大气课程设计.doc

1.引言在目前，大气污染已经变成了一个全球性的问题，主要有温室效应、臭氧层破坏和酸雨。随着国民经济的发展，能源的消耗量逐步上升，大气污染物的排放量相应增加。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。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。我国是煤炭资源十分丰富的国家，一次能源构成中燃煤占75左右。随着经济建设的持续性快速发展，以煤炭为主要构成的能源消耗也在持续增长。就我国煤碳消耗量从1990年的9.8亿吨增加到1995年的12.8亿吨；二氧化硫排放总量随着煤碳消费量的增长而急剧增加到1995年全国二氧化硫排放总量达到2370万吨；工业燃烧煤排放的烟尘总量1478万吨；工业粉尘排放量约为639万吨；全国汽车拥有量已超1050万辆比1990年增加3420万辆，汽车排放的氮氧化物、一氧化碳和碳氢化物排放总量逐年上升。到1997年，我国烟尘排放总量为1 56510 t，其中燃煤排放占排放总量的80 以上，在世界各国的排放量中位于前列，这已经成为制约我国经济和社会发展的重要环境因素。2000年，我国二氧化硫排放量为1995万吨，居世界第一位。据专家测算，要满足全国天气的环境容量要求，二氧化硫排放量要在基础上，至少消减40%左右。此外，2000年，我国烟尘排放量为1165万吨；工业粉尘的排放量为1092万吨，大气污染是我国目前第一大环境问题。 因而已经到了我们不得不面对的时候，我们这里我们将用科学的态度去面对去防治。2.燃煤锅炉烟气量、烟尘和二氧化硫浓度的计算已知： 设计耗煤量：610kg/h设计煤成分：cy=61.5% hy=4% oy=3% ny=1% sy=1.5% ay=21% wy=8%；vy15；属于中硫烟煤排烟温度：160空气过剩系数1.4飞灰率22 假设燃烧1kg该燃煤，计算可得下表：表1.1 1kg煤燃烧计算表质量（g）摩尔质量（g/mol）物质的量（mol）耗氧量（mol）c615 1251.2551.25h4022010o3032-0.94-0.94n10280.36 0s15320.470.47w80184.440a210/02.1所以由上表可得燃煤1kg的理论需氧量为： mol/kg煤 v=60.7822.4=1361.5l/kg煤2.2干空气中氮和氧物质的量之比为3.78， 则1kg该煤完全燃烧理论需空气量为： v=1361.5(1+3.78)=6508l6.5m2.3实际所需空气量为： v= 6.51.4=9.1m/kg煤2.4燃烧1kg该煤产生的理论烟气量为： v=v+v+v+v =（51.25+10+4.44+0.47+0.36+60.783.78） =6.64m实际烟气量为： v=6.64+9.1-6.5=9.24m2.5二氧化硫质量为： m=0.4764=30.08g=30080mg2.6烟气中飞灰质量为： m=2100.22=46.2g=46200mg2.7160时烟气量为： v=14.7m2.8二氧化硫浓度为： =mg/m2.9灰尘浓度为： =3143mg/m2.10锅炉烟气流量为： q=v610=14.7610=8967m/h=2.49m3/s3.袋式除尘器的设计3.1袋式除尘器的除尘机理 含尘气体通过袋式除尘器时，其过滤过程分两个阶段进行。首先，含尘气体通过清洁滤料(新的或清洗过的植料)，粉尘被捕集，此时滤料纤维起过滤作用，过滤效率为50一80。随着过滤过程的进行，被阻留的粉尘不断增加一部分灰尘嵌入滤料内部，另一部分则覆盖在滤料表面形成一层粉尘层，此时含尘气体主要通过粉尘层进行过滤这是袋式除尘器的主要滤尘阶段。袋式除尘器的除尘效率之所以很高，主要依靠滤料表面形成的这层粉尘层。袋式除尘器的捕尘机理包括筛滤、惯性碰撞、拦截、扩散、重力沉降3.2 袋式除尘器的主要特点(1) 除尘效率高，特别是对微细粉尘也有较高的除尘效率，一般可达99。如果在设计和维护管理时给予充分注意，除尘效率不难达到99.9以上。(2) 适应性强，可以捕集不同性质的粉尘。例如，对于高比电阻粉尘，采用袋式除尘器比电除尘器优越。此外，入口含尘浓度在一相当大的范围内变化时，对除尘效率和阻力的影响都不大。(3) 使用灵活，处理风量可由每小时数百立方米到数十万立方米。可以做成直接安装于室内、机器附近的小型机组，也可以做成大型的除尘器室。(4) 结构简单，可以因地制宜采用直接套袋的简易袋式除尘器，也可采用效率更高的脉冲清灰袋式除尘器。