大气污染控制工程烟囱课程设计.docx

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大气污染控制工程烟囱课程设计

某供暖锅炉烟气排放烟囱设计

1绪论

1.1我国大气污染现状

近年来，中国大气污染物排放总量呈逐年降低态势，部分污染较严重的城市空气质量有所好转，环境质量劣三级城市比例下降，但空气质量达到二级标准城市的比例也在减少，污染仍然很严重。

中国大气污染的主要来源是生活和生产用煤，主要污染物是颗粒物和SO2，部分大城市属煤烟与机动车尾气污染并重类型（如北京、上海、广州等）。

颗粒物是影响中国城市空气质量的主要污染物，SO2污染也保持在较高水平。

老问题还远没解决，新环境污染问题接踵而来。

随着机动车辆迅猛增加，中国部分城市的大气污染特征正在由烟煤型向汽车尾气型转变，NOx、CO呈加重趋势，有些城市已出现光化学烟雾现象，全国形成华中、西南、华东、华南多个酸雨区，多地出现雾霾天气、沙尘暴天气。

自1997年以来，虽然城市质量恶化的趋势有所减缓，部分城市空气质量有所改善，但某些城市大气污染仍较严重，且北方城市重于南方城市。

中国酸雨分布区域广泛，成因复杂。

酸雨出现的区域近年来基本稳定，主要分布在长江以南、青藏高盐以东的广大地区及四川盆地。

华中、华南、西南以及华东地区存在酸雨污染严重的区域，北方地区局部区域出现酸雨。

酸雨区面积约占我国国土面积的30%，酸雨污染依然严重，污染程度居高不下。

根据中国气象局基于能见度的感测结果表明，2013年全国平均霾日数为35.9天，比上年增加18.3天，为1961年以来最多。

中东部地区雾和霾天气多发，华北中南部至江南北部的大部分地区雾和霾日数范围为50～100天，部分地区超过100天。

雾霾天气中，首要污染物以PM2.5为主。

1.2大气污染控制的意义

世界卫生组织和联合国环境组织发表的一份报告说：

“空气污染已成为全世界城市居民生活中一个无法逃避的现实。

”如果人类生活在污染十分严重的空气里，那就将在几分钟内全部死亡。

工业文明和城市发展，在为人类创造巨大财富的同时，也把数十亿吨计的废气和废物排入大气之中，人类赖以生存的大气圈却成了空中垃圾库和毒气库。

因此，大气中的有害气体和污染物达到一定浓度时，就会对人类和环境带来巨大灾难。

一、大气污染对人体和健康的伤害。

大气污染物主要通过三条途径危害人体：

一是人体表面接触后受到伤害，二是食用含有大气污染物的食物和水中毒，三是吸入污染的空气后患了种种严重的疾病。

二、大气污染危害生物的生存和发育。

大气污染主要是通过三条途径危害生物的生存和发育的：

一是使生物中毒或枯竭死亡，二是减缓生物的正常发育，三是降低生物对病虫害的抗御能力。

三、大气污染对物体的腐蚀。

大气污染物对仪器、设备和建筑物等，都有腐蚀作用。

如金属建筑物出现的锈斑、古代文物的严重风化等。

四、大气污染对全球大气环境的影响。

大气污染发展至今已超越国界，其危害遍及全球。

对全球大气的影响明显表现为三个方面：

一是臭氧层破坏，二是酸雨腐蚀，三是全球气候变暖。

2概述

2.1设计目的

（1）通过课程设计使学生进一步消化和巩固《大气污染控制工程》这门课程所学内容，并使所学的知识系统化，培养学生运用所学理论知识进行净化系统设计的初步能力。

（2）通过设计，使学生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。

（3）培养学生理论联系实际、科学、严谨、求实的工作作风踏实苦干、勇于创新的敬业精神。

2.2设计任务及要求

某乡村全年气温在-10-35℃，距离地面10m处的年平均风速为5m/s。

有一供暖锅炉。

SO2排放率为10g/s,烟气流量为8m3/s,烟气温度405K，这一地区的背景浓度为0.1mg/m3。

下风方向1000m有一居民区，要求按照《环境空气质量标准》的一级排放标准来设计烟囱的高度和出口直径。

要求：

（1）完成烟囱高度和口径的设计计算；

（2）确定烟囱所需材料；

（3）计算所烟囱的压力损失；

（4）按照工程制图要求绘制一张烟囱的A3图。

2.3《环境空气质量标准》（GB3095-2012）

表1.SO2排放浓度限值

污染物名称取值时间浓度限值浓度单位

一级标准二级标准

年平均2060

二氧化硫（SO2）日平均50150ug/m3

1h平均150500

2.4SO2污染现状

目前，我国城市大气污染状况仍然十分严重。

2012年，在国家监测的343个城市中，达到或优于国家空气质量二级标准、达到三级标准和劣于三级标准的城市约各占1/3。

SO2平均浓度未达到国家空气质量二级标准的城市约占22%，其中，超过国家空气质量三级标准的城市约占8%;南方地区酸雨污染较重，酸雨控制区内90%以上的城市出现了酸雨。

