大气污染课程设计-SHS20-25锅炉中硫的除尘去硫湿式石灰法系统工艺设计

目录 1 引言 . 1 2 二氧化硫的控制及处理方法 . 2 3 湿式石灰法原理 . 2 4 湿式石灰法脱硫具有的特点 . 3 5 烟气量的计算 . 3 6 净化系统设计方案 . 6 6.1 净化系统的组成 . 6 6.2 净化系统设计的基本内容 . 6 7 设备结构设计计算 . 7 7.1 除尘设备结构 设计 . 7 7.2 脱硫设备结构设计 . 8 8 烟囱的设计 . 11 9 风机的选型与阻力的计算 . 16 10 结束语 . 19 参考文献 . 20 中北大学 大气污染 课程设计 第 1 页 1 引言 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。 随着我国经济的快速发展，煤炭消耗量不断增加，二氧化硫的排放量也日趋增多，造成二氧化硫污染和酸雨的严重危害 。据最新报道， 1999 年我国二氧化硫排放总量为 1857万吨，其中工业来源为 1460万吨，生活来源为 397万吨。酸雨区面积占国土面积的 30，主要分布在长江以南、青藏高原以东的广大地区及四川盆地。对 106个城市的降水pH值监测结果统计表明，降水年均 pH值低于 5.6的有 43个城市，占统计城市的40.6。统计的 59个南方城市中，降水年均 pH低于 5.6的有 41 个，占 69.5。 酸雨使得森林枯萎，土壤和湖泊酸化，植被破坏，粮食、蔬菜和水果减产，金属和建筑材料被腐蚀。空气中的二氧化硫也严重地影响人们的身心健康，它还 可形成硫酸酸雾，危害更大。 为防止二氧化硫和酸雨污染， 1990年 12月，国务院环委会第 19次会议通过了关于控制酸雨发展的意见。自 1992年在贵州、广东两省，重庆、宜宾、等九个城市进行征收二氧化硫排污费的试点工作。 1995年 8月，全国人大常委会通过了新修订的大气污染防治法。 1998年 2月 17 日，国家环保局召开了酸雨和二氧化硫污染综合防治工作会议。这都说明我国政府高度重视酸雨和二氧化硫污染的防治。 国家环保局局长解振华指出： “ 成熟的二氧化硫污染控制技术和设备是实现两控区控制目标的关键因素。 ” 他同时指出： 为了实现酸雨和二氧化硫污染控制目标，要加快国产脱硫技术和设备的研究、开发、推广和应用。因此研究开发适合我国国情的烟气脱硫技术和装置，吸收消化国外先进的脱硫是当前的迫切任务。 能源工业是国民经济的基础，我国的能源结构以煤为主且在短期内难以改变。煤炭的大量使用，造成严重的环境问题，其中 SO2是形成酸雨的主要物质之一，因此燃煤脱硫对环境保护、社会效益、经济效益各方面非常重要 我 国从 20世纪 70年代开始电站锅炉的烟气脱硫技术的研究，但进展缓慢。由于中北大学 大气污染 课程设计 第 2 页 工业发展，燃煤增加，酸雨的危害日益严重，对 SO2的污染控制技术在七五期间被列入国家重点攻关项目。此后经过多年努力，与引进技术相结合，建立了大型工业装置。我国引进的技术虽然设备先进、运行稳定、自控程度高，但投资和运行费用极高，以目前我国的情况很难推广应用。因此急需根据我国国情，开发适应我国市场需要的烟气脱硫技术，达到产业化应用。 2 二氧化硫的控制及处理方法 二氧化硫控制方法多种多样，可以分为三大类： （ 1）燃烧前脱硫，如洗煤等。 （ 2）燃烧中脱硫，如型煤固硫、炉内喷钙等。 （ 3）燃烧后脱硫，即烟气脱硫（ FGD），是目前应用最广、效率最高的脱硫技术 我国近年来大气污染严重，据国家环保局统计， 1997年，我国的 SO2 排放量达2346万吨，超过美国及欧洲国家，成为世界 SO2 排放第一大国。 1998年开始由于国家政策倾斜及环境问题越来越受到人们的重视，排放量开始下降，但大幅度控制 SO2排放仍迫在眉睫。目前，控制 SO2 排放的最有效途径是 FGD技术，即烟气脱硫。烟气脱硫技术一般 分为湿法、干法、半干法三大类。 湿法脱硫是我国应用最广泛、最具发展前途的烟气脱硫方法，但普遍采用的方法都是从国外公司购买己经成熟的技术 1。 湿式脱硫除尘技术是由水、气、固三相工艺技术组成的一个系统，而不能仅仅把它看成是一个脱硫除尘器。从推广应用角度来说，水系统的完好性，对发挥该技术在脱硫中的作用有着更为现实和重要的意义。 