文丘里除尘器.doc

(完整word版)文丘里除尘器

课 程 设 计

课 程： 环保设备原理与设计
题 目：某小型燃煤电站锅炉烟气除尘系统设计
学 院： 能源与水利学院
班 级： 106051
姓 名： 张成伟
学 号： 30
指导教师： 付尧
日 期： 2013年7月4日

某小型燃煤电站锅炉烟气除尘系统设计

摘要：该设计主要为某小型燃煤电站锅炉烟气除尘系统设计，设计耗煤量为203.8kg/h,分析锅炉烟气特点，排烟温度560℃,烟气密度：1.32kg/m3及排放要求后初步选择了文丘里除尘器，在燃烧锅炉中将产生大量含有二氧化碳和粉尘的烟气，该废气若不经处理直接排入大气，不仅会污染周围环境，而且导致了极大地原物料消耗，为此必须进行处理，故将从锅炉出来的烟气经过管道将其汇集通过风机的作用送入烟囱排入大气中。工艺流程包括换热器、管道、文丘里除尘器、风机电机等。
关键词：烟气特点、锅炉、文丘里除尘器
abstract:This design is mainly designed for a small coal fired boiler flue gas dust removal system,Design in coal consumption is 203.8 kg/h, analyzing the characteristics of the boiler flue gas, exhaust smoke temperature is 560 ℃, smoke density: 1.32 kg/m3 and emissions requirements after preliminary chose the venturi dust collector, levels of carbon dioxide in the combustion boiler flue gas and dust, the flue gas if not treated directly discharged into the atmosphere, not only may pollute the surrounding environment, but also led to the original material consumption greatly, therefore must be treated, it will come out from boiler flue gas through pipelines will be collected by the fan into the chimney discharged into the atmosphere. Process including heat exchangers, piping, venturi dust collector and fan motor, etc.
Key words: The flue gas characteristics、The boiler、Venturi dust catcher

目录

一 设计题目 1
二 设计资料 1
三 设计目的 1
四 设计要求 1
五 设计内容 2
5.1 引言 2
5.2 方案的选择及说明 3
5.2.1 除尘器性能指标 3
5.2.2 除尘器的选择 3
5.3 设计依据和原则 4
5.3.1 依据 4
5.3.2 原则 4
5.4 基本数据 4
5.4.2烟气排放量以及组成 5
5.5 换热器的选型 5
5.6文丘里洗涤器几何尺寸和压损计算 6
5.7 管道设计计算 10
5.7.1 管道计算 10
5.7.2 管道压力损失的计算 11
5.8烟囱的高度计算 13
5.9 总压力损失 15
5.10 风机的选型 15
5.11 设计结果列表 16
六． 总结 18
参考文献 19

II

一 设计题目
某小型燃煤电站锅炉烟气除尘系统设计。
二 设计资料
设计耗煤量：203.8kg/h。
排烟温度：560℃
空气过剩系数：α=1.25
烟气密度（标态）：1.32kg/m3
室外空气平均温度；24℃；
锅炉出口前烟气阻力：1025Pa；
现场气象资料:
①海拔高度：22.5m
②当地平均大气压：943.6mbar
③年平均气温：12.3℃
④最大风载：32kg/㎡
⑤最大雪载：24kg/㎡
⑥地震烈度：7度

