一台35th锅炉计算知识讲解.docx
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一台35th锅炉计算知识讲解
一台35th锅炉计算
第一章项目概况
本工程设工业锅炉房一座，设计选用P=2.45MPa，蒸发量为35t/h的循环流化床锅炉饱和蒸汽锅炉三台。
烟囱高度80米。
平均汽量时按两台锅炉运行，最大汽量三台锅炉同时运行，可满足冶炼工艺生产需要。
锅炉房按年运行3个月考虑。
锅炉燃料采用格尔木附近热值为20934～23027kJ/kg烟煤或无烟煤。
第二章工程设计
2.1设计原则
（1）符合国家环境保护法律、法规和标准要求。
（2）采用成熟可靠、技术先进的工艺，在保证处理效率的前提下，尽可能减少投资，降低成本。
（3）脱硫脱硝工程的设计结合现场条件，力求使工艺流程和设备布置紧凑、合理，且不影响已建项目的正常使用。
（4）脱硫后净烟气不加热，烟气尾气温度≥60-70ºC。
（5）脱硫吸收剂制浆方式采用外购石灰粉制成浆液。
（6）脱硝产生的废水不能直接排放，通过污水处理站处理达标后排放。
（7）采取必要的措施确保脱硫脱硝系统不影响锅炉的正常运行。
（8）在设备及管道运行中溢流、冲洗和清扫过程中产生的废水应收集在废水坑（箱）内，然后送至污水处理站处理，废水不得直接排放。
2.2设计范围
（1）脱硫脱硝剂制备系统包括从脱硫脱硝剂运输到厂后储存、制备、输送到脱硫脱硝系统等全套主辅设备。
（2）脱硫脱硝系统除尘器出口烟道到烟囱之间脱硫脱硝主辅设备。
（3）脱硫副产品处理系统处理脱硫灰渣副产品的主辅设备。
2.3设计参数
表2-1锅炉设计参数表
序号
项目
参数
序号
项目
参数
1
锅炉型号
循环流化床饱和蒸汽锅炉
5
额定工作压力
2.45MPa
2
额定蒸发量
35t/h
6
额定蒸汽温度（ºC）
255
3
设计热效率（%）
87
7
烟囱高度（m）
80
4
烟气温度（℃）
145
8
过剩空气系数
1.65
2.4设计标准
设计标准以《铅、锌工业污染物排放标准》（GB25466-2010）为依据，执行特别排放限值。
见下表：
《铅、锌工业污染物排放标准》（GB25466-2010）大气污染物特别排放限值
单位：
mg/m3
序号
污染物项目
适用范围
限值
污染物排放监控位置
1
颗粒物
所有
10
车间或生产设施排气筒
2
二氧化硫
所有
100
3
氮氧化物（以NO2计）
所有
100
4
硫酸雾
制酸
20
5
铅及其化合物
熔炼
2
6
汞及其化合物
烧结、熔炼
0.05
2.5设计指标
该型锅炉按Ⅱ类烟煤进行设计,燃料的挥发份应>25%,燃料颗粒度要求最好燃用分选过或含碎屑较少的煤，燃料颗粒度一般在6-25mm，小于6毫米的不宜超过30%，最大的粒度不应大于30毫米。
第三章设计依据
3.1生产情况
此染料厂的工业锅炉参数是3×35t/h锅炉耗煤量13.8t/h，天工作时间24h。
煤及石灰石耗量表
耗煤量
容量
小时用量（t/h）
日用量（t/d）
年用量（t/a）
煤
石灰石
煤
石灰石
煤
石灰石
3×35t/h
13.8
1.04
331.2
24.8
33120
2480
3.2相关技术标准
本工程烟气脱硫系统所有设备、工具、配件的设计、制造、采购、施工、试验和材料原则上满足中国国家标准（GB系列）和电力行业标准（DL系列）及其它行业最新标准的要求。
（1）《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2014）
（2）《火力发电厂设计技术规程》DL5000-2000
（3）《火电厂烟气排放连续监测技术规范》HJ/T75-2001
（4）《工业炉窑大气污染物排放标准》GB9078-1996
