大气脱硫设计.docx

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大气脱硫设计

大气污染控制课程设计任务书

一、课程设计的题目

DZL2-13型锅炉高硫无烟煤烟气袋式除尘湿式脱硫系统设计

二、课程设计的目的

《大气污染控制工程》课程设计是配合大气污染控制工程专业课程而单独设立的设计性实践课程。

教学目的和任务是使学生在学习专业技术基础和主要专业课程的基础上，学习和掌握环境工程领域内主要设备设计的基本知识和方法，培养学生综合运用所学的环境工程领域的基础理论、基本技能和专业知识分析问题和解决工程设计问题的能力，培养学生调查研究，查阅技术文献、资料、手册，进行工程设计计算、图纸绘制及编写技术文件的基本能力。

三、设计原始资料

2．DZL2-13型锅炉高硫无烟煤烟气袋式除尘湿式脱硫系统设计

锅炉型号：

DZL2-13即：

蒸发量2t/h，出口蒸汽压力13MPa

设计耗煤量：

350kg/h

设计煤成分：

CY=65%HY=4%OY=2.3%NY=0.7%SY=3.4%AY=14%WY=10%；VY＝8.6％，属于高硫无烟煤

排烟温度：

160℃

空气过剩系数＝1.2

飞灰率＝16％

烟气在锅炉出口前阻力600Pa

污染物排放按照锅炉大气污染物排放标准中二类区新建排污项目执行。

连接锅炉、净化设备及烟囱等净化系统的管道假设长度100m，90°弯头10个。

注：

锅炉大气污染排放标准（GB13271-2001）中二类区执行标准

烟尘浓度排放标准（标准状况下）：

200㎎/

二氧化硫排放标准（标准状况下）：

900㎎/

若烟囱高度达不到GB13271—2001表4锅炉房烟囱最低允许高度（4t锅

炉烟囱高度最低35m，6t锅炉烟囱高度最低40m）的要求，其排放标准值按50%执行，即：

烟尘浓度排放标准（标准状况下）：

100㎎/

二氧化硫排放标准（标准状况下）：

450㎎/

四、课程教学要求

本课程设计的选题紧紧围绕大气污染控制工程烟气除尘为主题。

学生必须根据教学要求、设计工作量以及实际条件，进行恰当选题。

能按照设计任务书，顺利完成设计任务，培养运用本学科的基础理论和专业知识解决本专业实际问题的能力，提高设计计算、工程制图和使用资料的能力。

五、设计内容与要求

1.根据燃煤的原始数据计算锅炉燃烧产生的烟气量，烟尘和二氧化硫浓度。

2．净化系统设计方案的分析，包括净化设备的工作原理及特点；运行参数的选择与设计；净化效率的影响因素等。

3．除尘设备结构设计计算

4．脱硫设备结构设计计算

5．烟囱设计计算

6．管道系统设计，阻力计算，风机电机的选择

7.设计任务完成后，学生要根据设计的全过程完成专业课程设计说明书，按照一定格式写出设计计算书。

课程设计说明书主要内容有：

（1）设计题目；

（2）主要指标和要求；

（3）方案工作原理；

（4）设计计算依据、计算结果；

（5）设备选择依据和工艺流程介绍；

（6）结果汇总。

8．根据计算结果绘制设计图，系统图要标出设备、管件编号、并附明细表；除尘系统、脱硫设备平面、剖面布置图若干张，以解释清楚为宜，至少3张（3号）图，并包括系统流程图一张（2号图）。

