实习某锅炉烟气除尘设备设计

某燃煤采暖锅炉烟气除尘系统设计一、概述1.设计目的整合大气污染控制工程所学知识，在本设计中应用计算、工艺比选、画图等技能，提高综合运用能力，对专业知识有更加全面和系统的理解和掌握，能够独立完成大气除尘设备的简单设计。2.设计任务2.1燃煤锅炉排烟量及烟尘和二氧化硫浓度的计算。2.2净化系统设计方案的分析确定。2.3除尘器的比拟和选择：确定除尘器类型、型号及规格，并确定其主要运行参数。2.4管网计算：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的阻力。2.5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。3.设计依据按锅炉大气污染物排放标准〔GB13271-2001〕中二类区标准执行。4.设计原始资料4.1锅炉型号：SZL4—13型，共4台〔2.8MW×4〕,即每台锅炉每秒产热量为2.8×103kJ4.2设计耗煤量：600kg/h〔台〕，水的蒸发热为：2570.89kJ/kg4.3排烟温度：160℃4.4烟气密度〔标准状态下〕：1.34kg/m34.5空气过剩系数：α=1.44.6排烟中飞灰占煤中不可燃成分的比例：16%4.7烟气在锅炉出口前阻力：800Pa4.8当地大气压力：97.86kPa4.9冬季室外空气温度：－1℃4.10空气含水〔标准状态下〕：0.01293kg/m34.11烟气其他性质按空气计算。4.12煤的工业分析基：CY=68%;HY=4%;SY=1%;OY=5%;NY=1%;WY=6%;AY=15%;VY=13%4.13按锅炉大气污染物排放标准〔GB13271-2001〕中二类区标准执行。4.14烟尘浓度排放标准〔标准状态下〕：200mg/m34.15二氧化硫排放标准〔标准状态下〕：900mg/m3二、除尘器选择不同种类除尘器简介1.1离心式除尘器。它的结构简单，运行操作方便，可以别离捕集较细的粉粒，但除尘效率不高，约85左右，阻力一般不大于1000Pa，因此，它被广泛应用于独立的除尘装置，也可作其他除尘器的预处理装置。1.2洗涤式除尘器。它应用最多的是文丘里洗涤除尘器，文丘里洗涤器的除尘效率一般在95以上，它随液滴直径、喉管气速的增加而增加。当液滴直径比尘粒大50倍时，其除尘效率最高。这种除尘器结构简单，除尘效率高，水滴还能吸收烟气中的二氧化硫的三氧化硫。其缺点是阻力大，需要有污水处理装置。1.3袋式除尘器。袋除尘器的阻力一般为1000-2000Pa。另外，假设除尘器阻力过高，还会使除尘系统的处理气体量下降，影响生产系统的排风效果。因此，除尘器阻力到达一定数值后要及时清灰，清灰不能过分，即不应破坏粉尘初层，否那么会引起除尘效率显著降低。1.4电除尘器。电除尘器的除尘效率与电场强度、集尘板面积、烟气流量、粉尘趋进速度，尤其是粉尘的导电性有关，电除尘器具有很高的除尘效率〔可达99.99〕，可捕集到0.1μm以上的尘粒。它阻力小，运行费用低，处理烟气量的能力大，运行操作方便，可完全实现自动化。缺点是设备庞大，投资费用高。1.5旋风除尘器。于捕集5-10μm以上的粉尘效率较高，其除尘效率可达90以上，被广泛地应用于化工、石油、冶金、建筑、矿山、机械、轻纺等工业部门。旋风除尘器结构简单，除尘器本身无运动部件，不需特殊的附件设备，占地面积小，制造、安装投资较少。操作、维护简单，压力损失中等，动力消耗不大，运转、维护费用较低。操作弹性较大，性能稳定，不受含尘气体的浓度、温度限制。对于粉尘的物理性质无特殊要求，同时可根据化工生产的不同要求，选用不同材料制成，或内衬各种不同的耐磨、耐热材料，以提高使用寿命。除尘器的比选在选择除尘技术时，应充分考虑经济性、可靠性、适用性和社会性等方面的影响。除尘技术确实定受到当地条件、现场条件、燃烧煤种特性、排放标准和需要到达的除尘效率等多种因素的影响。1〕除尘效率布袋除尘器：对人体有严重影响的重金属粒子及亚微米级尘粒的捕集更为有效。