大气污染控制工程.docx
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大气污染控制工程
某燃煤采暖锅炉烟气除尘系统设计
1设计概述
1.1设计目的
通过此次课程设计,进一步消化和巩固《大气污染控制工程》课程所学内容,并使所学的知识系统化,培养运用所学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。
1.2设计任务
运用在《大气污染控制工程》课程中所学习的知识,完成某燃煤采暖锅炉烟气除尘系统的设计。
1.3设计原则及依据
按照锅炉大气污染物排放标准(GB13271-2001)中二类区标准、烟尘浓度排放标准(200mg/m3)、二氧化硫排放标准(900mg/m3)进行设计计算。
1.4设计原始资料
表1设计原始资料
项目
参数
锅炉型号
SZL4—13型,共4台(2.8MW×4),即每台锅炉每秒产热量为2.8×103kJ
设计耗煤量
600kg/h(台),水的蒸发热为:
2570.89kJ/kg
排烟温度
160℃
烟气密度(标准状态下)
1.34kg/m3
空气过剩系数
α=1.4
排烟中飞灰占煤中不可燃成分的比例
16%
烟气在锅炉出口前阻力
800Pa
当地大气压力
97.86kPa
冬季室外空气温度
-1℃
空气含水(标准状态下)
0.01293kg/m3
烟气其他性质按空气计算
煤的工业分析基
CY=68%;HY=4%;SY=1%;OY=5%;NY=1%;WY=6%;AY=15%;VY=13%
按锅炉大气污染物排放标准
GB13271-2001中二类区标准执行
烟尘浓度排放标准(标准状态下)
200mg/m3
二氧化硫排放标准(标准状态下)
900mg/m3
1.5设计内容和要求
a.燃煤锅炉排烟量及烟尘和二氧化硫浓度的计算。
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。
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
2有关计算以及除尘器的选择
2.1燃煤锅炉排烟量及烟尘和二氧化硫浓度的计算
2.1.1标准状态下理论空气量计算
Qa′=4.76(1.867CY+5.56HY+0.7SY-0.7OY)(m3/kg)
式中:
CY,HY,SY,OY,分别为煤中各元素所含的质量分数。
代入数据CY=68%,HY=4%,SY=1%,OY=5%得:
Qa′=4.76(1.867CY+5.56HY+0.7SY-0.7OY)
=4.76(1.867×68%+5.56×4%+0.7×1%-0.7×5%)
=6.97m3/kg
2.1.2标准状态下理论烟气量
Qs′=1.867(CY+0.375SY)+11.2HY+1.24WY+0.016Qa′+0.79Qa′+0.8NY(m3/kg)
式中:
Qa′—标准状态下理论空气量,m3/kg;WY—煤中水分所含质量分数,%;
NY—N元素在煤中所占质量分数,%。
代入数据CY=68%,HY=4%,SY=1%,Qa′=6.97m3/kg,NY=1%;WY=6%得:
Qs′=1.867(CY+0.375SY)+11.2HY+1.24WY+0.016Qa′+0.79Qa′+0.8NY
=1.867(68%+0.375×1%)+11.2×4%+1.24×6%+0.016×6.97+0.79×6.97+0.8×1%
=7.42m3/kg
2.1.3标准状态下实际烟气量
Qs=Qs′+1.016(α-1)Qa′(m3/kg)
式中:
α—空气过剩系数;Qs′—标准状态下理论烟气量,m3/kg;
Qa′—标准状态下理论空气量,m3/kg。
注意:
标准状态下烟气流量Q以m3/h计,因此,Q=Qs×设计耗煤量。
代入数据得:
Qs=Qs′+1.016(α-1)Qa′
=7.42+1.016(1.4-1)6.97=10.25m3/kg
所以,标准状态下烟气流量Q=Qs×设计耗煤量
=10.25×600
