大气污染控制课程设计

中北大学课程设计说明书第页1绪论1.1设计背景2011年两会的一个热点话就是大气污染问题。“十一五”经过全国的共同努力，化学需氧量和二氧化硫减排量都超额完成了任务。“十二五”国家决定继续把化学需氧量、二氧化硫排放量作为约束性指标，同时根据环境保护的需要、根据改善环境质量的需要，又把氮氧化物和氨氮列入了约束性指标。指标的减排幅度是8%-10%。由此可见大气污染已经引起了各国的格外重视。大气污染主要有温室效应、臭氧层破坏和酸雨。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，主要污染物是二氧化硫和烟尘。据统计，1990年全国煤炭消耗量10.52亿吨，到1995年煤炭消耗量增至12.8亿吨，二氧化硫排放量达2232万吨。超过欧洲和美国，居世界首位。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。此次课程设计主要采用电除尘器和湿式脱硫技术来处理高硫无烟煤，使其达到锅炉大气污染物排放标准中2类区新建排污项目的排放标准。1.2脱硫除尘技术简介1.2.1除尘技术从气体中去除和捕集固态或液态颗粒的设备称为除尘设备，根据除尘机理，目前常用的除尘设备可分为：机械除尘器、电除尘器、袋式除尘器和湿式除尘器等。机械除尘器通常指利用质量力（重力、惯性力和离心力等）作用使颗粒物与气流分离的装置，包括重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器等。电除尘器是含尘气体在通过高压电场进行电离的过程中，使尘粒荷电，并在电场力的作用下使荷电尘粒沉积在集尘板上，使之从含尘气体中分离出来的除尘装置。袋式除尘器是使含尘气流通过过滤材料将粉尘分离捕集的装置，采用滤纸或玻璃纤维等填充层做滤料的空气过滤器，主要用于通风及空气调节方面的气体净化[1]。本次课程设计主要介绍电除尘器。1.2.2电除尘器工作原理及特点电除尘器以其除尘效率高、阻力低、烟气处理量大、耐热温度高等优点而成为粉尘捕集回收和气体净化的主要设备，已广泛应用于有色金属、冶金、电力、建材、石油、化工等行业。目前，电除尘器主要采用常规直流供电，该供电方式对高温微细等高比电阻粉尘易产生反电晕现象，除尘效率低，且除尘效率随比电阻的增加而下降。电除尘器的工作原理[2]如下：(1)电晕放电和空间电荷的形成在电晕极与积尘极之间施加直流高电压，使放电极发生电晕放电，，气体电离，生成大量自由电子和正离子。正离子被电晕极吸收而失去电荷。自由电子和气流中负电性气体分子俘获自由电子后形成的气体负离子，在电场力的作用下向集尘极移动便形成了空间电荷。(2)粒子荷电通过电厂空间的气溶胶粒子与自由电子、气体负离子碰撞附着，便实现了粒子荷电。(3)粒子沉降在电场力的作用下，荷电粒子被驱往集尘极，少数的尘粒相遇，使其荷正电，它们也将沉集在截面很小的电晕极上。(4)粒子清除电除尘器的特点：优点：①压力损失小，一般为200-500Pa；②处理烟气量大，可达10-10m/h；③能耗大，大约0.2-0.4kwh/1000m；④对细粉尘有很高的补集效率，可高于99%；⑤可在高温或强腐蚀性气体下操作[1]。缺点：主要是设备庞大，耗钢多，需高压变电和整流设备，故投资高；要求制造、安装和管理的技术水平高；除尘效率受粉尘比电阻影响较大，一般对比电阻小于10-10·cm或大于10-10·cm的粉尘，若不采用一定的措施，除尘效率将受一定的影响；此外，初始浓度大于30g/m的含尘气体需设置预处理装置。