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颗粒污染物控制课程设计实例

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颗粒污染物控制课程设计

一、 课程设计题目
某燃煤采暖锅炉烟气除尘系统设计

二、 课程设计的目的
经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。经过设计, 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。

三、 设计原始资料
锅炉型号: SZL4—13型, 共4台
设计耗煤量: 600kg/h(台)
排烟温度: 160℃
标准状态下烟气密度: 1.34kg/m³
空气过剩系数: α=1.4
排烟中飞灰占煤中不可燃烧成分的比例: 16%
烟气在锅炉出口前阻力: 800Pa
当地大气压: 97.86kPa
冬季室外空气温度: -1℃
标准状态下空气含水按0.01293kg/m³
烟气其它性质按空气计算
煤的工业分析值:
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( GB 13271- ) 中二类区标准执行。
标准状态下烟尘浓度排放标准: 200mg/m³
标准状态下二氧化硫排放标准: 900mg/m³
净化系统布置场地为锅炉房北侧15m以内。

四、 设计计算
1、 燃煤锅炉排烟量及烟尘和二氧化硫浓度的计算
⑴ 标准状态下理论空气量
Q’a=4.76( 1.867CY+5.56 HY +0.7 SY -0.7 OY) ( m³/kg)
式中 CY, HY, SY, OY——分别为煤中各元素所含的质量分数。
Q’a = 4.76×(1.867×0.68+5.56×0.04+0.7×0.01-0.7×0.05)
= 6.97( m³/kg)
⑵ 标准状态下理论烟气量( 设空气含湿量12.93g/m³
Q’s=1.867( CY+0.375 SY) +11.2 HY+1.24 WY+0.016 Q’a +0.79 Q’a +0.8 NY( m³/kg)
式中 Q’a——标准状态下理论空气量, m³/kg;
WY——煤中水分的质量分数;
NY—— N元素在煤中的质量分数。
Q’s = 1.867×( 0.68+0.375×0.01) +11.2×0.04+1.24×0.06+
0.016×6.97+0.79×6.97+0.8×0.01
= 7.42( m³/kg)
⑶ 标准状态下实际烟气量
Qs= Q’s+1.016( α-1) Q’a( m³/kg)
式中 α——空气过剩系数;
Q’s——标准状态下理论烟气量, m³/kg;
Q’a——标准状态下理论空气量, m³/kg。
标准状态烟气流量Q应以m³/h计, 因此, Q=Qs×设计耗煤量
Qs=7.42+1.016×( 1.4-1) ×6.97=10.25( m³/kg)
Q = Qs×设计耗煤量
= 10.25×600
=6150( m³/h)
⑷ 烟气含尘浓度
C = (kg/m³)
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。
C = =2.34×10-3 (kg/m³)
=2.34×103 ( mg/m³)
⑸ 标准状态下烟气中二氧化硫的浓度计算
CSO2 = × 106 ( mg/m³)
式中 SY——煤中硫的质量分数;
Qs——标准状态下燃煤产生的实际烟气量, m³/kg。
CSO2 = ×106
=1.91×103 ( mg/m³)
2、 除尘器的选择
⑴ 除尘效率
η=1-
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。
η=1- = 91.45%
⑵ 除尘器的选择
工况下烟气流量 (m³/h)
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——标准状态下温度, 273K。
Q′= = 9754 (m³/h)
则烟气流量为 = =2.7(m³/s)
根据工况下的烟气量、 烟气温度及要求达到的除尘效率确定
尘器: 由陕西蓝天锅炉设备制造有限公司所提供的”XDCG型
陶瓷多管高效脱硫除尘器”( 《国家级科技成果重点推广计
划》项目) 中选取XDCG4型陶瓷多管高效脱硫除尘器。产品
性能规格见表3-3-1, 设备外形结构尺寸见表3-3-2。
表3-3-1 XDCG4型陶瓷多管高效脱硫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
/%

