燃煤手烧退火炉烟气净化系统设计处理方案的确定.doc

燃煤手烧退火炉烟气净化系统设计一、前言地球上人口在急剧增加，人类经济在急速增长，地球上的大气污染也日趋严重。由于一些有害气体的大量排放，不仅使大气造成局部地区的污染，而且影响到全球性的气候变化以及大气成分的组成，即出现所谓的全球环境问题。目前，全球性大气污染问题主要表现在温室效应、酸雨和臭杨层遭到破坏三个方面。随着经济和社会的发展，燃煤火炉排放的二氧化硫严重地污染了我们赖以生存的环境。锅炉在产生热量的同时，还要产生大量的烟尘，如果锅炉中没有烟气净化装置,这部分烟尘就由烟囱排入大气，造成严重的空气污染，直接影响着城市的环境卫生和人民身体健康。由于中国燃料结构以煤为主的特点，致使中国目前大气污染仍以煤烟型污染为主，其中尘和酸雨危害最大，且污染程度还在加剧，据统计酸雨的覆盖面积约占国土面积的30%，呈明显的区域性特征。目前工业锅炉能源效率和污染问题十分突出，每年排放的污染物总量约为SO22630万t/a，粉尘380万t/a。因此，控制燃煤烟尘的SO2对改善大气污染状况至关重要解决和治理工业锅炉污染已成为解决大气污染的重中之重。一、燃煤产生烟尘的机理烟尘是燃料燃烧的产物，由烟和尘即气体和固体两部分构成。气体主要有CO2、CO、N2、O2、SO2、NOx，CHn、水蒸汽等，这些气体主要取决于煤质及燃烧状况；固体中主要是被气体带出的飞灰及部分未燃尽的碳粒，与燃烧方式有关。对于手烧型炉、窑，为了获得较高的炉、窑温度，一般都燃用活性较好的烟煤。烟煤具有较高挥发分的特点，高的可达40%以上。当烟煤加到炉膛后，立即受到炽热火层的加热及高温炉膛的烘烤，煤中的挥发分迅速析出。析出的挥发分我们称之为粗煤气，呈脓黄色。粗煤气由CO、CO2、H2、CH4、CnHm和大量烃类、芳香类大分子团组成，其热值也很高，是很好的燃料。但这种气体产生在炉窑燃煤层的上方，从炉条底部进入的空气中的氧在煤层中基本耗尽，因此，粗煤气处于缺氧的状态，得不到充分燃烧。当粗煤气在缺氧情况下，又受到窑炉中高温的作用，烃类、芳香大分子有机化合物会裂解产生以炭黑为主的物质，颜色也由脓黄变黑，这就形成了我们所见到的滚滚黑烟。随着原煤的着火燃烧，燃料层因焦炭的不断消耗使其不断变薄，进风阻力也随之减少，于是又会出现过剩空气大量增加，排烟热损失大幅度增加的不良工况，于是再次加煤，重复上述过程。这就是手烧型炉、窑烟囱冒黑烟呈周期性变化的缘故。加煤间隔时间越长，一次加煤量越多，冒黑烟也就越严重。二、设计任务书2.1课程设计题目燃煤手烧退火炉烟气净化系统设计2.2. 设计原始材料1）烟气流量：13500 m3/h；2）烟气温度：420；3）烟气含尘浓度：5000 mg / Nm3；4）二氧化硫浓度：3750 mg / Nm35）标准大气压：P=101.3kpa2.3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；3、设计方案的确定3、1烟气降温的论证选择退火炉的烟气属于高温烟气，若要达到优质的除尘脱硫效果，我们需要对烟气进行降温处理。目前有几套方案进行降温处理，方案如下：工艺优点缺点水冷密排管+机冷器（或风冷器）烟气所含的热能被水充分吸收，可能给城市供热系统，资源更大化的能到利用。液冷比热容大，属于压制性散热占地面积大，成本高余热锅炉（HTAC蓄热技术）HTAC蓄热有效的解决了退火炉烟气失热问题，蓄热室狭长而热交换时间长，且设施在地下不仅占地极少而且散热极少，烟气的余热通过HTAC技术能到极大的利用管道铺设地下，对于后续保养维修难度大冷却塔液冷比热容大，属于压制性散热占地面积大，且建造成本高。通过上述冷却设备将高温气体进行降温后的气体温度还是有200摄氏度左右，较高，所以在下一步除尘操作时还需要在处理前降温，采用对烟气直接喷水进行冷却。喷雾水循环使用，其中一部分在反应器内作为二次烟气冷却水使用。由于二次烟气冷却水完全蒸发，所以不产生排放水。三、除尘器的选择及计算除尘设备按照捕集机理可分为以下几大类：设备名称优点缺点分类机械除尘器依靠机械力将尘粒从气流中除去，其结构简单，设备费和运行费均较低除尘效率不高 重力沉降室，惯性除尘器，旋风除尘器，过滤除尘器使含尘气流通过滤料将尘粒分离捕集，分内部过滤和表面过滤两种方式，除尘效率一般为90%99%不适用于温度高的含尘气体简易袋式除尘器，脉冲式除尘器，机械振打袋式除尘器，气环反吹袋式除尘器，扁袋式除尘器洗涤除尘器（湿式除尘器）用液体洗涤含尘气体，使尘粒与液滴或液膜碰撞而被俘获，并与气流分离，除尘效率为80%95%运转费用较高喷淋塔，文丘里洗涤器，冲击水浴式除尘器，水膜除尘器电除尘器利用静电力实现尘粒与气流分离，常按板式与管式分类，特点是气流阻力小，除尘效率可达99%以上投资较高，占地面积较大 根据上述除尘方案的优缺点对比，我们将选用过滤除尘器。