北京化工大学环境工程课程设计.docx

北京化工大学环境科学与工程系目录第一部分：颗粒污染物治理概述 1第二部分：课程设计任务 3第三部分：工艺流程设计 4第四部分：旋风除尘器的选型设计 5第五部分：高效除尘器的选型设计 9第六部分：管路、风机及其他设备选型设计 11第七部分：总结 14第八部分：参考文献 15第一部分颗粒污染物治理概述1.1大气颗粒污染物简介大气污染物指除气体之外的所有包含在大气中的物质，包括所有各种各样的固体或液体气溶胶。其中有固体的烟尘、灰尘、烟雾，以及液体的云雾和雾滴。粒径的分布大到200微米，小到0.1微米。微小尘粒通常靠空气的粘滞力或阻力与任何使尘粒沉降的沉降力相抵消，而长期悬浮在大气中。有时，静电电荷一类的力也能使这些颗物保持悬浮状态。悬浮在大气中的尘粒并非呈稳定状态，它们迟早会从大气中分离出去。颗粒物分离的方法和装置，是为了尽可能缩短这一时间。进入大气的一次颗粒物和在大气中形成的二次污染颗粒物，会影响人类健康，能见度和气候。颗粒的粒度、浓度和化学组成通常是确定这些影响的最重要因素。1.2 除尘及常用除尘器从废气中将颗粒物分离出来并加以捕集、回收的过程称为除尘，实现上述过程的设备装置称为除尘器。治理烟尘的方法和设备很多，各具不同的性能和特点，必须依据废气排放的特点，烟尘本身的特性，要达到的除尘要求等，结合除尘方法和设备的特点进行选择。目前，颗粒污染物控制采用的除尘装置主要有机械式除尘器、过滤式除尘器、电除尘器等。其中机械式除尘器包括重力沉降室、惯性除尘器、旋风除尘器和声波除尘器。上述各种除尘器可以联合使用，构成二级除尘或多级除尘设备。1.2.1 机械力除尘器机械力除尘器是借助质量力的作用达到除尘目的的方法,相应的除尘装置称为机械式除尘器。质量力包括重力、惯性力和离心力，主要除尘器形式为重力沉降室、惯性除尘器和旋风除尘器等。1、重力沉降利用颗粒污染物与气体密度不同,使颗粒污染物在重力作用下自然沉降下来，与气体分离的过程。重力沉降室结构简单，造价低，压力损失小，便于维护，且可以处理高温气体。主要缺点是只能捕集粒径较大的颗粒物，仅对50微米以上的颗粒物具有较好的捕集作用，因而效率低，只能作为初级除尘手段，主要用于高效除尘装置的前级除尘器。2、惯性除尘利用颗粒污染物与气体在运动中惯性力不同，使颗粒污染物从气体中分离出来的过程。通常是使气流冲击在挡板上，气流方向发生急剧改变，气流中的颗粒物惯性较大不能随气流急剧转弯，便从气流中分离出来。3、离心除尘利用旋转的气流所产生的离心力，将颗粒污染物从气体中分离处理的过程。离心除尘器也称为旋风除尘器，具有结构简单、占地面积小、投资低、操作维修方便、压力损失中等、动力消耗不大、可用各种材料制造、能用于高温或高压及腐蚀性气体、并可直接回收干颗粒地优点。一般用来捕集5至15微米以上地颗粒物，除尘效率可达80%左右，是机械式除尘器中效率最高的。主要缺点是对5微米以下的细小颗粒物去除效果不理想。1.2.2过滤式除尘器这是使气流通过多孔滤料,将气流中颗粒污染物截留下来,使气体得到净化的过程,主要有袋式除尘及颗粒层过滤除尘两种方式。1、袋滤除尘利用棉、毛或人造纤维等加工的滤布捕集颗粒污染物的方法,主要通过筛分、惯性碰撞、扩散、静电、重力沉降等作用机制依靠滤料表面来捕集颗粒污染物,属于外部过滤。该方法除尘效率高,一般可达99%以上,适应极强,能够处理不同类型的颗粒污染物,操作弹性大,除尘效率对入口颗粒污染物浓度及气流速度变化具有一定稳定性,结构简单,使用灵活,便于回收干料,不存在污泥处理。但袋式除尘器的应用受到滤布的耐温、耐腐蚀等操作性能的限制一般使用温度应低于300。2、颗粒层过滤除尘通过将松散多孔的滤料填充在框架内作为过滤层,颗粒物在滤层内部被捕集的一种除尘方法,属内部过滤方式。