课程设计-燃煤采暖锅炉房烟气脱硫系统设计.doc

大气污染控制工程课程设计
一 绪论
1.1设计内容
燃煤采暖锅炉房烟气脱硫系统设计，设计计算、工艺流程及绘制相关工程图等。
1.2 设计原则
1.根据锅炉容量、燃煤煤质（特别是折算硫分）、二氧化硫控制规划和环评 要求的脱硫效率、脱硫剂的供应条件、水源情况、脱硫副产物的综合利用条件、脱硫废水、废渣排放条件、厂址场地布置条件等因素，经全面技术经济比较后确定。
2.工艺设计按照烟气脱硫设计技术规程进行。
3.处理效果严格按照《锅炉大气污染物排放标准》（GB 13271-2001）二类区标准执行。
1.3设计依据
《环保设备设计与应用》 《环境保护设备选用手册》 《除尘设备设计》 《环保工作者使用手册》 《工业锅炉房设计手册》 《火电厂烟气湿法脱硫装置吸收塔的设计》 《湿法烟气脱硫吸收塔系统的设计和运用分析》

二 脱硫工艺的选择

2.1 脱硫工艺的比较与选择
2.1.1 脱硫工艺比较
表一 几种脱硫工艺比较

石灰石石膏法
简易氨法
喷雾干燥法
LIFAC
电子束法
新氨法
磷氨肥法
环境性能
很好
好
好
好
很好
好
好
工艺流程简易情况
石灰浆制备要求较高，流程也复杂
流程较简单
流程较简单
流程简单
流程简单，为干法过程
流程复杂，要求电厂和化肥厂联合实现
脱硫流程简单，制肥部分复杂
工艺技术指标
脱硫率95%，钙硫比1.1，利用率90%
脱硫率70%，钙硫比1.1，利用率90%
脱硫率80%，钙硫比2，利用率50%
脱硫率80%，钙硫比2，利用率50%
脱硫率可达90%以上，并可脱一部分氮
脱硫率85%-90%，利用率大于90%
脱硫率95%以上
吸收剂获得
容易
容易
较易
较易
一般
一般
一般
脱硫副产品
脱硫渣为CaSO4及少量烟尘，可以综合利用，或送堆渣场堆放
脱硫渣为CaSO4及少量烟尘，可以综合利用，或送堆渣场堆放
脱硫渣为烟尘、CaSO4、CaSO3、Ca(OH)2的混合物，目前尚不能利用
脱硫渣为烟尘、CaSO4、CaSO3、CaO的混合物，目前尚不能利用
副产品为硫铵和硝铵混合物，含氮量20%以上，可作氮肥或复合肥料，无二次污染
副产品为磷酸铵和高浓度二氧化硫气体（7%-11%），可直接用于工业硫酸生产
脱硫产品为含N+P2O5%以上的氮磷复合料
适用情况或应用前景
燃高中硫煤锅炉，当地已有石灰石矿
燃烧高中硫煤锅炉，当地有石灰石矿
燃烧中、低硫煤锅炉
燃烧中、低硫煤锅炉
燃烧高中硫煤锅炉，附近有液氨供应
燃高中硫煤锅炉，附近有联合化肥厂和液氨
燃烧高硫煤锅炉，附近有磷矿
对锅炉及烟道的负面影响
腐蚀出口烟囱
腐蚀出口烟囱
增加除尘器除灰量，塔壁易积灰
影响锅炉和除尘器效率

