SG-400140型火电厂锅炉中硫烟煤烟气喷雾干燥法脱硫+袋式除尘系统设计

SG-400/140型火电厂锅炉中硫烟煤烟气喷雾干燥法脱硫+袋式除尘系统设计课程设计说明书题目SG-400/140型火电厂锅炉中硫烟煤烟气喷雾干燥法脱硫+袋式除尘系统设计姓名所在学院环境学院专业班级指导教师20年月日目录1设计任务书…………………41.1设计题目…………………41.2设计原始数据……………41.3设计内容及要求…………41.4绘制设计图………………51.5设计上交成果……………52设计计算……………………52.1燃煤锅炉烟气量、烟尘及二氧化硫的浓度计算………52.1.1理论空气量以及实际空气量………52.1.2理论烟气量以及实际烟气量………72.1.3烟气含尘浓度………72.1.4二氧化硫浓度………72.1.5锅炉烟气流量………72.2净化系统—喷雾干燥法脱硫系统方案设计………………72.2.1喷雾干燥法工艺流程………………72.2.2喷雾干燥的脱硫机理………………82.2.3喷雾干燥法的主要设备……………92.2.4净化效率的影响因素………………92.2.5喷雾干燥器设计……102.3除尘设备的设计与计算…………………112.3.1袋式除尘器的概念…………………112.3.2袋式除尘器的工作原理……………122.3.3袋式除尘器的滤料…………………122.3.4袋式除尘器的清灰方式……………132.3.5袋式除尘器的选择和计算…………142.4烟囱设计计算…………152.4.1烟气释放热计算……152.4.2烟囱出口直径的计算………………162.4.3烟囱底部直径的计算………………162.4.4烟囱高度的计算……162.4.5烟囱阻力计算………172.5管道系统设计计算……182.5.1管径的计算…………182.5.2摩擦阻力损失计算…………………182.5.3局部阻力损失计算…………………192.5.4系统总阻力计算……192.6通风机、电动机的设计计算……………202.6.1风量的计算………202.6.2风压的计算………203污染物校核计算……………223.1二氧化硫的排放速率…………………223.2从排放速率核算………223.2.1从排放速率核算……223.2.2烟气的排放速率……223.3从落地浓度核算………234结束语………235参考文献……………………241设计任务1.1设计题目SG-400/140型火电厂锅炉中硫烟煤烟气喷雾干燥法脱硫+袋式除尘系统设计1.2设计原始数据锅炉型号：SG-400/140即，上海锅炉厂制造，蒸发量400t/h，出口蒸汽压力140MPa设计耗煤量：42t/h设计煤成分：CY=64.5%，HY=4%，OY=6%，NY=1%，SY=1.5%，AY=18%WY=5%；＝15％；属于中硫烟煤排烟温度：160空气过剩系数＝1.2飞灰率＝34％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450m，90°弯头60个。1.3设计内容及要求（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确定。（3）除尘或脱硫设备的比较和选择：确定除尘或脱硫设备的类型、型号及规格，并确定其主要运行参数。（4）管网布置及计算：确定各装置的位置及管道布置。并计算各管段的管径、长度、烟囱高度和出口内径及系统总阻力。（5）风机及电机的选择设计：根据净化系统所处理烟气量、烟气温度、系统总阻力等计算选择风机种类、型号及电动机的种类、型号和功率。（6）需要说明的其他问题。（7）编写设计说明书：设计说明书按设计程序编写，包括方案的确定、设计计算、设备选择等内容。