三 设计目的
要求设计烟尘浓度排放≤200mg/m3。
本设计的目的在于进一步巩固和加深理解课程理论，培养运用所学理论知识进行净化系统设计的初步能力，包括工程设计的基本方法和步骤，技术资料的查找与应用以及绘图能力的训练，综合运用本课程及其有关课程的理论知识解决工程中的实际问题。
四 设计要求
（一）编制一份设计说明书，主要内容包括：
1) 引言
2) 方案选择和说明（附流程简图）
3) 除尘（净化）设备设计计算
4) 附属设备的选型和计算（集气罩、管道、风机、电机）
5) 设计结果列表
6) 设计结果讨论和说明
7) 注明参考文献和设计资料
（二）绘制除尘（净化）系统平面布置图、立面布置图、轴测图
（三）绘制除尘（净化）主体设备图
五 设计内容
5.1 引言
我国是以煤为主要能源的国家。随着国民经济的发展，能源的消耗量逐步上升，大气污染物的排放量相应增加。而就我国的经济和技术发展就我国的经济和技术发展水平及能源的结构来看，以煤炭为主要能源的状况在今后相当长时间内不会有根本性的改变。
我国的大气污染仍将以煤烟型污染为主。因此，控制燃煤烟气污染是我国改善大气质量、减少酸雨和SO2危害的关键问题。湿式除尘器是借含尘气体与液滴或液膜的接触、撞击等作用，使尘粒从气流中分离出来的设备。湿式除尘器按结构与净化机理可分为水膜式除尘器（麻石水膜除尘器）、喷射式除尘器（文丘里除尘器）、板式除尘器（旋流板式除尘器）、冲击式除尘器（冲击水浴式除尘器）、填充式除尘器。根据除尘设备的阻力与耗能可分为低耗能和高耗能除尘器。湿式除尘器的特点是构造简单、净化效率高、本身无运动部件、故障少、适合高温高湿气体除尘，但除尘后有水的处理问题和设备的腐蚀问题。
湿式除尘器要得到较高的除尘效率，必须造成较高的气液相对运动速度和非常细小的液滴，文氏管就是为了适应这个要求而发展起来的。文氏管是在意大利物理学家文丘里首次研究了收缩管道对流体流动的效率的影响后命名的。文丘里管是在1886年美国科姆斯·霍舍尔为了增加流体的速度从而引起压力的减小而发明的。
文氏管除尘器于1946年开始在工业中应用。文氏管是一种高能耗高效率的湿式除尘器。含尘气体以高速通过喉口，水在喉口处被湍流运动的气流雾化，尘粒与水滴之间相互碰撞使尘粒沉降，这种除尘器结构简单，对0.5-5微米的尘粒除尘效率可达99%以上，但其费用较高。该除尘器常用于高温烟气降温和除尘，也可用于吸收气体污染物。
5.2 方案的选择及说明
5.2.1 除尘器性能指标
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。上述各项指标是除尘设备选用及研发的依据。各种除尘设备的基本性（表5-1）

除尘器名称
适用的粒径
范围
（μm）
效率
（%）
阻力
（Pa）
设备费
运行费
重力沉降室
>50
<50
50
少
少
惯性除尘器
20-50
50-70
300
少
少
旋风除尘器
5-15
60-90
800
少
中
水浴除尘器
1-10
80-95
600
少
中下
卧式旋风水膜除尘器
≥5
95-98
800
中
中
冲激式除尘器
≥5
95
1000
中
中上
电除尘器
0.5-1
90-98
50
多
中上
袋式除尘器
0.5-1
95-99
1000
中上
大
文丘里除尘器
0.5-1
90-98
4000
少
大

5.2.2 除尘器的选择
在选择除尘器过程中，应全面考虑一下因素：
（1）除尘器的除尘效率（各种除尘器对不同粒径粉尘的除尘效率见表 1）；
（2）选用的除尘器是否满足排放标准规定的排放浓度；
（3）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；
（4）气体的含尘浓度较高时，在静电除尘器或袋式除尘器前应设置低阻力的出净化设备，去除粗大粉尘，以使设备更好地发挥作用；
（5）气体温度和其他性质也是选择除尘设备时必须考虑的因素；
（6）所捕集粉尘的处理问题；
（7）设备位置，可利用的空间、环境条件等因素；
（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。综合考虑对除尘效率的要求、水泥的性质及经济成本等宜选用文丘里除尘器。
5.3 设计依据和原则
5.3.1 依据
（1）同类粉尘治理技术和经验
（2）《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2004）
（3）《大气污染防治技术及工程应用》
（4）《除尘技术手册》（张殿印 张学艺编著）
5.3.2 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。
5.4 基本数据
锅炉型号：FG-35/3.82-M型（35t蒸气/h）；设计耗煤量：203.8 kg/h；排烟温度：560℃；空气过剩系数：α=1.25；烟气密度（标态）：1.32kg/m3
室外空气平均温度；24℃；锅炉出口前烟气阻力：1025Pa；烟气其他性质按空气计算；排灰系数35%，按锅炉大气污染物排放标准（GB13217-2001）中二类区标准执行：标准状态下烟尘浓度排放标准：200mg/m3。
煤的工业分析（无烟煤）：C：75.2%、H：4.1%、S：0。62%、O：6.6%、N：0.85%、水分：9.92%、灰分：2.71%。

