大气污染控制工程课程设计.doc

课程设计说明书

DLP2-13型锅炉中硫烟煤烟气旋风
除尘系统设计

学生姓名： 学号：

学 院：
专 业：
指导教师： 　

2013 年 12 月

课 程 设 计 任 务 书
1．设计目的
通过本课程设计，掌握《大气污染控制工程》课程要求的基本设计方法，掌握大气污染控制工程设计要点及其相关工程设计要点，具备初步的大气污染控制工程方案及设备的独立设计能力；培养环境工程专业学生综合运用所学的理论知识独立分析和解决大气污染控制工程实际问题的实践能力。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
1.设计题目 DLP2-13型锅炉中硫烟煤烟气旋风除尘系统设计
2.设计原始资料
锅炉型号：DLP2-13 即，单锅筒纵置式抛煤机炉，蒸发量2t/h，出口蒸汽压力13MPa
设计耗煤量：404kg/h
设计煤成分：CY=60.5% HY=3% OY=4% NY=1% SY=1.5% AY=18% WY=12%；
VY＝15％；属于中硫烟煤
排烟温度：160℃
空气过剩系数＝1.58
飞灰率＝21％
烟气在锅炉出口前阻力650Pa
污染物排放按照锅炉大气污染物排放标准中2类区新建排污项目执行。
连接锅炉、净化设备及烟囱等净化系统的管道假设长度50m，90°弯头10个。
3.设计内容及要求
（1）根据燃煤的原始数据计算锅炉燃烧产生的烟气量，烟尘和二氧化硫浓度。
（2）净化系统设计方案的分析确定，包括净化设备的工作原理及特点；运行参数的选择与设计；净化效率的影响因素等。
（3）除尘设备结构设计计算
（4）烟囱设计计算
（5）管道系统设计，阻力计算，风机电机的选择
（6）根据计算结果绘制设计图，系统图要标出设备、管件编号、并附明细表；除尘系统平面、剖面布置图若干张，以解释清楚为宜，最少3张A4图，并包括系统流程图一张。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸等〕：

课程设计计算说明书一份，并按照规定格式打印装订；
课程设计所需若干图纸，要求作图规范，A4纸打印。
4．主要参考文献：
1.郝吉明，马广大.大气污染控制工程.第二版.北京：高等教育出版社，2002
2. 黄学敏，张承中.大气污染控制工程实践教程.北京：高等教育出版社，2003
3.刘天齐.三废处理工程技术手册·废气卷.北京：化学工业出版社，1999
4. 张殿印.除尘工程设计手册. 北京：化学工业出版社，2003
5. 童志权.工业废气净化与利用. 北京：化学工业出版社，2003
6.周兴求，叶代启.环保设备设计手册—大气污染控制设备，北京：化学工业出版社，2003
7.罗辉.环保设备设计与应用. 北京：高等教育出版社，2003
5．设计成果形式及要求：
一、说明书装订顺序：说明书封面，任务书，目录，正文、参考文献、附图。
二、说明书格式
（1）用1 1.1 1.1.1 做标题，标题左顶格，不留空格。
（2）一级标题3号黑体加粗；二级标题4号黑体加粗；三级标题小4号黑体；
（3）“目录”居中， 用小3号黑体加粗，1.5倍行距；
（4）正文小4号宋体，1.5倍行距。
（5）“参考文献”标题格式同一级标题，内容格式同正文小4号宋体，1.5倍行距。
（6）页码排序从正文开始，用“～”形式，居中。
三、设计图A4纸规范打印，包括图框、明细表，平面布置图中要有方位标志（指北针）。

目 录
1燃烧计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1.1燃煤锅炉烟气量、烟尘及二氧化硫的浓度计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1.1.1理论空气量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1.1.2理论烟气量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
1.1.3实际烟气量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
1.1.4二氧化硫浓度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
1.1.5烟气含尘浓度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
1.1.6锅炉烟气流量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
2. 净化方案设计及运行参数选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2.1 旋风除尘器的工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2.2 旋风除尘器的特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2.3 运行参数的选择与设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2.4 净化效率的影响因素．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2.4.1 旋风除尘器结构尺寸对净化效率的影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2.4.2 操作条件对旋风除尘器性能的影响．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
3. 设备结构设计与计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
3.1 进气口设计计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
3.2 旋风除尘器外筒直径的设计计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
3.3 旋风除尘器高度的设计计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
3.4 旋风除尘器排气管的设计计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
3.5 排灰管的设计计算及卸灰装置的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
3.6 流体阻力计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
4. 烟囱的设计计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
4.1 烟囱直径的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
4.2 烟囱高度的设计计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
4.3 烟囱阻力损失计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
5. 管道系统设计计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
5.1 管径的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
5.2 摩擦阻力损失计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