通常除尘效率可达99.99以上，排放烟尘浓度能稳定低于50mg/Nm3，甚至可达10mg/Nm3以下，几乎实现零排放。电除尘器：随着国家环保标准的进一步提高和越来越多的电厂燃用低硫煤〔或者经过了高效脱硫〕，比电阻大，即使达标也变得越来越困难。而布袋除尘器的过滤机理决定了它不受燃烧煤种物化性能变化的影响，具有稳定的除尘效率。针对目前国家环保的排放标准和排放费用的征收方法，布袋除尘器所带来的经济效益是显而易见的。2〕系统变化对除尘器的影响锅炉系统是一个经常变动和调节的系统，因此从锅炉中出来的烟气物化性能、烟尘浓度、温度等参数也不能保证不发生变化。这一系列的变化，针对不同的除尘器会引起明显不同的变化。下面从主要的几个方面进行比照：〔1〕送、引风机风量不变，锅炉出口烟尘浓度变化eq\o\ac(○,1)除尘器：烟尘浓度的变化只引起布袋除尘器滤袋负荷的变化，从而导致清灰频率改变〔自动调节〕。烟尘浓度高滤袋上的积灰速度快，相应的清灰频率高，反之清灰频率低，而对排放浓度不会引起变化。eq\o\ac(○,2)对静电除尘器：烟尘浓度的变化直接影响粉尘的荷电量，因此也直接影响了静电除尘器的除尘效率，最终反映在排放浓度的变化上。通常烟尘浓度增加除尘效率提高，排放浓度会相应增加；烟尘浓度减小除尘效率降低，排放浓度会相应降低。〔2〕锅炉烟尘量不变，送、引风机风量变化eq\o\ac(○,1)对布袋除尘器：由于风量的变化直接引起过滤风速的变化，从而引起设备阻力的变化，而对除尘效率根本没有影响。风量加大设备阻力加大，引风机出力增加；反之引风机出力减小。eq\o\ac(○,2)对静电除尘器：风量的变化对设备没有什么太大影响，但是静电除尘器的除尘效率随风量的变化非常明显。假设风量增大，静电除尘器电场风速提高，粉尘在电场中的停留时间缩短，虽然电场中风扰动增强了荷电粉尘的有效驱进速度，但是这缺乏以抵偿高风速引起的粉尘在电场中驻留时间缩短和二次扬尘加剧所带来的负面影响，因此除尘效率降低非常明显；反之，除尘效率有所增加，但增加幅度不大。〔3〕烟气温度的变化对布袋除尘器：烟气温度太低，结露可能会引起“糊袋〞和壳体腐蚀，烟气温度太高超过滤料允许温度易“烧袋〞而损坏滤袋。但是如果温度的变化是在滤料的承受温度范围内，就不会影响除尘效率。引起不良后果的温度是在极端温度〔事故/不正常状态〕下，因此对于布袋除尘器就必须设有对极限温度控制的有效保护措施。eq\o\ac(○,2)对静电除尘器：烟气温度太低，结露就会引起壳体腐蚀或高压爬电，但是对除尘效率是有好处的；烟气温度升高，粉尘比电阻升高不利于除尘。因此烟气温度直接影响除尘效率，且影响较为明显。〔4〕气流分布eq\o\ac(○,1)对布袋除尘器：除尘效率与气流分布没有直接关系，即气流分布不影响除尘效率。但除尘器内部局部气流分布应尽量均匀，不能偏差太大，否那么会由于局部负荷不均或射流磨损造成局部破袋，影响除尘器滤袋的正常使用寿命。eq\o\ac(○,2)对静电除尘器：静电除尘器非常敏感电场中的气流分布，气流分布的好坏直接影响除尘效率的上下。在静电除尘器性能评价中，气流分布的均方根指数通常是评价一台静电除尘器的好坏的重要指标之一。3〕运行与管理〔1〕运行与管理eq\o\ac(○,1)对布袋除尘器：运行稳定，控制简单，没有高电压设备，平安性好，对除尘效率的干扰因素少，排放稳定。由于滤袋是布袋除尘器的核心部件，是布袋除尘器的心脏，且相比照拟脆弱、易损，因此设备管理要求严格。eq\o\ac(○,2)对静电除尘器：运行中对除尘效率的干扰因素多，排放不稳定；控制相对较为复杂，高压设备平安防护要求高。由于静电除尘器均为钢结构，不易损坏，相对于布袋除尘器，设备管理要求不很严格。〔2〕停机和启动eq\o\ac(○,1)对布袋除尘器：方便，但长期停运时需要做好滤袋的保护工作。②对静电除尘器：方便，可随时停机。〔3〕检修与维护eq\o\ac(○,1)对布袋除尘器：可实现不停机检修，即在线维修。