=6150m3/h(台)
2.1.4标准状态下烟气含尘浓度
式中:
dsh—排烟中飞灰占煤中不可燃成分的质量分数;AY—煤中不可燃成分的含量;
Qs—标准状态下实际烟气量,m3/kg。
代入数据得:
=(16%×15%)/10.25
=2.34×10-3kg/m3
2.1.5标准状态下烟气中二氧化硫浓度的计算
Cso2=2SY/Qs×106(mg/m3)
式中:
SY—煤中含可燃硫的质量分数;QS—标准状态下燃煤产生的实际烟气量,m3/kg。
代入数据得:
Cso2=2SY/Qs×106
=2×1%/10.25×106
=1.95×103mg/m3
2.2除尘器的比较和选择
2.2.1除尘器应达到的除尘效率
η=1-Cs/C
式中:
C—标准状态下烟气含尘浓度,mg/m3;
CS—标准状态下锅炉烟尘排放标准中规定值,mg/m3。
查锅炉大气污染物排放标准(GB13271-2001)中二类区标准得CS=200mg/m3。
代入数据得:
η=1-Cs/C
=1-200/2340
=91.45%
2.2.2除尘器的选择
根据烟尘的粒径分布或种类、工况下的烟气量、烟气温度及要求达到的除尘效率确定除尘器的种类、型号及规格,并确定除尘器的运行参数,如气流速度、压力损失和捕集粉尘量等。
工况下烟气流量:
Q′=QT′/T
式中:
Q—标准状态下的烟气流量,m3/h;T′—工况下烟气温度,K;
T—标准状态下的温度,273K。
代入数据得:
Q′=QT′/T
=6150×(160+273)/273
=9754m3/h
=2.7m3/s
根据工况下的烟气量、烟气温度及要求达到的除尘效率选择除尘器,经过比选,最终选择了XD-II型多管旋风除尘器。
它是一种高效的除尘器,除尘效率可达95%以上,除尘器本体阻力低于900Pa,用现有的锅炉引风机就能保证锅炉正常运行。
该除尘器负荷适应性好,在70%负荷时,除尘效率在94%以上。
XD-II型多管旋风除尘器内的旋风子是采用铸铁或陶瓷制造的,厚度大于6mm,因此有良好的耐磨性能。
它是工业锅炉烟气除尘和其他粉尘治理的理想设备。
产品性能规格见下表:
表2.1除尘器产品性能规格
型号
配用锅炉
(t/h)
处理烟气量
(m3/h)
除尘效率
(%)
本体阻力
(Pa)
分割粒径
d/(50μm)
重量(kg)
XD-II-4
4
12000
>95
<900
3.05
1900
XD-II型多管旋风除尘器外形见下图:
图2.1XD-II型多管旋风除尘器外形图
3除尘器、风机和烟囱的位置及管道的布置
3.1各装置及管道布置的原则
根据锅炉运行情况和锅炉房现场的实际情况确定各装置的位置。
一旦确定了装置的位置,管道的布置也就基本可以确定了。
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管径的确定
式中:
Q—工况下管内烟气流量,m3/s;
υ—烟气流速,m/s(可查有关手册,对于锅炉烟囱,υ=10~15,m/s);
取υ=14m/s,代入数据得:
=0.49m
管径计算出后,进行圆整(取接近的较大的整数,查手册),用圆整后的管径计算出实际烟气流速,使实际烟气流速符合要求。
对计算管径进行圆整并选取风道,在《供暖通风设计手册》中查得,风管规格如下:
表2.2风道直径规格表
外径D/mm
钢制板风管
外径允许偏差/mm
壁厚/mm
粗糙度K/mm
500
±1
0.75
0.15~0.18
内径:
d=500-0.75×2=498.5mm
由公式,,可计算出实际烟气流速为υ=13.8m/s
4烟囱设计
4.1烟囱高度的确定
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的规定确定烟囱的高度,如下表所示:
表4.1锅炉烟囱的高度
锅炉总额定出力/(t/h)
<1
1~2
2~6
6~10
10~20
26~35
烟囱最低高度/m
20
25
30
35
40
45
锅炉总额定出力:
4×4=16(t/h),所以选定烟囱高度为40m.
