大气污染处理

河南城建学院河南城建学院 大气污染控制工程大气污染控制工程 课程设计课程设计 课程名称课程名称 大气污染控制工程课程设计大气污染控制工程课程设计 班班 级级 0214101 专专 业业 环境工程环境工程 姓姓 名名 黄淑丽黄淑丽 学学 号号 021410102 指导教师指导教师 张霞张霞 姜立民姜立民 焦桂枝焦桂枝 环境与市政工程系环境与市政工程系 2013 年年 1 月月 I 前言前言 大气是人类赖以生存的最基本的环境因素 构成了环境系统的 大气环境子系统 一切生命过程 一切动物 植物和微生物都离 不开大气 大气为地球生命的繁衍 人类的发展 提供了理想的 环境 它的状态和变化 时时处处影响到人类的活动与生存 造成大气污染的原因 既有自然因素又有人为因素 尤其是人为因 素 如工业废 气 燃烧 汽车尾气和核爆炸等 随着人类经济活 动和生产的迅速发展 在大量消耗 能源的同时 也将大量的废气 烟尘物质排入大气 严重影响了大气的质量 特别是 在人口稠密 的城市和工业区域 造成大气污染的物质主要有 一氧化碳 CO 二氧化硫 SO2 一氧化氮 NO 臭氧 O3 以及烟尘 盐粒 花粉 细菌 苞子等 如何在经济快速发展 能源需求增加的同时遏制 大气污染已成为一项巨大的科技挑战 我国政府采用综合措施 控 制大气污染水平 包括 提高能源效率优化能源结构 改造和迁移 污染工业 城市规划和绿化 机动车排污量控制 道路建设和管理 等 源头治理已成为大气污染控制中一项积极有效的措施 因而 每个工厂中的除尘净 化设施就显得尤为重要 经济合理的除尘设 备可将污染扼杀在 摇篮 中 还我们赖 以生存的大气一片洁净 本次大气污染控制及工程课程设计就是针对某化工有限公司三废混 燃锅炉烟气脱硫除尘工程方面的设计 该化工厂的大气污染物主要 是颗粒污染物和硫化物 而且排放量比较大所以必须通过有效的措 施来进行处理 以免污染空气 影响周围人们的健康生活和正常社 II 会活动 目 录 前前 言言 I I 一一 设计目的设计目的 1 1 二二 设计原始资料 设计原始资料 1 1 1 单位生产情况 1 2 锅炉参数 1 3 煤质资料参数 2 4 气象和地理条件 2 5 排放浓度 3 三三 设计计算书设计计算书 3 3 1 燃煤锅炉排烟量及烟尘和二氧化硫浓度的计算 3 2 除尘器的选择 6 3 脱硫装置的选择 13 4 确定除尘器 风机 烟囱的位置及管道布置 5 5 烟囱的设计 18 6 系统阻力的计算 23 7 风机和电动机选择的计算 27 小小 结结 2626 参考文献参考文献 2727 1 1 1 设计设计目的目的 加深理解课本所学知识 培养学生所学理论和有关工程知识 综合分析和解决实际工程设计问题的初步能力 使学生在运算 绘 图 查阅资料和设计手册使用等基本技能方面得到训练和提高 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 染控制系统设计方案 进行设计计算 绘制工程图 使用技术资料 编写设计说明书的能力 2 2 设计原始资料设计原始资料 1 单位生产情况 设计项目为 1 60t h 1 75t h 三废锅炉 燃料为某工业区洗 中煤 掺烧化肥厂造气炉排除的废渣和废气 其中 60t h 三废余热 锅炉 燃用洗中煤 12 16t h 造气炉吹风气气流量 50000 80000m3 h H2S 含量 800 1000mg m3 其中 75t h 三废余热锅 炉 燃用洗中煤 15 20t h 造气炉吹风气气流量 50000 80000m3 h H2S 含量 800 1000mg m3 治理工程在厂区内 60m 50m 范围内 烟管出锅炉房的相对标高为 3 5m 2 煤质资料参数 序号项目符号单位 