腐蚀烟道
腐蚀烟道

2.1.2 烟气脱硫（FGD）工艺经济性能比较
表二 几种烟气脱硫（FGD）工艺经济性能比较
工艺流程
湿式石灰石-石膏法
喷雾干燥法
LIFAC法
CDSI 法
适用煤种含硫量(%)
＞1.5
1-3
＜2
＜2
Ca/S
1.1
1.5
2.0
1.5
钙的利用率(%)
＞90
40-45
35-40
4-45
脱硫成效(%)
＞90
80-85
70-75
60-70
投资占电厂投资比例(%)
13-19
8-12
3-5
2-4
脱硫费用(元/tSO2脱除)
900-1250
750-1050
600-900
600-800
设备占地面积
大
中
小
极小
灰渣状态
湿
干
干
干
烟气再热
需
无需
无需
无需
2.1.3 脱硫方案的确定
目前, 燃煤企业脱硫技术大体可概括为干法、半干法和湿法, 而技术比较成熟、应用最广泛的是湿法石灰石/石膏法, 但是该工艺存在投资运行费用高、易结垢、易腐蚀等问题, 造成设备腐蚀快、维护费用高, 现场应用也受到一定 限制。
“双碱流程”是石灰石-石膏法的一种变形。它是克服了石灰石-石膏法容易结垢后的弱点，提高了SO2的去去除率。所以本设计采用“钠钙双碱法”。钠钙双碱法是湿法中一种非常重要的工艺，尤其对中、锅炉烟气脱硫来说，具有脱硫除尘效率高，投资少，占地面积小，运行费用低等优点，非常适合中国的国情。
2.1.4 钠钙双碱法的脱硫工艺原理
钠钙双碱法———多极喷雾强旋流脱硫除尘工艺的主体部分是洗涤吸收塔。首先迫使烟气以一定的速度切向进入塔体,并使其螺旋下降,而脱硫剂液则以雾化状态同向喷入,并形成多道强劲的环形水雾区域,当锅炉烟气强旋流通过时,就能和水雾充分混合接触,并发生一系列的物理化学反应,大部分硫化物和烟尘在离心力和重力的双重作用下从筒壁四周流下,经出灰口到沉淀池,灰渣沉淀后清理外运,灰水则循环使用,烟气则进入内筒进一步净化后,经风机进入烟囱排入空中。双减法有如下优点：塔内钠基清液作为吸收液，大大降低了结垢机率；钠基吸收二氧化硫速率高，在较低的液气比下可得到较高的脱硫率，同时还可大大提高石灰的利用率。
2.1.5 钠钙双碱法脱硫机理
1）化学反应原理
该法使用或液吸收废气中的，生成
与再用再生，反应方程式如下：
2）脱硫过程
吸收：
（1）
（2）
其中；式（1）为过量时，溶液吸收的主反应，式（2）为 不足时，溶液吸收的主反应。
吸收：
（3）
（4）
其中：式（3）为过量时，溶液吸收的主反应；
式（4）为不足时，溶液吸收的主反应；
3）氧化过程（副反应）

4）再生过程

2.2 设计工艺流程图

换热装置
燃煤锅炉
高效脱硫除尘装置
引风机
烟囱
钠碱液
钠碱液池
石灰池
石灰浆液
多级沉淀池
污泥泵
高位水池

图2-2 工艺流程图示意图
工艺流程说明：烟气从燃煤锅炉中出来,通过换热装置切线进入脱硫除尘塔，经强旋流喷雾脱硫除尘后，进入换热装置进行加热升温，然后通过引风机进入烟囱排到空中。处理装置产生的灰水经沉淀后回用，灰渣沉淀后清理外运。当脱硫除尘装置维修时，烟气从换热装置内管直接进入外管，通过风机进入烟囱排到空中。当换热装置维修时，烟气直接进入脱硫除尘装置，处理后通过风 机进入烟囱排到空中。
2.3 脱硫塔类型选择
目前较常用的吸收塔主要有喷淋塔、填料塔、喷射鼓泡塔和道尔顿型塔四类 。喷淋塔是湿法脱硫工艺的主流塔型，而填料塔作为气液两相在塔内连续接触的典型形式。
2.3.1 喷淋塔
含尘空气进气口进入除尘箱，因气体突然扩张，流速骤然降低，颗料较粗的粉尘，靠其自重力向下沉降，落入灰斗。细小粉尘通过各种效应被吸附在滤袋外壁，经滤袋过滤后的净化空气，通过文氏管进入上箱体，从出气口排出，被吸附在滤袋外壁的粉尘，随着时间的增长，越积越厚，除尘器阻力逐渐上升，处理的气体量不断减少，为了使除尘器经常保持有效状态，设备阻力稳定在一定的范围内，就需要清除吸附在滤袋外面的积灰。
2.3.2 填料塔
填料塔内气液两相连续接触，清灰方式作用强度很大，而且其强度和频率 都可以调节，所以清灰效果好。
本设计采用喷淋塔。

三 设计方案的选择确定及说明

3.1标态下实际烟气量的计算
①计算每小时燃煤量
2570.8×40×10=1.028×10kJ/h

燃烧单位质量煤所需理论空气量：
表三 样煤成分表

重量(g)
摩尔数(mol)
需氧数(mol)
C
680
56.67
56.67
H
40
20
10
S
15
0.47
0.47
H2O
60
3.33
3.33
灰分
150
--
--

以1kg燃煤燃烧为基础，则由上样煤成分表得
理论需氧量为56.67+10+0.47=67.14mol/kg煤
假定干空气中氮和氧的摩尔比（体积比）为1:3.78，则1kg煤完全燃烧所需要的理论空气量为：67.14×（3.78+1）=320.93mol/kg煤
即320.93×22.4/1000=7.19 m/kg煤
理论空气量条件下烟气组成（mol）为：
CO2：56.67 H2O：20+3.33
SOx：0.47 N2：67.14×3.78
理论烟气量为
56.67+（20+3.33）+0.47+67.14×3.78=334.26mol/kg煤
即 334.26×22.4/1000=7.49m/kg煤
空气过剩系数时，实际烟气量为
V （3-1）
3.2烟气中烟尘和SO2浓度的计算
①烟气含尘浓度
（3-2）
式中 ——烟尘的排放因子；
——煤中不可燃成分的含量；
——实际烟气量。
C=
②烟气中SO2浓度： （3-3）
式中 S——煤中硫的质量分数
V——标准状态下燃煤产生的实际烟气量，