4.2烟囱直径的计算
烟囱出口内径可按下式计算:
式中:
Q—通过烟囱的总烟气量,m3/h;υ—按下表选取烟囱出口烟气流速,m/s。
表4.2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
机械通风
10~20
4~5
自然通风
6~10
2.5~3
取υ=4m/s,Q=9754×4=39016m3/h,由公式 ,解得d=1.86m,圆整取d=1.9m
烟囱底部直径:
d1=d2+2×i×H(m)
式中:
d2—烟囱出口直径,m;H—烟囱高度,m;i—烟囱锥度,通常取i=0.02~0.03。
取i=0.02,代入数据得:
d1=d2+2×i×H
=1.9+2×0.02×40
=3.5(m)
4.3烟囱的抽力
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。
代入数据得:
=0.0342×40×{[1/(273-1)]-1/(273+160)}×97.86×103
=183(Pa)
5系统中烟气温度的变化
当烟气烟道较长时,必须考虑烟道温度的降低。
除尘器、风机、烟囱的烟气流量应按各点的温度计算。
5.1烟气在管道中的温度降
式中:
Q—标准状态下烟气流量,m3/h;F—管道散热面积,m2;
CV—标准状态下烟气平均比热容(一般为1.352~1.357kJ/m3.℃)
q—管道单位面积散热损失,室内为4187kJ/(m2.h),室外为5443kJ/(m2.h)
室内管道长:
L=2.18-0.6-0.12=1.46(m)
F=πLD=2.29(m2)
室外管道长:
L=9.5-1.46=8.04(m)
F=πLD=12.69(m2)
代入数据得:
=4187×2.29/(6150×1.355)+5443×12.69/(6150×1.355)
=9.4℃
5.2烟气在烟囱中的温度降
式中:
H—烟囱高度,m;
D—合用同一烟囱的所有锅炉额定蒸发量之和,t/h;
A—温度系数,可由下表查得。
表5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)
A
2
0.8
0.4
0.2
代入数据得:
=40×0.4/√16
=4℃
总温度降:
6系统阻力的计算
6.1摩擦压力损失
对于圆管:
式中:
L—管道长度,m;d—管道直径,m;
ρ—烟气密度,kg/m3;
υ—管中气流平均速率,m/s;
λ—摩擦阻力系数,是气体雷诺数Re和管道相对粗糙度K/d的函数。
可以查手册得到(实际中对金属管道λ值可取0.02,对砖砌或混凝土管道λ值可取0.04)。
对于直径为500mm圆管:
L=9.5m
ρ=ρ0×273/(273+160)
=0.84(kg/m3)
代入数据得:
=0.02×9.5/0.5×0.84×13.8×13.8/2
=30.4(Pa)
6.2局部压力损失
式中:
ξ—异形管件的局部阻力系数,可在有关的手册中查到,或通过实验得到;
ν—与ξ相对应的断面平均气流速度,m/s;
ρ—烟气密度,kg/m3。
除尘器全管道及其至风机入口管段共有4个90度弯头、两个T型三通管、两个渐扩管(均为l=0.95m)、一个渐缩管(l=0.25m)。
经查阅手册获取各局部阻力系数后计算得:
2340Pa
7风机和电动机选择计算
7.1风机风量的计算
式中:
1.1—风量备用系数;
Q—标准状态下风机前表态下风量,m3/h;
tp—风机前当前温度,℃,若管道不太长,可以近似取锅炉排烟温度;
B—当地大气压,kPa。
代入数据得:
=1.1×6150×(273+160)/273×101.325/97.86
=11109.8(m3/h)
7.2风机风压的计算
式中:
1.2—风机备用系数;
ΣΔh—系统总阻力,Pa;
tp—风机前烟气温度,℃;
ty—风机性能表中给出的试验用气体温度,℃;
ρy—标准状态下烟气密度,1.34kg/m3。
代入数据得:
=1.2×(2340.5-183)×(273+160)/(273+200)×101.335/97.86×1.293/1.34
=2362(Pa)
根据计算出的风机风量Qy和风机风压Hy,选定Y5-47型6C号离心锅炉引风机。
该风机共有7种机号(4C-12.4D) ,适用于1-20吨/小时工业锅炉引风,最高效率达90.5%,最高温度不超250℃。
风机本身有较高的强度和耐磨性,使用寿命长。
性能表如下:
表7Y5-47型6C号离心锅炉引风机主要性能参数
型号
转速(r/min)
全压(Pa)
流量(m3/h)
型号
所需功率(kW)
Y5-47-6C
2850
3148
11300~16760
Y160L-2
18.5
7.3电动机功率的计算
式中:
Qy—风机风量,m3/h;
Hy—风机全压,Pa;
η1—风机在全压头时的效率(一般风机为0.6,高效风机约0.9);
η2—机械传动效率,当风机与电机直联传动时η2=1,用联轴器连接时η2=0.95~0.98,用V形带传动时η2=0.95;
β—电动机备系数,对引风机,β=1.3。
代入数据得,
=11109.8×2362×1.3/(3600×1000×0.6×0.95)
=17.1kW
根据电动机的功率,风机的转速,传动方式选取YB2-160L-2电动机,其主要性能参数见表7。
表7电动机主要性能参数
型号
额定
功率
额定
电流
转速
效率
功率
因数
堵转转矩
堵转电流
最大转矩
额定转矩
额定电流
额定转矩
kW
A
r/min
%
COSФ
倍
倍
倍
YB2-160L-2
18.5
35.5
2940
89.0
0.89
2.2
7.5
2.3
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