此外，还要求文字应简明、通顺、内容正确完整，书写工整、装订成册。

前言

在目前，大气污染已经变成了一个全球性的问题，主要有温室效应、臭氧层破坏和酸雨。

随着国民经济的发展，能源的消耗量逐步上升，大气污染物的排放量相应增加。

而就我国的经济和技术发展就我国的经济和技术发展水平及能源的结构来看，以煤炭为主要能源的状况在今后相当长时间内不会有根本性的改变。

我国的大气污染仍将以煤烟型污染为主。

因此，控制燃煤烟气污染是我国改善大气质量、减少酸雨和SO2危害的关键问题。

中国环境污染的规模居世界首位，大城市的环境污染状况在目前是世界上最严重的，全球大气污染最严重的20个城市中有10个在中国。

我国是燃煤大国，煤炭约占一次能源消费总量的76%，年约消耗煤炭10亿多吨，并且煤炭中的80%用于直接燃烧。

由此带来的S02年排放量连续多年超过2000万吨。

我国由燃煤引起的煤烟型污染日益严重，是世界上S02严重污染的国家之一。

某些城市的空气污染程度己达到世界上发达国家上世纪50、60年代污染最严重的程度。

由此不难断定，我国大气污染的特点是以煤烟型污染为主，主要污染物为粉尘、二氧化硫等，而这些污染物的来源主要是锅炉烟气。

因此，对燃煤工业锅炉和电站锅炉进行除尘脱硫成为国内外科研和管理部门关注的一个热点，但一般是注重某一类型锅炉的除尘脱硫研究。

本课题拟从中小型燃煤工业锅炉的除尘脱硫技术着手，主要根据国家大气污染物排放标准和锅炉房大气污染物排放标准，研究开发适合中国国情的湿法除尘脱硫技术。

期望能对我国燃煤锅炉烟气除尘脱硫技术与装置的研究开发有一定参考意义。

前言

1.工艺流程的选择及说明

2.除尘器的设计及计算

2.1燃煤锅炉烟气量、烟尘和二氧化硫浓度的计算

2.1.1烟气量的计算

2.1.2标准状态下烟气中二氧化硫的浓度的计算

2.2除尘器的选择与计算

2.2.1除尘器的选择

2.2.2管道布置及各管段的管径

2.2.3烟囱的设计

2.2.4系统阻力的计算

2.2.5风机和电机的选择和计算

3.填料塔的设计及计算

3.1吸收SO2的吸收塔的选择

3.2脱硫方法的选择

3.2.1工艺比较

3.2.2工艺流程介绍

3.3填料的选择

3.4填料塔的计算

3.4.1物料衡算

3.4.2塔径的计算

3.4.3填料塔高度的计算

3.5填料塔的附件选择

3.5.1管道局部阻力计算

3.5.2风机和电机的选择

4.课程设计总结

参考文献

附表：

1.工艺流程的选择及说明

脱硫除尘工艺设计说明：

双碱法烟气脱硫工艺主要包括吸收剂制备和补充系统，烟气系统，SO2吸收系统，脱硫产物处理系统四部分组成。

1、吸收剂制备和补充系统

脱硫装置启动时用氢氧化钠作为吸收剂，氢氧化钠干粉料加入碱液罐中，加水配制成氢氧化钠碱液，在碱液罐中可以定期进行氢氧化钠的补充，以保证整个脱硫系统的正常运行及烟气的达标排放。

为避免再生生成的亚硫酸钙、硫酸钙也被打入脱硫塔内容易造成管道及塔内发生结垢、堵塞现象，可以加装瀑气装置进行强制氧化或特将水池做大，再生后的脱硫剂溶液经三级沉淀池充分沉淀保证大的颗粒物不被打回塔体。