但是过滤式除尘器又包括几种形式的除尘器，我们需要进行计算，根据烟气量、烟气温度及要求达到的除尘效率来确定除尘器3、1除尘器的选择3.1.1 除尘效率=1-=1-200/5000=96%so2=1-900/3750=76%3.1.2工况下烟气流量根据设计任务书中给的数据Q=13500 m3/h则烟气的流量为=13500/3600=3.75(m3/s)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MC84-II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MC84-II脉冲袋式除尘器。 结构特点: 脉冲袋式除尘器由脉冲发生器、引风机、集灰袋、关风机等构成。风机将尘埃引入集灰袋中，利用脉冲信号定期对集灰袋进行抖动，掉落尘埃收集到关风机中，定期排放。该除尘器净化效率高，处理气体能力大，性能稳定，维护工作量小等优点。可根据工作温度设置不同集灰袋，最高应用温度：250度。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：含尘气体由除尘器进风口进入中，下箱体，通过滤袋进入上箱体的过程中由于滤袋的各种效应作用。将粉尘气体分离开，粉尘被吸咐在滤袋上，而气体穿过滤袋由文氏管进入上箱体，从出风口排出。含尘气体通过滤袋净化的过程中，随着时间增加，而积在滤袋上的粉尘越来越多，因而使滤袋的阻力逐渐增加，通过滤袋子的气体量逐渐减少，为了使除尘器能正常工作所以要把阻力控制在限定范围内（一般为120-150毫米水柱）。这样当阻力升到限定范围的时候，由控制仪就要发出指令按顺序触发各控制阀，开启脉冲阀。气包内的压缩空气由喷吹管各孔经文氏管喷射到各对应的滤袋内，滤袋在气流瞬间反向作用下急剧膨胀，使积在滤袋表面的粉尘脱落，滤袋得再生。被清掉的粉尘落入灰斗经排灰系统排出机体，由于积在滤袋上的粉尘定期清除，被净化的气体正常通过，保证除尘器正常工作。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MC84-II63847560-1512014307516783667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/min2230125*205012015099.5%315243.1.3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=2030m/s）取v=25 m/s则 m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/mm46011内径d1=460-2*1=0.458m由公式得烟气流速由此可知，除尘器中的管径设计合理3.2.1烟囱的设计1.烟囱高度的计算根据设计任务书里的要求设计的是退火炉的烟气净化，通过查阅资料，退火炉的功率在0.8MW已下，详细数据见下表：产品名称型号额定功率（kw）额定温度（）额定电压（V）相数工作区尺寸（mm）最大装载量（kg）箱式电阻炉RX3-15-9159503803650*300*25080RX3-30-9RX3-30-9309503803950*450*350200RX3-45-9RX3-45-94595038031200*600*400400RX3-60-9RX3-60-96095038031500*750*450700RX3-75-9RX3-75-97595038031800*900*5501200根据锅炉的功率（MW），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燃煤、燃油（燃轻柴油、煤油除外）锅炉房烟囱最低允许高度GB 13271-2001锅炉房装机总容量MW0.70.71.41.42.82.877141428t/h1122441010202040烟囱最低允许高度m202530354045烟囱抬升高度：由于功率为0.7MW 之间 选取H=20m当烟气热释放率Qh大于或等于是2100KJ/s，且烟气温度与环境温度的差值T大于或等于35K时，H采用下式计算：式中： no烟气热状况及地表系数，见表5；n1烟气热释放率指数，见表5；n2排气筒高度指数，见表5；Qh烟气热释放率，KJ/s；H排气筒距地面几何高度，m ，超过去240m时，取H=240m；Pa大气压力，KPa ，如无实测值，可取邻近气象台（站）季或年平均值，调查期间按劳取酬6.1.3执行；Qv实际排烟率，m3/s；T烟气出口温度与环境温度差，K；Ts烟气出口温度，K；Ta环境大气温度，K，如无实测值，可取邻近气象台（站）季或年平均值，调工查期间按6.1.3执行；U排气筒出口处平均风速，m/s ，如无实测值，其确定方法参阅7.5.1。