1 工作基碳份 Car 22 26 2 2 工作基氢份 Har 1 9 2 4 3 工作基氧份 Oar 8 10 4 工作基氮份 Nar 5 工作基硫份 Sar 0 6 1 6 工作基水份 Mar 1 22 1 93 7 工作基灰份 Aar 49 59 8 可燃挥发份 Vdaf 14 5 15 6 9 工作基低位发热量 Qnet ar MJ kg10 58 3 灰成分分析 序号 名称符号单位设计煤种校核煤种 1 二氧化铝 SiO2 52 750 98 2 三氧化二铝 Al2O3 28 3632 08 3 三氧化二铁 Fe2O3 53 85 4 氧化钙 CaO 4 644 12 5 氧化镁 MgO 1 381 44 6 氧化钾 K2O 1 791 04 7 氧化钠 Na2O 0 210 14 8 三氧化硫 SO3 1 512 26 9 五氧化二磷 P2O5 0 220 60 10 二氧化钛 TiO2 0 860 96 4 气象和地理条件 序号气象和地理条件参数 1多年平均大气温度 15 6 2多年极端最高气温 42 3 3 3多年极端最低气温 15 3 4多年平均相对湿度67 5多年平均风速2 4m s 6累年瞬时最大风速20m s 7最大冻土深度22cm 8最大积雪深度22cm 9地基承载力230kPa 10抗震设防烈度6 度 11设计基本地震加速度值0 05g 5 排放浓度 按锅炉大气污染物排放标准 GB13271 2001 中二类区标准执行 标准状态下烟气浓度排放标准 30mg m3 标准状态下二氧化硫浓度排放标准 200mg m3 3 3 设计计算设计计算书书 1 11 1 燃煤锅炉排烟量及烟尘和二氧化硫浓度的计算燃煤锅炉排烟量及烟尘和二氧化硫浓度的计算 标准状态下理论空气量 OSHCVa70 070 056 5867 176 4 0 09 07 0008 07 002 056 525 0867 1 76 4 0 a V 3 08 3 kgm 式中 C H S O 分别代表煤中各元素所含得质量分数 标准状态下理论烟气量 V f 0 1 866 C 11 111 H 1 24 V a0da M 0 0699 S 0 79 V a0 0 8 N 4 1 866 0 25 11 111 0 02 1 24 3 08 0 01293 0 015 0 0699 0 008 0 79 3 08 3 18 3 kgm 式中 da 标况下空气含水量 标准状态下理论空气量 0 a V M 煤中水分的质量分数 N N 元素在煤中的质量分数 3 标准状态下实际烟气量 V f V f 0 1 V a0 1 24 1 V a0d a 3 18 1 2 1 3 08 1 24 1 2 1 3 08 0 01293 3 81 3 kgm 标准状态下烟气流量 Q 应以计 因此 hm 3 设计耗煤量 f VQ 设计耗煤量 f VQ 3 81 15 18 1000 1 26 105 h 3 m 式中 a 空气过量系数 4 烟气含尘浓度 f sh V Ad C m 1010 2 81 3 5 016 0 C 34 mg 5 式中 排烟中飞灰占煤中不可燃成分的质量分数 sh d 煤中不可燃成分的含量 A V f 标准状态下实际烟气量 kgm 3 造气炉吹风气气流量分别为 60000m3 h 60000m3 h H2S 含量分别 为 800mg m3 800mg m3 造气炉吹入气体温度为 60 出气口温度为 150 将造气炉入口 处的风量化为标准状况下的风量 由 PV NRT 有 入 标 入 标 60 273 273 入 标1 标1 60000 273 60 273 49189 3 则排出的总气体中 含尘浓度 1 2 标 126000 2 1 104 