课程设计说明书应有封面、目录、前言、正文、小结及参考文献等部分，文字应简明、通顺、内容正确完整。1.4绘制设计图（1）工艺流程示意图(带控制点)。（2）平面布置图。应按比例绘制，锅炉房及锅炉的绘制可以简化，但应能表明建筑外形和主要结构型式。在平面布置图中应有方位标志（指北针）。（3）锅炉烟气除尘脱硫系统图。应按比例绘制、标出设备、管件编号，并附明细表。（4）主要除尘脱硫设备剖面图。只需标出设备的主要性能参数（主要尺寸），内部结构不用细画。1.5设计上交成果（1）完成设计说明书1份。（2）附图CAD图纸：工艺流程图1张、平面布置图1张、除尘或脱硫系统图1张、主要除尘或脱硫设备剖面图1张。注意，图纸的标注与设计说明书相匹配。2设计计算2.1燃煤锅炉烟气量、烟尘及二氧化硫的浓度计算2.1.1理论空气量以及实际空气量以1kg煤完全燃烧计算，则：重量（g）摩尔数（mol）需氧气数（mol）生成物(mol)C64553.7553.75CO2:53.75H404010H2O:20S150.468750.46875SO2:0.46875O603.75-1.875N100.714W502.78AV180150由上表可得燃煤1kg的理论需氧量为：n(O2)=53.75+10-1.875+0.46875=62.34mol/kg假设干空气中氮和氧的摩尔比为3.78，则1kg煤的完全燃烧所需要的理论空气量：QUOTE即297.99×22.4÷1000=6.67QUOTE/kg实际空气量QUOTEQUOTE2.1.2理论烟气量以及实际烟气量烟气的组成：CO2:53.75molH2O:20+2.78=22.78molSO2:0.46875molN2:62.34×3.78mol理论烟气量：QUOTE=(53.75+22.78+0.46875+62.34×3.78)×22.4÷1000=7.003QUOTE/kg实际烟气量：QUOTE=QUOTE+(QUOTE)=7.003+6.67×0.2=8.34QUOTE/kg160℃时烟气量：QUOTE2.1.3烟气含尘浓度烟气含尘浓度：CQUOTEQUOTE式中：V—飞灰率A—灰分—标准状态下实际烟气量，m3/kg。2.1.4二氧化硫浓度2.1.5锅炉烟气流量Q=V×设计耗煤量QUOTE2.2净化系统—喷雾干燥法脱硫系统方案设计2.2.1喷雾干燥法（SDA）工艺流程烟气从切线方向进入塔顶上的烟气分配器，沿雾化轮四周进入喷雾干燥吸收塔；与此同时，准备好的石灰浆液从高位槽自流入雾化器内，经分配器进入高速旋转的雾化轮，当即被喷射成石灰乳雾化液滴。烟气与吸收剂反向混合，即发生强烈的热交换和化学反应，使烟气中的SO2与石灰乳反应生成CaSO4和CaSO3粉尘，粉尘中还含有未反应的Ca(OH)2。部分粉粒在喷雾干燥吸收塔内被吸收，并从吸收塔底部排出。剩余部分粉粒和烟气中的飞灰，随气流进入袋式除尘器被分离。净化后的烟气经引风机、烟囱进入大气。为提高脱硫剂利用率，吸收塔和除尘器排出的灰渣部分被再循环使用，其余部分则运出厂外进行综合利用[2]。SDA工艺分为5个步骤：①吸收剂浆液的制备；②吸收剂浆液的雾化；③雾滴与烟气接触；④SO2吸收和水分蒸发；⑤灰渣再循环与排除；其中②、③、④三步均在喷雾吸收塔内进行完成。如图所示2.2.2喷雾干燥的脱硫机理当雾化的石灰浆液在吸收塔中与烟气接触后，浆液中的水分开始蒸发，烟气降温增湿，Ca(OH)2与SO2反应生成干粉产物。