表5 no、n1、n2的选取Qh，KJ/s地表状况（平原）non1n2Qh，KJ/s农村或城市远郊区1.4271/32/3城市及近郊区1.3031/32/32100Qh21000且T35K农村或城市远郊区0.3323/52/5城市及近郊区0.2923/52/5取标准大气压101.3kpa，=22.77m/s，环境大气温度无实测值，取Ta=273K，Ts为降温后的气体温度140，则： =（273+140）-273=140K=0.35*101.3*22.77*140/（140+273） =273.7 Kj/s由于852.2KW2100KW，则V烟率出口速度 m/sD烟囱出口内径 mQh烟囱的热排放率u烟囱出口的环境平均风速 m/s，取2.5m/sh=(1.5*22.77*0.458*0.0096*273.7)/2.5=16.44烟囱总高度H为：H=Hs+h=36.44所以烟囱高度为36.5m2.烟囱直径的计算烟囱出口内径按如下公式：圆整取d=0.63m Q通过烟囱的总烟量 m3/h按下表选取的烟囱出口烟气流速m/s，选=15m/s， 烟囱出口烟气流速通风方式运行情况全负荷最小负荷机械通风102045自然通风68253烟囱底部直径：d1=d+2iH=0.63+2*0.02*36.5=2.09m d烟囱出口直径 m H烟囱高度 mi烟囱锥度，取I=0.02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,0.458m-烟气密度Kg/m3-管内烟气平均流速则最大地面浓度可见地面最大浓度小于国家规定,烟囱高度设计合理2.2.7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=22.47m3/h1.1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/htp 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 =2146.6 Pa1.2风压备用系数 h系统总阻力，Pa tp 风机前烟气温度OC ty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1.36 Kg/ m3 Sy烟囱产生的抽力，Pa根据Hy和Qy选定Y8-39 的引风机，性能表如下四、脱硫3.2脱硫方法的选择国内外烟气脱硫工艺主要有干法、半干法和湿法三种。湿法FGD技术是用含有吸收剂的溶液或浆液在湿状态下脱硫和处理脱硫产物；干法FGD技术的脱硫吸收和产物处理均在干状态下进行；半干法FGD技术是指脱硫剂在干燥状态下脱硫、在湿状态下再生（如水洗活性炭再生流程），或者在湿状态下脱硫、在干状态下处理脱硫产物（如喷雾干燥法）的烟气脱硫技术。工艺优点缺点干式具有无污水废酸排出、设备腐蚀程度较轻，烟气在净化过程中无明显降温、净化后烟温高、利于烟囱排气扩散、二次污染少等优点脱硫效率低，反应速度较慢、设备庞大等半干半湿式既有湿法脱硫反应速度快、脱硫效率高的优点又有干法无污水废酸排出、脱硫后产物易于处理的优势，主要适合处理烟气量较小的污染源，对于烟气量较大的尚处于试验阶段湿式具有脱硫反应速度快、设备简单、脱硫效率高等优点普遍存在腐蚀严重、运行维护费用高及易造成二次污染等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。结合本处理烟气的指标，选用湿式脱硫工艺来进行脱硫处理，湿法脱硫是采用液体吸收剂洗涤SO2烟气以除去SO2的技术，本设计为高浓度SO2烟气的湿法脱硫。3.2.1工艺比较湿式脱硫方法中常用的工艺有：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：项目优点缺点石灰/石灰石吸收法脱硫效率高，吸收剂资源广泛，价格低廉，副产品石膏可用建筑材料系统复杂，占地面积大，造价高，容易结垢造成堵塞，运行费用高，只使用大型电站锅炉氢氧化钠吸收法价格便宜，脱硫效率高，副产品的溶解度特性更适用加热解吸过程，可循环利用，吸收速度快高温下NaHSO3转换成Na2SO3,丧失吸收二氧化硫的能力氨吸收法脱硫效率高，运行费用低吸收剂在洗涤过程中挥发产生氨雾，污染环境，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.工艺过程一、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（59）时的主反应。二、氧化过程(副反应) Na2SO3 + 1/2O2 Na2SO4 （4） NaHSO3 + 1/2O2 NaHSO4 （5）三、再生过程 Ca(OH)2 + Na2SO3 2 NaOH + CaSO3 （6） Ca(OH)2 + 2NaHSO3 Na2SO3 + CaSO31/2H2O +3/2H2O （7）四、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pH9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.喷淋塔的设计及计算3.1吸收SO2的吸收塔的选择 根据查阅资料可得喷淋塔相关数据，制成下表：名称 操作参数 优点 缺点 填料塔 空塔气速2.05.0m/s液气比0.51.0L/m3压力损失2001000Pa结构简单，设备小，制造容易，占空间小；液气比小，能耗低