3 湿式石灰法原理 基本原理： 采用石灰 浆液吸收烟气中的 SO2，分为吸收和氧化两个阶段。先吸收生成亚硫酸钙，然后将亚硫酸钙氧化成硫酸钙（即石膏） 2。总的反应过程为： 中北大学 大气污染 课程设计 第 3 页 OHCa S OOHSOCa O 2322 22 系统构成或主要设备： 泵， 喷淋塔， 除雾器， 再热器，换 热器 ，喷淋器。主要工艺参数 ： 运行 PH值 9；烟气流速： 1 5m/s； 石灰 /石灰石浆质量浓度： 10%15%；除雾器残余水分 75 ； 脱硫石膏含水率 40 60； 脱硫系统阻力： 2500 3000pa3。 4 湿式石灰法脱硫具有的特点 优点： 技术成熟；脱硫效率高 ，可达 95%以上；烟气处理量大；煤种适应性强，对高硫煤优势突出；吸收剂利用率高； 缺点：设备腐蚀；易于结垢、堵塞；投资费用高；占地面积大，耗水量相对较大，有少量污水排放 4。 5 烟气量的计算 已知 ：设计耗煤量： 2.4t/h 设计煤成分： CY=64.5% HY=4% OY=3% NY=1% SY=1.5% AY=14% WY=12% VY 15 属于中硫媒，排烟温度： 160，空气过剩系数： 1.25，飞灰率： 29，烟气在锅炉出口前阻力： 800Pa，污染物排放按锅炉大气污染排放标准中 2类区新建排污项目执行，连接锅炉，净化设备及烟筒等净化设备系统的管道假设长度 150m， 90弯头 30个。 以 1Kg煤为基准 ，则由已知可： 表 2.1 各个反应参数 质量（ g） 摩尔数（ mol） 需氧数（ mol） 生成物（ mol） 中北大学 大气污染 课程设计 第 4 页 C H O N S A W V 645 40 30 10 15 140 120 150 53.75 40 1.875 0.714 0.469 6.667 53.75 10 -0.9375 0 0.469 0 0 0 CO2 :53.75 H2 O:20 SO2 :0.469 （ 1）所以 由上表 可得燃煤 1kg的理论需氧量为： 2 8 2.639 3 7 5.04 6 9.01075.53)( 2 On 煤kgmol（ 2）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 空气 量为： 4 8 8.3 0 278.312 8 2.63)( ）（理论空气n 煤kgmol即： 776.61000 4.22488.302)( 理论V 煤kgmol（ 3） 空气过剩系数： 25.1 。 实际所需空气量为： 11.3 7 825.14 8 8.3 0 2)( 实际n 煤kgmol即 : 47.810 00 4.2211.37 8)( 实际空气V 煤kgmol（ 4） 理论烟气量为： 53.75 20 6.667 0.469 63.282*3.78=320.092mol/kg 媒 即： 煤kgmN /17.710 00 4.2209 2.32 0 3空气过剩系数： 25.1 中北大学 大气污染 课程设计 第 5 页 实际烟气量为： 煤kgmN /8 6 4.87 7 6.625.017.7 3（ 5） 燃用 1kg 该 煤产生的烟气量中： a.含有的水量为： 667.26667.620)( 2 ohnmol 即质量为： 480)( 2 ohmg b.含有的 2CO 量为 ： molnCO 75.53)( 2 即质量为： gmCO 2365)( 2 c.含有的 2SO 量为：)( 2SOn=0.469mol 即质量为：)( 2SOm=0.469 64=30.016g 即 2SO 的浓度为： 3/86.3864.8 016.30 Nmgd.含有的 烟尘的浓度 为： 33- /kg1058.4864.8 4.109.20 Nm（ 5） 所以在该设计下所得的总烟气量为： smhmKgVNNn 33 91.56.2 1 2 7 3864.82 4 0 0 （ 6）因排烟温度为 160摄氏度，即 T=433K.