另外，还可在循环泵前加装过滤器，过滤掉大颗粒物质和液体杂质。

2、烟气系统

锅炉烟气经烟道进入除尘器进行除尘后进入脱硫塔，洗涤脱硫后的低温烟气经两级除雾器除去雾滴后进入主烟道，经过烟气再热后由烟囱排入大气。

当脱硫系统出现故障或检修停运时，系统关闭进出口挡板门，烟气经锅炉原烟道旁路进入烟囱排放。

3、SO2吸收系统

锅炉烟气从烟道切向进入主塔底部，在塔内螺旋上升中与沿塔下流的脱硫液接触，进行脱硫除尘，经脱水板除雾后，由引风机抽出排空。

脱硫液从螺旋板塔上部进入，在旋流板上被气流吹散，进行气叶两相的接触，完成脱硫除尘后从塔底流出，通过明渠流到综合循环池。

4、脱硫产物处理系统

脱硫系统的最终脱硫产物仍然是石膏浆，从曝气池底部排浆管排出，由排浆泵送入水力旋流器。

由于固体产物中掺杂有各种灰分及NaSO4，严重影响了石膏品质，所以一般以抛弃为主。

在水力旋流器内，石膏浆被浓缩（固体含量约40％）之后用泵打到渣处理场，溢流液回流入再生池内。

2.除尘器的设计及计算

2.1燃煤锅炉烟气量、烟尘和二氧化硫浓度的计算

2.1.1

组分重量摩尔数需氧量生成物

C65054.1754.1754.17

N70.500.500.50

S140.440.440.44

H40401020

O231.44-0.72

H2O1005.560

理论需氧量：

54.17+0.50+0.44+10-0.72=64.39mol

理论N量：

64.39/0.21×0.79=242.23mol

过剩空气量：

64.39/0.21×（1.2-1）=61.32mol

理论烟气量：

54.17+0.50+0.44+20+5.56+242.23=322.87mol

实际烟气量：

61.32+322.87=384.19mol×22.4/1000=8.61mol

总烟气量：

Q=8.61×350=3013.5m3/h

2.1.2二氧化硫浓度计算

Cso2=nso2Mso2/Q=0.44×64/8.61=3.27g/m3

脱硫效率：

η=（1-ci/co）×100%=（1-0.9/3.27）×100%=73%

除尘效率：

C=dsh/Qs×A=16%/8.61×（16%+10%+8.6%）=6.43g/m3

η=（1-ci/co）×100%=（1-0.2/6.43）×100%=97%

2.2除尘器的选择及计算

2.2.1根据工况下烟气量、烟气温度及要求达到的除尘效率来确定除尘器（袋式除尘器）

袋式除尘器是使含尘气体通过滤袋滤去其中离子的分离捕集装置，是过滤式袋式除尘器中一种，其结构形式多种多样，按不同特点可分为圆筒形和扁形；上进气和下进气，内滤式和外滤式，密闭式和敞开式；简易，机械振动，逆气流反吹，气环反吹，脉冲喷吹与联合清灰等不同种类,其性能比较如下表：

除尘种类

除尘效率%

净化程度

特点

简易袋式

30

中净化

机械振动袋式

90

中净化

要求滤料薄而光滑，质地柔软，再过滤面上生成足够的振动力。

脉冲喷吹袋式

99

细净化

清灰方式作用强度很大，而且其强度和频率都可以调节，清灰效果好

气环式袋式

99

细净化

适用高湿度、高浓度的含尘气体，造价较低，气环箱上下移动时紧贴滤袋，使滤袋磨损加快，故障率较高

通过我组比较最终决定选用袋式除尘器，根据处理烟气性质及不同型式的袋式除尘器的优缺点，最终决定选用MC6—I型系列逆喷脉冲袋式除尘器。

脉冲袋式除尘器是一种周期性的向滤袋内或滤袋外喷吹压缩空气来达到清除滤袋上积尘的袋式除尘器，它具有处理风量大，除尘效率高的优点，而且清灰机构设有运动部件，滤袋不受机械力作用，损伤较小，滤袋使用周期长的特点。

用《除尘器手册》中选取MC系列逆喷脉冲袋式除尘

结构特点:

主要由上箱体，中箱体，下箱体，排灰系统与喷嘴系统等几个主要部分组成。

上箱体内设有多孔板，滤袋，滤袋框架；下箱体包括进气口、灰斗、检查门；排灰系统由减速装置和排灰装置组成；控制仪、控制阀、脉冲阀、喷嘴管与气包等组成喷吹系统。

工作原理：

含尘气体由下箱体的进风口进入除尘器内经过滤袋过滤。

粉尘被阻留在袋外，净化气体进入袋内经过文氏管，由排风口排出机外，阻留在滤袋上的粉尘通过用电控（D）、机控（J）或气控（Q）中的一种方式，控制开启脉冲阀定时分排，对滤袋进行清灰，其主要性能与主要结构尺寸见下表：