126000 2 49189 1 18 104 3 5 标准状态下烟气中二氧化硫浓度的计算 10 2 36 f 2 mmg V S Cso 6 so 10 81 3 008 02 C 2 1020 4 33 mmg 式中 S 煤中硫的质量分数 V f 标准状态下燃煤产生的实际烟气量 kgm 3 造气炉吹入 H2S 含量分别为 800mg m3 800mg m3 6 0 8 3 60000 3 48000 48000 34 则生成的的量也为 2 48000 34 则在标准状况下 生成的浓度为 2 h 48000 34 64 76216 3 1 18 103 3 混合后的废气中的浓度 2 2 1 18 103 49189 1 18 103 49189 4 2 103 126000 2 49189 126000 2 87 103 3 6 工艺流程的确定 通过对该公司锅炉燃煤过程中产生的烟气量 烟尘浓度 二氧化硫 浓度的计算可知 实际操作条件下 烟气量 205000 m3 h 烟尘浓 度为 21000 mg m3 二氧化硫浓度为 5387 mg m3 按 锅炉大气 污染物排放标准 GB 13271 2001 中二类区标准执行 标准状态下 烟尘浓度排放标准 30mg m3 标准状态下二氧化硫浓度排放标准 200 mg m3 要求达到国家行业的排放标准 则设计时要求除尘器的 除尘效率达到 99 75 脱硫设备要求达到的脱硫效 2 2 除尘器的选择除尘器的选择 1 除尘效率 C Cs 1 7 11800 30 1 99 75 脱硫效率 C Cs 1 2870 200 1 93 式中 C 标准状态下烟气含尘或硫浓度 3 mmg 标准状态下锅炉烟尘排放标准中规定值 s C 3 mmg 工作状况下烟气流量 h m k1 T TQ Q 3 05 01 273 150273 126000 Q 2 05 105 h m 3 式中 K 漏风系数 取 0 05 Q 标准状态下烟气流量 h m 3 工况下烟气温度 K T T 标准状态下温度 273K 则烟气流速为 205000 3600 56 94 m3 s 8 除尘器的选用要点除尘器的选用要点 1 除尘效率 布袋除尘器 对人体有严重影响的重金属粒子及亚微米级尘粒 的捕集更为有效 通常除尘效率可达 99 99 以上 排放烟尘浓度能 稳定低于 50mg Nm3 甚至可达 10 mg Nm3 以下 几乎实现零排放 而布袋除尘器的过滤机理决定了它不受燃烧煤种物化性能变化 的影响 具有稳定的除尘效率 针对目前国家环保的排放标准和排放费用的征收办法 布袋除 尘器所带来的经济效益是显而易见的 2 系统变化对除尘器的影响 1 温度的变化 对布袋除尘器 烟气温度太低 结露可能会引起 糊袋 和壳体腐蚀 烟气 温度太高超过滤料允许温度易 烧袋 而损坏滤袋 但是如果温度 的变化是在滤料的承受温度范围内 就不会影响除尘效率 引起不 良后果的温度是在极端温度 事故 不正常状态 下 因此对于布袋 除尘器就必须设有对极限温度控制的有效保护措施 对静电除尘器 烟气温度太低 结露就会引起壳体腐蚀或高压爬电 但是对 除尘效率是有好处的 烟气温度升高 粉尘比电阻升高不利于除尘 因此烟气温度直接影响除尘效率 且影响较为明显 2 烟气物化成分 或燃烧煤种 变化 9 对布袋除尘器 烟气的物化成份对布袋除尘器的除尘效率没有影响 但是如 果烟气中含有对所有滤料都有腐蚀破坏的成分时就会直接影响滤料 的使用寿命 对静电除尘器 烟气物化成份直接引起粉尘比电阻的变化 从而影响除尘效 率 而且影响很大 影响最为直接的是烟气中硫氧化物的含量 通 常硫氧气化物的含量越高 粉尘比电阻越低 粉尘越容易捕集 除 尘效率就高 反之 除尘效率就低 另外烟尘中的化学成分 