某小型燃煤电站锅炉烟气除尘,脱硫,脱氮处理系统的设计

1、大气污染控制工程课程设计一、 课程设计题目某小型燃煤电站锅炉烟气除尘，脱硫，脱氮处理系统的设计二、 设计原始资料锅炉型号：FG-45/3.82-M型（45t/h蒸气）；设计耗煤量：713.6kg/h；排烟温度；160；空气过剩系数:=1.35；烟气密度（标态）：1.40kg/m3，室外空气平均温度：10；锅炉出口前烟气阻力：1200Pa；排烟中飞灰占煤中不可燃成分的比例：19；烟气其他性质按空气计算；煤的工业分析：C=68%；H=4%；S=2.6%；O=5%；N=2.5%；W=5%；A=14%；V=11%；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

2、排放标准：200mg/m3；标准状态下SO2排放标准：900mg/m3；标准状态下NO2排放标准：400mg/m3。 假设N有45%转化为NO2，S有98%转化为SO2。1、计算烟气排放量及烟气中的各污染组分浓度。2、整污染治理工艺的选择3、污染治理的设备主要参数及规格计算。4、烟囱的排放口尺寸及高度。1、锅炉设备的主要参数设计耗煤量：713.6kg/h排烟温度：160 2、污染源强相关参数烟气密度（标态）：1.4g/m3烟气在锅炉出口的阻力：1200Pa排烟中飞灰占煤中不可燃成分的比例：19当地大气压：101.325×(273+10)/273=105.04KPa室外空气温度：10空

3、气过剩系数：=1.353、煤的工业分析值C=68%；H=4%；S=2.6%；O=5%；N=2.5%；W（水分）=5%；A（灰分）=14%；V（挥发分）=11%；45%的N转化为NO2，98%的S转化为SO2。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；标准状态下NO2排放标准：400mg/m3。三、 设计计算1. 燃煤锅炉排烟量及烟尘和二氧化硫浓度的计算以1kg煤来计算Mol数需氧量烟气量C68%56.6756.6756.67H4%401020S2.6%0.810.81*0.98

4、=0.790.81*0.98=0.79O5%3.125-1.56250N2.5%1.1251.1251.125()1.37500.6785()W5%A14%V12%（1） 标准状态下理论空气量与实际空气量=67.03mol/kg=1.5 mol/kg=7.17 （2） 标准状态下理论烟气量 =7.51 （3） 标准状态下实际空气烟气量 =10.01 标准状态下烟气流量V应以计,因此,=10.01×713.6 =7143() 式中a -空气过量系数-标准状态下理论烟气量, -标准状态下理论空气量,（4） 烟气含尘浓度 = 2657（mg/m3）式中-排烟中飞灰占煤中不可燃成分的质量分数

5、 -煤中不可燃成分的含量 14% -标准状态下实际烟气量, ()(5)标准状态下烟气中二氧化硫浓度的计算 式中 S-煤中硫的质量分数 -标准状态下燃煤产生的实际烟气量,()2除尘器的选择（1）除尘效率 = 92.47%式中-标准状态下烟气含尘浓度, -标准状态下锅炉烟尘排放标准中规定值, （2）除尘器的选择 工作状况下烟气流量 =11329.4式中V-标准状态下烟气流量, -工况下烟气温度,K T-标准状态下温度,273K则烟气流速为 所以采用旋风除尘器3.旋风除尘器的设计出于安全考虑，旋风除尘器按烟气流量为2000（m3/h）进行设计。（1）确定旋风除尘器的进口气流速度v 通常锅炉的烟气流速

6、为1225m/s，可设=18m/s。（2）确定旋风除尘器的几何尺寸a.进口截面积F 式中 A旋风除尘器的进口高度； B旋风除尘器的进口宽度。取A=2B，则A=248mm；B=124mm。b.筒体直径D 取B=0.3D，则D=3.33B=412.92mm；c.筒体高度H1 取H1=1.7D=1.7×412.92=701.96mm；d.锥体高度H2 取H2=2.3D=2.3×412.92=949.72mm；e.排灰口直径D1 取D1=0.6D=0.43×412.92=177.56mm；f.出口管直径D2 取D2=0.6D=0.5×412.92=247.75m

7、m；g.出口管长度H3 取H3=0.625D=0.625×412.92=258.08mm；(3)压力损失P 式中：K系数，标准切向进口，K=16； 工况下烟气密度，（kg/m3） 由上述计算可知所设计的除尘器的处理量为2000m3/h，进口气流速度为18m/s，P=523.36Pa，具体外型结构尺寸如下（mm）表一 外型结构尺寸（mm）DD1D2H1H2H3AB412.92177.56247.75701.96949.72258.082481244、脱硫吸收塔（喷淋吸收空塔）的设计所需空气量：烟气量：标况烟气流量：其中SO2体积为：烟气中SO2浓度为： 即：按照900mg/m3的排放标