除尘过程中大颗粒污染物主要借助惯性力,小于0.5微米的颗粒物主要靠滤料及被过滤下来的颗粒表面的拦截和附着作用过滤下来,净化效率随颗粒层厚度增高而提高。1.2.3 其他除尘器1、电除尘器电除尘器是利用静电力实现粒子（固体或液体粒子）与气流分离沉降的一种除尘装置。电除尘器除尘效率高达99.99%能捕集1微米以下的细微粉尘，但是电除尘器设备庞大，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，若不采用一定措施，除尘效率将受到影响。2、湿式除尘器湿式除尘器是使含尘气体与液体（通常为水）密切接触，利用重力、惯性碰撞、拦截、扩散、静电力等作用捕集颗粒的装置，又称湿式气体洗涤器。湿式除尘器结构简单、造价低，可以有效的将直径为0.11.2微米的液滴或固体颗粒从气流中去除。同时，也能脱除部分气态污染物，还能起到气体降温的作用。湿式除尘器适宜净化飞西安卫星、非憎水性和不与水发生化学反应的各种粉尘，尤其适宜净化高温、易燃、易爆的含尘气体。但存在设备及管道的腐蚀、污水和污泥的处理、因烟温降低而导致的烟气抬升减小及冬季排气产生冷凝水雾等问题。在低温寒冷区域，湿式除尘器容易冻结，要有必要的防冻措施。第二部分课程设计任务2.1设计名称某滑石粉生产线除尘系统工艺及高效除尘器的设计2.2 设计要求尾气排放浓度达到国家标准GB162971996的要求或地方环保要求，即净化后气体中污染物浓度不大于50mg/m3。2.3 现场情况1、粉尘种类：粉尘为滑石粉，其真密度为2780kg/m3。2、系统空气量：800012000m3/h。3、粉尘处理量：500kg/h。4、粉尘粒度组成：粒径（um）50.045.040.035.030.025.020.015.0筛下累积（%）10099.498.597.595.291.083.974.9粒径（um）10.05.04.03.02.01.00.50.3筛下累积（%）58.332.025.916.06.81.91.00.62.4 设计要求：1、根据上述要求，确定管路及除尘系统种类。 2、确定出各设备的基本外形尺寸。 3、计算除尘系统的总除尘效率，单机的除尘效率。 4、作两张A1图，分别是除尘系统工艺布置图和高效除尘器总装配图。 5、写出设计说明书。2.5 作图所用标准图纸 GB4457.184 比例 GB4457.284 字体GB4457.384尺寸注法GB4457.484 图线及其画法GB4457.484 标题栏GB1069.189第三部分工艺流程设计设计除尘器时必须全面考虑有关因素，如除尘效率、压力损失、经济效益、维修管理等因素。本设计中粉尘为滑石粉，其化学性质稳定，不导电，热性能稳定，与酸接触不反映，同时具有一定的润滑性。除尘系统入口粉尘浓度计算Ci,max=qv/Qmin=(500106)/8000=6.25104mg/m3Ci,min=qv/Qmax=(500106)/12000=4.17104mg/m3本设计要求净化后气体中污染物浓度C0,f50 mg/m3则设计的除尘系统的总效率为（假设除尘器本体不漏气），所以：=(1-C0/ Ci，max)100%=(1-50/6.25104)100%=99.92%因此系统内必有高效除尘器，由于高效除尘器对粉尘入口浓度有一定要求，并且初始气体含尘浓度较高，故考虑应用二级除尘器串联使用，即在高效除尘器前设置一级除尘器。3.1 一级除尘器选择一级除尘器一般选择机械除尘器。对比3种常用机械除尘方式，重力沉降室只能去除粒径大于4050微米的大颗粒，而这部分颗粒只占总粉尘的1.5%，故重力沉降室不适用；惯性除尘器对粒径在2530微米以上的颗粒除尘效率达到65%85%；而旋风除尘器适用于分离粒径大于510微米的尘粒，普通旋风除尘器的效率一般在90%左右。综上所述，应选用旋风除尘器做一级除尘器。3.2 二级除尘器选择根据各高效除尘器的性能及投资，布袋除尘器是相对较好的选择，对于布袋除尘器，清灰方式选择脉冲反吹清灰。