如硅 铝 钾 钠等含量 的变化也将引起除尘效率的明显变化 3 空气预热器及系统管道漏风 对布袋除尘器 对于耐氧性能差的滤料会影响布袋寿命 比如 RYTON 滤料 但是除尘效率不受影响 由于混入冷风系统风量增加导致系统阻力 增加 对静电除尘器 设备阻力无明显变化 但是系统风量增加提高了电场风速对 除尘效率有影响 3 运行与管理 1 运行与管理 对布袋除尘器 10 运行稳定 控制简单 没有高电压设备 安全性好 对除尘效 率的干扰因素少 排放稳定 由于滤袋是布袋除尘器的核心部件 是布袋除尘器的心脏 且相对比较脆弱 易损 因此设备管理要求 严格 对静电除尘器 运行中对除尘效率的干扰因素多 排放不稳定 控制相对较为 复杂 高压设备安全防护要求高 由于静电除尘器均为钢结构 不 易损坏 相对于布袋除尘器 设备管理要求不很严格 2 停机和启动 对布袋除尘器 方便 但长期停运时需要做好滤袋的保护工作 对静电除尘器 方便 可随时停机 3 检修与维护 对布袋除尘器 可实现不停机检修 即在线维修 对静电除尘器 检修时一定要停机 4 运行维护费用 1 运行能耗 对布袋除尘器 风机能耗大 清灰能耗小 对静电除尘器 风机能耗小 电场能耗大 11 2 维护费用 布袋除尘器的维护检修费用主要是滤袋更换费 从目前实际运 行情况来看 一次滤袋的更换费用只需要 1 5 2 年排污费比静电除 尘器的少缴部分就可以抵偿 静电除尘器的维护维修费用主要是对阳极板 阴极线和振打锤 等的更换等 此项费用较高 但年限比较长 约 6 年左右 通过比较 选择袋式除尘器 袋式除尘器的工作原理 特点袋式除尘器的工作原理 特点 袋式除尘器是一种干式的高效除尘器 它利用多孔的袋状过滤 元件的过滤作用进行除尘 由于它具有除尘效率高 对于 0 1um 的 粉尘 效率高达 98 99 适应性强 使用灵活 结构简单 工作 稳定 便于回收粉尘 维护简单等优点 因此 袋式除尘器在冶金 化学 陶瓷 水泥 食品等不同工业部门中得到广泛的应用 在各 种高效除尘器中 是最有竞争力的一种除尘设备 袋式除尘器的工作原理 袋式除尘器所使用的滤料本身的网孔 较大 一般为 20 50um 表面起绒的滤料约为 5 10um 因此 新滤 袋的除尘效率只有 40 左右 1um 粉尘 当含尘空气通过滤料时 由于纤维的筛滤 拦截 碰撞 扩散和静电的作用 将粉尘阻留在 滤料上 形成初层 同滤料相比 多孔的初层具有更高的除尘效率 因此 袋式除尘器的过滤作用主要是依 这个初层及以后逐渐堆积起 来的粉尘层进行 随着集尘层的变厚 滤袋两侧压差变大 使除尘 器的阻力损失增大 处理的气体量减小 同时 由于空气通过滤料 孔隙的速度加快 使除尘效率下降 因此除尘器运行一段时间后 12 因此进行清灰 清除掉集尘层 但不破坏初层 以免效率下降 根据粉尘的性质 处理气量和效率 选用 TFC 型分室反吹布袋除尘 器主要性能如表 6 所示 处理风量 规格 过滤面 积 m2 m3 h 过滤风速 m min 袋数 条 效率 阻力 Pa 外型尺寸 L W H m 重量 kg TFC 4000 4000 240000 1 0 448 99 180 200 11 1 15 6 24 8 240 除尘器结构 13 3 3 湿式石灰脱硫湿式石灰脱硫 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 该法具有脱硫反应速度快 设备简单 脱硫效率高等优点 但普遍 存在腐蚀严重 运行维护费用高及易造成二次污染等问题 石灰石 14 石膏法脱硫工艺是世界上应用最广泛的一种脱硫技术 日本 德国 美国的火力发电厂采用的烟气脱硫装置约 90 采用此工艺 3 3 1 1 石石灰灰石石 石石膏膏法法脱脱硫硫工工艺艺 