某煤炭企业的一个备料车间烟气除尘系统设计

前 言按照国际标准化组织(ISO)做出的定义，“空气污染：通常系指由于人类活动和自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。”大气污染物的种类非常多，根据其存在状态，可将其概括为两大类：气溶胶状态污染物和气体状态污染物。所谓气溶胶，在物理、化学中概括为：几分散介质为气体的胶体物系。在大气污染中，ISO提出了明确的定义，“气溶胶：系指沉降速度可以忽略的固体粒子、液体粒子或固体和液体粒子在气体介质中的悬浮体。”从大气污染控制的角度，按照气溶胶的物理性质，可将其分为如下几种：(1)粉尘；（2）烟；（3）飞灰;(4)黑烟(smoke)：(5)液滴(droplet)：(6)轻雾或：（7）雾；（8）降尘；（9）飘尘；（10）总悬浮颗粒关于大气污染物的危害，在这里主要介绍粉尘的危害-粉尘的危害：粉尘的危害，不仅取决于它的暴露浓度，还在很大程度上取决于它的组成成分、，理化性质、粒径和生物活性等。粉尘的成分和理化性质是对人体危害的主要因素。有毒的金属粉尘和非金属粉尘（铬、锰、镐、铅、汞、砷等）进入人体后，会引起中毒以至死亡。无毒性粉尘对人体亦有危害。例如含有游离二氧化硅的粉尘吸，入人体后，在肺内沉积，能引起纤维性病变，使肺组织日渐硬化，严重损害呼吸功能，发生“矽肺”病。 目前烟气脱硫除尘一体化装置主要是通过工艺改造和设备优化组合来实现脱硫除尘的目的，很少有人来通过改良脱硫除尘剂的配方来实现这一目的。假如能够在现有的成熟的高效率脱硫工艺的基础上，在投资成本和运营成本都不高的情况下，通过一些工艺的改良和脱硫药剂的改善来提高其除尘效率，使得该脱硫除尘一体化装置既有良好的脱硫效果，又能获得较高的除尘效率。这种技术的研制和开发一定会有很好的推广价值，产生良好的社会效益和经济效益。该设计方案的处理系统主要去除某煤炭企业一备料车间两台研磨机在进行研磨、装袋操作，所产生大量轻矿物质粉尘，以较低速度扩散至周围空气中，对车间环境及工人的身体健康造成危害。为保障安全生产，改善车间环境及工人的操作条件，治理污染，要求设计一套除尘系统。第一章：课程设计的任务1.1设计题目某煤炭企业的一个备料车间烟气除尘系统设计。1.2设计目的通过课程设计进一步消化和巩固本课程所学内容，并使所学的知识系统化，培养运用所学理论知识进行净化系统设计的初步能力。通过设计，了解工程设计的内容、方法及步骤，培养学生确定大气污染控制系统的设计方案、进行设计计算、绘制工程图、使用技术资料、编写设计说明书的能力。1.3设计原始资料某煤炭企业一个备料车间两台研磨机进行研磨、装袋操作，产生大量轻矿物质粉尘，以较低速度扩散至周围空气中，对车间环境及工人的身体健康造成危害。为保障安全生产，改善车间环境及工人的操作条件，治理污染，要求设计一套除尘系统。要求净化系统处理效果好，净化气达标排放、操作方便、投资省。废气资料：近似空气，标准状态下粉尘含量1210mg/m3，废气温度60；（烟囱高15m，烟气排除速度20m/s）; 1#操作台流量1000m3/h,2#操作台流量1500m3/h,3#操作台流量1000m3/h,4#操作台流量2000m3/h.气象资料：气温为冬季-6，夏季31，大气压力为冬季97.86kPa，夏季为95.73kPa;备用场地：净化系统布置场地位于现有车间正南方向3m处，长20m、宽16m、高28m的露天区域。1.4设计内容和要求A. 燃煤锅炉排烟量及烟尘浓度的计算。B. 净化系统设计方案的分析确定。C. 除尘器的比较和选择：确定除尘器类型、型号及规格，并确定其主要运行参数。D. 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以及系统总阻力。E. 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、系统总等计算选择风机种类、型号机电动机的种类、型号和功率。