5.4.2烟气排放量以及组成

表5-2 烟气排放量及组成
上表以1kg煤为基准计算
故产生烟气量：CO2=62.67；N2=0.305;H2O=26.1；SO2=0.194；
理论需氧量：(62.67+10.25+0.194-2.063)×68.32×0.001=4.85mol
理论空气量：4.85×（3.76+1）=23.09mol
实际空气量：23.09×1.25=28.86mol
过剩空气量: 28.86－23.09=5.77mol
理论干烟气量：（62.67+0.194+0.305）×68.32×0.001+4.85×3.76=22.56 mol
理论烟气量：22.56+26.1×68.32×0.001=24.34mol
则总烟气量=烟气+过剩空气=24.31+（1.25-1）×23.09=30.08m3
乘以用煤量：30.08×203.8=6130.3m3/h=1.708m3/s
1kg烟气中灰分：27.1×35％=9.485g
9.485×203.8=193.043g/h=0.54g/s
烟气含尘浓度：0.54/1.708=0.32g/m3
5.5 换热器的选型
本设计采用的是管壳式换热器，冷热两种流体在其中换热时，一种流体流过管内，其行程称为管程，另一种流体在管外流动，其行程称为壳程，选用管径为Φ25×2.5的无缝钢管，型号为BEM700--200--4I的换热器，其主要参数为管外径为25mm,管长9m，换热面积为200m2。因为换热器的压损相对除尘系统管道和除尘器的压损较小，在这里将其压损忽略不参与后面的有关计算和选型。
5.6文丘里洗涤器几何尺寸和压损计算
文丘里洗涤除尘器是一种高效除尘效率的湿式除尘器。它即可用于高温烟气降温，也可净化含有微米和亚微米粉尘粒子及易于被洗涤液吸收的有毒有害气体。实际应用的文丘里洗涤除尘器由文丘里洗涤器、除雾器、沉淀池和加压循环水泵等多种装置组成，其装置系统如下图所示，文丘里洗涤器在该装置系统中起到捕集粉尘粒子的作用。净化气体与沉降粉尘粒子的雾滴捕尘体的分离都是在除雾器中完成的，本设计中除雾器即脱水器选用旋风水膜除尘器，文丘里洗涤器则由收缩管、喉管和扩张管以及在喉管处注入高压洗涤水的喷雾器组成。

（1）管径
式中 D—管径，m ；
Q—进口气体流量，1.708×3600=6148.8m3/h
一般取进口流速υ1=16～22m/s
出口流速υ2=18～22m/s
喉管流速υr=50～180m/s
取进口流速υ1=20m/s，则进口管径
出口流速υ2=20m/s，则出口管径
喉管流速υr=80m/s，则喉管管径
（2）管长
渐缩管的中心角α1取25°，渐扩管的中心角α2取6°，当选定两个角之后，计算
收缩管长
扩散管长
喉管长度Lr对文丘里管的凝聚效率和阻力皆有影响。实验证明，Lr=(0.8～1.5) Dr，取Lr=1.5 Dr=1.5×0.165=0.25m

文丘里管示意图
（3）压力损失
根据有些学者提出的模式认为气流的全部能量损失仅用在喉部将液滴加速到气流速度，由此导出压力损失的近似表达式为

式中 △p —文丘里洗涤器的气体压力损失，cmH2O
—喉部气体速度，cm/s
L—液气体积比，一般为0.5～1L/m3，取L=0.5
故
（4）除尘效率的计算
根据国家规定的烟尘排放浓度标准, C≤100mg/m3,故除尘器应该达到的除尘效率为：
ηT=1－(100/620)×100% =84%
（5）脱水器的选择
脱水器串联在文丘里洗涤器后，作为凝聚水滴和吸收某些气态污染物的作用。

根据进入文丘里除尘器的风量Q=3168m3/h,选择CLS/A-5型号的脱水器。
CLS/A型带有挡水圈，以减少除尘器的带水现象，在筒体内壁表面始终保持一层连续不断地均匀往下流动的水膜。含尘气体由筒体下部切向进入除尘器并以旋转气流上升，气流中的粉尘粒子被离心力甩向器壁，并为下降流动的水膜捕尘体所捕获，粉尘粒子随沉渣水由除尘器底部排渣口排出，净化后的气体由筒体上部排出。
主要参数如下表：
表5-5
风量/m3/h
压损/Pa
筒体高度H/mm
筒体直径D/mm
出口直径/mm
3500
570
3545
500
114