原原理理及及流流程程 石灰石 石膏法脱硫工艺 采用廉价易得的石灰石或石灰作 脱硫吸收剂 石灰石经破碎磨细成粉状与水混合搅拌成吸收浆液 当采用石灰为吸收剂时石灰粉经消化处理后加水制成吸收剂浆液 在吸收塔内 吸收浆液与烟气接触混合 烟气中的二氧化硫与浆 液中的碳酸钙以及鼓入的氧化空气进行化学反应从而被脱硫 最 终反应产物为石膏 吸收塔内的反应 传递也极为复杂 总的反 应为 脱硫后的烟气经除雾 224223 22COOHCaSOOHSOCaCO 器除去携带的细小液滴 经烟囱排入大气 脱硫石膏浆液经脱水 装置脱水后回收利用 剩余浆液与新加入的石灰石浆液一起循环 这样就可以使加入的吸收剂充分被利用 并确保石膏晶体的增长 石膏晶体的正常增长是最终产品处理比较简单的先决条件 新鲜 的吸收剂石灰石浆液根据 pH 值和分离 SO2 量按一定比例直接加 入吸收塔 湿式烟气脱硫工艺中 吸收塔循环浆液的pH 值 液气比 烟气速度 烟气温度等参数对烟气脱硫系统的设计和运行影响较 大 3 1 13 1 1 吸收塔洗涤浆液的吸收塔洗涤浆液的 PHPH 15 吸收塔洗涤浆液中 pH 值的高低直接影响 SO2 的吸收率及设备的 结垢 腐蚀程度等 而且脱硫过程的 pH 值是在一定范围内变化的 长期的研究和工程实践表明 湿法烟气脱硫的工艺系统一般要求洗 浆液的 P H 值控制在 4 5 5 5 之 间 3 1 23 1 2 液气比液气比 石灰石法喷淋塔的液气比一般在 15 25 L m3 取 L G 18L m3 则 液体用量hLQL 65 1027 21026 11818 3 1 33 1 3 烟气流速和烟气温度烟气流速和烟气温度 目前 将吸收塔内烟气流速控制在 2 6 3 5 m s 较合理 典型 值为 3m s 则吸收塔的截面积为 116 67 1 26 106 3 3600 低洗涤温度有利于 SO2 的吸收 所以要求整个浆液洗涤过程中 的烟气温度都在 100 以下 150 左右的原烟气进入吸收塔后 经 过多级喷淋层的洗涤降温 到吸收塔出口时温度一般为 45 70 3 23 2 喷淋塔喷淋塔 3 2 13 2 1 喷淋塔内流量计算喷淋塔内流量计算 假设喷淋塔内平均温度为 压力为 120KPa 则喷淋塔内烟气流 C80 量为 16 式中 喷淋塔内烟气流量 标况下烟气流量 K 除尘前漏气系数 0 0 1 代入公式得 QV 66 67m s 3 2 23 2 2 喷淋塔径计算喷淋塔径计算 依据石灰石烟气脱硫的操作条件参数 可选择喷淋塔内烟气流速依据石灰石烟气脱硫的操作条件参数 可选择喷淋塔内烟气流速 smv4 则喷淋塔截面则喷淋塔截面 A A 为 为 2 67 16 4 67 66 m v Q A 则塔径则塔径 d d 为 为 m A d61 4 14 3 16 6744 取塔径取塔径 mmD4610 3 2 33 2 3 喷淋塔高度计算喷淋塔高度计算 喷淋塔可看做由三部分组成 分成为吸收区 除雾区和浆池 1 吸收区高度 依据石灰石法烟气脱硫的操作条件参数得 选择喷淋塔喷气液反应 时间 t 4s 则喷淋塔的吸收区高度为 hQV m104 206 01 201 324 101 273 80273 205000 35 17 2 除雾区高度 除雾器设计成两段 每层除雾器上下各设有冲洗喷嘴 最下层冲洗 喷嘴距最上层 3 4 3 5 m 则取除雾区高度为 mH5 3 2 3 浆池高度 浆池容量 V1 按液气比浆液停留时间 t1 确定 式中 液气比 取 G L 3 18mL Q 标况下烟气量 hm3 t1 浆液停留时间 s 一般 t1 为 本设计中取值为 则浆池容积为 min8 min4min5 353 1 189 60 5 1026 11018mV 选取浆池直径等于或略大于喷淋塔 