②对静电除尘器：检修时一定要停机。4〕设备投资〔1〕对于常规的烟气条件和粉尘〔主要是指比拟适合静电除尘器的烟气〕，两种除尘器排放浓度要到达目前较低的环保要求〔如150mg/m3〕初期投资布袋除尘器比静电除尘器约高20-35左右〔2〕对于低硫高比电阻粉尘、高SiO2、Al2O3类不适合静电除尘器捕集的粉尘，两种除尘器要到达目前较低的环保要求〔如150mg/m3〕初期投资静电除尘器和布袋除尘器相当或静电除尘器投资高些。〔3〕通常条件下到达相同的除尘效率或者说到达相同的排放浓度，静电除尘器的投资通常要比布袋除尘器的投资高。以呼和浩特电厂200MW机级为例：布袋除尘器：每台机组的除尘器投资＜2000万元，保证排放浓度＜50mg/Nm3以下。对静电除尘器：按四电场，比集尘面积130m2/m3/S计算。达标250mg/Nm3每台除法器投资约2500万元。5〕运行维护费用〔1〕运行能耗对布袋除尘器：风机能耗大，清灰能耗小。对静电除尘器：风机能耗小，电场能耗大。但是，总体来讲两种除尘器的电耗相当。对于静电除尘器难以捕集的粉尘，或者说当静电除尘器的电场数量超过4电场时，静电除尘器的能耗比布袋除尘器的要高，也就是说此时的静电除尘器运行费用要比布袋除尘器高。如果按照即将出台的新环保标准，静电除尘器要是做到达标话，必定是采用4电场以上的静电除尘器，其电耗也就一定比布袋除尘器高。〔2〕维护费用布袋除尘器的维护检修费用主要是滤袋更换费，从目前实际运行情况来看，一次滤袋的更换费用只需要1.5-2年排污费比静电除尘器的少缴局部就可以抵偿。静电除尘器的维护维修费用主要是对阳极板、阴极线和振打锤等的更换等。此项费用较高，但年限比拟长，约6年左右。〔3〕经济效益分析实际运行中布袋除尘器的排放浓度约是静电除尘器的10，因此，电厂采用布袋除尘器实际交缴的排污费也为静电除尘器排污费的1/10左右。如果按照目前国家征收排污费的情况来看，采用布袋除尘器后每炉/每年的排污费少缴局部是相当可观的，至少上百万到几百万元。按照以前达标即不需要交纳排污费的话，采用布袋除尘器就可以免交排污费。另外，布袋除尘器有约5左右的脱硫效率；这同样可以减少二氧化硫的排污费。总之，新的环保标准出台以后，静电除尘器要想做到达标排放，就必须采用4电场以上的除尘器。此时静电除尘器的初期投资已经比布袋除尘器高，同时4电场以上的静电除尘器〔或者4电场的高比积尘面积〕运行电耗要比布袋除尘器的高很多。因此在新的环保要求下，静电除尘器即使达标，其初期投资和运行费用都比布袋除尘器高。另外，静电除尘器的排放浓度总是在布袋除尘器的10倍左右，目前新的排污费制度下，即使达标了也要对排放粉尘量进行收费，因此两种除尘器即使达标以后，静电除尘器又比布袋除尘器多支出了一笔费用。因此，布袋除尘器必将成为工业粉尘控制的首选设备。表2.1不同除尘器的综合性能对照表表2.1不同除尘器的综合性能对照表除尘器名称适用的粒径范围〔um〕效率〔%〕阻力〔Pa〕设备费运行费重力沉降室>50<5050-130少少惯性除尘器25-3050-70300-800少少旋风除尘器5-3060-70800-1500少中冲击水浴除尘器1-1080-95600-1200少中下冲击式除尘器≥5951000-1800中中上电除尘器0.5-190-9850-130大中上文丘里除尘器0.5-190-984000-10000少大袋式除尘器0.5-195-991000-1500中上大表2.2常见除尘设备的投资费用和运行费用设备投资费用运行费用长锥体旋风除尘器低低袋式除尘器中中电除尘器高低塔式除尘器中中文丘里洗涤器〔除尘器〕中高表2.3.