(5) 工作稳定，便于回收干料，没有污泥处理、腐蚀等问题，维护简单。(6) 应用范围受到滤料耐温、耐腐蚀性能的限制，特别是在耐高温性能方面，目前涤纶滤料适用于120130，而玻璃纤维滤料可耐250左右，若含尘气体温度更高时，或者采用造价高的特殊滤料，或者采取降温措施。这会使系统复杂化，造价也高。(7) 不适宜联结性强及吸湿性强的粉尘，特别是含尘气体温度低于露点时会产生结露，致使滤袋堵塞。(8) 处理风量大时，占地面积大，造价高。(9) 滤料是袋式防尘器中的主要部件，其造价一般占设各费用的10一15左右，滤料需定期更换，从而增加了设备的运行维护费用，劳动条件也差。 3.3 除尘效率的影响因素除尘效率是衡量除尘器性能最基本的参数，它表示除尘器处理气流中粉尘的能力，它与滤料运行状态有关，并受粉尘性质、滤料种类、阻力、粉尘层厚度，过滤风速及清灰方式等诸多因素影响。3.4 运行参数的选择 此次用袋式除尘器所除烟气系含硫煤燃烧生成，其温度高，其中颗粒物摩擦强，又有一定浓度的二氧化硫和水蒸气，腐蚀性强，通过对表2.1及表2.2中各种滤料和清灰方式的研读，决定采用聚四氟乙烯滤料，反吹风方式清灰。选用长4米，直径100毫米的圆筒形滤布。160时，烟气密度大约为0.817，烟囱出口处大约为0.756。国标中二类地区排放烟气最大浓度为200。设计的除尘器的除尘效率为： 袋式除尘器的除尘效率一般都在99以上，完全符合此次设计的要求。表3.1 各种滤料性能滤料名称直径/耐温/k吸水率/%耐酸性 耐碱性 强度长期最高棉织物10-20348-3583688很差稍好1蚕丝18353-36337316-22羊毛5-15353-36337310-15稍好很差0.4尼龙348-3583684.0-4.5稍好好2.5奥纶398-4084236好差1.6涤纶4134336.5好差1.6玻璃纤维5-85234.0好差1芳香族聚酰胺4935334.5-5.0差好2.5聚四氟乙烯493-5230很好很好2.5表3.2 袋式除尘器的部分使用情况粉尘种类纤维种类清灰方式过滤速度粉尘比阻力系数/飞灰（煤）玻璃、聚四氟乙烯逆气流、脉冲喷吹、机械振动0.58-1.81.17-2.51飞灰（油）玻璃逆气流1.98-2.350.79水泥玻璃、丙烯酸系聚酯机械振动0.46-0.642.00-11.09铜玻璃、丙烯酸系机械振动、逆气流0.18-0.822.51-10.86电炉玻璃、丙烯酸系逆气流、机械振动0.46-1.228.5-1194.袋式除尘器设计由前面计算可知进口烟气流量为:q=8967m/h=149.5m/min=2.5m/s进口烟气浓度为：3143mg/m采用气流反吹清灰式除尘器，取其过滤速度取：u=1m/min计算用烟气量为：则可得烟气所要经过的总的滤袋面积为：a=179.4m设计袋的直径为：d=100mm=0.1m设计袋的高度为：l=4.0m=4000mm则可得每条滤袋的面积为： 可得所需滤袋的条数为：n=143条选用144条滤袋，重新计算气布比： u= =0.99m/min只有一个滤室，每个滤室分2个组，则每个组有滤袋72条,分布为长方向上为6条滤袋，宽方向上为12条滤袋，一般袋与袋之间的距离为5070mm,此处设计中取袋与袋之间的距离为50mm,即0.05m。为了便于安装与检修，两个组之间留500mm宽的检修通道。边排滤袋与壳体间留出距离为300mm。由以上设计可得每个滤室的长为：（60.1+50.05）2+0.5+0.32=2.8m宽为： 120.1+110.05+0.32=2.35m设灰斗短边与地面夹角为60，灰斗底面为直径0.4m的圆筒，底面距地面0.5m,计算灰斗高度：滤袋上方的安装高度取0.8m，则除尘器的总高度为： 5.填料塔的设计及计算5.1吸收so2的吸收塔的选择名称 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；气液接触好，传质较易，可同时除尘、降温、吸收 不能无水运行 自激湍球塔液气比110l/m3喷淋密度6m3/(m2.h)压力损失500pa/m空塔气速0.51.2m/s结构简单，制造容易； 填料可用耐酸陶瓷，较易解决防腐蚀问题； 流体阻力较小，能量消耗低； 操作弹性较大，运行可靠。 不能无水运行筛板塔 空塔气速1.03.0m/s小孔气速1622m/s液层厚度4060mm单板阻力300600pa喷淋密度1215 m3/(m2.h)结构较简单，空塔速度高，处理气量大； 能够处理含尘气体，可以同时除尘、降温、吸收； 大直径塔检修时方便 安装要求严格，塔板要求水平； 操作弹性较小，易形成偏流和漏液，使吸收效率下降。 