20世纪90年代，我国国民经济以年均10%左右的速度增长，SO2、烟尘、工业粉尘等大气污染物排放总量也随之增加，1995年达到最高水平。

1995年全国SO2排放总量超过欧洲和美国，居世界第一位。

1995年以来由于国家对SO2等主要污染物的排放实施总量控制和经济结构调整，污染物排放总量己有所减少。

据专家测算，2012年SO2的实际排放量超过环境容量的60%。

SO2污染已使我国近1/3国土面积再现酸雨，成为世界三大酸雨区之一。

我国燃煤带来的大气污染，特别是SO2污染，造成了巨大的经济损失，严重影响了国民经济的发展和人民群众的正常生活。

2.5SO2的危害

SO2是一种无色具有强烈刺激性气味的气体，易溶解于人体的血液和其他黏性液。

大气中的SO2会导致户籍到炎症、支气管炎、肺气肿、眼结膜炎症等。

同时还会使青少年的免疫力降低，抗病能力变弱。

SO2在氧化剂、光的作用下，能生成硫酸盐气溶胶，硫酸盐气溶胶能使人致病，增加病人死亡率。

根据经济合作发展组织（OECD）的研究，当硫酸盐年浓度在10μg/m3左右时，每减少10%的浓度能使死亡率降低0.5%；SO2还能与大气中的飘尘黏附，当人体呼吸时吸入带有SO2的飘尘，会使SO2的毒性增强。

研究表明，在高浓度的SO2的影响下，植物产生急性危害，叶片表面产生坏死斑，或直接使植物叶片枯萎脱落；在低浓度SO2的影响下，植物的生长机能受到影响，造成产量下降，品质变坏。

SO2对金属，特别是对钢结构的腐蚀。

每年给国民经济带来很大的损失。

据估计，工业发达国家每年因金属腐蚀而带来的直接经济损失占国民经济总产值的2%~4%。

3烟囱

3.1烟囱的作用

在于使其根部产生足够吸力，克服焦炉加热系统阻力（包括分烟道阻力）和下降气流段热浮力，从而使炉内废气排出，空气吸入。

炉内上升气流热浮力则有助于气体流动和废气排出。

烟囱根部吸力靠烟囱内热废气的浮力产生，其值由烟囱高度和热废气与大气的密度差决定。

烟囱的工艺设计主要是根据加热系统的阻力和浮力值确定根部需要的吸力值，并据此计算烟囱高度和直径。

3.2烟囱设计应注意的问题

1、增加烟气抬升高度的措施锭烟气抬升的主要因素有烟气本身的热力性质、动力性质、气象条件和近地层下垫面等。

（1）影响烟气抬升高度的第一因素是烟气所具有的初始动量和浮力。

初始动量的大小取决于烟气出口速度和烟囱口的内径；浮力大小决定于烟气和周围空气的密度差和温度，若烟气与空气因组分不同而产生的密度差异很小时，烟气抬升的浮力大就主要取决于烟气温度Tb与空气温度Ta之差。