8、准，则脱硫率至少为，本设计方案即取90%，设系统钙硫比1.2, 则一天内石灰石的消耗量： （1）烟气流速 在保证除雾器对烟气中所携带水滴的去除效率及吸收系统压降允许的条件下，适当提高烟气流速，可加剧烟气和浆液液滴之间的湍流强度，从而增加两者之间的接触面积。同时，较高的烟气流速还可持托下落的液滴，延长其在吸收区的停留时间，从而提高脱硫效率。另外，较高的烟气流速还可适当减少吸收塔和塔内件的几何尺寸，提高吸收塔的性价比。在吸收塔中，烟气流速通常为34.5m/s。许多工程实践表明，3.5m/s烟气流速(110%过负荷)4.2m/s是性价比较高的流速区域。综合考虑，本设计烟气流速取3.5m/s。（2）喷

9、淋塔吸收区高度（h1） 含有二氧化硫的烟气通过喷淋塔将此过程中塔内的二氧化硫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。 (1) 其中 C为标准状态下进口烟气的质量浓度，kg/m3,本设计为6.06g/m3； 为给定的二氧化硫吸收率,;本设计方案为90；h为吸收塔内吸收区高度，m；K0为常数，其数值取决于烟气流速u(m/s)和操作温度()；K0=3600u×273/(273+t)由于传质方程可得喷淋塔内单位横截面面积上吸收二氧化硫的量为： （2）其中: G为载气流量(二氧化硫浓度比较低，可以近似看作烟气流量)，kmol/( m2.s)；y1,

10、y2 分别为、进塔出塔气体中二氧化硫的摩尔分数（标准状态下的体积分数）；ky 单位体积内二氧化硫以气相摩尔差为推动力的总传质系数，kg/(m3s)；a 为单位体积内的有效传质面积，m2/m3； 为平均推动力，即塔底推动力， 所以 吸收效率 又因为将式子（3）的单位换算成,可以写成 在喷淋塔操作温度下、烟气流速为 u=3.5m/s、脱硫效率，前面已经求得原来烟气二氧化硫质量浓度为而原来烟气的流量（标准状态时）为故在标准状态下、单位时间内每立方米烟气中含有二氧化硫质量为 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， 烟气流速,由已经有的经验，吸收率范围在之间，取；代入（4）

11、式可得故吸收区高度：h1=4.57m4.6m(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。湿法烟气脱硫采用的主要是折流板除雾器，其次是旋流板除雾器。 除雾器的选型折流板除雾器 折流板除雾器是利用液滴与某种固体表面相撞击而将液滴凝聚并捕集的，气体通过曲折的挡板，流线多次偏转，液滴则由于惯性而撞击在挡板被捕集下来。通常，折流板除雾器中两板之间的距离为20-30mm，对于垂直安置，气体平均流

12、速为23m/s；对于水平放置，气体流速一般为610m/s。气体流速过高会引起二次夹带。旋流板除雾器 气流在穿过除雾器板片间隙时变成旋转气流，其中的液滴在惯性作用下以一定的仰角射出作螺旋运动而被甩向外侧，汇集流到溢流槽内，达到除雾的目的，除雾率可达9099。喷淋塔除雾区分成两段，每层喷淋塔除雾器上下各设有冲洗喷嘴。最下层冲洗喷嘴距最上层喷淋层（3-3.5）m，距离最上层冲洗喷嘴（3.4-32）m。 除雾器的主要设计指标a.冲洗覆盖率：冲洗覆盖率是指冲洗水对除雾器断面的覆盖程度。冲洗覆盖率一般可以选在100 %300 %之间。 式中：n 为喷嘴数量，20个；为喷射扩散角，90°；A 为除

13、雾器有效通流面积 ,15 m2；h 为冲洗喷嘴距除雾器表面的垂直距离,0.05m；b.除雾器冲洗周期：冲洗周期是指除雾器每次冲洗的时间间隔。由于除雾器冲洗期间会导致烟气带水量加大。所以冲洗不宜过于频繁,但也不能间隔太长,否则易产生结垢现象,除雾器的冲洗周期主要根据烟气特征及吸收剂确定。c.除雾效率。指除雾器在单位时间内捕集到的液滴质量与进入除雾器液滴质量的比值。影响除雾效率的因素很多,主要包括:烟气流速、通过除雾器断面气流分布的均匀性、叶片结构、叶片之间的距离及除雾器布置形式等。d.系统压力降。指烟气通过除雾器通道时所产生的压力损失 ,系统压力降越大 ,能耗就越高。除雾系统压降的大小主要与烟气

