环境工程系大气污染控制工程课程设计--某燃煤采暖锅炉房烟气除尘系统设计(振动炉排式链条炉-强制送风-600k.doc

大气污染控制工程课程设计
第一章 概述
第一节 设计任务题目、目的和要求
1.1 设计题目
某燃煤采暖锅炉房烟气除尘系统设计（振动炉排式链条炉+强制送风+600kg/h）。
1.2 设计目的
通过课程设计进一步消化和巩固本能课程所学内容，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 设计内容和要求
1．燃煤锅炉排烟量及烟尘和二氧化硫浓度的计算。
净化系统布置区域(距锅炉房15m以内)
2．净化系统设计方案的分析确定。
3．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。
4．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。
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。
第二节 设计依据
2.1 大气质量标准
当地大气质量执行《大气环境质量标准》“GB13271-2001”中的二级标准。
2.2 烟尘排放浓度
执行《大气环境质量标准》“GB13271-2001”中的二级标准。本标准按锅炉建成使用年限分为两个阶段，执行不同的大气污染物排放标准：
Ⅰ时段：2000年12月31日前建成使用的锅炉。
Ⅱ时段：2001年1月1日起建成使用的锅炉（含在Ⅰ时段立项未建成或未运行使用的锅炉、建成使用锅炉中需要扩建、改建的锅炉）见表1。
表1 燃煤锅炉烟尘初始排放浓度和烟气黑度限值

锅炉类别

适用区域
烟尘排放浓度（）
烟气黑度
（林格曼黑度，级）
Ⅰ时段
Ⅱ时段
燃煤锅炉
自然通风锅炉
（）
一类区
100
80

1
二、三类区
150
120

其他锅炉
一类区
100
80

1
二类区
250
200
三类区
350
250
2.3 锅炉烟囱高度应根据锅炉房总设计确定
新建锅炉烟囱周围半径200m的距离内有建筑物时，烟囱高度应高出最高建筑物3m以上，达不到此要求时，锅炉烟尘排放浓度限值及黑度按“GB13271-2001”中的二类区域的浓度标准执行。烟囱的高度由锅炉蒸发量确定见表2。
表2 锅炉房烟尘最低允许高度

锅炉房装机总容量
MW
<0.7
0.7～1.4
1.4～2.8
2.8～7
7～14
14～28

<1
1～2
2～4
4～10
10～20
20～40
烟囱最低允许高度
m
20
25
30
35
40
45
注：燃煤、燃油（燃轻柴油、煤油除外）
2.4 燃煤锅炉烟尘初始排放浓度和烟气黑度限值
根据锅炉锅炉销售出厂时间按表3的时间段规定执行。
表3 燃煤锅炉烟尘初始排放浓度和烟气黑度限值

锅炉类别

燃煤到基灰分（%）
烟尘初始烟尘排放浓度（）
烟气黑度
（林格曼黑度，级）
Ⅰ时段
Ⅱ时段
自然通风锅炉
（＜0.7MW(1t/h)）

/

150

120

1
其他锅炉
（≤2.8MW（4t/h））
Aar≤25%
1800
1600

1
Aar≥25%
2000
1800
其他锅炉
（＞2.8MW(4t/h)）
Aar≤25%
2000
1800

1
Aar≥25%
2200
2000
第三节 设计原始资料
3.1 设计参数
锅炉：共4台
排烟温度：1600C
烟气密度(标准状态下)：1.34kg/m3。
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：一1℃
空气含水(标准状态下)按0.01293kg/m。
烟气其他性质按空气计算
煤的工业分析值：
按锅炉大气污染物排放标准(GB 13271—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。
净化系统布置场地如图1所示的锅炉房北侧15m以内。

图1 锅炉房平面布置图

图2 I－I剖面图

3.2 煤质表
表4 煤质资料
煤种
低位发热量
（KJ/㎏）
挥发分%
灰分
%
水分
%
干燥无灰基分析（%）
C
H
O
N
S
无烟煤
26377
9.0
26.0
5.0
91.7
3.8
2.2
1.3
1.0
3.3烟气中烟尘颗粒粒径分布表
粒径间隔µm
0-1
1-5
5-10
10-20
20-30
30-40
40-50
50-60
>60
质量频率％
3
20
15
20
16
10
6
3
7
表5