5.3 局部阻力损失计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
5.4 风机，电机的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
6.　核算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
7. 总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
附图

本次设计中要求设计一旋风除尘设备对一采用低硫烟煤的DLP2-13型锅炉所产生烟气进行净行处理，使排烟符合国家相关标准，并设计管道系统及烟囱。以下是本设计的过程内容。
设计原始资料：
锅炉型号：DLP2-13 即：单锅筒纵置式抛煤机炉，蒸发量2t/h，出口蒸汽压力13MPa
设计耗煤量：404kg/h
设计煤成分：CY=60.5% HY=3% OY=4% NY=1% SY=1.5% 灰分AY=18% 水分WY=12%；干燥无灰基挥发分VY＝15％；属于中硫烟煤
排烟温度：160℃
空气过剩系数＝1.58
飞灰率＝21％
烟气在锅炉出口前阻力650Pa
污染物排放按照锅炉大气污染物排放标准中2类区新建排污项目执行。
连接锅炉、净化设备及烟囱等净化系统的管道假设长度50m，90°弯头10个。

1设计计算
1.1燃煤锅炉烟气量、烟尘及二氧化硫的浓度计算
1.1.1理论空气量
以1kg中硫烟煤燃烧为基础，则：
表1-1
成分
质量/g
(mol)
物质的量
(mol)
理论需氧量
(mol)
C
605
50.417
50.417
H
30
15
7.5
O
40
1.25
-1.25
N
10
0.36
0
S
15
0.46875
0.46875
A
180
—
0

120
6.6667
0
所以理论需氧量为：

理论空气量：

实际所需空气量：

1.1.2理论烟气量
理论烟气量为：

1.1.3实际烟气量
实际烟气量：

160时烟气量：

1.1.4二氧化硫浓度
浓度：

1.1.5烟气含尘浓度
灰尘浓度：

1.1.6锅炉烟气流量
锅炉烟气流量：
Q= V×设计耗煤量

2. 净化方案设计及运行参数选择
本设计中采用旋风除尘设备进行净化处理。
2.1 旋风除尘器的工作原理
旋风除尘器一般有带有一锥形的外圆筒，进气管，排气管，圆锥观和贮灰箱的排气阀组成。当含尘气流以一定的速度（一般在14～25m/s之间，最大不超过35m/s）由进气管进入旋风除尘器后，气流由直线运动变为圆周运动。由于受到外圆筒上盖及圆筒壁的限流，迫使气流作自上而下的旋转运动。旋转过程中产生较大的离心力，尘粒在离心力的作用下，被甩向外筒壁，失去惯性后在重力的作用下，落入贮灰箱中，与气体分离。而旋转下降的气流到达锥体时，因锥体收缩的影响，而向除尘器中心汇集，根据“旋转矩”不变理论，其切向速度不断升高，气流下降到一定程度时，开始方向上升，经排气管排出[1]。
2.2 旋风除尘器的特点
现在的旋风除尘器具有结构简单；应用广泛；分离效率高可以有效地清除微粒；处理气体量大且阻力低； 适用于高温和腐蚀性气体； 运行费用低；应用广泛等优点[2]。
2.3 运行参数的选择与设计
根据相关资料及实际运行情况，本设计中烟气的入口速度取为。根据国家相关规定及标准确灰分风的最高允许排放浓度为[3]。则本设中要求达到的除尘效率为：
(2-1)
2.4 净化效率的影响因素
2.4.1旋风除尘器结构尺寸对净化效率的影响
在旋风除尘器结构尺寸中主要的影响因素有：除尘器的外筒直径，高度，气体进口和排气管形状和大小。这些部件一般都有一较适宜的尺寸及组合。过大或过小都会降低设备效率。
2.4.2 操作条件对旋风除尘器性能的影响
操作条件应控制在一个较适宜的范围内，过大会降低设备效率，过小会增加阻力损失，两种情况均不利于设备的高效运转。
3.设备结构设计与计算
3.1 进气口设计计算
根据已有经验及实际运行已确定本设计中烟气的入口速度为：。考虑设备漏风及安全运行等因素，假定实际进入设备的烟气量为1.2Q。则进气口部分的面积为：
(3-1)
现有旋风除尘器的进口有三类：直入切向进入式，蜗壳切向进入式，轴向进入反转式（见图3-1）。