14、流速、叶片结构、叶片间距及烟气带水负荷等因素有关。当除雾器叶片上结垢严重时系统压力降会明显提高 ,所以通过监测压力降的变化有助把握系统的状行状态 ,及时发现问题 ,并进行处理。e.烟气流速。通过除雾器断面的烟气流速过高或过低都不利于除雾器的正常运行 ,烟气流速过高易造成烟气二次带水,从而降低除雾效率,同时流速高、系统阻力大,能耗高。通过除雾器断面的流速过低,不利于气液分离,同样不利于提高除雾效率。设计烟气流速应接近于临界流速。根据不同除雾器叶片结构及布置形式,设计流速一般选定在3.55.5m/ s之间。本方案的烟气设计流速为3.5m/s。f.除雾器叶片间距。除雾器叶片间距的选取对保证除雾效率

15、,维持除雾系统稳定运行至关重要。叶片间距大 ,除雾效率低 ,烟气带水严重 ,易造成风机故障 ,导致整个系统非正常停运。叶片间距选取过小,除加大能耗外 ,冲洗的效果也有所下降 ,叶片上易结垢、堵塞 ,最终也会造成系统停运。叶片间距一般设计在 2095mm。目前脱硫系统中最常用的除雾器叶片间距大多在3050mm。g.除雾器冲洗水压。除雾器水压一般根据冲洗喷嘴的特征及喷嘴与除雾器之间的距离等因素确定，喷嘴与除雾器之间距离一般小于1m ,冲洗水压低时,冲洗效果差,冲洗水压过高则易增加烟气带水,同时降低叶片使用寿命。h.除雾器冲洗水量。选择除雾器冲水量除了需满足除雾器自身的要求外，还需考虑系统水平衡的要

16、求,有些条件下需采用大水量短时间冲洗,有时则采用小水量长时间冲洗,具体冲水量需由工况条件确定,一般情况下除雾器断面上瞬时冲洗耗水量约为综上所述，除雾区的最终高度确定为3.5m，即(4)喷淋塔浆液高度设计（h2）浆液池容量V1按照液气比L/G和浆液停留时间来确定，计算式子如下： 其中：L/G为液气比,20L/m3；VN为烟气标准状态湿态容积，VN=Vg=0.23m3/s；t1=2-6 min,取t1=5min=300s。由上式可得喷淋塔浆液池体积考虑到实际环境，取V1=50m3吸收塔内径考虑到实际环境，取D=3m选取浆液池内径大于吸收区内径1m，内径D2= Di+1m=4m而 所以浆液池高度（5

17、）喷淋塔烟气进口高度设计（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0.23m3/s，可得 所以 h4=0.11m考虑实际问题，取h4=0.5m2×0.5=1.0m(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（设为H,单位m）等于喷淋塔的浆液池高度h2 (单位m)、喷淋塔吸收区高度h1 (单位m)和喷淋塔的除雾区高度h3（单位m）相加起来的数值。此外，还要将喷淋塔烟气进口高度h4（单位m）

18、计算在内因此喷淋塔最终的高度为烟气的停留时间=（18.4-4-2）/3.5=3.54s（6）喷淋塔的直径设计根据锅炉排放的烟气，计算运行工况下的塔内烟气体积流量，此时要考虑以下几种引起烟气体体积流量变化的情况：塔内操作温度低于进口烟气温度，烟气容积变小；浆液在塔内蒸发水分以及塔下部送入空气的剩余氮气使得烟气体积流量增大。喷淋塔内径在烟气流速和平均实际总烟气量确定的情况下才能算出来，而以往的计算都只有考虑烟道气进入脱硫塔的流量，为了更加准确，本方案将浆液蒸发水分V2 (m3/s)和氧化风机鼓入空气氧化后剩余空气流量V3 (m3/s) 均计算在内，以上均表示换算成标准状态时候的流量。吸收塔进口烟气

19、量Va (m3/s)计算该数值已经由设计任务书中给出，烟气进口量为：0.23 m3/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。喷淋塔内实际运行条件下塔内气体流量： 喷淋塔直径的计算假设喷淋塔截面为圆形，将上述的因素考虑进去以后，可以得到实际运行状态下烟气体积流量Vg，从而选取烟速u，则塔径计算公式为： 其中： Vg为实际运行状态下烟气体积流量，0.23 m3/s u为烟气速度，3.5m/s 因此喷淋塔的内径为 （7）吸收塔喷淋系