1.2.3脱硫技术烟气脱硫方法可分为两类即抛弃法和再生法，抛弃法即在脱硫过程中将形成的固体产物废弃，这需要连续不断加入新鲜的化学吸收剂，而再生法是指反应过的吸收剂可连续的在一个封闭系统中再生，再生后的脱硫剂和补充的新鲜吸收剂再回到脱硫系统循环使用。按照脱硫剂是否以溶液状态进行脱硫可分为湿法和干法脱硫[1]。而现在使用最广泛的是湿式脱硫技术，燃用中高硫煤（含硫>2%）机组、或大容量机组(≥200MW)的电站锅炉建设烟气脱硫设施时，一般应优先采用湿式石灰石一石膏法工艺，脱硫率应保证在90%以上[1]。本次课程设计就是就是高硫煤故用的是湿式石灰法。1.2.4湿式石灰法工作原理及特点烟气脱硫中目前使用最广泛的湿法烟气脱硫技术，主要是石灰石/石灰洗涤法，占整个湿法烟气脱硫技术的36.7%。它是采用石灰或石灰石的浆液在洗涤塔内吸收烟气中的SO2并副产石膏的一种方法[3]。湿式钙法通常有抛弃法、回收法和双循环湿式钙法等，抛弃法和回收法区别在脱硫产物是否再利用。其中回收法的脱硫产物为二水石膏(CaSO·2H2O)，此法以日本应用最多。石膏的主要用途是作为建筑材料，高质量石膏作为石膏板材的原料。我国重庆珞磺电厂引进日本三菱公司的技术就是这种方法。湿式石灰/石灰石法脱硫最早由英国皇家化学工业公司在20世纪30年代提出，目前是应用最广泛的脱硫技术。它的脱硫过程是气液反应，其脱硫反应速率快，脱硫效率高，钙利用率高，在钙硫比等于1时，可达到90%以上的脱硫效率，适合于大型燃煤电站锅炉的烟气脱硫。湿式石灰/石灰石反应原理为：湿式石灰法是用石灰浆液吸收烟气中的二氧化硫，首先生成亚硫酸钙生成石膏，因此就整个方法的过程来言，主要分为吸收和氧化两个步骤，整个过程发生的主要反应如下：吸收过程：在吸收塔内主要反应如下：由于烟气中含有氧，有如下副反应发生：氧化过程：在氧化塔内，主要反应有：湿式石灰/石灰石法的优点是脱硫效率高技术成熟；运行可靠性好；对煤种变化的适应性强；占地面积大，一次性建设投资相对较大；吸收剂资源丰富，价格便宜；脱硫副产物便于综合利用；技术进步快等特点。缺点：易发生设备结垢堵塞或磨损设备。投资费用高；占地面积大，耗水量相对较大，有少量污水排放。2电除尘器与湿式石灰法的运行条件及参数2.1影响电除尘器效率的因素电除尘器主要通过点晕放电和空间电荷形成、粒子荷电、粒子沉降和粒子清除四个过程，故影响除尘效率的主要因素有尘粒的特性、除尘结构和操作参数。1、尘粒粒径颗粒粒径不同，在电场中的荷电机制不同，驱进速度显著不同。大于1um的尘粒，随着、粒径的减小，除尘效率降低。粒径0.1~1um的尘粒，除尘效率几乎不受颗粒粒径的影响。另外尘粒比电阻也是一个影响因素，尘粒比电阻表示尘粒的导电性。定义为厚1cm，覆盖1cm2收尘面积的粉尘层电阻，尘粒比电阻越低越容易荷电，除尘效率提高。2、除尘器结构除尘器结构影响因素有三方面，=1\*GB3①比收尘面积对除尘效率有明显影响，比收尘面积增大，颗粒被捕集的机会增加，除尘效率提高。=2\*GB3②收尘极与电晕极之间的距离对除尘效率也有较大影响。气体流速一定的情况下，驱进速度一定，极间距越小，颗粒到达收尘极板的时间越短，颗粒越容易被捕集，但间距过小一造成二次飞扬。=3\*GB3③收尘板有效高度与高度之比直接影响振打清灰时二次扬尘的多少。与收尘板高度相比，如收尘板不够长，部分下落灰尘在到达灰斗之前可能被烟气带出除尘器，从而降低了除尘效率。3、操作参数供电装置的容量，输出电压的高低，电压波形和稳定性以及供电分组都会影响电除尘器的除尘效率[4]。2.2电除尘器运行参数具体的运行参数如表2-1[1]：表2-1电除尘器运行参数参数符号取值范围板间距S23~28cm驱进速度ω0.05~0.15m/s比集尘极表面积A/Q300~2400m2/(1000m3/min)气流速度v1~2m/s长高比L/H0.5~1.5烟煤锅炉v1.1~1.6m/s另外取大气压P，Pa，除尘效率为98%，宽裕系数m=1.5~2.0；通道宽B=0.3m。