（5）《污水综合排放标准》GB8978-1996
（6）《工业企业厂界噪声标准》GB12348-2008
（7）《电气装置安装工程施工及验收规范》GBJ232-82；
（8）《电力建设施工及验收技术规范》
（9）《工业锅炉及炉窑湿法烟气脱硫工程技术规范》HJ462—2009
（10）HJ/T75火电厂烟气排放连续监测技术规范。
（11）DL/T5196火力发电厂烟气脱硫设计技术规程，规范。
3.3废气成分
工业锅炉废气污染物主要包括锅炉烟气中的烟尘、二氧化硫、含氮氧化物、一氧化碳以及烟气黑度。
这些污染物主要来自锅炉燃烧煤炭、燃油和燃气过程中的排放。
对大气污染影响最为突出的就是烟尘、二氧化硫以及NOx。
3.4废气性质
工业锅炉中燃烧后产生的氮氧化物（NOx）是一种毒性很大的黄烟，燃烧产生的氮氧化物包括多种化合物，如一氧化二氮（N2O）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、三氧化二氮（N2O3）、四氧化二氮（N2O4）和五氧化二氮（N2O5）等。
氮氧化物很不稳定，遇光、湿或热变成二氧化氮以及一氧化氮，一氧化氮又变成二氧化氮，若不经过治理通过烟囱排放到大气中，就会形成触目的棕（红）黄色烟雾，俗称“黄龙”，所以在众多废气治理中NOx难度最大，是污染大气的元凶。
如果得不到有效控制不仅对操作人员的身体健康与厂区环境危害极大，而且随风飘逸扩散，对周边居民生活与生态环境造成公害。
锅炉燃烧产生的二氧化硫也是大气污染的主要污染物之一，二氧化硫（SO2）是无色透明的气体，有刺激性臭味。
溶于水、乙醇和乙醚，在业态的情况下，二氧化硫比较稳定不活泼。
气态的二氧化硫加热到2000ºC不分解，不燃烧，与空气也不会组成爆炸性混合物，在火山爆发时也会喷出该气体，二氧化硫溶于水，会形成亚硫酸（酸雨的主要成分），若亚硫酸进一步被氧化，在催化剂的存在下，便会迅速高效生成硫酸。
3.5废气排放量
3.5.1燃煤量计算
已知3×35t/h锅炉的耗煤量为：
13.8t/h，锅炉年耗煤量：
33120t/a。
则每台35t/h锅炉耗煤量为：
13.8/3=4.6t/h。
3.5.2烟气量的计算
1、以1kg煤燃烧为基础，即
燃料成分名称
可燃成分含量（﹪）
可燃成分的物质的量/mol
理论需氧量/mol
C
49.69
41.408
41.408
H
3.2
16
8
O
4.86
1.519
-1.519
S
0.78
0.244
0.244
N
0.91
0.325
-
水分
16.30
-
-
灰分
25
-
-
（1）理论需氧量
41.408+8-1.519+0.244=48.133mol
（2）理论空气量Va0
干空气中N:
O=3.78:
1，
则理论空气量Va0=48.133*4.78=230.076mol/kg
230.076*22.4/1000=5.154m3/kg
（3）理论烟气量Vfg0
已知CO2的物质的量为41.408mol，SO2的物质的量为0.244mol，H2O的物质的量为25.056mol，N2的物质的量为181.104mol，则
理论烟气量Vfg0=41.408+0.244+25.056+181.104=247.812mol
247.812*22.4/1000=5.551m3/kg
（4）实际烟气量Vfg
根据公式Vfg=Vfg0+Va0（α-1）
式中：
α——空气过剩系数，为1.65；
Va0——标准状态下理论空气量m3/kg；
Vfg0——标准状态下理论烟气量m3/kg；
则实际烟气量Vfg=5.551+5.154*（1.65-1）=8.901m3/kg
2.一台35t/h锅炉耗煤量，即4.6t煤燃烧的情况下：
（1）在标准状况下的烟气量VN