布袋除尘器与电除尘器的比拟比拟的内容名称布袋除尘器静电除尘器烟气特性的影响烟气温度敏感、绝不能超温对效率有影响压力影响极小影响小湿度不利、不能超过极限有利、但要防腐蚀氧、硫氧化物影响滤料的选择有利、但要防腐蚀烟气的其他成分几乎没影响几乎没影响流量对效率的影响不大对效率影响较大含尘浓度效率稳定、影响寿命效率有一定变化气流均布不敏感、效率稳定对效率影响较大粉尘的粒径分布影响小、效率稳定对效率影响较大粉尘特性的影响真密度、堆积密度影响极小比电阻值大时影响较大粘附性不利有一定影响比电阻无影响、效率稳定对效率影响大分成的化学成分影响滤料的选择对效率影响大粉尘硬度影响滤袋寿命几乎没影响设备结构的影响各种形式都效率高对效率有一定影响运行及机组起滞的影响影响较大、要求严格影响小维修技术含量低工作量小设备故障运行的影响对负荷影响较大可维持运行、对负荷率影响较小通过比拟，选择袋式除尘器。3.脱硫工艺设计脱硫方法概述。采用湿法脱硫工艺，要考虑吸收器的性能，其性能的优劣直接影响烟气的脱硫效率、系统的运行费用等。旋流板塔吸收器具有负荷高、压降低、不易堵、弹性好等优点，可以快速吸收烟尘，具有很高的脱硫效率。三、烟气量烟尘和二氧化硫浓度的计算1.标准状态下理论空气量供应理论空气量的情况下，燃料完全燃烧产生的烟气量。假设不考虑氮的氧化，那么理论烟气的组分是CO2,SO2,N2和水蒸气。Qa'=4.76(1.867=4.76(1.867×68%+5.56×4%+0.7×1%-0.7×5%)=6.97式中，CY,HY,SY,OY:分别为煤中各元素所含的质量分数。CY=68%，HY=4%，SY=1%，OY=5%2.标准状态下理论烟气量Qs'=1.867(68%+0.375=1.867(68%+0.375×1%)+11.2×4%+1.24×6%+0.016×6.97+0.79×6.97+0.8×1%=7.42式中，Qa'——标准状态下理论空气量，m3/kgWY——煤中水分所占质量分数，6%NY——N元素在煤中所占质量分数，1%3.标准状态下实际烟气量Qs=Q=7.42+1.016×(1.4-1)×6.97=10.25式中α——空气过量系数；Qs'——标准状态下理论烟气量，m3/kgQa'——标准状态下理论空气量，m3/kg标准状态下烟气流量Q应以m3/h计，因此Q(m3/kg)=QS×设计耗煤量×4=10.25×600×4=246004.标准状态下烟气含尘浓度C==16%×15%/10.25=0.00234=2340〔mg/m3〕式中dsh——排烟中飞灰占煤中不可燃成分的质量分数，16%AY——煤中不可燃成分的含量；15%Qs——标准状态下实际烟气量，m3/kg5.标准状态下烟气中二氧化硫浓度的计算Cso2=2SYQs×106(mg/m式中SY——煤中含可燃硫的质量分数；1%Qs——标准状态下燃煤产生的实际烟气量,m3/kg四、确定除尘器、风机和烟囱的位置及管道的布置1.除尘器应到达的除尘效率η=1-=1-=91.45%Cs——标准状态下锅炉烟尘排放标准中规定值，mg/m3C——标准状态下烟气含尘浓度，mg/m32.除尘器的选择工况下烟气流量Q'=QT'T=24600×=39018式中Q——标准状态下的烟气流量，(m3/h)T'——工作状态下烟气温度T——标准状态下温度，273K总的烟气流速Q'3600=单个锅炉的烟气量Q”=Q'4=根据工况下的烟气量、烟气温度及要求到达的除尘效率确定除尘器采用，MC60-Ⅱ长袋脉冲袋式除尘器，阻力为P=1176-1470Pa。产品性能规格见表2.1表2.1除尘器产品性能规格型号配套锅炉容量/(j/H)处理烟气量/(m3/h)除尘效率/%设备阻力/Pa分割粒径d/(50um)质量/kgXLD-441200092-95932-11282369图4.2为MC60-Ⅱ长袋脉冲袋式除尘器设计图。图4.2MC60-Ⅱ长袋脉冲袋式除尘表4.3除尘器外型结构尺寸ABCDEFGHMN14001400300503501000298544607004235图4.4除尘器外型结构尺寸根据锅炉运行情况和锅炉房现场的实际情况确定了各装置的位置。一旦确定了各装置的位置，管道的不止也就根本可以确定了。对各装置及管道的不布置应力求简单，紧凑，关路段，占地面积小，并使安装、操作和维修方便。