排烟黑度
设备阻力
/Pa
脱硫效率
/%

质量
/kg

XDGC4

4

1

>98
≤1级
林格曼黑度

800～1400

>85

2800

表3-3-2 XDGC4型陶瓷多管高效脱硫除尘器外型结构尺寸
H
H1
H2
H3
A
B
C
D
E
F
4460
2985
4235
700
1400
1400
300
50
350
1000

图3-3-1 XDCG1型陶瓷多管高效脱硫除尘器外形结构尺寸
3、 确定除尘器、 风机、 烟囱的位置及管道布置。并计算各管道的管径、 长度、 烟囱高度和出口内径以及系统总阻力。
⑴ 各装置及管道布置的原则
根据锅炉运行情况及锅炉现场的实际情况确定各装置的位置。一旦确定各装置的位置, 管道的布置也就基本能够确定了。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。
⑵ 管径的确定
(m)
式中 Q——工况下管道内的烟气流量, m³/s;
ν——烟气流速, m/s( 对于锅炉烟尘u=10～15 m/s) 。
取ν=14 m/s
则d = = 0.49 ( m )
圆整并查圆形通风管道规格选取风道
外径D/mm
钢制板风管
外径允许偏差/mm
壁厚/mm
500
±1
0.75
内径=d1=500-2×0.75=495.5( mm)
由公式 d= 可计算出实际烟气流速:
ν= = = 13.8 ( m/s )
4、 烟囱的设计
⑴ 烟囱高度的确定
首先确定共用一个烟囱的所有锅炉的总蒸发量( t/h) ,然后根据锅炉大气污染物排放标准中( 表3-3-3) 的规定确定烟囱的高度。
表3-3-3 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)
故选定烟囱高度为40m。
⑵ 烟囱直径的计算
烟囱出口内径可按下式计算:
d = 0.0188( m )
式中 Q——经过烟囱的总烟气量, (m³/h);
ω——按表3-3-4选取的烟囱出口烟气流速, m/s。
表3-3-4 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
选定ω= 4 m/s
d = 0.0188= 1.83 ( m )
圆整取d=1.8 m。
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( 一般取i=0.02～0.03) , 取 i=0.02。
d1 = 1.83+2×0.02×40=3.5( m)
⑶ 烟囱的抽力
Sy = 0.0342H(-)·B (Pa)
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。
Sy = 0.0342×40×( -) ×97.86×103
= 183 ( Pa)
5、 系统阻力的计算
⑴ 摩擦压力损失
对于圆管 ΔpL =λ· (Pa)
式中 L——管道长度, m ;
d——管道直径, m ;
ρ——烟气密度, kg/ m3;
ν——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 的函数。能够查手册得到( 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) 。
a、 对于Ф500管道 L=9.5m
ρ=ρn = 1.34×= 0.84 (kg/m3)
ΔpL = 0.02××= 30.4 (Pa)
b、 对于砖砌拱形烟道( 参见图3-3-2)

A = 2×D2 =B2 + ( ) 2
D=500mm
故 B=450 mm 则 R =
式中, A为面积, X为周长。
⑵ 局部压力损失
Δp=ξ·(Pa)
式中 ξ——异形管件的局部阻力系数, 可在有关手册中查到, 或经过实验获得;
ν——与ξ相对应的断面平均气流速率, m/s;
ρ——烟气密度, (kg/m3)。
图3-3-3中一为渐缩管。

图3-3-3 除尘器入口前管道示意图
а≤45°时, ξ=0.1
取а= 45°, ν=13.8 m/s
(Pa)
ι1=0.05×tan 67.5 = 0.12 ( m)
图3-3-2中二为30℃Z形弯头
h = 2.985 - 2.39 = 0.595 = 0.6 ( m)
h/D = 0.6/0.5 = 0.12,取ξ′=0.157
ξ=ξReξ′
由手册查得ξRe=1.0
ξ=1.0×0.157=0.157
(Pa)
图3-3-3中三为渐扩管