VN=8.901*4.6*1000=40944.6m3/h
总共三台烟气量Vz=40944.6*3=122833.8m3/h
（2）一台锅炉在烟气出口温度T=145ºC，压强P=245kPa下的烟气量VS
根据理想气体状态方程，将该状态气体转化为锅炉烟气出口处温度及压力下的体积，则有
即40944.6*101325/273=VS*245000/（273+145）
VS=25927.509m3/h
3.5.4锅炉及烟气的设计参数
根据设计依据，锅炉及烟气的设计初始条件见下表3-2
表3-2锅炉及烟气的设计初始条件
项目
参数
锅炉煤耗量
35t/h
标况下锅炉烟气流量
40944.60Nm3/h
实际锅炉烟气流量
25927.509m3/h
烟气温度
145ºC
3.6废气处理系统排放标准
（1）《铅、锌工业污染物排放标准》（GB25466-2010）
4.2废气处理工艺说明
4.2.1脱硫处理工艺说明
（1）石灰石—石膏法烟气脱硫工艺的化学原理如下：
①烟气中的二氧化硫溶解水，生成亚硫酸并离解成氢离子和HSO3-离子；②烟气中的氧和氧化风机送入的空气将溶液中HSO3-氧化成SO42-；③吸收剂中的碳酸钙在一定条件下于溶液中离解出Ca2+；④在吸收塔内，溶液中的SO42-、Ca2+及水反应生成（CaSO4·2H2O）。
化学反应式分别如下：
SO2＋H2O→H2SO3→H+＋HSO3-
H+＋HSO3-＋1/2O2→2H+＋SO42-
CaCO3＋2H+＋H2O→Ca2+＋2H2O＋CO2↑
Ca2+＋SO42-＋2H2O→CaSO4·2H2O
（2）烟气系统
烟气系统包括烟道、烟气挡板、密封风机等关键设备。
吸收塔入口烟道及出口至挡板的烟道，烟气温度较低，烟气含湿量较大，容易对烟道产生腐蚀，需进行防腐处理。
烟气挡板是脱硫装置进入和退出运行的重要设备，分为FGD主烟道烟气挡板和旁路烟气挡板。
前者安装在FGD系统的进出口，它是由双层烟气挡板组成，当关闭主烟道时，双层烟气挡板之间连接密封空气，以保证FGD系统内的防腐衬胶等不受破坏。
旁路挡板安装在原锅炉烟道的进出口。
当FGD系统运行时，旁路烟道关闭，这时烟道内连接密封空气。
旁路烟气挡板设有快开机构，保证在FGD系统故障时迅速打开旁路烟道，以确保锅炉的正常运行。
（3）吸收系统
吸收系统的主要设备是吸收塔，它是FGD设备的核心装置，系统在塔中完成对SO2、SO3等有害气体的吸收。
湿法脱硫吸收塔有许多种结构，如填料塔、湍球塔、喷射鼓泡塔、喷淋塔等等，其中喷淋塔因为具有脱硫效率高、阻力小、适应性、可用率高等优点而得到较广泛的应用，因而目前喷淋塔是石灰石/石膏湿法烟气脱硫工艺中的主导塔型。
喷淋层设在吸收塔的中上部，吸收塔浆液循环泵对应各自的喷淋层。
每个喷淋层都是由一系列喷嘴组成，其作用是将循环浆液进行细化喷雾。
一个喷淋层包括母管和支管，母管的侧向支管成对排列，喷嘴就布置在其中。
喷嘴的这种布置安排可使吸收塔断面上实现均匀的喷淋效果。
吸收塔循环泵将塔内的浆液循环打入喷淋层，为防止塔内沉淀物吸入泵体造成泵的堵塞或损坏及喷嘴的堵塞，循环泵前都装有网格状不锈钢滤网（塔内）。
单台循环泵故障时，FGD系统可正常进行，若全部循环泵均停运，FGD系统将保护停运，烟气走旁路。
氧化空气系统是吸收系统内的一个重要部分，氧化空气的功能是保证吸收塔反应池内生成石膏。
氧化空气注入不充分将会引起石膏结晶的不完善，还可能导致吸收塔内壁的结垢，因此，对该部分的优化设置对提高系统的脱硫效率和石膏的品质显得尤为重要。
吸收系统还包括除雾器及其冲洗设备，吸收塔内最上面的喷淋层上部设有二级除雾器，它主要用于分离由烟气携带的液滴，采用阻燃聚丙烯材料制成。
（4）石膏脱水
石膏脱水系统包括水力旋流器和真空皮带脱水机等关键设备。