直入切向进入式 蜗壳切向进入式 轴向进入反转式
图3-1 现有的几类进气管
本设计中采用蜗壳切向进入式 ，它可减少进口系统对筒体内气流的撞击和干扰，其处理量大，压力损失小。其尺寸一般为高宽之比在2～3之间。本设计中取。则进口的宽度为：
(3-2)
进口高为：
(3-3)
则实际的高宽比：
(在2～3之间) （3-4）
实际进口面积为：
（3-5）
实际的入口速度为：
（3-6）
3.2 旋风除尘器外筒直径的设计计算
一般旋风除尘器，其进口高，宽分别为旋风除尘器外筒直径的0.4～0.75倍和0.2～0.25倍。本设计中假定宽为外筒直径的0.2倍，则高应为0.428倍，则旋风除尘器的外筒直径为：
（3-7）
3.3 旋风除尘器高度的设计计算
性能较好的旋风除尘器，其直筒部分高度一般为其外筒直径的1～2倍，锥体部分高度为外筒直径的1～3倍，锥部底角在20°～40°之间。本设计中直筒部分高度,锥体部分高度，分别取为旋风除尘器外筒直径的1.4倍及2倍。则：
(3-8)
(3-9)

旋风除尘器的总高度为：
(3-10)
3.4 旋风除尘器排气管的设计计算
现有的排气管有两类：底部收缩式和直管式（见图3-2）。

直管式 底部收缩式
图3-2 排气管的类型
无论哪一类排气管，其管径一般取为旋风除尘器外筒直径的0.3～0.5倍。本设计采用直管式，其管径取为，则排气管管径：
(3-11)
排气管插入旋风除尘器外筒内深度一般与进气管下缘平齐或稍低。本设计中为避免气体短路，伸入长度 取为。即。
3.5 排灰管的设计计算及卸灰装置的选择
旋风除尘器的排灰管直径一般取为外筒直径的0.25倍，即。结合实际取为。实际。
底部锥角为：
（在20°～40°之间） (3-12)
卸灰装置兼有卸灰和密封两种功能，是影响除尘器的关键部件之一。若有漏风现象，不但影响正常排灰，而且严重影响除尘器效率。现有的卸灰装置有两类：二级翻板式和回转式（见图3-3）。本设计采用二级翻板式。

二级翻板式 回转式
图3-3 现有的两类卸灰装置
3.6 流体阻力计算
旋风除尘器内的压力损失一般可按下式计算：
(3-14)
式中：——烟气密度，约为；
——除尘器内含尘气体的流速，；
——流体阻力系数，无量纲；
其中 (3-15)
式中：——旋风除尘器的进口截面积，；
——排气管直径，
带入相关值，得
(3-16)
所以，（在500pa～1500pa之间）

4.烟囱的设计计算
由于烟囱有一定的高度，烟囱中的热气体受到大气浮力的作用，而具有一定的几何压头，在烟囱底部造成负压—“抽力”。如果这种抽力正好能克服气体在窑炉中流动的各种阻力，就能使窑内热气体能源源不断地流入烟囱底部，并通过烟囱排入大气。
4.1 烟囱直径的计算
烟囱内烟气的流速选为，则直径可用下式计算：
（4-1）
式中：——烟气流量，；
——烟气流速，；
1.2——修正系。
所以烟囱的直径为：
（4-2）
取为，则实际烟气流速为：

4.2 烟囱高度的设计计算
本设计中，参照国家标准，确定烟囱高度为，则烟气抬升高度为：
（4-3）
式中：——烟气的热释放功率，；
——地区环境温度，
——烟气释放速率，；
——大气压强，；
——温差，
代入相关值得：

由于<，所以：

所以烟囱的总高度为：
（4-4）
4.3 烟囱阻力损失计算
烟囱亦采用钢管，其阻力可按下式计算：
（4-5）
式中：——摩擦阻力系数，无量纲；
——管内烟气平均流速，；
——烟气密度，；
——管道长度，；
——管道直径，
已知钢管的摩擦系数为0.02，所以烟囱的阻力损失为：

则地面最大浓度为：

可见地面最大浓度小于国家规定，烟囱高度设计合理。

5. 管道系统设计计算
5.1 管径的计算
管道采用薄皮钢管，管内烟气流速为，则管道直径为：
（5-1）
式中：——烟气流量，；
——烟气流速，；
1.2——修正系数
代入相关值得：