3.2 处理流程图将风机设置在除尘器后可减少风机磨损，及对风机性能的要求。综上所述，该处理工艺的工艺流程图为：含尘气体旋风除尘器布袋除尘器引风机净化后气体灰斗第四部分旋风除尘器的选型设计4.1 除尘原理旋风除尘器是利用旋转气流所产生的离心力将尘粒从合尘气流中分离出来的除尘装置。它具有结构简单，体积较小，不需特殊的附属设备，造价较低阻力中等，器内无运动部件，操作维修方便等优点。旋风除尘器一般用于捕集5-15微米以上的颗粒除尘效率可达80以上，近年来经改进后的特制旋风除尘器其除尘效率可达5以上。旋风除尘器的缺点是捕集微粒小于5微米的效率不高。4.1.1 旋风除尘器内气流与尘粒的运动概况旋转气流的绝大部分沿器壁自圆简体，呈螺旋状由上向下向圆锥体底部运动，形成下降的外旋含尘气流，在强烈旋转过程中所产生的离心力将密度远远大于气体的尘粒甩向器壁，尘粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的动量和自身的重力沿壁面下落进入集灰斗。旋转下降的气流在到达圆锥体底部后沿除尘器的轴心部位转而向上形成上升的内旋气流，并由除尘器的排气管排出。自进气口流人的另一小部分气流，则向旋风除尘器顶盖处流动，然后沿排气管外侧向下流动，当达到排气管下端时，即反转向上随上升的中心气流一同从诽气管排出，分散在其中的尘粒也随同被带走。4.2 XLP型旁路式旋风除尘器介绍XLP型旁路式旋风除尘器是一种在旋风筒体外侧带有一旁路通道的高效旋风除尘器，它能使筒内壁附近含尘较多的一部分气体通过旁路进入旋风筒下部，以减少粉尘由排风口逸出的机会，特别对大于5m的粉尘有较高的除尘效率。用于清除工业废气中含有密度较大的非纤维性及黏结性的灰尘。能有效地分离烟草灰、滑石粉、石英粉、石灰石粉、矿渣水泥、水泥生料等，具有结构简单、操作方便，耐高温、阻力低而除尘效率高的特点，适用于矿山、冶金、耐火材料、煤炭、化工、建材及电力等工业部门的气体净化。4.2.1 XLP型旁路式旋风除尘器工作原理含尘气体从进口处切向进入后，气体在获得旋转运动的同时，气流分成上、下分开，形成双旋涡运动，粉尘在排气底部即双旋涡的分界处产生强烈的分离作用。较细较轻的尘粒由上部旋涡气流带往上部，在顶盖下面形成强烈旋转的灰环，产生尘粒的聚集，并被从特设的旁路分离室上部洞口引出，经旁路分离室下部螺旋槽，从除尘器外壁回风口切向引入除尘器筒体下部与内部气流汇合，粉尘被分离而落入灰斗。另一部分较粗重的粉尘颗粒则在下旋涡气流带动下，沿除尘器下段经由上旋涡气流的类似过程，将粉尘分离并进入灰斗。4.2.2 XLP型旁路式旋风除尘器分类XLP型旁路式旋风除尘器比一般旋风除尘器进气口位置低，使在除尘器顶部有充足的空间形成上旋涡并形成粉尘环，从旁路分离室引至锥体部分，这样有害于除尘效率的二次气流，变成有粉尘集聚作用的上旋涡气流；旁路分离室设计成螺旋形，使进入的含尘气流切向进入锥体，避免扰乱锥体内壁气流，防止再次尘化现象。1、按XLP型旁路式旋风除尘器出风方式分类。X型（水平出风，吸出式除尘器位于风机吸入侧，并带有出口蜗壳），一般用于负压操作；Y型（上部出风，压入式除尘器位于风机压入侧），一般用于正压或负压操作。2、按回旋方向可分为右回旋S型和左回旋N型两种，两型号除尘器有四种组合型式（XN、XS、YN、YS型）。3、按螺旋形旁路分离室分类。XLP/A呈半螺旋形，外形呈双锥体；XLP/B呈全螺旋形，具有较小圆锥角的单锥体，锥体较长。试验证明在同样条件下A型效率高于B型，同时A型阻力大于B型，B型比A型结构简单，质量小。从各方面考虑，如所需处理气体的含尘质量浓度、粉尘性质及使用条件本设计选用XLP/B呈半螺旋形旋风除尘器。