喷淋塔 空塔气速2.54.0m/s液气比1330l/m3压力损失5002000pa结构简单，造价低，操作容易； 可同时除尘、降温、吸收，压力损失小 气液接触时间短，混合不易均匀，吸收效率低； 液体经喷嘴喷入，动力消耗大，喷嘴易堵塞； 产生雾滴，需设除雾器 通过比较各种设备的性能参数，填料塔具有负荷高、压降低、不易堵、弹性好等优点，具有很高的脱硫效率，所以选用填料塔吸收二氧化硫。5.2脱硫方法的选择5.2.1工艺比较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。常用方法有石灰/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,最终我们组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。5.2.2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（1）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。（2）氧化过程(副反应) na2so3 + 1/2o2 na2so4 （4） nahso3 + 1/2o2 nahso4 （5）（3）再生过程 ca(oh)2 + na2so3 2 naoh + caso3 （6） ca(oh)2 + 2nahso3 na2so3 + caso31/2h2o +3/2h2o （7）（4）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。5.3填料的选择填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面而且促使气液两相分散，液膜不断更新，填料与塔的结构决定了塔的性能。填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。填料的种类很多，大致可分为实体填料与网体填料两大类。实体填料包括环形填料(如拉西环、鲍尔环和阶梯环)，鞍型填料(如弧鞍、矩鞍)，以及由陶瓷、金属、塑料等材质制成的填料。网体填料主要是由金属丝网制成的填料，如鞍形网、波纹网等。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与其它填料相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。结合几种填料的优缺点最终决定本次设计选择塑性鲍尔环作为填料。5.4湿式石灰法脱硫运行参数的选择和设计再热烟气温度大于75，烟气流速在15m/s，浆液ph大于9，石灰/石灰石浆质量浓度在10%15%之间，液气比在825，气液反应时间35s，气流速度为3.0m/s，喷嘴出口流速10m/s，喷淋效率覆盖率200%300%，脱硫石膏含水率为40%60%，一般喷淋层为36层，烟气中体积分数为4000/，脱硫系统阻力在25003000pa.5.4.1喷淋塔内流量计算假设喷淋塔内平均温度为，压力为120kpa，则喷淋塔内烟气流量为： 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，00.1； 5.4.2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，则喷淋塔截面a为： 则塔径d为： 取塔径。5.4.3 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： (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(3.43.5)m。则取除雾区高度为：(3) 浆池高度浆池容量按液气比浆液停留时间确定： 式中： 液气比，取18； q标况下烟气量，； 浆液停留时间，；一般为，本设计中取值为8min，则浆池容积为：选取浆池直径等于或略大于喷淋塔，本设计中选取的浆池直径为3.5m，然后再根据计算浆池高度： 式中：浆池高度，； 浆池容积，； 浆池直径，。m从浆池液面到烟气进口底边的高度为0.82m。本设计取2m。（4）喷淋塔高度6.