各管段的管径单个锅炉的流量，1、2、3、4管Q’/3600=2.7m3/sd==4=0.586式中Q——工况下管道内烟气流量，m3/sv——烟气流速m/s，取v=10m/s圆整，取d=560mm,v=4Qπd2=圆整，取d=800mm，v=4Qπd圆整，取d=1120mm,v=4Qπ1.烟囱高度确实定首先确定共用一个烟囱的所有锅炉的总的蒸发量〔t/h〕，然后根据锅炉大气污染物排放标准中规定〔表5.1〕确定烟囱的高度。表5.1锅炉烟囱的高度锅炉总额定出力/(t/h)<11-22-66-1010-2026-35烟囱最低高度/m202530354045锅炉总额定出力：4×4=16〔t/h〕，烟囱高度设计40m。式中Q——通过烟囱的总烟气量，m3/h——按表选取的烟囱出口烟气流速，m/s2.烟囱直径计算表5.2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时机械通风10-204-5自然通风6-102.5-3烟囱出口内经d=0.0188Q=0.0188=1.83圆整，d=1.83m式中Q——通过烟囱的总烟气量，；——按表5.1选取的烟囱出口烟气流速，m/s，选4m/s烟囱底部直径d=3.5式中d2——烟囱出口直径，m；H——烟囱高度，m；i——烟囱锥度〔通常取〕，取i=0.023、烟囱的抽力Sy=0.0324=173.195式中H——烟囱高度，m；tk——外界空气温度，℃tp——烟囱内烟气平均温度，℃B——当地大气压，Pa六、系统阻力计算1.摩擦压力损失a.对于圆管∆式中——摩擦阻力系数〔实际中对金属管道可取0.02.对砖砌或混凝土管道可取0.04〕d——管道直径,m——烟气密度，kg/m3v——管中气流平均速率,m/sL——管道长度,m对于直径500mm圆管：L=9.5mρ(kg/∆p2.对于对于砖砌拱形烟道SD=500mmB=450mm式中S——为面积B——砖砌拱形烟道圆弧段内径5.2局部压力损失△P=ξ×ρ式中ξ——异形管件的局部阻力系数，v——与ξ相对应的断面平均气流速率，m/sρ——烟气密度，kg/m3图5.3为渐缩管5.2除尘器入口前管道示意图。α≤45度时，ξ=0.1，取α=45度，v=13.8m/s△P=8.0〔Pa〕L1=0.05×tan67.5=0.12〔m〕图6.2中二为30度Z形弯头=0.595=0.6〔m〕H/D=0.6/0.5=0.12取ξ'=0.157ξ=△P=12.6〔Pa〕图6.2中三为渐阔管图5.4中a为渐扩管l图5.4除尘器出口至风机入口段管道示意图≦45度时，ξ=0.1，取α=30°v=13.8m/s△P=8.0〔Pa〕L=0.93(m)图5.3中b、c均为90度弯头D=500，取R=Dξ=0.23△P=18.4〔Pa〕两个弯头△P=2△P=2×18.4=36.8(Pa)ξ=0.7△P=62.4〔Pa〕对于T形合流三通ξ=0.55△P=44〔Pa〕系统总阻力〔其中锅炉出口前阻力为800Pa，除尘器阻力1128Pa〕为:七、系统中烟气的温度降1.烟气在管道中的温度降∆式中Q——标准状态下烟气流量，m3/hF——管道散热面积，m2Cv——标准状态下烟气平均比热容〔一般为1.352—1.357KJ/(m3·°C〕q——管道单位面积散热损失KJ/(m3·h)室内q=4187KJ/(m3·h)室外q=5443KJ/(m3·h)室内管道长：L(m)=2.18-0.6-0.12=1.46F(m2)=∏L·D=2.29室外管道长L(m)=9.5-1.46=8.04F(m2)=∏L·D=12.69∆2.烟气在烟囱中的温度降∆t式中H——烟囱高度，m。A——温度系数，可由表7-2-1查得。D——合用同一烟囱的所有锅炉额定蒸发量之和，t/h；表7.1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〔H<50m，壁厚小于0.5m〕砖烟囱〔壁厚大于0.5m