2.3电除尘器的结构工艺图2-3电除尘器结构2.4影响脱硫效率的因素(1)液气比吸收液与吸收气体的体积比即液气比（VL/VG）的大小是影响SO2去除的重要参数，增大VL/VG的作用是增大液气传质速率从而提高脱硫效率；(2)吸收液pH值吸收液的pH值是烟气脱硫重点控制的化学参数之一，吸收液的pH值越高，越有利于SO2的吸收，有利于提高脱硫效率。但高pH值容易造成系统结垢和堵塞，需增加冲洗的次数和能耗，因此需控制在适当水平；(3)入口SO2浓度脱硫效率与烟气入口SO2浓度近似成反比，当进口SO2浓度增大，脱硫效率呈直线下降；(4)钙硫比采用不同的钙硫质量比mCa/mS（0.6～1.6）来测试其对脱硫效率的影响。结果表明：随mCa/mS的增大，脱硫率增大。当mCa/mS<1时，提供的吸收剂不能满足吸收烟气中SO2的需要，这时脱硫率完全由吸收剂量所决定。当mCa/mS﹥1时，即加入的吸收剂过量时，脱硫率的增加速率降低，石灰利用率也下降。因此，为了提高系统的运行经济性及所需要的脱硫率，需控制mCa/mS在合理范围内（一般在1.05～1.1）；(5)空塔流速（V）空塔流速的提高造成脱硫效率的下降。因为脱硫器采用逆流操作，空塔气速的提高使得液滴的停留时间延长，但是塔内反应为快速化学反应，停留时间越长，液滴内脱硫剂的浓度越低，造成液滴内的SO2质量流速的减小，从而造成单个液滴脱硫效率的下降。同时空塔流速增大，烟气在反应器中的停留时间缩短，减少了气、液间的接触时间，致使整个塔体的脱硫效率降低；(6)烟气温度（T）随着烟气温度的增加，脱硫效率逐渐降低。这是由于随着温度的增大，气体分子之间的相对运动加快，使部分吸收质分子解析速度加大，从而导致脱硫效率的降低。可见在脱硫工艺过程中，适当的降低烟气温度有助于提高脱硫效率。2.5湿式石灰法的运行参数1.吸收反应时间t，一般石灰系统的烟气脱硫时间为3～5s,取t=4s2.钙/硫为根据经验一般：1.05～1.1，取为1.1；3.液气比一般为：4.7～13.6L/m3，取10L/m34.浆液的质量浓度为10%～15%，取15%；5.空塔流速一般空塔流速为1～5m/s,取4m/s；6.烟囱出口烟气流速参数如图2-2所示：通风方式运行情况全负荷时最小负荷机械通风10—204—5自然通风6—102.5—3表2-2烟囱出口烟气流速/（m/s）7.烟囱椎角i通常取i=0.02～0.03，取i=0.02；8.摩擦阻力系数λ，可查手册得到实际中对金属管道λ值取0.02；9.管道内烟气流速v对于锅炉内烟尘v=10～25m/s，此处设计取v=20m/s；10.管道的局部阻力系数取ξ，取ζ=0.29。2.6湿式石灰法的工艺流程图再热器换热器除雾器再热器换热器除雾器固液分离器循环泵储液槽烟囱喷淋塔新鲜石灰浆液含硫烟气引风机3火电厂高硫无烟煤烟气电除尘器湿式脱硫计算3.1原始数据锅炉型号：SG-400/140即，上海锅炉厂制造，蒸发量400t/h，出口蒸汽压力140MPa燃烧方式是室燃炉（煤粉炉），所配发电机组功率125MW；设计耗煤量：41t/h；设计煤成分：CY=67%HY=2.3%OY=13%NY=1.5%SY=3.5%AY=11%WY=4.5%；VY＝9％属于高硫无烟煤；排烟温度：160℃；空气过剩系数＝1.35；飞灰率＝29％+28×0.1%=31.8 烟气在锅炉出口前阻力1060Pa污染物排放按照锅炉大气污染物排放标准中2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550m，90°弯头75个。