（6）喷嘴选型
喷嘴是湿式除尘设备的附属构件之一，对烟气冷却、净化设备性能影响很大，根据喷嘴的结构形式不同，一般可分为喷洒型喷头、喷溅型喷嘴和螺旋型喷嘴等，本设计采用螺旋型喷嘴的碗型喷嘴，其计算过程如下：
①设计参数：喷水量3.7m3/h，喷射角75°，出水口轴向流速为8m/s，则出水口面积为：
，出水口直径为DN=12.77mm
②取蜗室入口流速为4m/s，则蜗室切向入口纵断面积为

③水口内径DC的截面积A2的计算
，K取0.785，则
DC=34mm
④取VR=0.5m/s,则该处圆环面积为

⑤喷嘴外壳的内半径R1为
,R1=33mm
如下图：

选喷口口径为14mm的，其主要参数如下：

5.7 管道设计计算
5.7.1 管道计算
（1）除尘系统工艺流程图

（2）管道直径的确定
管段（1-2）
查设计手册取管道中气速v=18m/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18，取d1-2 =0.6
实际流速
管段（3-4） 标况下温度为150℃，即T=423.15 K

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
列表为（表5-3）：

5.7.2 管道压力损失的计算
5.7.2.1 摩擦阻力损失
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
λ—摩擦阻力系数，无量纲
d—圆形管道内直径，m
ρ—管内气体的密度，kg/m3
υ—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
560℃时，烟气密度
150℃时，烟气密度
80℃时，烟气密度
80℃时，烟气密度
管段1～2，在操作条件下
，（镀锌管）

管段3～4在操作条件下
，（镀锌管）

管段5～6，在操作条件下
（镀锌管）

管段7～8 在操作条件下
（镀锌管）

整理数据表格如下（表5-4）：
管段
标况下
管道中
摩擦阻力系数
管道长度
气体流速
摩擦阻力损失
体积
密度
体积
密度
1-2
1.708
1.32
5.21
0.43
0.012
10
18.4
14.56
3-4
2.65
0.85
0.012
20
17.7
63.22
5-6
2.21
1.06
0.012
10
17.6
49.25
7-8
2.21
1.06
0.012
5
17.6
24.63

总摩擦压力损失为：
Pa
5.7.2.2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
ξ—局部阻力系数
管道1～2，弯头2个ξ1=ξ2=0.18则

管道3～4，弯头2个ξ1=ξ2=0.18则

管道5～6，弯头3个ξ1=ξ2=0.18则

管道7～8，无弯头，故无局部阻力损失
5.7.2.3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

5.8烟囱的高度计算
（1）烟囱出口内径可按下式计算：

式中 —通过烟囱的总烟气量，
—按表选取的烟囱出口烟气流速，选定=4

表5-7 烟囱出口烟气流速
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
6～8
2.5～3

（2）烟囱高度的确定
一个烟囱的所有锅炉的总蒸发量为Q=1.24t/h，表5-8 燃煤、燃油（燃轻柴油、煤油除外）锅炉房烟囱最低允许高度
表5-8
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
t/h
<1
1～<2
2～<4
4～<10
10～<20
20～≤40
烟囱最低高度
m
20
25
30
35
40
45
查上表可得：
烟囱底部直径

式中D——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。
选定i=0.025

(3)烟囱的抽力
烟囱的抽力取决于烟温、空气温度及烟囱高度，烟温越高，周围空气温度越低，烟囱的抽力越大；烟囱高度越高，其抽力也越大。

式中H—产生抽力的管道高度，m
t0—外界空气温度 ℃
tf—计算管段中烟气的平均温度 ℃
tf=(560+160+80+80)/4=220℃
—当地大气压 Pa