烟囱设计计算6.1烟囱出口直径的计算:d（m） （4.1）式中：q通过烟囱的总烟气量，m/h；按下表选取烟囱出口烟气流速，m/s； 表6.1 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102045自 然 通 风6102.53选定=15m/s则可得：d0.5m 6.2 烟气的热释放率: （4.2） 式中 烟气热释放率，； 环境大气温度，； 烟囱出口处的烟气温度，； 6.3 烟囱几何高度: 表6.2 锅炉总定额出力/t/h1122661010202635烟囱最低高度/m202530354045由设计任务书上可得所有锅炉的总的蒸发量为4t/h。通过上表可以确定烟囱的几何高度为： 6.4烟气抬升高度: （4.3） 式中 ，； 6.5烟囱高度： 6.6烟囱底部直径: d=d+2*i* (m)式中 d烟囱出口内径，m；烟囱高度，m；i烟囱椎角（通常取i= 0.020.03），此处设计取i=0.02；可得： d=0.5+230=1.7m6.7烟囱抽力：s=0.0342（-）b （4.4） 式中 t外界空气温度； t烟囱内烟气均温；b当地大气压；s=0.0342（-）1.0110 =114.4pa6.8烟囱排放核算 排放温度下粉尘浓度为3143mg/，按袋式除尘器除尘效率99%计，则粉尘的排放浓度为：。排放温度下，粉尘排放速率：落到地面灰尘最大浓度为： （4.5） 式中 平均风速，此处采用太原市平均风速，； q源强，； 本设计规定，污染物排放按照锅炉大气污染物排放标准中二类区新建排污项目执行。由新污染源大气污染物排放限值查得，烟囱高度为32.5m时，颗粒物最高允许排放浓度为120mg/m3，二级最高允许排放效率为60/h，最大落地浓度为0.5 mg/m3。比较得出排放浓度、速率及落地浓度都不超标，因而设计合理，符合标准，所以该气体经处理后可以在国家二级标准下排放。7.阻力计算7.1 管道阻力计算各装置及管道布置的原则： 根据锅炉运行情况及锅炉现场的实际情况确定各装置的位置。对各装置及管道的布置应力求简单、紧凑、管程短、占地面积小，并使安装、操作及检修方便即可。（1）管径的计算 （5.1）式中：q工况下管道的烟气流量，m/h； 管道内烟气流速，m/s（对于锅炉内烟尘=1025m/s）。此处设计取v=16m/s；则 d0.489m选用外径530mm，壁厚20mm的钢管，则内径为d=490mm，管中气体流速为： =15.92m/s（2）对于圆管摩擦压力损失： （5.2）式中 l管道长度,50m； d管道直径,0.49m；烟气密度，0.817kg/m 管中气流平均流速，15.92m/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。（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）。所以可得： 211.3pa(3) 局部阻力损失： p= (5.3)式中 异形管道的局部阻力系数,取=0.75； 的断面平均气流流速, m/s；烟气密度,0.817kg/m；已知连结锅炉、净化设备及烟囱等净化系统总需90度弯头10个，查表可得=0.75则可得： 776.5pa7.2除尘器压力损失(1) 除尘器内部压力损失： (5.4)式中 除尘器结构压力损失，在正常过滤风速下，一般取300-500pa；除尘器过滤阻力；(2) 过滤阻力： (5.5)式中 清洁滤料的压损系数或阻力系数，；含尘气体的粘度，；过滤速度，；粉尘层的平均比阻力，一般为；堆积粉尘负荷（单位面积的含尘量），普通运行的堆积粉尘负荷范围为；(3) 粉尘负荷： (5.6)式中 入口气体含尘浓度，；t过滤时间，；过滤时间取2小时，即7200s,有：取，则取7.3 烟囱阻力计算 (pa) (5.7)式中 h烟囱高度,32.5m； d烟囱平均直径,1.1m； 烟气密度，0.756kg/m 烟囱中气流平均流速，15m/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。（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）。7.4系统总阻力的计算系统总阻力（其中锅炉出口前阻力为650pa）为：=锅炉出口前阻力+管道阻力+烟囱阻力+除尘器阻力 =650+987.8+657+50.3 =2345.1pa8.引风机和电动机计算和选择8.1 风机风量的计算 (5.8)式中 1.1风量备用系数； 通过风机前的风量,；得 8.2 风机风压的计算 (5.9)式中 1.2风压备用系数； 系统总阻力，pa ；风机前烟气温度，160风机性能表中给出的试验用气体温度，250 根据上述计算的风量