4.3 旋风除尘器选型计算1、系统需要处理的最大气体量：Q=12000 m3/h2、设定系统入口风速： v=17 m/s3、系统近似截面积：A0=Qmax/(3600v)=12000/(360017)= 0.1961m2= 196078mm24、根据入口截面积选择旋风除尘器，查阅设计手册，根据入口浓度、系统空气量、及相关参数，选用XLP/B-10.6型旁路式旋风除尘器。其外形尺寸如下表：代号DHH1H2D1D1D3尺寸/mm106046206851185630670165代号D4aa1bb1n-dn1-d1尺寸/mm19731536163067616-1316-13XLP/B型旁路式旋风除尘器结构图见下页。 5、根据入口截面积反算入口风速：A=ab=361630=198450mm2=0.19845 m26、实际入口最大风速为：vi,max=Qmax/A=12000/0.19845=16.8 m/s实际入口最小风速为：vi,min=Qmin/A=8000/0.19845 = 11.2 m/s7、分级效率计算：临界直径dc,50的计算 n=1-(1-0.669D0.14)(T/283)0.3 =1-(1-0.6691.060.14)(293.15/283)0.3 =0.6710XLP/B行旋风除尘器结构图计算dc,508、分级效率i=1-exp-0.693(dp/dc,50)分级效率见下表：粒径/um50.0 45.0 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 分级效率100.00 100.00 100.00 99.99 99.97 99.89 99.57 98.31 相对频率/%0.00 0.60 0.90 1.00 2.30 4.20 7.10 9.00 粒径/um50.0 45.0 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 分级效率93.41 74.33 66.31 55.78 41.95 23.81 12.71 7.83 相对频率/%16.60 26.30 6.10 9.90 9.20 4.90 0.90 0.40 9、计算处理总效率：总=0.6+0.9+11/2(99+100)+2.31/2(99.99+99.97)+4.21/2(99.89+99.97)+.11/2(99.57+99.89)+9.01/2(99.57+98.31)+16.601/2(93.41+98.31)+26.301/2(74.33+93.41)+6.101/2(66.31+74.33)+9.91/2(55.78+66.31)+9.21/2(41.95+55.78)+4.91/2(23.81+41.95)+0.91/2(12.71+23.81)+0.41/2(12.71+7.83)= 79.60%10、出口浓度计算一级除尘后，取最大入口浓度Ci,max=6.25104mg/m3求得出口最大浓度为：co,max=ci,max(1-)=625(1-79.60%)=12752.2 mg/m3 =12.75 g/m311、要求高效除尘器除尘效率高=( co,max- co)/ co,max=(12752.2-50)/12752100% = 99.61%第五部分高效除尘器的选型设计5.1低压脉冲袋式除尘器简介袋式除尘器是指利用纤维性滤袋捕集粉尘的除尘设备。含尘气体以0.53m/min的速度通过滤料，尘粒在滤料纤维层里运行时间仅0.010.3s。在一瞬间气体中的尘粒被滤料分离出来，有两个步骤：一是纤维层对尘粒的捕集；二是粉尘层对尘粒的捕集。从某种意义上讲，后一种机制有着更重要的作用。袋式除尘器的两个理论：清灰理论和过滤理论，只有过滤清灰两个环节连续不断地交替进行才能组成完整的除尘过程。因此，根据除尘器的清灰方式把除尘器分成几类，脉冲喷吹袋式除尘器就是其中的一种。根据设计要求，采用低压脉冲袋式除尘器。