由公式：nsns TTVV 可得： 煤KgmV s 315273433)1000 4.22667.26864.8( 2 所以有在排烟温度 160摄氏度下，烟气中 2SO 的浓度为： 3)( 215016.302 mgC SO 烟气中粉尘的浓度为： 3)( 32.215 29.0120 NmgC 粉尘在该温度下所得的总烟气量为： 中北大学 大气污染 课程设计 第 6 页 smhmVNN 33 1036000152400 6 净化系统设计方案 6.1 净化系统的组成 一般净化系统由以下几部分组成： （ 1） 集气罩 集气罩是用以 捕 集污染空气的，其性能对净化系统的技术经济指标由直接的影响。由于污染源设备结构和工作操作工艺的不同，集气罩的形式也多种多样的。 （ 2） 风管 在净化系统中用以输送气流的管道称为风管，通过风管使系统的设备和部件连成一个整体。 （ 3） 净化设备 为了防治大气污染，当排气中污染物含量超过排放标准时，必须采用净化设备进行处理。达到排放标准后，才能排入大气。 （ 4） 通风机 通风机是系统中气体流动的动力。为了防治通风机的磨损和腐蚀，通常把风机设在净化设备后面。 （ 5） 烟 囱 烟 囱 是净化设备的排气装置，由于净化后的烟气仍含有一定量的污染物，这些污染物在大气中扩散，稀释，并最终沉降到地面。为了保证污染物的地面浓度不超过大气环境质量标准，烟 囱 必须有一定的高度 5 。 6.2 净化系统设计的基本内容 净化 系统设计的基本内容包括污染物的捕集装置。输出管道，净化设备及排放烟囱 设计四个部分。当然，为了满足系统正常运行的需求，还应针对处理污染物的特性，完成上述系统增设设备及附件的设计。 （ 1） 捕集装置的设计 污染物的捕集装置通常是集气罩。设计内容主要包括集气罩结构 形式，安装位置以及通风机参数确定等内容。此设计采用外部集气罩，它的结中北大学 大气污染 课程设计 第 7 页 构简单，制造方便，吸气方向与污染气流方向往往不一致，一般需要较大的排风量才能控制污染气流的扩散，而且容易受到室内横向气流的干扰，捕集效率很低。采用侧吸罩形式。 （ 2） 输出管道设计 管道设计主要包括管道布置，管道内气体流速确定，管径选择，压力损失计算以及通风机选择等内容。 （ 3） 净化设备选择 按以下程序进行： 1 工程调查。 2 根据排放标准和生产要求，计算需要达到的净化效果。 3 根据污染物性质和操作条件确定净化方法和净化流程。 4 对设备的技术指标和经济指标进行全面比较，选定最适宜的净化设备。 5 确定净化设备的型号规格及运行参数。 （ 4） 排放烟 囱 设计 主要包括结构尺寸及工艺参数的设计。 以上相应设计在下面计算。 7 设备结构设计计算 湿式除尘器具有投资低，操作简单占地面积小，能同时进行有害气体的净化、含尘气体的冷却和加湿等优点，特别适用于处理高温高湿和有爆炸性危险的气体的净化。文氏管洗涤器主要用于净化细微粉尘，能除去 1 5 m 的尘粒，效率高而且不会产生二次飞扬，特别对粒径在 2 m 以下具有粘附性和潮解性的粉尘，更是适宜，因而在很多部门都得到采用。但是它有比较大的缺点，首先是压降大。当除去 l m 以上的尘粒时，压降为 2002mmH O左右，效率约为 98%，当粉尘粒径小于 0 5 m 时，压降要高达 10002mmH O，效率也较低。其次是含尘污水的处理。文氏管洗涤器由于用水量较大，在设计与选用时必须充分考虑污水处理，以免造成水源的污染。 7.1 除尘设备结构设计 由前面计算可得：进口烟气流量为 : 中北大学 大气污染 课程设计 第 8 页 m in600103 6 0 0 0 333 msmhmQ 进口烟气浓度为： 2.32 3mg 设计喷雾塔洗涤器 除尘 。 一般 空塔流速为 0.6-1.5m/s,此处以 1m/s 进行设计， 则可得吸收塔直径为： V=A v （ 4.1） 所以可得： vVD14.34 （ 4.2） mD 57.3114.3 104 ，取 3.6m 校正： 24DVv （ 4.3） smsmv 199.06.314.3 104 2 计算喷 雾塔的高 由 h=v t （ 4.4） 其中： v 烟气流速。 此处取 v=1m/s t 喷雾时间，此处取 t=2s进行设计，则可得其有效高度为： mh 221 一般取除尘器压力算损失为 200Pa.液气比为： 0.4 2.7 3/mL .喷水压力： 0.10.2Pa。 