结合实际情况，取为，则实际烟气流速为：
（5-2）
5.2 摩擦阻力损失计算
根据流体力学原理，空气在任何横截面形状不变的管道内流动时，摩擦阻力可用下式计算：
（5-3）
式中：——摩擦阻力系数，无量纲；
——管内烟气平均流速，；
——烟气密度，；
——管道长度，；
——管道直径，；
对于薄皮钢管，查阅相关资料的钢管的。代入相关数值得：

5.3 局部阻力损失计算
烟气管道局部阻力损失可按下式计算：
（5-4）
式中：——弯头个数；
——局部阻力系数，无量纲；
——烟气密度，；
——管内烟气平均流速，；
本设计中，弯头个数10，在烟气管道中一般采用的是二中节二端节型90°弯头，其局部阻力损失系数，所以局部阻力损失为：
（5-5）
总阻力损失为：
（5-6）
5.4 风机，电机的选择
引风机全压头可按下式计算：
（5-7）
其中为系统总压力损失：

所以风机的全压为：

引风机的风量可按下式计算：
（5-8）
式中：——引风机的风量，；
——引风机容积裕度系数，取为1.1；
——燃料消耗量，；
——每公斤燃料产生的烟气量，；
——当地大气压，；
——引风机入口处烟气温度，℃；
代入相关值得：
（5-9）
结合风机全压及送风量，选用Y5-47-6c型离心引风机，其性能参数见表5-1。
表5-1 Y5-47-6c型离心引风机性能参数
机号
NO
功率
Kw
转速
r/min
流量
m3/h
全压
pa
6c
18.5
2850
8020～15129
3364～2452
电机的效率

式中；Ne—电机功率，kW；
Q—风机的总风量，m3/h；
--通风机全压效率，一般取0.5～0.7；
--机械传动效率，对于直联传动为0.95；
代入数据得：

电机选择：电机选用Y280S-4型，其性能参数见下表：
型号
马力
HP/KW
电压V
电流/A
转数/r/min
效率/%
功率因素
堵转转数
堵转电流
重量/KG
Y280S-4
100/75
380
139.7
1480
92.7
0.88
1.9
7
562

6. 核算
排烟温度下粉尘浓度为2419.97mg/m3，按旋风除尘器除尘效率92%计，则粉尘的排放浓度为： ；
本设计任务书中规定，污染物排放按照锅炉大气污染物排放标准中二类区新建排污项目执行。由新污染源大气污染物排放限值《GWPB3一1999 GBl3271—200lmission standardAir P0uutants for Coal—Baming oil—baming Gas—nred Boiler锅炉大气污染物排放标准》查得，烟囱高度为50m时，颗粒物最高允许排放浓度为200mg/m3。比较得出排放浓度和速率都不超标，因而设计合理，符合标准，所以该气体经处理后可以在国家2级标准下排放。

7. 总结
经过一周的努力，这次课程设计顺利完成了。本次课程设计，第一部分对理论空气量、实际空气量、二氧化硫和烟气浓度进行了计算，第二部分对旋风除尘器的工作原理、特点、运行参数的选择进行了阐明和计算，第三部分对旋风除尘器的各部分尺寸进行了详细的计算。第四部分主要是设计烟囱，计算其高度，直径以及压力损失等。第五部分则对连接锅炉，除尘设备，烟囱的管道进行设计计算，主要计算管道压力损失。
虽然这次课程设计只有短短的一周时间，也许设计的结果差强人意，但是在进行本次课程设计的过程中，我们收获了更过的东西，也对原来学过的知识有了更加深刻的认识，并且在这次课设过程中我认识到怎样用最高效的方法完成一项复杂的任务。也感谢老师对我们的知道还有同学对我的帮助。

参考文献
1.周兴求，叶代启.环保设备设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004：19
2.魏先勋，环境工程设计手册[M].湖南：湖南科学出版社，2002：145
3.GB3095-82，《大气质量标准》[S].北京：中国标准出版社，2002
4.郝吉明，马广大.大气污染控制工程.第二版.北京：高等教育出版社，2002
5.黄学敏，张承中.大气污染控制工程实践教程.北京：高等教育出版社，2003
6.刘天齐.三废处理工程技术手册·废气卷.北京：化学工业出版社，1999
7.张殿印.除尘工程设计手册. 北京：化学工业出版社，2003
8.童志权.工业废气净化与利用. 北京：化学工业出版社，2003
9.周兴求，叶代启.环保设备设计手册—大气污染控制设备，北京：化学工业出版社，2003
10.罗辉.环保设备设计与应用. 北京：高等教育出版社，2003

- 14 -