低压脉冲袋式除尘器主要由上箱体、尘气室、灰斗、喷吹装置、滤袋及滤袋框架、输灰装置等部件组成。含尘气体由除尘器进风口进入尘气室后，由于气流断面的突然扩大，气流中一部分大颗粒粉尘因惯性而落人灰斗，颗粒小的粉尘进入滤袋室后，通过筛分、惯性、粘附、扩散和静电等作用而被收集、阻留在滤袋外侧，净化后的气体则进入袋内，汇集到净气室，经出口管道排出。滤袋内有骨架，防止负压运行时被吸瘪。滤袋经一定过滤操作时间后，由于粘附等作用，尘粒在滤布网孔问产生架桥现象，使气流通过滤布的孔径变小，滤布网孔及表面迅速截留粉尘形成粉尘层。随着滤袋外表面的粉尘不断增加，设备阻力上升，当运行到没定的时间或压差达到设定值时，压力控制仪发出信号，喷吹装置工作，压缩空气从气包通过脉冲阀经喷吹管卜的喷嘴射人各滤袋内，由于膨胀产生的加速度和反向气流的作用，附在滤袋外表面的粉尘脱离滤袋落人灰斗，经输灰装置排出。喷吹结束后，滤袋即恢复过滤状态。5.2 布袋除尘器设计计算1、假定过滤风速为：3 m/min，计算过滤面积：A=Qmax/(60vF)=12000/(603)= 66.67 m22、根据过滤面积及空气处理量选择布袋除尘器，选择DMC84-型脉冲布袋除尘器，其主要参数见下表：过滤面积/m2滤袋数量/个处理风量m3/h除尘效率/%设备质量/kg638464801296099.519423、根据过滤面积反算实际过滤过滤风速：vF= Qmax/(60A)=12000/(6063)=3.2 m/min5.3 滤料的选择滤料应选择耐温、耐磨、耐腐蚀、效率高、阻力低，使用寿命长的优点，一般应满足以下要求：1、容尘量大，清灰后仍能满足保留“粉尘初层”以保持效率。2、滤布网孔适中，透气性能好，过滤阻力小。3、机械能强度高，抗拉、抗褶皱、耐磨耐高温、耐腐蚀。4、吸湿性小，易清灰。5、制作工艺简单，成本低，使用寿命长。综上考虑，选用涤纶作为滤料，其原料是聚酯涤纶，它是耐磨、耐腐蚀的廉价原料。5.4 清灰方式本设计选用脉冲喷吹的清灰方式。5.4.1 脉冲喷吹袋式除尘器简介当含尘气体通过滤袋时粉尘被阻流于滤袋外表面上，净化后的气体由袋内经文氏管进入上部进气箱，然后由出气口排走。每排滤袋上方装一根喷管，喷吹管下面与每个滤袋相对应开喷吹小孔（或装喷嘴），喷吹管前端与脉冲阀相连，通过程序控制机构控制脉冲阀的启闭。当需要清灰时，控制仪发出指令，触发排气阀，使脉冲阀背压室与大气相通，脉冲阀关闭后，气包中的压缩空气经喷吹管下小孔高速喷出，并诱导比自身体积大57倍的又到空气一起经文氏管吹入袋内，使滤袋急速膨胀，引起冲击振动，使积附在袋外的粉尘层脱落入灰斗。这种清灰方式具有脉冲的特征。清灰过程中每清灰一次，叫做一个脉冲；喷吹一次的时间称为脉冲宽度，约为0.10.2s。全部滤袋完成一个清灰循环的时间称为脉冲周期，一般为60s左右。所用压缩空气的喷吹压力为600700kPa。脉冲喷吹袋式除尘器实现了全自动清灰，过滤负荷高，滤布磨损轻，寿命长，运行安全可靠。5.5 装配形式DMC84-型脉冲布袋除尘器装配平面示意图。本次设计选用A型装备形式，进风口选用下进风口。第六部分管路、风机及其他设备选型设计6.1管路及支架设计管道系统应以合理结构，强度，刚度的支架支撑，保证管网稳定性。根据粉尘性质及气体流量可选择不锈钢管做输送管路。支架应满足设备重量所需求的强度，并设置一定宽度的检修台供使用者检修，并考虑经济适用性，可选择45#钢做支架材料。6.2 风机选择6.2.1风机选择方法选择风机正确是保证通风系统正常、经济运行的一个重要条件。所谓正确选择，主要是指根据被输送气体的性质和用途不同用途的风机选择；选择的风机要满足系统所需要的风量，同时风压要能克服系统的阻力，而且在效率最高或经济使用范围内工作。具体选择方法和步骤如下： 1、根据被输送气体的性质，选用不同用途的风机。