1.5设计依据1.5.1标准文件（1）同类粉尘治理技术和经验（2）环境空气质量标准（GB3095-2012）（3）煤炭工业污染物排放标准（GB20426-2006）（4）工业大气污染物排放标准（GB4915-2004）（5）大气污染防治技术及工程应用（黄从国 编著）（6）除尘技术手册（ 张学艺 编著）（7）三废处理工程技术手册（刘天齐 编著）（8）环境工程设计手册（魏先勋 编著）（9）童志权主编 大气污染控制工程北京：机械工业出版社，2006（10）同济大学等编锅炉及锅炉房设备. 北京：中国建筑工业出版社，1986（11）航天部第七设计院编. 工业锅炉房设计手册. 北京：中国建筑工业出版社，1986（12）陆耀庆主编. 供暖通风设计手册. 北京：中国建筑工业出版社，1987(13)风机样本. 各类风机生产厂家(14)工业锅炉旋风除尘器指南，19841.5.2 设计原则本设计遵循如下原则进行工艺路线的选择及工艺参数的确定；（1）基础数据可靠，总体布局合理；（2）避免二次污染，降低能耗，近期远期结合、满足安全要求；（3）采用成熟、合理、先进的处理工艺，处理能力符合处理要求；（4）投资少、能耗和运行成本低，操作管理简单，具有适当的安全系数，各工艺参数的选择略有富余，并确保处理后的尾气可以达标排放；（5）在设计中采用耐腐蚀设备及材料，以延长设施的使用寿命；（6）废气处理系统的设计考虑事故的排放、设备备用等保护措施；（7）工程设计及设备安装的验收及资料应满足国家相关专业验收技术规范和标准；第二章 除尘器的选择2.1 除尘器的比较和选择: 除尘器性能指标包括技术性能指标和经济性能指标，其中，前者包括含尘气体处理量、除尘效率、阻力损失，后者包括总费用（含投资费用和运转费用）、占地面积、使用寿命。1选用的除尘器必须满足排放标准规定的排放要求对于运行状况不稳定的系统，要注意烟气处理量变化对除尘效率和压力损失的影响。如旋风除尘器除尘效率和压力损失，随处理烟气量增加而增加；但大多数除尘器(如电除尘器)的效率却随处理烟气量的增加而下降。2粉尘颗粒的物理性质对除尘器性能具有较大影响粘性大的粉尘容易粘结在除尘器表面，不宜采用干法除尘；比电阻过大或过小的粉尘，不宜采用电除尘；纤维性或憎水性粉尘不宜采用湿法除尘。不同的除尘器对不同粒径颗粒的除尘效率是完全不同的，选择除尘器时必须首先了解欲捕集粉尘的粒径分布，再根据除尘器除尘分级效率和除尘要求选择适当的除尘器。表列出了典型粉尘对不同除尘器进行试验后得出的分级效率，可供参考。试验用的粉尘是二氧化硅尘，密度。3.气体的含尘浓度含尘浓度较高时，在静电除尘器或袋式除尘器前应设置低阻力的预净化设备，去除较大尘粒，以使设备更好地发挥作用。例如，降低除尘器人口的含尘浓度，可以提高袋式除尘器过滤速度，防止电除尘器产生电晕闭塞。对湿式除尘器则可减少泥浆处理量，节省投资及减少运转和维修工作量。一般说，为减少喉管磨损及防止喷嘴堵塞，对文丘里、喷淋塔等湿式除尘器，希望含尘浓度在10gm3以下，袋式除尘器理想的含尘浓度为0.210gm3，电除尘器希望含尘浓度在30gm3以下。 4烟气温度和其他性质是选择除尘设备时必须考虑的因素对于高温、高湿气体不宜采用袋式除尘器。如果烟气中同时含有SO：、NO等气态污染物，可以考虑采用湿式除尘器，但是必须注意腐蚀问题。5选择除尘器时，需考虑收集粉尘的处理问题有些工厂工艺本身设有泥浆废水处理系统，或采用水力输灰方式，在这种情况下可以考虑采用湿法除尘，把除尘系统的泥浆和废水纳入工艺系统。6. 注意粉尘的物理特性（例如黏性、比电阻、润湿性等）对除尘器性能有较大的影响。另外，不同粒径粉尘的除尘器除尘效率有很大的不同。7. 设备位置，可利用的空间、环境条件等因。8. 设备的一次性投资（设备、安装和施工等）以及操作和维修费用等经济因素。 