3.2基础燃烧计算3.2.1基础需氧量及烟气量的计算以1kg该高硫无烟煤燃烧为基础得：元素质量（g）摩尔数（mol）需氧数（mol）生成物（mol）C67055.8355.83H23235.75O1308.125-4.0625N151.07S351.093751.09375W452.50A110故理论需氧量为：假定干空气中氮与氧的摩尔比为3.78，则1kg该煤完全燃烧所需理论需气量为：实际所需空气量为：燃用1kg该煤产生的烟气摩尔组成为：CO255.83;H2O11.5+2.5;N258.611×3.678+0.535;SO21.09375故理论烟气量为：空气过剩系数，实际烟气量为3.2.2烟气中各组分的浓度计算标况下烟气中的浓度为：标况下烟气中粉尘的浓度为：耗煤量为41t/h，故总烟气量为：T=160℃，则，得：

在排烟温度为160℃，烟气的的浓度为：烟气中粉尘的浓度为：在该温度下所得的总烟气量为：3.3电除尘器结构设计计算本次设计工业燃烧量较大的高硫煤，故采用板式电除尘器；电晕电极为圆形电极，固定方式为重锤悬吊式,集尘极选用平板型。3.3.1电除尘器的结构计算除尘效率式中：C1——除尘器入口含尘浓度，mg/m3，一般应小于30mg/m3否则应加设预净化设备。 C2——除尘器出口允许排放浓度，mg/m3，污染物排放按照锅炉大气污染物排放标准（GB13271-2014）中新建排污项目执行，C2=50mg/m3集尘极比集尘面积f式中：——有效驱进速度，cm/s，一般取在=0.05~0.15m/s间。3.集尘极总面积A考虑因处理气量、温度、压力的波动和供电系统的可靠性等因素影响，参照实际生产情况，取富裕系数m=1.5~2.0。因此，其需要的集尘极面积A'：A'=(1.5~2.0)A=(9661.45～12881.93)则A'可取实际集尘极面积为10000m2实际集尘极的比集尘面积f''：4.电除尘器有效截面积F：式中：v——气体流速，m/s，一般取1.0～2.0。此处取v=1.5m/s5.集尘极极板高度h由于F=140.74m2＞80m2所以，取h=8.5m因为电除尘器的宽高比为(0.5～1.5)，此处取1.0。则集尘极极板宽度B1=8.5m6.气体的通道数n≈53式中：B——集尘极间距，m，目前一般集尘极的间距一般采用200~300mm，此处取300mm。7.集尘极总长l≈11m取电晕极间距为20cm，则每个通道上的电晕线条数为408.灰斗共设4个灰斗，倾斜角为60o灰斗高度为：3.3.2电除尘器总体计算除尘器高度式中：Δh——集尘板以上超高部分，m，取Δh=0.5m。除尘器总长L式中：——集尘板左右到进气口距离，m，取△l=1m。除尘器总宽B'式中：Δb——外恻集尘板到集尘器壁的距离，m，取Δb=0.5m。支架高度P取灰管长度1m，灰管到地面高度为2m，则3.4湿式石灰法脱硫工艺的设计计算3.4.1由物料平衡得反应参数566417260×100000取钙硫比为1.05，得1h消耗CaO的量为：取质量浓度为15%，故所需的新鲜浆液为：取液气比为12L/m3，同时石灰浆液的质量浓度为15%，故1h消耗CaO的量为：需水量为：所以1h生成的量为：3.4.2吸收塔的设计计算1.吸收塔的有效高度:式中：v—烟气流速。此处取v=3m/st—吸收反应时间，一般石灰系统的烟气脱硫时间为3～5s,此处取t=5s代入数值得：h=3×5=15m2.吸收塔直径：式中：v——空塔流速，一般为1～5m/s,此处以3m/s进行设计。