例如，输送清洁空气，或含尘气体流经时已经过净化，含尘浓度不超过150mgm3时，可选择一般通风换气用的；输送腐蚀性气体，要选用防腐风机；输送易燃、易爆气体或含尘气体时，要选用防爆或排尘风机。但在选择具体的风机型号和规格时，还必须根据某种类型产品样本上的性能表或特性曲线图才能确定。2、考虑到管道系统可能漏风，有些阻力计算不大准确，为了运行可靠，选用的风量和风压应大于通风除尘系统的计算风量和风压。并有一定的风压保留，一般为10%20%。3、根据选用的风量、风压，在风机产品样本上选定风机的类型，确定风机的机号、转速和电动机功率。为了便于接管和安装，还要选择合适的风机出口位置和传动方式。6.2.2系统总压力损失计算1、旋风除尘器压力损失：XLP/B型旋风除尘器选用的是出口不带蜗壳或风帽的类型，故其阻力系数：=4.8处理气体的物理参数，20时，空气密度为1.164kg/m3，需要处理气体密度可做如下计算：1=(Qmax+qv)/Qmax=(1.16412000+500)/12000=1.206 kg/m3；2=(Qmin+qv)/Qmax=(1.1648000+500)/8000=1.227 kg/m3；计算时选用最大max=2=1.227kg/m3；vmax=16.8 m/sp1=v2/2=4.81.22716.82/2=830.49 Pa2、管路压力损失计算选用不锈钢管，所以=1.3，设计钢管总长：14m，所用钢管直径均为0.63m，直角弯头数量：5个；直角弯头阻力系数：=0.18，所以：Re=dv/=50010-37.131.227/(1.810-5)=2.43105 4000所以，气体处于湍流状态。p2=（L/d+）v2/2=(0.1314/0.63+50.18)1.22716.82/2=655.5 Pa 3、布袋除尘器压力损失按照DMC84-型脉冲布袋除尘器最大阻力损失：p2=1470.0 Pa系统压力总损失为：p总=p1+p2+p3=830.49+655.5+1470.0=2956.0 Pa6.2.3风机选型根据上诉资料，气体流量应大于12000m3/h，风压应大于2956.0 Pa，故选择风机型号为：4-72 No.5A型风机，配备Y160M2-2型电机（功率15Kw），4-72 No.5A型风机主要参数为：机号传动方式r/minPam3/h电机型号Kw地脚螺钉5电机直连传动290031877728Y160M2-215M1230031458855307499282962110542792121282567132552335143282019154556.2.3.14-72型风机介绍4-72型离心通风机作为一般工厂及大建筑物的室内通风换气，即可用作输入气体，也可用作输出气体。空气和其它不自燃、对人体无害的、对钢铁材料无腐蚀性的气体。气体内不许有粘性物质，所含的尘土及硬质颗粒不大于150mg/m3。气体的温度：不超过80。 4-72型离心通风机在我国是使用最早的风机，然而也是使用最普通的风机，从高层建筑到地下铁道，从锅炉鼓风到厂房换气，4-72型风机随处可见。1、风机的型式从电机一侧正视，叶轮顺时针旋转者称右旋风机，以“右”表示；叶轮逆进针旋转者称左旋风机，以“左”表示。风机的出口位置，以机壳的出风口角度表示。4-72型风机2.86出厂时均做成一种型式，使用单位根据要求再安装成所需要的位置。风机的传动方式有四种：4-72型风机中，2.86采用直连式传动。2、风机的结构 4-72型风机中2.86主要由叶轮、机壳、进风口、电机等部分组成。820除具有上述部分外，还有传动部分。（1）叶轮：由10个后倾机翼型叶片、曲线型前盘和平板后盘组成，用钢板制造，并经动、静平衡校正，空气性能良好，效率高，运转平稳。（2）机壳：做成二种不同型式。其中2.812机壳作成整体，不能拆开，1620的机壳制成三开式，除沿中分水平面分为两半外，上半部再沿中心线垂直