7.2 脱硫设备结构设计 一般 空塔流速为 1-5m/s,此处以 1m/s进行设计， 则可得吸收塔直径为： 中北大学 大气污染 课程设计 第 9 页 V=A v （ 4.5） 所以可得： vVD14.34 （ 4.6） mD 57.3114.3 104 ，取 3.6m 校正： 24DVv （ 4.7） smsmv 199.06.314.3 104 2 计算吸收塔的高 由 h=v t （ 4.8） 其中： v 烟气流速。 此处取 v=1m/s t 吸收反应时间，一般石灰系统的烟气脱硫时间为 6 10s,此处取 t=7s进行设计，则可得其有效高度为： mh 6.36.31 物料平衡计算的主要参数 ： slgs OHCa S OOHSOCa O 2322 22 56 64 172 30.016 2400 因根据经验一般钙 /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： htm C a O 066.005.164 56240006.30 一般液气比为： 4.7 13.6L/m3,此处以 12L/ 3m 进行设计， 查浆液的 质量浓度为10% 15%，取 15%， 则可得 1h 所需消耗 CaO 的量为 : tmC a O 0 6 6.0%15123 6 0 0 0 中北大学 大气污染 课程设计 第 10 页 根据质量浓度 查浆液的质量浓度为 10% 15%，取 15%， 则新鲜浆液质量为： %15CaOmm 新鲜浆液 htm 4.18%15 76.2 新鲜浆液一般液气比为： 4.7 13.6L/m3，选取 12 L/m3,则可得 1h 所需消耗 新鲜浆液的量为 : hmh 3432L4 3 2 0 0 01236000V 浆液 则储液槽的容积取 3430mV 储液槽高度为： 214DVh式中， V 储液槽的容积， m3； D1 储液槽的直径，取 15m； h 储液槽高度 ,m； 带入数据可得： mh 43.21514.3 43 04 2 根据经验取高为 30m 所以 1h生成 4CaSO 的量为： hthgmC a S O 051.0101.517213664 240017210 44 假定通过 喷雾干燥器后生成的 4CaSO 有 30%以粉尘的形式进入烟气，经过喷雾干燥后烟气温度变为 40 60摄氏度，此 处取平均温度 47摄氏度进行计算。 （ 1） 则在此温度下烟气体积为： hmV 341066.243332036000 （ 2）则可得进入粉尘浓度为： 中北大学 大气污染 课程设计 第 11 页 3344 58058.01066.2 %30101.5 mmgmg （ 3）该喷雾干燥吸收塔的吸收效率为： 96% 则由前面的计算可得：二氧化硫的初始浓度为： 343 2.2 7 0 81066.2 10642 4 0 0469.02 mmgC SO 8 烟囱的设计 （ 1） 烟囱直径的计算： 烟囱出口内径按下式计算： wQd 0188.01 （ m） （ 5.1） 式中， Q 通过烟囱的总烟气量， m3/h； W 烟囱出口烟气流速 , m/s。 表 5.1 烟囱出口烟气流速 /（ sm ） 通风方式 运 行 情 况 全 负 荷 时 最小负荷 机 械 通 风 10 20 4 5 自 然 通 风 6 10 2.5 3 选定 w=20 sm 则可得 中北大学 大气污染 课程设计 第 12 页 md 79.020360000188.01 ，取 0.8m。 由设计任务书上可得所有锅炉的总的蒸发量为 20t/h， 表 5.2 锅炉烟囱高度 /(m) 锅炉总额定出力/(t/h) 45m,符合标准。 （ 5）烟囱几何高度 H： sHHH （ 5.6） 式中， H 烟囱几何高度 ， m； H 烟气抬升高度 ， m； Hs 烟囱有效高度， m； 带入数据可得： mH 38.11384.5154.61 （ 6） 烟囱高度较核 zyeuHQ 2m a x2 式中 ，zy , 污染物在 y,z 方向上的标准差， 11.0yz ，取 0.8； u 烟气出口处的平均风速， sm ，取 2.5 sm ； Q SO2 排放量， sg ，为 38.6 sg /6.3810 ； max 地面最大浓度， 3mmg ； 中北大学 大气污染 课程设计 第 15 页 H 烟囱几何高度 ， m； 带入数据可得： 3342m a x 225.01025.28.07183.238.1135.214.3 6.382 mmgmg 3m a x 5.0 mmg （根据环境空气质量标准各项污染物浓度限值），符合标准 7 （ 7）烟囱底部直径： Hidd 212 （ 5.7） 式中， H 烟囱高度， m. i 烟囱椎角。