（4）烟气自生通风力
r=25×（1.32-0.85）×9.61=115.3
5.9 总压力损失
总压损=125.2+3230+132.8+130+1025-115.3=4528.78
5.10 风机的选型
（1）风量 根据总风量和总压力损失选择合适的风机。在选择风机时按下式计算。
Q0=K1K2Q
式中 Q—管道系统的总风量，m3/h
K1—考虑系统漏风所附加的安全系数。一般通风系统取1.1，除尘系统取1.15，本设计中取K1=1.15
K2—除尘器或净化设备的漏风所附加的安全系数，取0.1
故Q0=1.15×0.1×3132=360.18m3/h
（2）风压 Pf=（K3 △P1+△P2）K4
式中 Pf—风机的风压，Pa
△P1—管道系统的总压力损失，Pa
△P2—总的压力损失，Pa
K3—管道系统总压力损失的附加安全系数，一般通风系统取1.1～1.15，除尘系统取1.15～1.20，取K3=1.15
K4—由于风机产品的技术条件和质量标准允许风机的实际性能比产品样本低而附加的系数，K4=1.08
Pf=[1.15×125.18+4528.78] ×1.08=5046.6Pa
（3）电机功率
式中 N—风机配用电动机的功率，kW
Q0—风机的风量，m3/h
Pf—风机的风压，Pa
η1—风机运行时的效率，一般为0.5～0.7，电机直联传动取0.5
η2—机械传动效率，取1.00
K—电动机轴功率安全系数，离心通风机取1.40

风机根据风压、风量、功率选择C6-48型的锅炉风机。

表5-6 除尘风机性能表
风机类型
型号
全压/Pa
风量/(m3/h )
功率/kW
备注
锅炉风机
Y8-39
2136～5762
2500～26000
3～37
用于锅炉，也常用于大中型除尘系统

5.11 设计结果列表
本设计的燃煤电站锅炉烟气除尘系统及附属设备主要有：文丘里除尘器、脱水器、换热器、风机、电机、除尘系统管道、烟囱等。除尘净化系统设备的选型见下表5-9。

表5-9 除尘净化系统设备一览表
序号
名称
规格
数量
设计参数

1

文丘里除尘器

1
进口D1=0.33m，出口D2=0.33m,喉管Dr=0.165m
管长L1=0.73m
L1=3.13m
风量 6148.8 m3/h
压损3230 Pa

2

脱水器

CLS/A-5

1
筒体高度H：3545mm
筒体直径D：500mm
出口直径: 114mm
3
烟囱
H：25m
1
D:0.74m,d1=2m
4
换热器
BEM700--200--4I
1
管外径为25mm,管长5m，换热面积为20.04m2
5
风机
锅炉风机Y8-39
1
全压:2136～5762Pa
风量：2500～26000m3/h
功率：3～37 kw

6

除尘系统管道
管段1：D×L：0.6m×10m
管段2：D×L：0.45m×20m
管段3：D×L：0.4m×10m
管段4：D×L：0.4m×5m

4
气体流速v:18m/s

六． 总结
本次课程设计主要从除尘器系统方面锻炼了我们的思维能力，从对所设计的除尘器不甚了解到查阅大量资料设计参数、设备主要尺寸以及对整个工艺的工艺流程有个大概的了解和思考路线，一个初步设计显现了出来，这其中的收获和坚辛只有经历过的人才能知晓。
设计中首先对所给原始数据条件按照设计要求进行了分析，查阅工具手册确定相关的主要参数计算范围，然后最重要的是确定除尘系统的工艺流程。对文丘里除尘器进行设计计算包括主要尺寸、压力损失等，最后是风机的选型计算和烟囱的直径和高度计算，此次课程设计过程中不免错误的发生，从找出错误到改正错误这就是一个对知识重新了解的过程，这也加深了我对课本知识的理解，收益良多，能完成此次课程设计要感谢老师们悉心提供帮助和热情解答疑问！

参考文献
[1]环保设备原理与设计（第二版）.陈家庆. 北京：中国石化出版社，2008.
[2]大气污染控制工程（第二版）.郝吉明，马广大. 北京：高等教育出版社，2002.
[3]大气污染控制工程及应用实例.何争光. 北京：化学工业出版社，2004.
[4]大气污染控制工程实践教程.黄学敏. 北京：化学工业出版社，2003.
[5]环境工程设备设计手册. 周迟骏.北京：化学工业出版社，2009.
[6]大气污染控制工程.李连山.武汉:武汉理工大学出版社，2003

22