反应步骤方程式如下:（1）SO2被液滴吸收SO2(g)+H2OH2SO3(aq)（2）吸收的SO2同溶解的吸收剂反应生成CaSO3Ca(OH)2(aq)+H2SO3(aq)CaSO3(aq)+H2O（3）液滴中CaSO3达到饱和后，即开始结晶析出CaSO3(aq)CaSO3(s)（4）部分溶液中的CaSO3与溶于液滴中的O2反应，氧化成硫酸钙CaSO3(aq)+1/2O2(aq)CaSO4(aq)（5）CaSO4饱和结晶析出CaSO4(aq)CaSO4(s)6随着脱硫过程中溶解的Ca(OH)2的消耗，浆液中Ca(OH)2固体进一步溶解以维持脱硫反应的继续进行Ca(OH)2(s)Ca(OH)2(aq)2.2.3喷雾干燥法的主要设备(1)吸收剂制备系统喷雾干燥FGD系统多采用CaO含量高的石灰作脱硫剂。石灰仓内贮存的粉状石灰经螺旋输送机送入消化槽消化，并制成高浓度浆液，然后进入配浆槽，配浆槽上设有过滤器，以清除大颗粒的杂质。制备好的石灰乳用泵送到吸收剂罐内，再用供给泵送到吸收塔的高位罐备用。(2)雾化器当前，采用较多的雾化器有喷嘴型和旋转离心雾化器两种，后者的原理主要为：由旋转盘或雾化轮使浆液分裂成微小液滴，然后与烟气发生反应。(3)喷雾干燥吸收塔吸收塔的结构尺寸由许多因素决定，如雾化器类型、雾化器液滴出口速度、烟气量等。吸收塔上部一般设计为圆筒形，下部为60°锥体，其体积需为烟气提供大约10～12秒的停留时间，以保证液滴在进入除尘器前有足够的反应时间和干燥时间。(4)除尘设备安装在喷雾干燥塔之后的除尘设备有袋室除尘器和电除尘器两类。袋式除尘器用于喷雾干燥有良好的除尘效果。作为喷雾干燥脱硫系统尾部设备，其压力降与单纯除尘时基本相同，尽管粉尘负荷增加了5倍或更多，但滤袋压力降并没有出现较大变化。本设计选取的除尘设备就为袋式除尘器。(5)固体废物处置处置方法因吸收剂的类型而异。对于石灰系统，当固体废物中未反应的吸收剂量小于5%时，固体废物是无害的，可采用与飞灰相同的处置办法。喷雾干燥吸收的最后产物是一种潜在的工业和建材原材料，但目前扩大规模的应用仍在研究之中。2.2.4净化效率的影响因素（1）对脱硫率的影响；（2）出塔烟气温度对脱硫率的影响；（3）烟气进口浓度对脱硫率的影响；（4）石灰浆吸收剂中加入添加剂的效果；（5）烟气入口温度对脱硫率的影响。2.2.5喷雾干燥器设计（1）吸收塔内流量计算假设吸收塔内平均温度为80，压力为120KPa，则吸收塔内烟气流量为：式中：—吸收塔内烟气流量，；—标况下烟气流量，；K—除尘前漏气系数，0~0.1，本设计取0.05；（2）塔径计算：（3.1）式中：Q——实际烟气总流量，QUOTE；A——塔的面积，；——空塔流速，；一般空塔流速为0.5-5m/s,此处以3.5m/s进行设计，则可得喷雾器直径为：代入数据得：QUOTE（3）塔高计算：（3.2）式中:t——塔内停留时间，，一般为10～12，此处取10；代入数据得：QUOTE；查工业粉尘的安息角得飞灰的滑动角为—，此处以进行设计[4]，则可得灰斗的高度为:QUOTE喷雾吸收器上部的设计高度为：QUOTE所以，喷雾吸收器的总高度为：35QUOTEm其余设备根据需要选相应型号即可。2.3除尘设备的设计与计算2.3.1袋式除尘器的概念过滤式除尘器，又称为空气过滤器，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作滤料的空气过滤器，主要用于通风及空气调节方面的气体净化。袋式除尘器是采用纤维织物做滤料的过滤式除尘器，在工业尾气的除尘方面应用较广。袋式除尘器的除尘效率一般可达99%以上。虽然它是最古老的除尘方法之一，但由于它效率高，性能稳定可靠、操作简单，因而获得越来越广泛的应用。同时，在结构形式、滤料、清灰方式和运行方式等方面也都得到了不断的发展。