烟囱椎角 i通常取 i= 0.02 0.03，取 i=0.02； 带入数据可得： ,56.438.11302.020 2 9 7.02 md 取 4.6m。 （ 8）烟囱阻力计算： 假设标况下烟气的密度为： 1.46 Kg/m3,则可得在实际温度下的密度为：9.044327346.1160273 273 n 3mKg ； 平均烟囱直径： 2 21 ddd （ 5.8） 式中， d1 烟囱出口内径； d 烟囱底部直径。 带入数据可得： md 31.22 6.40297.0 烟囱阻力为 )(2 2 PavdLP L （ 5.9） 式中， L 烟囱长度 m； d 烟囱直径， m； 中北大学 大气污染 课程设计 第 16 页 烟气密度， Kg/m3； v 管中气流平均流速 ,m/s；管道内烟气流速 v对于锅炉内烟尘 v=1025 sm ，此处设计取 v=20 sm ； 摩擦阻力系数。 带入数据可得： PaPL 7.1 7 622090.031.2 38.1 1 302.0 2 9 风机的选型与阻力的计算 (1) 管径的计算 vVd14.34 （ m） （ 6.1） 式中， V 工况下管道的烟气流量， m3/s； v 管道内烟气流速， m/s。 带入数据可得： md 8.02014.3104 （ 2）摩摖压力损失 对于圆管 )(22 PavdLP L （ 6.2） 式中， L 管道长度 m； d 管道直径 m； 烟气密度， Kg/m3； 中北大学 大气污染 课程设计 第 17 页 v 管中气流平均流速， m/s； 摩擦阻力系数。 带入数据可得： PaPL 6 7 522090.08.01 5 002.0 2 （ 3）局部阻力损失： 221vP （ 6.3） 式中， 管 道的局部阻力系数； v 与 相对应的断面平均气流流速， m/s； 烟气密度 3mKg ； 已知连结锅炉、净化设备及烟囱等净化系统总需 90度弯头 30个，查表可得 =0.29 带入数据可得： PaP 2.522 209.029.0 21 30个弯头总压力损失为： 130 PP （ 6.4） 带入数据可得： PaP 1 5 6 62.5230 （ 4） 系统总阻力（其中锅炉出口前阻力为 800Pa，除尘器阻力为 200Pa,喷雾干燥吸收塔的总阻力为： 1566Pa）为： 中北大学 大气污染 课程设计 第 18 页 h =锅炉出口前阻力 +设备阻力 +管道阻力烟囱阻力 +除尘器阻力=800+1566+675+177.87+200=3418.87Pa （ 5） 风机风量的计算 : 3 2 5.1 0 12 7 3/)2 7 3(1.1 py tVQ（ 6.5） 式中， 1.1 风量备用系数； V 通过风机前的风量 hm3 ； pt风机前温度， C ，取锅炉排烟温度 160C 。 带入数据可得： hmQ y 36 5 0 3 286.97/325.101273/)160273(3 6 0 0 01.1 （ 6） 风机风压的计算 yypy BtthH /2 9 3.1/3 2 5.1 0 1)2 7 3/()2 7 3(2.1 （ 6.6） 式中， 1.2 风压备用系数； h 系统总阻力， Pa； pt风机前温度， C ； yt风机性能表中给出的实验用气体温度， C ： y标准状态下烟气密度，取 1.34 3/mkg 。 所以 可得 PaH y 56.3 3 9 334.1/2 9 3.186.97/3 2 5.1 0 1)2 5 02 7 3/()1 6 02 7 3(87.3 4 1 82.1 根据yQ和yH选定 G、 20475 Y锅炉通风机，性能如下。 中北大学 大气污染 课程设计 第 19 页 机号传动方式 转速minr 流量( hm3 ) 全压（ Pa） 轴功率/KW 电动机型号 电动机功率 /KW 20D 730 104600 1378 94.55 Y5-47 160 电动机功率的计