第二章 除尘器的选型及计算
根据现在环保要求，采用电除尘设备。
第一节 燃烧的计算
1.1 燃煤量：　 600kg/h
1.2 燃煤的计算：
煤成分：
元素 质量（g） mol 需氧数mol
C　　　　 680　　 56.67　 　56.67
H　　　　 40　　　　 20　　 　 10
O　　　　 50　　　　　 _ 　　　 -1.57
S 　　　　 10　　　　 0.31　　 0.31
N 10 0.71 -

理论氧气量：　　　56.67+10-1.57+0.31=65.41（mol/kg)
理论空气量：　　　
　 　　（标态）
理论烟气量：　　　

（标态）
1.3 确定过剩系数
链条炉（强制送风） 1.5 烟管 0.15 省煤管 0.1
除尘器 0.1 炉膛 0.1 过滤器 0.05 空气预热器 0.1
无烟煤 0.12
锅炉出口排烟过剩系数（）=炉膛出口处过量空气系数+对流烟道内部分的漏风系数之和
总过剩系数（）=链条炉（1.5）+省煤管（0.1）+炉膛（0.1） +烟管（0.15）=1.85
1.4 烟气量的计算
实际烟气量：

运行工况下除尘器需净化的烟气量：

第二节 烟气浓度及除尘效率
2.1 烟尘初始浓度的计算
1． 锅炉的飞灰排放量

式中 ——锅炉的飞灰排放量（）
——锅炉在额定蒸发量时的耗煤量（）
——燃料含灰量，取
——锅炉款完全燃烧损失，=5～12，（取10）
——燃料发热量，
——烟尘占燃料中灰分的质量分数0.15～0.20 (取0.20)

2． 烟尘的初始浓度

=
2.2 除尘效率要求达到的除尘效率

式中　　——按《锅炉烟尘排放标准》中二类区域规定的浓度限额取值计算，即为200。

第三节 含硫浓度的计算
燃料中转化为二氧化硫的百分率为100%

式中 ——每千克燃料燃烧时产生的二氧化硫的体积 ；
m——每千克燃料中含硫的质量；
M——硫的分子量；

式中 ——锅炉在额定蒸发量时的耗煤量
——实际烟气量

将转化为

根据《烟尘排放标准》GB13271-2001规定，2001年1月1日起立项,新安装和更新的锅炉中，燃煤含硫量小于,二氧化硫浓度标准为900,由于计算所得的大于900超标。所以在除尘过程中需要脱硫，需达到的脱硫效率为：