滤袋形状传统上为圆形，后来又出现了扁形，扁袋在相同过滤面积下体积更小，具有较好的应用价值。2.3.2袋式除尘器的工作原理含尘气流从下部孔板进入圆筒形滤袋内，在通过了滤料的孔隙时，粉尘被捕集于滤料上，透过滤料的清洁气体由排出口排出。沉积在滤料上的粉尘，可在机械振动的作用下从滤料表面脱落，落入灰斗中，常用滤料由棉、毛、人造纤维等加工而成，滤料本身网孔较大，孔径一般为20~50，表面起绒的滤料为5~10，因而新鲜滤料的除尘效率较低。颗粒因截留、惯性碰撞、静电和扩散等作用，逐渐在滤袋表面形成粉尘层，常称为粉尘初层。初层形成后，它成为袋式除尘器的主要过滤层，提高了除尘效率。滤布只不过起着形成粉尘初层和支撑它的骨架作用，但随着颗粒在滤袋上积聚，滤袋两侧的压力差增大，会把有些已附在滤料上的细小粉尘挤压过去，使除尘效率下降。另外，若除尘器压力过高，还会使除尘系统的处理气体量显著下降，影响生产系统的排风效果。因此，除尘器阻力达到一定的数值之后，要及时清灰。清灰不能过分，即不应破坏粉尘初层，否则会引起除尘效率显著降低。对于粒径0.1~0.5的粒子清灰后滤料的除尘效率在90%以下；对于1以上的粒子，效率在98%以上。当形成颗粒层后，对所有的粒子的效率都在95%以上，对于1以上的粒子效率都高于99.6%。另一个影响袋式除尘器效率的因素是过滤速度。它定义为烟气实际体积流量与滤布面积之比，也称为气布比。其大小直接影响到袋式除尘器的一次性投资、运行费用、除尘效率等。过滤速度太高会造成压力损失过大，降低除尘效率，使滤袋堵塞以至快速损坏。但是，提高过滤速度可以减少过滤面积，以较小的设备来处理同样流量的气体。过滤速度小会提高除尘效率，延长滤袋使用寿命，但会造成除尘器过于庞大，一次性投资加大。它与粉尘性质、气体含尘浓度、滤袋材质和清灰方式等因素有关。一般若含尘浓度高、粉尘颗粒小，过滤速度应取小值，反之则取高值。2.3.3袋式除尘器的滤料滤料是组成袋式除尘器的核心部分，其性能对袋式除尘器操作有很大的影响。选择滤料时必须考虑含尘气体的特征，如颗粒和气体的性质（温度、湿度、粒径和含尘浓度等）。性能良好的滤料应容量大、吸湿性小、效率高、阻力低，使用寿命长，同时具备耐温、耐磨、耐腐蚀、机械强度高等优点。滤料特征除与纤维本身的性质有关外，还与滤料表面结构有很大关系。表面光滑的滤料容尘量小，清灰方便，适于含尘浓度低、黏性大的粉尘，采用的过滤速度不宜过高。表面起绒的滤料容尘量大，颗粒能深入滤料内部，可以采用较高的过滤速度，但必须及时清灰。袋式除尘器的滤料种类较多。按滤料材质分，有天然纤维、无机纤维和合成纤维等；按滤料结构分，有滤布和毛毡两类。棉毛织物属天然纤维，价格较低，适用于净化没有腐蚀性、温度在350~360K以下的含尘气体。无机纤维滤料主要指玻璃纤维滤料，具有过滤性能好、阻力低、化学稳定性好、价格便宜等优点。用硅酮树脂处理玻璃纤维滤料能提高其耐磨性、疏水性和柔软性，还可以使其表面光滑易于清灰，可在523K以下长期使用。玻璃纤维较脆，经不起揉折和摩擦，使用上有一定的局限性。尼龙织布的最高使用温度可达368K，耐酸性不如毛织物，但耐磨性好。奥纶的耐酸性好，耐磨性差，使用温度答423K。涤纶的耐热、耐酸性能较好，耐磨性也仅次于尼龙，可长期在413K下使用，涤纶绒布在我国是性能较好的一种滤料。2.3.4袋式除尘器的清灰方式机械振动清灰：机械振打式清灰式最早出现的清灰方式，它的结构一般是使用某些装置来对滤袋的框架结构进行振打或摇晃，通过滤袋的振动来达到清落灰尘的目的。这种清灰方式结构非常简单，甚至人工都可以完成，一般高频率振动清灰和机械振打比较常见，机械振打式清灰的几种操作方式，第一种是沿水平方向的，下部较为固定，上部摇晃，水平振打的部位主要是滤袋的上部和中部。