水力旋流器作为石膏浆液的一级脱水设备，其利用了离心力加速沉淀分离的原理，浆液流切进入水力旋流器的入口，使其产生环形运动。
粗大颗粒富集在水力旋流器的周边，而细小颗粒则富集在中心。
已澄清的液体从上部区域溢出（溢流）；而增稠浆液则在底部流出（底流）。
真空皮脱水机将已经水力旋流器一级脱水后的石膏浆液进一步脱水至含固率达到90%以上。
4.2.2吸收塔设计计算
脱硫吸收系统包括循环泵、管道阀门及热控仪表系统、喷淋组件及喷嘴或旋流板。
吸收液循环泵符合对”泵”的基本要求外，并满足循环泵及驱动电机适应户外露天布置的要求。
脱硫塔循环系统的设计要求是使喷淋层的布置达到所要求的喷淋浆液覆盖率，使吸收溶液与烟气充分接触，从而保证在适当的液/气比（L/G）下可靠地实现所要求的脱硫效率。
1、吸收塔内径
（1）吸收塔进口烟气量Va（m3/s）计算
该数值已经由之前的计算中给出，烟气进口量为：
40944.60Nm3/h=11.374Nm3/s
然而，该计算数值实质上仅仅指烟气在喷淋塔进口处的体积流量，而在喷淋塔内延期温度会随着停留时间的增大而降低，根据PVT气体状态方程，要算出瞬间数值是不可能的，因此只能算出在喷淋塔内平均温度下的烟气平均体积流量。
本设计中取吸收塔入口烟气温度为100ºC，取吸收塔出口烟气温度为50ºC，则塔内的平均操作温度为75ºC，则此条件下的烟气流量为：
V=11.374×348/273=14.499m3/s
（2）喷淋塔直径的计算
吸收塔直径D可由吸收塔出口实际烟气体积流量和烟气流速确定。
烟气速度增大，传质速率系数增大，体积有效传质面积增大。
但烟气停留时间缩短，要求增大塔高。
烟气的流行速度影响了脱硫效率。
合适的流速范围为3~4.5m/s。
本设计方案选取烟气流速u=3m/s。
吸收塔直径根据下列公式计算：
V=A×u=π（D/2）2×u
式中，V为烟气体积流量m3/s
u为烟气流速m/s
D为吸收塔直径m
A为烟气过流断面面积m3/s
此喷淋塔的内径为D=2×
=2.481m，取2.6m。
2、吸收塔高度
喷淋塔塔高设计
吸收区的高度一般指烟气进口水平中心线到喷淋层中心线的距离。
吸收区高度一般为5~15m，烟气接触反应时间一般为2~5s。
为了保证较高的脱硫效率，设计接触反应时间为2s，则吸收区高度为：
h=u×t=3*2=6m
吸收塔喷淋层的喷嘴一般分为切向、轴向和旋转3种型式，本设计中采用轴向式喷嘴，主要原因是这种喷嘴喷出的液滴粒度较小，而且性价比较高。
吸收区一般设置3~6个喷淋层，每个喷淋层都装有多个雾化喷嘴，交叉布置，覆盖率达200%~300%。
本设计中脱硫效率要求在86%以上，同时考虑成本问题，故设计中设置3个喷淋层。
喷淋层间距一般为1.2~2m，为了便于检修和维护，层间距设为1.5m。
入口烟道到第一层喷淋层的距离一般为2~3.5m，本设计为：
h2=6-1.5*（3-1）=3m
表4-1吸收塔高度参考表
项目
范围
吸收塔入口宽度与直径之比/%
60—90
入口烟道到第一层喷淋层的距离/m
2—3.5
喷淋层间距/m
1.2—2
最顶端喷淋层到除雾器的距离/m
1.2—2
除雾器高度/m
2.0—3.0
除雾器到吸收塔出口的距离/m
0.5—1
吸收塔出口宽度与直径之比/%
60—100
3、除雾器设计
除雾器通常安装在吸收塔的顶部，也可安装在吸收塔后的烟道上。
其作用是捕集脱硫后洁净烟气中的水分，尽可能地保护其后的管路及设备不受腐蚀与沾污。
一般要求脱硫后烟气中的残余水分不超过100mg/m3。
在吸收塔中，由上下两级除雾器及冲水系统构成。
湿法烟气脱硫塔采用的除雾器类型主要有折流板除雾器与旋流板除雾器两种。
为了适应塔内较高的烟气流速，达到较高的除雾效率，本设计选用折流板除雾器中的屋顶式除雾器。