20、统的设计在满足吸收二氧化硫所需表面积的同时，应该尽量把喷淋造成的压力损失降低到最小，喷嘴是净化装置的最关键部分，必须满足以下条件：能产生实心锥体形状，喷射区为圆形，喷射角度为60-120；喷嘴内液体流道大而畅通，具有防止堵塞的功能；采用特殊的合金材料制作，具有良好的防腐性能和耐磨性能；喷嘴体积小，安装清洗方便；喷雾液滴大小均匀，比表面积大而又不容易引起带水。雾化喷嘴的功能是将大量的石灰石浆液转化为能够提供足够接触面积的雾化小液滴以有效脱除烟气中二氧化硫。湿法脱硫采用的喷嘴一般为离心压力雾化喷嘴，可粗略分为旋转型和离心型。常用的有空心锥切线型、实心锥切线型、双空心锥切线型、实心锥型、螺旋型等5种

21、。喷嘴布置分成2-6层，一般情况下为4层；层数的安排可以根据脱硫效率的具体要求来增减。底负荷时可以停止使用某一层，层间距0.8-2米，离心式喷嘴1.7米。实际上从浆液池液面到除雾器，整个高度都在进行吸收反应。因而实际吸收区高度要比h高6-8米。本方案采用4层喷嘴，层间距为1.5米。每台吸收塔再循环泵均对应一个喷淋层，喷淋层上安装空心锥喷嘴，其作用是将石灰石/石膏浆液雾化。浆液由吸收塔再循环泵输送到喷嘴，喷入烟气中。喷淋系统能使浆液在吸收塔内均匀分布，流经每个喷淋层的流量相等。一个喷淋层由带连接支管的母管制浆液分布管道和喷嘴组成，喷淋组件及喷嘴的布置成均匀覆盖吸收塔的横截面，并达到要求的喷淋浆液

22、覆盖率，使吸收浆液与烟气充分接触，从而保证在适当的液/气比（L/G）下可靠地实现至少95%的脱硫效率，且在吸收塔的内表面不产生结垢。喷嘴系统管道采用FRP玻璃钢，喷嘴采用SIC,是一种脆性材料，但是特别耐磨，而且抗化学腐蚀，可以长期运行而无腐蚀、无磨损、无石膏结垢以及堵塞等问题。喷管管数的确定：取液气比20L/m3根据单层浆体总流量Q l和单个喷嘴流量Qs，可得单层喷嘴个数n：而单个喷嘴流量为Qs=0.01L/s，而所以N=1.53/0.01=153。 5、确定除尘器，风机，烟囱的位置及管道布置。并计算各管段的管径，长度烟囱高度和出口内径以及系统总阻力。（1）各装置及管道布置的原则 根据锅炉运

23、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，占地面积小，投资省，并使安装，操作方便。（2）管径的确定 烟气流量为0.5045m3/s，所以，管径计算如下：（m） 式中Q 工作状态下管道内的烟气流量， 烟气流速， 取 18圆整并选取风道表二 风管尺寸 外径 钢制板风管 外径允许偏差/ 壁厚/ 200 0.5 内径：d=200-2×0.5=199() 由公式可计算出实际烟气流速： （）6、烟囱的计算（1）烟囱高度的确定确定烟囱高度，既要满足大气污染物的扩散稀释要求，又要考虑节省投资。首先确定共用

24、一个烟囱的所有锅炉的总的蒸发量，然后根据锅炉大气污染物排放标准中的规定确定烟囱的高度。表三 锅炉蒸发量与烟囱高度关系锅炉总额定出力t/h11-22-66-1010-2026-35烟囱最低高度/202530354045由锅炉污染综合排放标准上的锅炉的总的蒸发量与烟囱高度的数据,所以我选定烟囱高度为 25m。（2）烟囱直径的计算 烟囱出口内径可按下式计算： Q通过烟囱的总烟气量，按表三选取的烟囱出口烟气流速，。 表四 烟囱出口烟气流速（m/s） 通风方式 运 行 情 况全负荷时 最小负荷 机械通风 1220 45 自然通风 1015 2.53选定=2.5 圆整取d=1.1m烟囱底部直径取d1= 2.1m式中：烟囱出口直径，mH烟囱高度，mi烟囱锥度，取 i=0.02（3）烟囱的抽力 =114.33式中 H烟囱高度，m外界空气温度，烟囱内烟气平均温度，B当地大气压，7、系统阻力的计算 摩擦压力损失 式中L管道长度，md管道直径，m烟气密度，管中气流平均速率摩擦阻力系数对于200圆管 L=30m （2）局部压力损失(Pa)式中 异形管件的局部阻力系数可查到 v与像对应的断面平均气流速率,m/s 烟气密度