表4 各除尘器的效率除尘器名称适用的粒径范围（m）效率（%）阻力（Pa）设备费运行费重力沉降室505050少少惯性除尘器20-5050-70300少少旋风除尘器5-1560-90800少中水浴除尘器1-1080-95600少中下卧式旋风水膜除尘器595-98800中中冲激式除尘器5951000中中上电除尘器0.5-190-9850多中上袋式除尘器0.5-195-991000中上大文丘里除尘器0.5-190-984000少大2.2 除尘效率式中 标准状态下烟气含尘浓度，； 标准状态下锅炉烟尘排放标准中规定值，。2.3 除尘器的选择工况下烟气量 式中 标准状态下的烟气流量，； 工况下烟气温度，K； 标准状态下温度，273K。=1.708根据该企业的粉尘的粒径分布情况（如下表一），以及根据以上所计算的、查手册后选用XLP/B-10.6型旋风除尘器（X型），XLP/B型（原为CLP/B型）是带有旁路的干式高效旋风除尘器。该除尘器主要适用于清除非粘固灰尘、煤炭、泥沙、烟尘及其它粉尘等（尺寸见表二）表一 粒径分布表粒度/m50比例/%2.178.6725.3620.6213.269.987.4812.46表二 XLP/B-10.6型旋风除尘器型号规格进口风速处理风量阻力pa效率%外形尺寸（长宽高）mm重量kgXLP/B-10.6138370-13980294-88285-991495134552325782.4 旋风除尘器旋风除尘器内气流与尘粒的运动普通旋风除尘器是由进气管、筒体、锥体和排气管等组成，气流流动状况如图2-1所示。含尘气流进人除尘器后，沿外壁由上向下作旋转运动，同时有少量气体沿径向运动到中心区域。当旋转气流的大部分到达锥体底部后，转而向上沿轴心旋转，最后经排出管排出。通常将旋转向下的外圈气流称为外涡旋，旋转向上的中心气流称为内涡旋，两者的旋转方向是相同的。气流作旋转运动时，尘粒在离心力作用下逐步移向外壁，到达外壁的尘粒在气流和重力共同作用下沿壁面落人灰斗。气流从除尘器顶部向下高速旋转时，顶部的压力下降，一部分气流带着细小的尘粒沿筒壁旋转向上，到达顶部后，再沿排出管外壁旋转向下，最后到达排出管下端附近被上升的内涡旋带走并从排出管排出，这股旋转气流称上涡旋。对旋风除尘器内气流运动的测定发现，实际的气流运动是很复杂的，除了切向和轴向运动外，还有径向运动。如在外涡旋，少量气体沿径向运动到中心区域；在内涡旋，也存在着离心的径向运动。为研究方便，通常把内外涡旋气体的运动分解成为三个速度分量：切向速度、径向速度和轴向速度。 图2-1 旋风除尘器的结构及内部气流第三章 确定管道的布置3.1 各装置及管道布置的原则：对各装置及管道的布置应力求简单，紧凑，管路短，占地面积小，并使安装、操作和检修方便。3.2 管径的计算式中 工况下管道内的烟气流量，；烟气流速，m/s（对于锅炉烟尘=10-15 m/s）。取=10m/s，圆取整410mm，查表，取标准d=410mm，管道参数见下表3-1表 3-1 管道参数外径D/mm钢制板风管外径允许偏差/mm壁厚/mm41011.0内径=410-21.0=408(mm)，由公式可计算出实际烟气流速如上所述：管段（1-2）Q1-2=1.701*(333/273.15)=2.07m3查设计手册取管道中气速v=13m/s，可得 d1-2= 根据实际管道情况，管道内为气体如果速度小于12m,则有粉尘堵塞管道，为保证速度不小于13，取d1-2 =0.6，实际流速 管段（3-4） 标况下温度为65，即T=333 K， Q3-4=1.701*(333/273.15)=2.65m3，取气体流速18m/s，d3-4=，管道取一致， 取d5-6 =0.45，实际流速 管段（5-6） 标况下温度为80，即T=353.15 K，取气体流速12m/s，d5-6=，管道取一致， 取d5-6 =0.4，实际流速 管段（7-8） 标况下温度为80，即T=353.15 