3.4.3喷淋层的设计取喷淋塔的喷嘴布置分4层，层间距为1.8m，进气管直径640mm，喷淋层与除雾器间距为3m，储液槽液面与进气管下端的距离为0.8~2m，取1.5m，除雾气与塔顶的距离为2m。3.4.4除雾器的设计除雾设备采用采用折板除雾器，除雾板由的角钢组成，板间横间距为25mm。除雾板阻力为50～100Pa，能除去最小雾滴直径为，取除雾器高度为3.5m。3.4.5储液槽的设计计算循环量：式中：—排烟温度下的实际烟气量，m3/s；L/G—液气比，取12L/m3代入如数据得：则循环时间为1min的循环量为,储液槽的体积应大于循环量，取200m3。由此确定储液槽的高度h：式中，V——储液槽的容积，m3；D1——储液槽的直径，取10.8m；h——储液槽高度,m。带入数据可得：3.4.5吸收塔总高计算吸收塔总高为：h=15+1.5+4×1.8+3.0+2=28.7m3.5烟囱的计算3.5.1烟囱高度计算由原始数据的蒸发量为1000t/h锅炉烟囱最低允许的高度表，设烟囱的绝对几何高度Hs为60m。烟气抬升高度：式中：——烟气的热释放率，；——大气压力，；——实际排烟量，；——烟囱出口处的烟气温度，；——环境大气温度，，取。式中：——系数，可查表4-1；u——烟囱出口处的平均风速，取为4m/s。由表3-5-1查得，当时：，，所以，/KW地表状况≥21000农村或城市远郊区1.4271/32/3城市或近郊区1.3031/32/32100≤＜21000且ΔT≥35K农村或城市远郊区0.3323/52/5城市或近郊区0.2923/52/5表3-5-1系数n1n2n3的值故最终烟囱的有效高度H为：取216m。式中——烟囱抬升高度，；——烟囱几何高度，。由污染物的地面最大浓度得：式中：——污染物在y,z方向上的标准差，；——烟气出口处的平均风速，，取4；——源强，；——地面最大浓度，。假设脱硫效率为95%，，代入数据得：其中：——限制浓度，0.15；——本底浓度，。依据二类地区锅炉二氧化硫和氮氧化物最高允许排放浓度参考标准，SO2的地面最大允许排放浓度为，故烟囱选取高度合适。3.5.2烟囱的进出口内径计算1.出口内径：（m）式中：Q—通过烟囱的总烟气量，；—烟囱出口烟气流速，取15m/s代入数值得：2.进口直径：式中：H—烟囱高度，m.i—烟囱椎角（通常取i=0.02—0.03），此处设计取i=0.02,可得所以烟囱的平均直径为：d===9.1m3.5.3烟囱阻力计算式中，L—管道长度m；d—管道直径，取均值m；—烟气密度，设标况下烟气的密度为：则可得在实际温度下的密度为:;—管中气流平均流速，m/s，此处取12m/s；—摩擦阻力系数，使气体雷诺数Re和管道相对粗糙度的函数。可查手册得到（实际中对金属管道值取0.02，对砖砌或混凝土管道值可取0.04）。所以烟囱阻力为：3.6管道及风机计算3.6.1管道直径计算式中：Q—工况下管道的烟气流量，；v—管道内烟气流速，m/s（对于锅炉内烟尘v=10-25m/s）。此处设计取v=12m/s,则:3.6.2管道系统阻力的计算1.摩擦阻力损失对于圆管有：式中：L—管道长度m；d—管道直径m；—烟气密度，0.9Kg/m3；v—管中气流平均流速，12m/s；—摩擦阻力系数，取金属管道值取0.02所以带入数据可得：2.局部阻力损失：式中：—异形管道的局部阻力系数；v—与相对应的断面平均气流流速,12m/s；—烟气密度Kg/m3；已知连结锅炉、净化设备及烟囱等净化系统总需90度弯头60个，查表可得=0.25。所以：60个弯头总压力损失为：3.6.3风机的设计计算1.风机风量：式中：1.1—风量备用系数；—通过风机前的风量；所以，。2.风机风压计算：式中：1.2—风压备用系数；—系统总阻力，Pa.所以，根据和选定Y-73-31锅炉通风机，选两台，并联。