型号

过滤面积m2

滤袋数量/条

处理风量m3/h

脉冲阀个数/个

外形尺寸/长×高×宽

MC36—I

27

36

3250～6480

6

1425×1678×3600

设备质量/kg

滤袋尺寸/mm

设备阻力/Pa

除尘效率

入口含尘浓度g/m3

过滤风速/m/min

1116.80

Φ120×2000

1200～1500

＞99%

2～14

2～4

主要结构尺寸：

型号

A

A1

B

B1

H

MC36—I

1678

1150

1340

1100

3660

影响因素：

过滤风速、滤料风速、滤料种类、清灰方式、入口含尘浓度、处理气体性质、净化物料种类等。

2.2.2管道布置及各管段的管径

1.各装置及管道布置原则

根据锅炉运行情况和锅炉房现场的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。

2.管径的确定

式中：

v—烟气流速m/s（对于锅炉烟尘v=10～15m/s）

取v=13m/s则

圆整并选取风值：

钢制板风管

外径D/mm

外径允许偏差/mm

壁厚/mm

300

±1

0.06

内径d1=300-2×0.6=398.8m

由公式

得

烟气流速

由此可知，除尘器中的管径设计合理

2.2.3烟囱的设计

1.烟囱高度的计算

根据锅炉的蒸发量（t/h），然后根据锅炉大气污染物排放标准中的规定表确定烟囱高度

锅炉烟囱高度

锅炉总额蒸发量（t/h）

<1

1～2

2～6

6～10

10～20

20～35

烟囱的最低高度（m）

20

25

30

35

40

45

由于给定锅炉型号DZL2—13蒸发量为2t/h，故选定烟囱高度为30m

烟囱抬升高度：

Vs—烟率出口速度m/s

D—烟囱出口内径m

Qh—烟囱的热排放率

u—烟囱出口的环境平均风速m/s，取2.5m/s

烟囱总高度H为：

H=Hs+Δh=33m

烟囱的抽力：

H—烟囱高度m

tk—外界空气温度℃

tp—烟囱内烟气平均温度℃

B—当地大气压Pa

2.烟囱的阻力损失计算

采用砖砌烟囱,阻力可按下式计算

-摩擦阻力系数,0.04

-管道长度,m

-管道直径,0.9m

-烟气密度Kg/m3

-管内烟气平均流速

ρ=

2.2.4系统阻力的计算

1、摩擦阻力损失

L—管道长度，md—管道直径，m

ρ—烟气密度，Kg/m3v—管中烟气流速，m/s

λ—摩擦阻力系数，是气体雷诺数和管道相对粗糙度的函数，可以查手册得到。

（实际中金属管取0.02，砖砌或混凝土管道取0.04。

）

对于Ф400圆，L=50m

ΔPL=

=467.57Pa

a、除尘器进气管的阻力损失计算

如图所示，进气管管道计算如下：

渐缩管的计算

α≤45o时ε=0.18

取α=45ov=13m/s

=12.62Pa

设两个均为90o弯头

D=300mm　　取R=1.5D　　　则ε=0.33　

=46.29Pa

查《化工原理》附表则ε=0.25

=17.53Pa

b、除尘器出气管的阻力损失的计算

如图所示，出气管管道计算如下：

渐扩管的计算

α≤45o时ε=0.18

取α=30ov=13m/s

=12.62Pa

设两个均为90o弯头

D=300mm　　取R=1.5D　　　则ε=0.33　

=46.29Pa

则系统总阻力[其中锅炉出口前阻力600Pa，除尘器阻力1300Pa（一般为1200~1500Pa）]