第二种是沿竖直方向振打，这种方式对于滤袋的损害比较大，尤其是袋口处，容易出现损坏。所以常常利用一个高速旋转地偏心轮来让滤袋产生频率很高的振动，从而实现清灰，这样对滤袋损害较小，但清灰效果也较差。第三种是利用振动来实现清灰，振动的频率一般比较高。或者综合前两种方式，叠加在一起。第四种是利用偏心轴上的摇杆，这个偏心轴是不停转动的。这样通过振动圆管，滤袋就会在各个方向上产生摇动，使沉积于滤袋的颗粒层破碎而落入灰斗中。逆气流清灰：所谓逆气流清灰指清灰时气流方向与正常过滤时相反。过滤过程与机械振动清灰方式相同，但在清灰时，要关闭含尘气流，开启逆气流进行反吹风。此时滤袋变形，沉积在滤袋内表面的灰尘破坏、脱落。通过花板落入灰斗。安装在滤袋内的支撑环可以防止滤袋完全被压扁。逆气流清灰袋式除尘器的过滤风速一般为0.3~1.2m/min，压力损失控制范围为1000~1500Pa。与机械振打式类似，逆气流清灰的袋式除尘器一般也是划分成多个袋室的，并且通过使用阀门，来对袋室进行逐个的提供反向的气流。这个反向气流既可以由专门的风机来提供，也可以由系统的主风机来提供。为了增强逆气流清灰装置的清灰效果，常常会通过安装一些自动阀门来使反向气流产生脉冲。逆气流清灰式的清灰效果必须在过滤的气流速度较低时才会体现出来，因为它本身的清灰作用就比较弱。但是它的优点是清灰比较均匀，对滤袋的损坏比较小，而且也不会产生剧烈的振动。脉冲喷吹清灰：利用4~7个标准大气压的压缩空气反吹，产生强度较大的清灰效果。当进行清灰操作时，将压缩空气喷射入滤袋，气流的速度非常高，而且持续的时间非常短，一般不超过0.2秒，于此同时，引导大量的空气进入滤袋，这样就会使滤袋产生急剧的膨胀并发生振动，从而使粘附在滤袋上的粉尘脱离并清落下去。每清灰一次，称为一个脉冲，全部滤袋完成一个清灰循环的时间称为脉冲周期，通常为60s。2.3.5袋式除尘器的选择和计算（1）确定滤料经过选择，选用玻璃纤维滤料，采用脉冲喷吹清灰式除尘器（2）确定过滤速度：一般其过滤速度为：，此处设计选取：，（3）确定过滤面积：（3.4）代入数据得：QUOTE；（4）确定滤袋个数：（3.5）式中：n——滤袋个数；D——滤袋直径，，200；L——滤袋高度，，3；代入数据得：QUOTE有4个滤室，每个滤室有2个组，则每个组有滤袋104条,分布为：长方向为13条滤袋、宽方向上各为8条滤袋，一般袋与袋之间的距离为50—70mm,此处设计中取袋与袋之间的距离为60mm,即0.06m.为了便于安装与检修，则在每个滤室中又分若干个组，每个组之间留有400mm宽的检修通道，即为0.4m的检修道。且边排滤袋与壳体间留出距离为200mm,即0.2m的检修道。滤室与滤室之间的距离为：0.40m。由以上设计可得每个滤室的总长为：总长为：（13×0.2+14×0.06）×2+0.4+0.2×2=7.68m总宽为：8×0.2+9×0.06+0.2×2=2.54m总滤室长度为：7.68×4+0.40×3=31.922.4烟囱设计计算2.4.1烟气释放热计算式中：—烟气热释放率，；—大气压力，近似取一个标准大气压101.325kPa；—实际排烟量，—烟囱出口处的烟气温度，433；—环境大气温度取环境大气温度=293K，大气压力=101.325kPa环境大气压下的烟气流量：QUOTE2.4.2烟囱出口直径的计算本设计的锅炉燃煤量为42，查资料得知，取烟囱几何高度为QUOTE。烟囱平均内径可由下式计算式中：—实际烟气流量，；—烟气在烟囱内的流速，，取20。QUOTE取烟囱直径为DN3.2m；校核流速QUOTE。2.4.3烟囱底部直径的计算烟囱底部直径：（4.7）式中：QUOTE——烟囱几何高度，m.——烟囱椎角（通常取i=0.02—0.03），此处设计取i=0.02,代入数据得：QUOTE2.4.4烟囱高度的计算当QUOTE且时：（4.4）式中：——烟囱出口处的平均风速，；查相关手册得：