电机功率核算：Ne===3585.66kw式中：Ne—电机功率，kw；Kd—电动机备用系数，对于通风机为2-5Kw时取1.2，大于5Kw时取1.3，对于引风机取1.3；—风机全压效率，一般取0.5-0.7，此处取0.6；—机械传动效率，对于直联传动=0.98，三角皮带传动=0.95。此风机性能：机号F，转速730r/min，流量574200m/h,全压7710Pa，功率2000Kw。3.6.4系统总阻力的计算系统总阻力包括：锅炉出口前阻力，已知为1220Pa，设备阻力，为1200Pa，管道阻力为(341.87+972)Pa,引风机阻力，为146Pa，烟囱阻力，为17.22Pa，电除尘器阻力，为700Pa。故总阻力为：=1220+1200+(341.87+972)+146+17.22+700=4597Pa4达标分析4.1排放浓度角度由第三部分的基础燃烧计算得到在在排烟温度160℃下，二氧化硫的排放浓度mg/m3，粉尘的排放浓度为=4231.94mg/m3。锅炉大气污染物排放标准中2类区新建排污项目执行，SO2、粉尘的最高排放标准分别为700mg/m3和150mg/m3。转换为标准状况：故有：mg/m3==2863.65mg/m3，SO2最大落地浓度为：=<0.075mg/m3经过静电除尘器后：mg/m3<150mg/m3经过湿式脱硫后：mg/m3<700mg/m3从结果中看出SO2和粉尘的浓度均符合锅炉大气污染物排放标准中2类区新建排污项目中最高排放标准，符合排放要求.4.2排放速率角度GB16297-1996现有污染源大气污染物排放限值中二级排放区中SO2、粉尘浓度最高允许排放速率分别为：200kg/h、100kg/h。排放速率为：V=ρ×QSO2排放速率：VSO2=206.5×760000=157000000mg/h=157kg/h<200kg/h；粉尘排放速率：v=25.2×760000=19152000mg/h=19.152kg/h<100kg/h。由结果可得排放速率都符合规定的最高允许排放速率。4.3从排放总量角度取每天工作时间为16小时，一年的工作时间是300天一年排放的SO2总量：157×16×300=753600Kg=753.6t一年排放的粉尘总量：19.152×16×300=91.93t由结果可知排放总量也符合标准要求。[1]郝吉明,马广大.大气污染控制工程[M].第二版.北京:高等教育出版社,2002.[2]童志权.大气污染控制工程[M].北京:机械工业出版社,2006.9:291～293.[3]李峰等主编.石灰湿式洗涤法脱硫的应用研究[J].环境污染治理技术与设备,2001（3）:73－75.[4]童志权.工业废气进化与应用[M].北京:化学工业出版社,2003.目录1绪论 11.1设计背景 11.2脱硫除尘技术简介 11.2.1除尘技术 11.2.2电除尘器工作原理及特点 21.2.3脱硫技术 31.2.4湿式石灰法工作原理及特点 32电除尘器与湿式石灰法的运行条件及参数 52.1影响电除尘器效率的因素 52.2电除尘器运行参数 52.3电除尘器的结构工艺 62.4影响脱硫效率的因素 62.5湿式石灰法的运行参数 72.6湿式石灰法的工艺流程图 93火电厂高硫无烟煤烟气电除尘器湿式脱硫计算 93.1原始数据 93.2基础燃烧计算 103.2.1基础需氧量及烟气量的计算 103.2.2烟气中各组分的浓度计算 113.3电除尘器结构设计计算 133.3.1电除尘器的结构计算 133.3.2电除尘器总体计算 153.4湿式石灰法脱硫工艺的设计计算 163.4.1由物料平衡得反应参数 163.4.2吸收塔的设计计算 173.4.