K， ，取气体流速12m/s，d5-6=，管道取一致， 取d7-8 =0.28，实际流速 管道的计算的一览表（表3-1）：管段实际中的流l量管段温度计算管径(m)水力半径R（取整）（m）实际流速（m/s）M3/s（K）（取管道规格）122.07600.60.08513.28232.65650.450.08512.97341.78800.40.08512.36451.78800.40.08512.36第四章 系统阻力的计算4.1管道压力损失的计算流体力学原理，气体流经断面性状不变的直管时，圆形管道的摩擦阻力可按下式计算 式中PL一定长度管道的摩擦阻力，Pa L直管道的长度，m 摩擦阻力系数，无量纲 d圆形管道内直径，m 管内气体的密度，kg/m3管内气体的平均风度，m/s 烟气密度根据已知的数据：煤气在标况下的密度60时，烟气密度 65时，烟气密度 80时，烟气密度 80时，烟气密度 管段12，在操作条件下 ，（镀锌管）管段34在操作条件下，（镀锌管）管段56，在操作条件下 （镀锌管）管段78 在操作条件下（镀锌管）管道压力损失计算表（表5-4）：管段管道中摩擦阻力系数管道长度(m)气体流速(m/s)摩擦阻力损失(pa)体积（m3/s）密度(kg/m3)1-20.370.430.0121018.414.563-40.850.850.0122017.763.225-60.7811.060.0121017.649.25总摩擦压力损失为： Pa4.2局部压力损失 局部压力损失在管件形状和流动状态不变时，可按下式计算 式中P气体的管道局部压力损失，Pa 局部阻力系数 管道12，弯头2个1=2=0.18则 管道34，弯头2个1=2=0.18则 管道56，弯头3个1=2=0.18则 管道78，无弯头，故无局部阻力损失4.3系统的压力损失 摩擦阻力损失 Pa局部阻力损失 Pw总=26.2+47.93+88.7=162.83Pa除尘器压损 Pc=3230Pa总压力损失P=PL总+Pw总+Pc =151.66+162.83+3230=3544.5Pa第六章 风机和电动机选择及计算6.1标准状态下风机风量的计算式中 1.1风量备用系数； 标准状态下风机前风量，； 风机前烟气温度，若管道不长，可以近似取管道排烟温度； 当地大气压力，kPa。6.2 风机风压的计算式中 1.2风压备用系数；系统总阻力，；烟囱抽力，；标准状态下烟气密度，（ =1.34）。6.3 电动机功率的计算式中 风机风量，；风机风压，；风机在全压头时的效率（一般风机为0.6）；机械传动效率，用V形带传动时=0.95；电动机备用系数，对引风机，=1.3。6.4 风机和电机的选择根据风量= 6124.5，=1800.25，查表后选择JCL-22型引风机，配对电机型号为Y-J100L-2-H，具体参数如下表7-1表7-1 JCL-22型号风机参数风机型号Type of the ventilator流量Folw ratem3/h全压Total pressure Pa静压Static pressure Pa转速Rotational speedr/min电动机Motor重量(kg) Weight频率FreqHz功率Power kw型号TypeJCL-223000360018301805141011953500603Y-J100L-2-H52第七章 系统中烟气温度的变化7.1 烟气在管道中的温度降（）式中 标准状态下烟气流量，； 管道散热面积，； 标准状态下烟气平均比热容（一般为1.3251.357）； 管道单位面积散热损失，。室内 =4187；室外 =5433。室内管道长：室外管道长：则（）7.2 烟气在烟囱中的温度降（）式中 烟囱高度，m 合用同一烟囱的所有锅炉额定蒸发量之和，t/h 温降系数，可由表5-1查得。表5-1 烟囱温降系数烟囱种类钢烟囱（无衬筒）钢烟囱（有衬筒）砖烟囱（H50 m）壁厚小于0.5 m砖烟囱壁