第四节 除尘方案的确定及除尘器选型
4.1 除尘方案确定依据
（1）根据除尘烟气的含尘浓度。
（2）根据除尘器的除尘效率和处理烟气量是否达到设计要求，除尘后排尘浓度是否达到排放标准。
（3）考虑除尘器的造价、安装费、运行费、维护费和使用寿命。
4.2 设计参数
根据设计题目锅炉的燃煤量800kg/h，烟尘的初始浓度，除尘系统要求达到的除尘效率，允许压力损失：。
4.3 方案比较
方案一：袋式除尘器
袋式除尘器是一种干式高效除尘器，可用于净化粒径的尘土气体。除尘效率可达99%以上，它是最古老的除尘方法之一。
（1） 袋式除尘器的优点
① 袋式除尘器对净化含尘微粒和亚微粒数量级的粉尘粒子的气体效率较高，一般可达99%，甚至达到99.9%以上。
② 袋式除尘器可以捕集多种干式粉尘，特别是高比电阻粉尘，采用袋式除尘器要比用电除尘器的净化效率高得多。
③ 含尘气体浓度在相当大的范围内变化对袋式除尘器的效率和阻力影响不大。
④ 袋式除尘器可以设计制造成适应不同气量的含尘气体的要求，除尘器的处理量可以从1～10。
⑤ 袋式除尘器也可以做成小型的，安装在散尘设备上或散尘设备附近，也可以安装在车上做成移动式袋式过滤器，这种小巧、灵活的袋式除尘器特别适用于分散尘源的除尘。
⑥ 袋式除尘器运行性能稳定可靠，没有污泥处理和腐蚀等问题，操作维护简单。
（2） 袋式除尘器的缺点
① 袋式除尘器的应用主要受滤料的耐温和耐腐蚀等性能影响。目前常用的滤料可耐250℃左右高温，如采用特别滤料处理高温含尘烟气，将会增大投资费用。
② 不适于净化含粘结和吸湿性强的含尘气体。用袋式除尘器净化烟尘是的温度不能低于零点温度，否则将会产生结露，堵塞布袋滤料的空隙。
③ 据初步统计，用袋式除尘器净化大于17000含尘气量的投资费用要比电除尘器高，而净化小于17000含尘烟气时投资费用要比电除尘器省。
方案二：电除尘器
电除尘器是利用静电力从气流中分离悬浮粒子（尘粒或液滴）的装置。电除尘器与其他除尘器的根本区别在于：除尘过程的分离力（主要是静电力）直接作用在粒子上，而不是作用在整个气流上。
电除尘器的特点
① 收集效率高：静电除尘装置可以很方便的通过加长电场长度达到99%以上的除尘效率。静电除尘器装置还有一个出色的特征，就是收集效率可长期稳定保持不变，这是其他除尘器比不上的。只有袋式除尘器例外，但袋式除尘器需要经常更换滤袋，才能保持良好的收尘效率。
② 烟气阻力小，总的能耗低，电除尘器的能耗主要是由烟气阻力损失、供电装置、电加热保温和震打电机等能耗组成。由于总的能耗低，有很少更换易损件，所以运行费用比袋式除尘器、文丘里除尘器等要小得多。
③ 适用范围广：电除尘器可捕集粒径小于的粒子，300～400℃的高温烟气。湿式静电除尘器不仅可以除尘，还可除去烟气中的水雾和酸雾。这种综合性的能力为用户提供了方便。当烟气的各项参数发生一定范围内波动时，电除尘器仍然保持良好的捕集性能。对于高比电阻和低比电阻粉尘的烟尘来说，需要采取烟气调节，但总的看来这种情况不多，绝大多数的烟气净化都可采用电除尘器。
④ 可处理大容量烟气：电除尘器易模块化，因此可以很方便地实现装置的大型化。目前单台电除尘器处理气量已达，这样大的气量用袋式除尘器或旋风除尘器来处理是很难想像的，即使勉强做到也不经济。
⑤ 捕集到的粉尘干燥：因为粉尘以干燥的形态被捕集，有利于粉尘的输送和再利用，也没二次污染。
⑥ 维护保养简单：电除尘器如果品种规格选的恰当，又有良好的制造安装质量，日常的维护保养量是很少的。电除尘器的操作运行以全部实现自动化，实现了智能化——即自动选择瞬时最佳运行方式。
⑦ 一次投资大：电除尘器和其他除尘器相比结构较复杂，耗用钢材比较多，每个电场需配用一套高压电源及控制设备，因此价格较大。但是静电除尘装置设备费用加上3～5年的运行费用比大多数其他除尘设备的要低。
方案三：文丘里麻石水膜除尘器
含尘气体由烟气进口引入，首先进入麻石文氏管，文氏管是一个缩放管，在文氏管喉部入口处喷入的压力水呈雾状布满整个喉部，烟气流经文氏管的渐缩管时由于流道的缩小，速度逐渐增大，到达喉部时速度达到最大。因此当烟气流到喉部是，烟气中高速运动的尘粒冲破水滴周围的气膜而被吸附在水滴上凝聚成大颗粒的液滴随烟气一起进入麻石水膜除尘器进行第二次分离。液滴与烟气一起由麻石水膜除尘器切向或蜗向引入，然后沿筒体螺旋上升，液滴与尘粒在离心力的作用下被甩向筒体内壁自上而下的一层均匀的水膜接触，被水膜吸附，而随水膜一起流到底部灰斗，从排灰口排出筒体，在经过水封面进入排灰沟排出。净化后的烟气从顶部以切向或蜗向引入。
文丘里麻石水膜除尘器中花岗石（俗称麻石）它成本低，便于安装耐腐蚀，占地面积小等特点，而且能大量吸收烟气中的SO、SO形成SO、SO离子，具有良好的脱硫效果，并克服了钢制除尘器易腐蚀，内衬的瓷砖或辉绿岩板衬里易脱落的特点。
麻石水膜除尘器具有投资少，电能消耗低，除尘效率高，可脱硫，操作简单，维护方便，使用寿命长等优点。
经过三个方案的比较后，采用电除尘器最合适。
第五节 电除尘器的计算
5.1 除尘器主要参数的确定
1. 气流速度　（）
2. 设定板间距 （） 极板采用C型板，紧固型悬挂方式
3. 设定线间距 极线采用长管状芒刺线（起晕电压15KV）
4. 驱进速度 （）
5. 电场强度 E=50000V/m
6. 电压 U=70KV
5.2 确定主要部件结构形式
1. 采用卧式电除尘器
2. 设计为单室m=1
3. 电场数 n=2
4. 振打方式：挠臂锤机械振打
5. 进出气烟箱：
(1) 进气方式：前部中心进气
(2) 气流分布：在进气烟箱内设置开孔率为50%气流均布 板和导流板
(3) 槽形极板：在出气烟箱内设置槽形极板
6. 灰斗：设置船形灰斗
7. 电晕电极：芒刺线
5.3 各部尺寸计算
1. 集尘面积
　　　　　　　　　　　　　——　取1.0