D0 本设计中选取的浆料直径为 D0 5m 然后再根据 V1 计算浆池高度 式中 h0 浆池高度 m V1 浆池容积 3 m D0 浆池直径 m 18 mh63 9 514 3 1894 2 从浆池液面到烟气进口底边的高度为 0 82m 本设计中取为 2m 4 喷淋塔高度 喷淋塔高度为 mhHHHt13 2963 95 316 21 3 2 43 2 4 新鲜浆料的确定新鲜浆料的确定 slgs OHCaSOOHSOCaO 2322 22 1mol 1mol 因为根据经验一般钙 硫为 1 05 1 1 此处设计取为 1 05 则由平 衡计算可得 1h 需消耗 CaO 的量为 281kg h 4 4 确定除尘器 风机 烟囱的位置及管道布置确定除尘器 风机 烟囱的位置及管道布置 1 各装置及管道布置的原则 根据锅炉运行情况现场的实际情况确定各装置的位置 一 旦确定各装置的位置 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 并使安 装 操作方便 2 管径的确定 v Q d 4 式中 Q 工作状态下管道内的烟气流量 s m3 烟气流速 取 14vsm 除尘器前管径为 d1 2 27m 19 除尘器后管径为 d2 2 29m 圆整并选取风道 内径 d 2500 2 1 0 2498 mm 由公式可计算出实际烟气流速 v Q d 4 4 2 4 57 2 4982 11 63 sm 5 烟囱的设计烟囱的设计 查表得 烟囱高度 45 米 2 烟囱直径的计算 烟囱出口内径可按下式计算 Q d0188 0 Q 通过烟囱的总烟气量 hm 3 按表三选取的烟囱出口烟气流速 选定 4 sm sm 0 0188 205000 4 4 26 圆整取 d 4 3m 烟囱底部直径 Hidd 2 21 1 4 26 2 0 02 45 6 06 式中 烟囱出口直径 m 2 d H 烟囱高度 m i 烟囱锥度 取 i 0 02 20 3 烟囱的抽力 B tt HS pk y 273 1 273 1 0342 0 Sy 0 0342 45 1 273 10 1 273 150 101 325 103 182 a P 式中 H 烟囱高度 m 外界空气温度 k tC o 烟囱内烟气平均温度 p tC o B 当地大气压 a P 6 6 系统阻力的计算系统阻力的计算 1 摩擦压力损失 2 2 v d L PL 式中 L 管道长度 m d 管道直径 m 烟气密度 3 mkg 管中气流平均速率v 摩擦阻力系数 a 对于 2300 圆管 L 35m 21 273 273 150 1 293 0 645 0 846 3 0 02 35 2 3 0 846 11 632 2 17 41 2 局部压力损失 Pa 2 2 v p 式中 异形管件的局部阻力系数可在有关手册中查到 v 与 像对应的断面平均气流速率 m s 烟气密度 3 m kg a 除尘器进气管的计算 渐缩管的计算 45 时 0 1 取 45 v 11 63m s 72 5 2 63 11846 0 1 0 2 22 Pa v p 图 4 为渐扩管 图 4 b 除尘器出气管的计算 渐扩管的计算 45 时 0 1 取 30 v 12 5m s 22 5 7 2 11 63684 0 1 0 2 22 Pa v p 设两个均为 90 弯头 D 2300 取 R D 0 7 则 0 5 P 6 28 2 63 11846 0 5 0 2 v p a 22 两个弯头 a Ppp2 576 2822 图 5 为渐缩管 图 5 c T 形三通管 0 78 P 44 6 2 11 63846 0 78 0 2 v p a 22 23 对于 T 形合流三通