

>0.05

<300

200-300

>99

振打瘠坝

/li_HjA1|\

>99

羿脉冲君坂

>0.1

3-10

<300

800-2000

100

>99

100

>99

自數式燥尘器

<100

<400

100

喷零除尘器

100-0.05

<100

<400

100

文氏管餘尘器

<100

<800

<100

100

>99

湿式电绘尘器

>0.05

<100

<400

<100

>98

4.设计方案

烟气量、烟尘和二氧化硫浓度的计算

标准状态下理论空气量

=（1.866vvc+5.556+0.699叫一0.7叫）/0.21

=（1.866x58.2%+5.556x4.36%+0.699xl.2%-0.7x5.0%）/0.21

=nr/kg

标准状态下理论烟气量

吟=1.866vvc+11.11+1.24（+叭.）+0.699w5+0.79匕+0.8vvv

=1.866x58.2%4-l.lllx4.36%+1.24x（6.20x0.01293+5.2%）

+0.699x1.2%+0.79x6.20+0.8x1.12%

=nr/kg

标准状态下实际烟气量

Vf=V^+（a-DVf+1.24（

=6.21+（1.4-1）x6.2+1.24x（1.4-1）x6.2x0.01293

=8.73m3/kg

由设计原始资料可知，设计耗煤量为500kg/h（台）所以，标准状态下的排烟

量为Q=Vfx设计耗煤量即Q=8.73x500=4366.7m3//i（台）

标准状态下烟气含尘浓度

。

=如如（灯/龙）

式中〃必一排灰中飞灰占煤中不可燃成分的质量分数;

儿,一煤中不可燃成分的含量；

匕一标准状态下实际烟气量,m3/kg0

标准状态下烟气中二氧化硫浓度的计算

除尘器的选择

除尘效率

式中C—标准状态下烟气含尘浓度,mg/m3；

除尘器的选择

工况下烟气量0=竽（加3/力）

式中0—标准状态下的烟气流量，卅/h；

厂一工况下烟气温度，K；

T—标准状态下温度，273Ko

Q=4366.7x；；3+160）=6925.94=1.924（m3/s）

根据〃、0查手册后选用XP-800型旁路式旋风除尘器，。

该除尘器主要适用于清除非粘固灰尘、煤炭、泥沙、烟尘及其它粉尘等。

其性能和尺寸分别见表4-1、4-2。

表4-1XP-800旁路式除尘器性能

型号规格

进口风速

m2Is

处理风量

m3!

阻力

效率

外形尺寸（直径X高）mm

重量kg

XP-800

14~22

5950~9350

800~2160

6800X3450

325

表4-2XP-800旁路式旋风除尘器的尺寸

型号

质量

/kg

XP-

800

894

400

3448

1064

2280

510

232

640

200

180

图4-1XP型旁路式旋风除尘器

5.确定除尘器、风机和烟囱的位置及管道的布置

各装置及管道布置的原则

根据锅炉运行情况和锅炉房现场实际情况确定各装置的位置。

一旦确定了各装置的位置，管道的布置也就基本可以确定了。

对各装置及管道的布置应力求简单，紧凑,管路短，占地面积小，并使安装、操作和检修方便。

管径的确定

式中0—工况下管道内的烟气流量，心S；

烟气流速，m/s（对于锅炉烟尘V=1O-15m/s）o

取v=12m/s,

圆取整d二450mm

查管径手册相关参数，取标准d=450mm,管道参数见下表3-1

表5-1管道参数

外径D/mm

钢制板风管

外径允许偏差/mm

壁厚/mm

450

二1

内径==450-2X=（mm）

由公式〃=曙可计算出实际烟气流速

404x1.924—、

v=r=r=12・185{m/s）

nd13.14x0.44852

式中Q工况下管内烟气流量，m7s；

v烟气流速，m/s（可查有关手册确定，对于锅炉烟尘v=10〜15m/s）0

管径计算出来后，要进行圆整（查手册），再用圆整后的管径计算出实际烟气流速。

实际烟气流速要符合要求。

烟道的设计计算

烟道采用拱形，图形如下图5-1所示:

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