代入数据得：QUOTE烟囱的有效高度QUOTE2.4.5烟囱阻力计算标准状况下的烟气密度为，则可得在实际温度下的密度为：烟囱阻力可按下式计算：式中：—摩擦阻力系数，无量纲，本处取0.02；—管内烟气平均流速，；—烟气密度，；—烟囱长度，；—烟囱直径，QUOTE=103.76Pa2.5管道系统设计计算2.5.1管径的计算假设管道采用薄皮钢管，管内烟气流速为，则管道直径为：式中：—160时的烟气流量，；—烟气流速，；1.2—修正系数代入相关值得：QUOTE结合实际情况，取为4000mm,则实际烟气流速为QUOTE2.5.2摩擦阻力损失计算根据流体力学原理，空气在任何横截面形状不变的管道内流动时，摩擦阻力可用下式计算：式中：—摩擦阻力系数，无量纲；—管内烟气平均流速，；—烟气密度，；—管道长度，；—管道直径，；对于薄皮钢管，查阅相关资料的钢管的。代入相关数值得：QUOTE2.5.3局部阻力损失计算烟气管道局部阻力损失可按下式计算：式中：—弯头个数；—局部阻力系数，无量纲；—烟气密度，；—管内烟气平均流速，；在烟气管道中一般采用的是二中节二端节型90°弯头，其局部阻力损失系数，所以感到局部阻力损失为：QUOTE管道总阻力损失为：QUOTE2.5.4系统总阻力计算系统的总阻力包括烟气在锅炉出口前的阻力、烟囱阻力、除尘器阻力、管道总阻力与喷雾干燥吸收塔的阻力之和。查相关资料，除尘器的阻力为1500Pa，喷雾干燥吸收塔的阻力为1800pa则系统的总压力损失为：QUOTE2.6通风机、电动机的设计计算2.6.1风量的计算（m3/h）式中：K1－考虑系数漏风所附加的安全系数。一般管道取K=0.1；除尘管道取K=0.1～0.15；Q－标准状态下风机前标态下风量，m3/h；tp－风机前烟气温度，℃，若管道不太长，可以近似取锅炉排烟温度；P－当地大气压力，kPa。2.6.2风压的计算选择通风机的风压按下式计算：式中：—管道计算的总压力损失，；—考虑管道计算误差及系统漏风等因素所采用的安全系数，一般管道取0.1～0.15，本设计取0.12；—标定状态下的空气密度，对于引风机；—运行工况下进入通风机时的气体密度。QUOTE从计算数据看，QUOTEQUOTE因而选用Q-62型号C类传动方式转动为2240r/min，它的处理风量在10600~19600m3/h之间，全压为2727~1883Pa，符合设计条件，能够高效率运转。表Q-62型引风机及Y180M-4电机性能参数引风机型号主轴转速流量全压配套电机型号电机功率Q-62224010600~196002727~1883Y180M-418.5复核电动机功率：式中：——电动机功率，KW；QUOTEy－风机风量，m3/h；△QUOTE－风机风压，Pa；K——电动机备用系数，对于引风机取1.3；——通风机全压效率，一般为0.5～0.7，本设计取0.7；——机械传动效率，对于直联传动为1，连轴器传动为0.98，皮带传动为0.95，本设计取1。代入数据得：QUOTE基本符合3污染物校核计算3.1从排放浓度核算在排烟温度160℃下，SO2的排放浓度QUOTE，转换为烟囱出口温度25℃：则QUOTE设脱硫效率为95.50％，脱硫后：依据大气污染物排放标准中2类区新建排污项目执行，烟尘最高排放标标准70