查《大气污染控制工程》附表十一, 并取а=30°
则ξ=0.19
(Pa)
ι3=×tan15°= 0.93(m)
图3-3-4中а为渐扩管

图3-3-4 除尘器出口至风机入口段管道示意图
а≤45°时, ξ=0.1
取а= 30℃, ν=13.8 m/s
(Pa)
L=0.93( m)
图3-3-4中b、 c均为90°弯头
D=500, 取R=D, 则ξ=0.23
则 (Pa)
两个弯头△p′= 2△p = 2×18.4=36.8(Pa)
对于如图3-3-5所示T形三通管

图3-3-5 T形三通管示意图
ξ= 0.78
(Pa)
对于T形合流三通
ξ= 0.55
(Pa)
系统总阻力( 其中锅炉出口前阻力为800Pa, 除尘器阻力1400Pa) 为
∑△h=30.4+84.1+8.0+12.6+15.2+8.0+36.8+62.4+44+800+1400
=2601.5(Pa)
6、 风机和电动机的选择及计算
⑴ 标准状态下风机风量的计算

式中 1.1——风量备用系数
Q ——标准状态下风机前风量, m³/h;
tp ——当地大气压, kPa。
( m³/h)
⑵ 风机风压的计算
(Pa)
式中 1.2 ——风压备用系数;
∑△h——系统总阻力, Pa;
Sy ——烟囱抽力, Pa;
tp ——风机前烟气温度, ℃;
ty ——风机性能表中给出的试用气体温度, ℃;
ρy ——标准状态下烟气密度, ( γ=1.34kg/ m³) 。
(Pa)
根据Qy和Hy选定Y5-47-136.5C工况号为2的引风机, 性能表如下:
机号传动
方式
转速/
(r/min)
工况
序号
流量/
( m³/h)
全压/
Pa
内效率/
%
内功率/
kw
所需功率/
kw
6.5C
2620
2
11930
2992
78.6
12.61
17.66

⑶ 电动机功率的计算
(KW)
式中 Qy——风机风量, m³/h;
Hy——风机风压, Pa;
η1——风机在全压时的效率( 一般风机为0.6, 高效风机约为0.9) ;
η2——机械传动效率, 当风机与电机直联传动时η2=1, 用连轴器连接时η2=0.950.98, 用V形带传动时η2=0.95;
β——电动机备用系数, 对引风机, β=1.3。
(KW)
根据电动机的功率、 风机的转速、 传动方式选定Y180M-2型电动机。
7、 系统中烟气温度的变化
⑴ 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, ㎡;
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q=4187kJ/(㎡/h)
室外q=5443 kJ/(㎡/h
室内管道长: L=2.18-0.6-0.12=1.46( m)
F=πL·D=3.14×1.46×0.5=2.29( ㎡)
室外管道长: L=9.5-1.46=8.04( m)
F=πL·D=3.14×8.04×0.5=12.62( ㎡)

⑵ 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——温降系数, 可由表3-3-5查得。
表 3-3-5 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

( ℃)
总温度降 △t = △t1 + △t2 = 9.4 + 4 = 13.4( ℃)

五、 绘制图纸
锅炉烟气除尘系统平面布置和剖面图分别见图纸。

六、 主要文献
1 中华人民共和国国家标准, 环境空气质量标准GB 3095-1996
2 中华人民共和国国家标准, 大气污染物综合排放标准 GB 16297-1996
3 中华人民共和国国家标准, 锅炉大气污染排放标准 GB 13271-
4 蒋展鹏 主编. 环境工程学( 第二版) . 北京: 高等教育出版社, 1992
5 郑铭 主编. 环保设备----原理、 设计、 应用. 北京: 化学工业出版社,
6 郝吉明, 马广大主编. 大气污染控制工程( 第二版) . 北京: 高等教育出版社, 1996
7 马广大等主编. 大气污染控制工程. 北京: 中国环境科学出版社, 1998
8 刘宏, 赵如金主编. 工业环境工程. 北京:化学工业出版社,
9 周迟竣, 王连军主编. 实用环境工程设备设计. 北京: 兵器出版社,