2. 初定电场断面积

3. 极板的有效高度

极板的有效宽度

4. 通道数

　反算极板的宽度

5. 验算实际断面积

　验算电场风速

　　　　　　　　　　　　 合格
6. 单电场长度

7. 电压和电流

8. 柱间距
除尘器内壁宽度(取)

沿气流方向上的柱间距

与气流垂直方向的柱间距

9. 进气烟箱
　进气烟箱采用水平进气方式，并设置导流板和开孔率为的气流均布板，取进口烟气流速为，进气烟箱进口的截面积

进气烟箱的进口截面形状为的矩形，底板斜度为，进气烟箱长
10. 出气烟箱
出气烟箱采用水平出气方式，并设置槽型极板，取各出气烟箱小端截面

底板与水平夹角为，
出气烟箱长
11. 灰斗
采用船形灰斗，沿气流方向设2个灰斗，灰斗上口取，灰斗下口取，底部卸灰阀高度取，灰斗壁与水平夹角为，灰斗高为。
灰斗总体积
取有效容积为
12. 理论捕集效率

符合设计要求。
13. 电除尘器总体外形尺寸
除尘器总长=进气烟箱长+柱距长×电场数+出气烟箱长

除尘器总宽=2×走台宽度+室数×柱间宽

　　除尘器总高=极板有效高度+灰斗高度+顶部大梁高度+底部遮拦高度+底部卸灰阀高度

第三章 除尘系统及有关计算
第一节 管道设计及阻力计算
1.1 管道设计
1、锅炉出口到除尘器进口的管道尺寸

式中 ——锅炉出口到除尘器进口连接管的截面积；
——锅炉出口的烟气流量；
——烟气流速，机械通风金属管道烟气流速为，本设计取。

根据 可得
则 内径 ，
管壁厚度取，外径。
查《环境工程设计手册》得
取管径为,管壁厚度为的钢板制风管，
计算得实际风速为。
2、除尘器出口到引风机进口之间的管道尺寸

式中 ——除尘器出口于引风机进口连接管截面积
——除尘器出口烟气量

根据 可得
故内径为
管壁厚度取，外径
查《环境工程设计手册》得
取管径为,管壁厚度为的钢板制风管，
计算得实际风速为
1.2 管道阻力计算
1、 局部阻力损失计算
⑴除尘器出口与金属管相接处的阻力损失

式中 ——局部阻力系数，取
——烟气流速
——烟气密度 ,
——标准状态下的烟气密度
——除尘器的出口温度，除尘器的出口温度约为

(2)弯头阻力损失

式中: -------阻力系数，弯头焊接，，取，。
查《环境工程设计手册》

（3）金属管道与风机进口相接处的阻力损失

（4）风机出口与金属管相接处阻力损失

（5）引风机后的金属管与烟囱相接处阻力损失

2、 摩擦阻力损失计算
（1） 除尘器出口到烟囱进口的摩擦阻力损失

式中 ------阻力系数 查《工业锅炉房设计手册》
------管道长度m ,本设计取单位长度
--------管道当量直径m，管道为圆形（为内径）
--------烟气流速
-------烟气平均重度