取最后一层喷淋层到除雾器的距离为1.2m，除雾器到吸收塔出口的距离0.7m。
除雾器的高度为2.5m，采用2层除雾，则除雾区的总高度为1.2+2.5*2+0.7=6.9m。
4、浆液池设计
浆池容量V1的计算表达式：
V1=（L/G）×VN×t1
式中：
L/G——液气比。
液气比是指吸收剂石灰石液浆循环量与烟气流量的比值（L/m3）。
如果增大液气比，则推动力增大，脱硫效率增大。
但是石灰石浆液停留时间减少，且循环泵液循环量增大，运行成本增大。
根据经验，石灰石法喷淋塔中的液气比一般为15~25L/m3。
本工艺选取15L/m3。
V——烟气标准状态湿态容积，m3/h；V=14.499m3/s；
t1——浆液停留时间，4~8min，取t1=5min=300s。
可得喷淋塔浆液池体积：
V1=（L/G）×VN×t1=15*14.499*300/1000=65.25m3。
选取浆液池内径略大于吸收区内径，内径D2=3.0m。
根据V计算浆液池高度h3=4V1/（πD22）=4×65.25/（3.14×32）=9.236m，取10m。
烟气进口底部至浆液面的距离一般0.8~1.2m，取1.0m。
5、烟气进出口设计
一般希望进气在塔内能够分布均匀，且烟道呈正方形，故高度尺寸取得较小，但宽度不宜过大，否则影响稳定性。
取入口宽度与直径之比0.6，出口宽度与直径之比取0.7，则
入口宽度：
L入=2.6×0.6=1.56m
出口宽度：
L出=2.6×0.7=1.82m
烟气流量为：
V入=11.374×373/273=15.54m3/s
V出=11.374×323/273=13.46m3/s
进出口烟气流速一般为12~18m/s，本设计均取15m/s。
由V=u×h×L，得
入口高度：
h入=15.54/（15×1.56）=0.66m；
出口高度：
h出=13.46/（15×1.82）=0.49m。
6、喷淋塔总高度
因此喷淋塔总高度为H=6+6.9+10+0.66+0.49+1.0=25.05m
4.2.3脱硝处理工艺说明
1、工程实施方式步骤：
①烟气增压湍流，对脱硫后的锅炉烟气实施增压后且使其呈现出湍流的状态。
②氧化反应，呈现出湍流状态的烟气经过雾态的氧化液且使二者充分混合并进行氧化反应，经过氧化反应的雾态氧化液自然聚集成雾滴后收集在氧化液池中。
③碱性吸收及吸收，经过氧化反应的烟气在经过雾态的碱液且使二者充分混合并且进行化学反应完成碱性吸收剂吸收，经过碱性吸收剂吸收，经过碱性吸收的雾态碱液自然聚集成雾滴后收集在碱液池中。
④烟气除雾，经过碱性吸收剂吸收的烟气，在上升过程中遇到折板形状除雾器的阻挡，使烟气中携带的雾气凝结为液体，对经过除雾的烟气进行排放。
⑤除雾器清洗，定时开启水喷嘴对折板形状的除雾器进行清洗，以此清除除雾器上的杂质。
此工艺是湿法脱硝工艺所说的氧化液的浓度、pH值均在氧化液池中进行调解，碱液的浓度、pH均在碱液池中进行调节。
2、进口烟气量计算
由设计参数可知，锅炉排放NOx浓度为600mg/Nm3，最初排放的NOx中NO约占95%，但是，NO在大气中极易与空气中的氧发生反应，生成NO2，故烟气中NOx通过除尘器、脱硫塔后，普遍以NO2的形式存在。
故NO2的浓度为：
600*95%*46/30+600*5%=904mg/Nm3
同时烟气进口量已经由之前的设计参数中给出，为：
40944.60Nm3/h=11.374Nm3/s
然而，该计算数值实质上仅仅指烟气在喷淋塔进口处的体积流量，而在喷淋塔内延期温度会随着停留时间的增大而降低，根据PVT气体状态方程，要算出瞬间数值是不可能的，因此只能算出在喷淋塔内平均温度下的烟气平均体积流量。
已知入塔温度为50ºC，设出塔温度为20ºC，则塔内的平均操作温度为35ºC，则此条件下的烟气流量为：