∑h=280.54+467.57+12.62+46.29+12.62+46.29+17.53+600+1300

=2783.46Pa

2.2.5风机和电机的选择和计算

1、标准状态下风机风量的计算

Q1=

=5454.94m3/h

1.1—风量备用系数B—当地大气压KPa

Q—标准状态下风机前的风量，m3/h

tp—风机前烟气温度OC，若管道不长，可以近似取锅炉排烟温度

2、风机风压的计算

=2973.86Pa

1.2—风压备用系数∑Δh—系统总阻力，Pa

tp—风机前烟气温度OCty—风机性能表中给出的实验用气体温度，OC

Py—标准状态下烟气密度1.36Kg/m3Sy—烟囱产生的抽力，Pa

根据Hy和Qy选定Y8-39的引风机，性能表如下

型号

全压/（Pa）

风量/（m3/h）

功率/Kw

转速/（r/min）

Y8-39

2136~5762

2500~26000

3~37

2850

3、电动机功率的计算

Qy—风机风量，Hy—风机风压

Y1—风机在全头时的效率（一般为0.6）

y2—机械传动功率（用V形带动传动时=0.95）

—电动机备用系数，对引风机=1.3

根据电动机的功率，风机转速，传动方式，选定Y160L-6型电动机（功率是11Kw）

性能参数如下:

Y160L-6型电动机性能表

功率（Kw）

型号

转速r/min

效率（%）

功率因数cos

11

Y160L-6

970

87

0.78

3.填料塔的设计及计算

3.1吸收SO2的吸收塔的选择

名  称

操作参数

优  点

缺  点

填

料

塔

空塔气速2.0～5.0m/s

液气比0.5～1.0L/m3

压力损失200～1000Pa

结构简单，设备小，制造容易，占空间小；液气比小，能耗低；气液接触好，传质较易，可同时除尘、降温、吸收

不能无水运行

自

激

湍

球

塔

液气比1～10L/m3

喷淋密度6～m3/（m2.h）

压力损失500Pa/m

空塔气速0.5~1.2m/s

结构简单，制造容易；

填料可用耐酸陶瓷，较易解决防腐蚀问题；

流体阻力较小，能量消耗低；

操作弹性较大，运行可靠。

不能无水运行

筛

板

塔

空塔气速1.0～3.0m/s

小孔气速16～22m/s

液层厚度40～60mm

单板阻力300～600Pa

喷淋密度12～15m3/（m2.h）

结构较简单，空塔速度高，处理气量大；

能够处理含尘气体，可以同时除尘、降温、吸收；

大直径塔检修时方便

安装要求严格，塔板要求水平；

操作弹性较小，易形成偏流和漏液，使吸收效率下降。

喷

淋

塔

空塔气速2.5～4.0m/s

液气比13～30L/m3

压力损失500～2000Pa

结构简单，造价低，操作容易；

可同时除尘、降温、吸收，压力损失小

气液接触时间短，混合不易均匀，吸收效率低；

液体经喷嘴喷入，动力消耗大，喷嘴易堵塞；

产生雾滴，需设除雾器

通过比较各种设备的性能参数，填料塔具有负荷高、压降低、不易堵、弹性好等优点，具有很高的脱硫效率，所以选用填料塔吸收二氧化硫。

3.2脱硫方法的选择

3.2.1工艺比较

本设计为高浓度SO2烟气的湿法脱硫

近年来尽管半干法和干法脱硫技术及其应用有了较大的发展空间,但是湿法脱硫仍是目前世界上应用最广的脱硫技术,其优点是技术成熟,脱硫效率高,操作简便,吸收剂价廉易得适用煤种范围广,所用设备较简单等优点。

常用方法有石灰/石灰石吸收法、钠碱吸收法、氨吸收法

其工艺比较见下表：

石灰-石膏法

双碱法

亚硫酸铵法

优点

除尘效率80%-90%；

脱硫效率大于90%；

吸收剂来源广，价格低，利用率高；

循环水NAOH水溶液对设备无腐蚀与堵塞；

吸收剂再生和脱硫渣沉淀在吸收塔外，可用板式塔，减少吸收塔尺寸及操作液气比，降低成本，脱硫率大于90%

脱硫效率较高运行费低

缺点

腐蚀性强，废水二次处理难，初期投资大

氧化副产物Na2SO4再生难，增大NaOH用量；Na2SO4降低石膏质量；

（1）吸收液要求较高（1吸收塔要高浓度3要增大碱度）；

（2）必需强化中和离心，缩短时间，并将潮湿亚铵干燥，制成无水亚硫酸铵；

（3）吸收剂在洗涤中污染，投资大

综合本工艺流程图及上述几种常用脱硫的优缺点比较,经过比较全面考虑,最终我们组选用钠碱吸收法进行脱硫,即采用NaOH来吸收烟气中的SO2,再用石灰石中和再生,再生后的溶液继续循环利用。