除尘器出口到第一个弯头长度：
第一个弯头到第二个弯头之间的长度：根据除尘器高取
第二个弯头到第三个弯头之间的长度：取
第三个弯头后的管道与引风机进气口之间的长度：取
引风机出口到砖砌烟囱入口的长度：取

3. 总烟气管道摩擦阻力损失

第二节 烟囱的设计及计算
2.1 烟囱的选择
根据锅炉蒸气排放量,这里取钢筋混凝土烟囱,高度为20m。《工业锅炉房设计手册》。
烟囱内衬：烟气温度＜400℃，用100号红砖，26号混凝土砂浆砌。
内衬高度：烟气温度＜250℃，内衬高度占烟囱全高的1/3。
内衬厚度：烟囱底部7m以内一段厚度一般不小于半砖，筒身与内衬之间应留有间隙，做成空气隔热层，其厚度一般为50mm，筒身支撑地面烟囱基础上。烟囱底部没有清灰入孔，以作清灰及检修之用，根据烟囱的大小，在烟囱底部应留有比水平烟道底部低0.5——1.0m左右的积灰坑。
2.2 烟囱中烟气在烟道中的温度降
1、 烟气在烟道中的温度降
（1）除尘器出口的烟气温度约为160℃；
（2）除尘器出口到烟囱入口的温度降

注：烟气在金属管中每米降温2℃，在烟道中每米降温℃（《工业锅炉房设计手册》）。
2、 烟气在烟囱中温度降按下式计算

3、 烟囱出口烟气温度按下式计算

4、 烟囱中烟气平均温度按下式计算

2.3 烟囱尺寸计算
1、 烟囱出口内径

-------烟囱出口烟气流速
根据《工业锅炉房设计手册》流速一般为10--20，本设计取15.

因考虑积灰而使截面缩小的因素，一般应将出口直径适当加大，取。
2、 烟囱入口直径（下口衬里的最小内径）
（取）

3、 烟囱的平均直径

4、 烟囱的阻力计算
（1）、烟囱摩擦阻力

式中 ----烟囱摩擦阻力系数，钢筋混凝土烟囱，取0.04；
----烟囱高度m；
----烟囱平均直径m；
----烟囱内烟气平均流速；

----烟气平均重度；

（2）、烟囱出口阻力

式中 -----烟囱出口阻力系数=1.0
--------烟囱出口处烟气流速
------烟气平均重度

（3）、烟囱的总阻力

第三节 风机电机选型计算
3.1 总阻力计算
1、 锅炉本身阻力
锅炉本身阻力在之间，取；
2、省煤器阻力
省煤器阻力一般为，取；
3、除尘器阻力
电除尘器阻力一般在，取；
4、 总阻力损失为

5、 风量取。
3.2 选型
根据引风机的风量和风压来选择风机，电机型号，一般选择风压稍大的引风机，选择引风机同时必须考虑到当地的气压和介质湿度对引风机特性的修正。此外不能超过风机限定的使用介质范围，按下表：

根据计算出的风量，风压值可以从《机械产品目录》查出缴合适的风机型号。
风机参数
型号
名称
全压范围

风量范围
功率范围
介质最高温度℃
Y6-41（3.5C）
锅炉引风机
588-1448
2962-841
1.5-2
200
适用范围：锅炉烟道排风，配用风机的电机一般由风机生产厂配套供应。

第四章 参考文献
[1] 郝吉明，马广大等编著.《大气污染控制工程》，北京：高等教育出版社.2002
[2] Noel de Never三主编.《大气污染控制工程》 (影印版) (第2版). 北京：清华大学出版社.2000
[3] 刘景良 主编.《大气污染控制工程》， 北京： 中国轻工业出版社.2002
[4] 粱丽明，彭林 著.《城市大气有机物污染》，北京： 煤炭工业出版社.2000
[5] 赵毅，李守信主编.《有害气体控制工程》，北京： 化学工业出版社.2001
[6] 林肇信主编. 《大气污染控制工程》， 北京：高等教育出版社.1991
[7] [美]诺埃尔.德.内韦尔 著，胡敏，谢绍东等译.《大气污染控制工程》，北京：化学工业出版社.2005

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