V=11.374×308/273=12.83m3/s。
3、塔直径的计算
吸收塔直径D可由吸收塔出口实际烟气体积流量和烟气流速确定。
烟气速度增大，传质速率系数增大，体积有效传质面积增大。
但烟气停留时间缩短，要求增大塔高。
烟气的流行速度影响了脱硝效率。
合适的流速范围为3~4.5m/s。
本设计方案选取烟气流速u=3m/s。
吸收塔直径根据下列公式计算：
V=A×u=π（D/2）2×u
式中，V为烟气体积流量m3/s；
u为烟气流速m/s；
D为吸收塔直径m；
A为烟气过流断面面积m3/s。
此喷淋塔的内径为D=2×
=2.33m，取2.5m。
4、塔高设计
1喷淋塔吸收区高度H1
含有NOx的烟气通过喷淋塔将此过程中塔内总的NOx吸收量平均到吸收区高度内的塔内容积中，即为吸收塔的平均容积负荷――平均容积吸收率，以
表示。
计算表达式如下
=3600×
在喷淋塔操作温度35℃下，烟气流速为u=4.0m/s、脱硝效率
=66.67%。
前面已经求得烟气NO2的浓度为904mg/Nm3，而原来烟气（50℃）的流量换算成标准状态时（设为Va），已经求得
Va=34606.427Nm3/h=9.613Nm3/s
故在标准状态下、单位时间内每立方米烟气中含有NO2质量为
=9.613×904mg/m3=8.69g
V
=（9.613/46）*22.4=4.681L/s=0.00468m3/s
则根据理想气体状态方程，在标准状况下，体积分数和摩尔分数比值相等
故y
=0.00468/9.613=0.049%
又烟气流速u=4.0m/s，y
=0.049%.η=66.67%，t=35℃
总结已经有的经验，容积吸收率范围在5.5-6.5Kg/（m3﹒s）之间
取
=6kg/（m3﹒s）代入
（1）式可得
6=（3600*46/22.4*273/（273+35）*4*0.049%*66.67%）/H1
故吸收区高度H1=1.427m
2喷淋塔浆液池高度H2
喷淋塔浆液池体积
V1=（L/G）×VN×t1=15.0×12.83×180×10-3=34.641m3
VN=Vg=12.83m3/s,T1=2-6min，取t1=3.0min=180s
选取浆液池内径等于吸收区内径，内径D2=D=2.5m
而V1=0.25×3.14×D22×H2=0.25×3.14×2.52×H2
所以H2=7.06m
3喷淋塔除雾区高度H3
吸收塔均应装备除雾器，在正常运行状态下除雾器出口烟气中的雾滴浓度应该不大于75mg/m3。
除雾器一般设置在吸收塔顶部（低流速烟气垂直布置）或出口烟道（高流速烟气水平布置），通常为二级除雾器。
除雾器设置冲洗水，间歇冲洗冲洗除雾器。
塔顶设置除雾器，控制尾气中氨的浓度<7mg/m3。
为了使除雾器的雾滴去除率达到99.75%以上，根据吸收塔出口端（即除雾器入口端）雾滴颗粒直径的实际分布状况，直径大于17μm的雾滴颗粒必须100％完全去除。
综上，设计除雾区的最终高度确定为1.0m，即H3=1.0m
④喷淋塔烟气进口高度H4
根据工艺要求，进出口流速（一般为12m/s-30m/s）确定进出口面积，一般希望进气在塔内能够分布均匀，且烟道呈正方形，故高度尺寸取得较小，但宽度不宜过大，否则影响稳定性.
因此取进口烟气流速为20m/s，而烟气流量为12.83m3/s，
可得H42×20m/s=12.83m3/s
所以H4=0.8m
H4总=2×0.8=1.6m（包括进口烟气和净化烟气进出口烟道高度）
综上所述，喷淋塔的总高为：
H=H1+H2+H3+H4=1.427+7.06+1+1.6=11.087m，取整值12m。
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