该法吸收剂采用钠碱，故吸收率较高，可达95%，而且吸收系统内不生成沉淀物，无结垢和阻塞问题。

其反应机理：

2NaOH+SO2→Na2SO3+H2O

Na2SO3+SO2+H2O→2NaHSO3

Na2SO3同样可以吸收SO2，达到循环吸收的效果。

3.2.2工艺流程介绍

1.工艺流程介绍

含SO2烟气经除尘、降温后送入吸收塔，塔内喷淋含NaOH溶液进入洗涤净化，净化后的烟气排入大气。

从塔底排出的吸收液被送至再生槽加CaCO3惊醒中和再生.将再生后的吸收液经固液分离后,清夜返回吸收系统;所得固体物质加入H2O重新浆化后,鼓入空气进行氧化可得石膏.

2.工艺过程

a、脱硫反应：

Na2SO3+SO2→NaSO3+CO2↑

（1）

2NaOH+SO2→Na2SO3+H2O

（2）

Na2SO3+SO2+H2O→2NaHSO3（3）

其中：

式

（1）为启动阶段Na2CO3溶液吸收SO2的反应；

式

（2）为再生液pH值较高时（高于9时），溶液吸收SO2的主反应；

式（3）为溶液pH值较低（5~9）时的主反应。

b、氧化过程（副反应）

Na2SO3+1/2O2→Na2SO4（4）

NaHSO3+1/2O2→NaHSO4（5）

c、再生过程

Ca（OH）2+Na2SO3→2NaOH+CaSO3（6）

Ca（OH）2+2NaHSO3→Na2SO3+CaSO3•1/2H2O+3/2H2O（7）

d、氧化过程

CaSO3+1/2O2→CaSO4（8）

式（6）为第一步反应再生反应，式（7）为再生至pH＞9以后继续发生的主反应。

脱下的硫以亚硫酸钙、硫酸钙的形式析出，然后将其用泵打入石膏脱水处理系统，再生的NaOH可以循环使用。

3.3填料的选择

填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。

填料的种类很多，大致可分为实体填料与网体填料两大类。

实体填料包括环形填料（如拉西环、鲍尔环和阶梯环），鞍型填料（如弧鞍、矩鞍），以及由陶瓷、金属、塑料等材质制成的填料。

网体填料主要是由金属丝网制成的填料，如鞍形网、波纹网等。

鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。

与其它填料相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。

鲍尔环是一种应用较广的填料。

结合几种填料的优缺点最终决定本次设计选择塑性鲍尔环作为填料。

3.4填料塔的计算

3.4.1物料衡算

衡算式：

V（Y1-Y2）=L（X1-X2）

y1=

=0.00223y2=y1（1-95%）=0.00223×（1-95%）=0.000111

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0

惰性气体流量V=

×（1-0.00223）=147.21kmol/h

Y1=y1/（1-y1）=0.00223/（1-0.00223）=0.00223Y2=y2/（1-y2）=0.000111/（1-0.000111）=0.000111

查得总压101.3KPa,温度293K条件下SO2在水中

亨利系数E=3.55×103KPa

相平衡常数

溶解度系数H=0.0156kmol/m3·KPa

最小液气比：

=

=

=33.30

取操作液气比

=46.62

L=46.62×147.21=6862.93kmol/h

由V（Y1-Y2）=L（X1-X2）知

X1=X2+

（Y1-Y2）=0+

=0.000045

3.4.2塔径的计算

在常压零摄氏度下SO2的密度为2.927

填料的相关参数：

品名（鲍尔环）

径×高×厚

mm×mm×mm

比表面积

（m2/m3）

空隙率

%

干填料