当风速为5m/s，烟气温度在100~200℃时，Tb与Ta每相差1K，抬升高度约增加1.5m。

因此，提高排气温度有利于烟气抬升，所以应注意减少烟道及烟囱的热损失。

（2）烟气与周围空气的混合速率是影响烟气抬升的第二因素，决定混合速率的主要因素是平均风速和湍流强度。

平均风速越大，湍流越强，烟气与周围空气混合越快。

因此，应选择一个适当的出口速度。

（3）增加排气量对动量抬升和浮力抬升均有利。

因此，在附近有几个烟囱时采用集合烟囱排气。

2、烟囱高度设计时应注意的问题

（1）对于设计的高烟囱（大于200m），若所在地区上部逆温出现频率较高时，则应有上部逆温的扩散模式校核地面污染物浓度。

对于设计中小型烟囱，当辐射逆温很强则应按漫烟型扩散模式校核地面污染物浓度。

（2）烟流抬升公式的选择也是烟囱设计的重要一环。

（3）关于气象参数的取值方法有两种。

一种是取多年的平均值；另一种取值是保证频率值。

（4）烟囱的最低高度应满足各行业大气污染物排放标准的要求。

3.3烟囱材料分类

烟囱材料可选砖石、混凝土、钢材和隔热材料。

3.3.1砖石

（1）砖烟囱筒壁的材料应按下列规定采用：

烧结普通黏土砖强度等级不应低于MU10，水泥石灰混合砂浆强度等级不应低于M5。

（2）石砌基础的材料应采用未风化的天然石材。

（3）规范中给出了砖砌体在温度作用下的抗压强度设计值和弹性模量，若不考虑温度的影响，可按国家标准《砌体结构设计规范》（GB50003）的规定采用。

3.3.2混凝土

（1）钢筋混凝土烟囱筒壁用的混凝土宜采用普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥配制，强度等级不应低于C25；水灰比不宜大于0.5，每立方米混凝土水泥用量不应超过450kg；混凝土的骨料应坚硬致密，粗骨料宜采用玄武岩、闪长岩、花岗岩、石灰岩等破碎的碎石或河卵石，细骨料宜采用天然砂；粗骨料粒径不应超过筒壁厚度的1/5和钢筋净距的3/4，同时最大粒径不应超过60mm。

（2）基础及烟道的混凝土强度等级按下列规定采用：

刚性基础不应低于C15；板式基础不应低于C20；壳体基础不宜低于C30；烟道不应低于C20。

3.3.3钢材

（1）钢筋混凝土筒壁的钢筋宜采用HRB335级钢筋。

（2）钢烟囱塔架和筒壁可采用Q235、Q345、Q390、Q420钢。

处在大气潮湿地区的钢烟囱塔架和筒壁或排放烟气属于中等腐蚀性的筒壁宜采用Q235NH、Q295NH或Q355NH可焊接低合金耐候钢。

烟囱的平台、爬梯和砖烟囱的环箍宜采用Q235钢。

3.3.4隔热材料

常用的隔热材料有硅藻土砖、膨胀珍珠岩、水泥膨胀珍珠岩制品、高炉水渣、矿渣棉和岩棉等，其干燥状态下的重力密度不宜大于8KN/m3。

3.4本设计所选烟囱材料

本次设计中，烟囱材料选取混凝土。

3.4.1混凝土材料选择规范

（1）混凝土宜采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥配制，混凝土标号不宜低于200号。

（2）混凝土的水灰比不宜大于0.5，混凝土的水泥用量不宜超过50Kg/m3。

（3）混凝土的骨料应坚硬致密。

骨料宜采用玄武岩、闪长岩、花岗岩等破碎的碎石或卵石。

细骨料宜采用天然砂，也可采用上述岩石经破碎筛分后的产品，但不得含有金属矿物、云母、硫酸化合物和硫化物。

（4）粗骨料粒径不应超过管壁厚度的1/5和钢筋间距的3/4，同时最大粒径不应超过60mm。

（5）沿筒壁高度方向宜采用相同标号的混凝土。

当烟囱较高（150m以上时），亦可采用不同标号的混凝土，烟囱下部的混凝土标号应高于上部混凝土标号。

（6）筒壁顶部第一节和有烟气直接作用的部位，不宜采用石灰石做骨料。

3.5烟囱防腐

为了解决湿烟囱的防腐问题,必须寻求一种耐酸防腐、耐温变强、耐高温同时耐磨附着力又好的材料。

相关数据表明，为了解决这一难题，各厂家先后采用了增设钢内筒加钛板防腐、在混凝土烟囱内加装钢排烟筒、钢排烟囱内用聚脲弹性体防腐、在耐火砖上喷涂耐火胶泥、采用轻型耐酸浇注料进行整体浇注等方法，均未得到行业的一致认可。

（1）ZS-1041烟气防腐涂料与传统的聚脲、泡沫玻璃砖、玻璃鳞片、OM涂料或胶泥不同，它耐温幅度高，涂层轻盈、使用寿命长，耐久性好，损坏的涂层可以方便地进行修补。

在制备、涂装和形成涂层过程中对环境无污染。

①烟囱防腐涂料涂层有优良的耐化学腐蚀特别是冷凝硫酸腐蚀的能力；　　　

②烟囱防腐涂料与钢基体有非常好的粘结力；

③烟囱防腐涂料涂层有非常高的抗水蒸汽渗透性能；　

④烟囱防腐涂料涂层还有较高的抗挠曲性及热膨胀抗