3.3工况流量及去除效率的计算
①工况流量 （3-4）
式中 Q——标准状态下烟气流量，
——工况下烟气温度，K
——标准状态下温度，273K

②除尘效率 = （3-5）
式中 C——烟气含尘浓度；
——锅炉烟尘排放标准中的规定值。
③SO2去除率 =，式中C、含义类上。
3.4脱硫塔设计计算
吸收塔是脱硫装置的核心设备，采用集冷却、吸收、除雾于一体的喷淋空塔。脱硫塔由塔筒体、吸收器、除雾器、冲洗系统等组成。
由前面计算得锅炉在标准状况下烟气流量为：Q0=60680.2m/h
145℃时烟气流量为：Q 1=92909.6m3/h=25.8m3/s
3.4.1塔径及底面积计算
塔内流速：取
Q 1= 取1.7m （3-6）
D=2r=3.4m 即塔径为3.4米。底面积S=πr2=9.07m2
3.4.2 进出口高度
根据进出口烟气流速及烟气量确定进出口面积。一般希望进气在塔内能分布均匀, 且烟道呈方形, 故宽/高取值较大, 进口宽度占到塔径的80%以上，而高度尺寸则取值较小。这里取宽度。
进出口面积 A= （3-7）
则进出口高度 （3-8）
3.4.3 循环浆液区的高度计算
浆池容量V1按液气比和浆液在池中停留时间t1确定，
（3-9）
液气比取推荐值15L/m3，t1 = (4～8) min，这里取6min。
选取浆池内径，则浆池高度 （3-10）
从液面到烟气进口底边高度经验值为0.8~1.2m，这里取1m。
3.4.4 洗涤反应区高度计算
可以采用以下两种方法计算：
①烟气流速3m/s，接触反应时间经验值为(2. 5～5) s，因为脱硫率在80%左右，
要求不高，故取2.5s，则吸收区高度 （3-11）
②工程设计中吸收区高度一般指烟气进口水平中心线到喷淋层中心线的距离。
入口烟道到第一层喷淋层的距离一般为～3.5m，喷淋层间距一般为1.2～2m，喷嘴布置分2～6 层，分别取3m,2m和4层。
则吸收区高度 （3-12）
比较①、②所得结果相差不大，而液气比一定时，增加吸收区高度可提高脱硫率，故取。
3.4.5 除雾区高度计算
除雾器设计为两段，每层除雾器上下各设有冲洗喷嘴。最下层冲洗喷嘴距最上层喷淋层3～3. 5m ；距最上层冲洗喷嘴3. 4～3. 5m，这里都取3. 5m，则除雾区高度。
最上层冲洗喷嘴距吸收塔出口的距离为塔直径的50%～100%，这里取80%，故该距离为
3.4.6脱硫塔总高度
综上，喷淋塔总高度
（3-13）
3.5 确定位置及管道布置
3.5.1 各装置及管道布置原则
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。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。
3.5.2 管径的确定
（3-14）
式中 Q——工况条件下管内烟气流量；
V——烟气流速，一般为15～25m/s。取V=20m/s。

表四
外径(D/mm)
钢制板风管
500
外径允许偏差/mm
壁厚/mm
±1
4
内径d=1280-2×4=1272mm 将内径d=1272mm代入公式中，则
（3-15）
3.6 烟囱的设计
3.6.1 烟囱高度的确定
由于没有锅炉总的蒸发量，我们只能按锅炉的燃煤量查表来确定烟囱高度。根据每小时燃煤量6.23t/h查下表，取烟囱最低允许高度为H=35m。
表五 锅炉烟囱高度表
锅炉总额定出力（t/h）
<1
1～2
2～6
6～10
10～20
20～35
烟囱最低高度（m）
20
25
30
35
40
45
3.6.2烟囱直径的确定
烟囱出口内径 （3-16）
式中 Q——通过烟囱的总烟气量；
W——烟气流速，因采用机械通风，全负荷运行，所以w取15。

表六 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

烟囱底部直径： （3-17）

式中 ——烟囱出口直径，m
H——烟囱高度，m
i——烟囱锥度，取i=0.02
3.6.3 烟囱的抽力计算
（3-18）
式中 ——烟囱的抽力，KPa；
H——烟囱高度，m；
——外界空气温度，，取-20；
——烟囱内烟气平均温度，；
B——当地大气压，。

3.7系统阻力计算
3.7.1摩擦阻力计算
（3-19）
式中L——管道长度，m
d——管道直径，m
——烟气密度，
——管中气流平均速率
——摩擦阻力系数
取L=10m，l=0.02,

3.7.2局部压力损失
（3-20）

式中 ξ——异形管件的局部阻力系数可查到
V ——与ξ像对应的断面平均气流速率,20m/s
ρ——烟气密度,
弯头：90°弯头，共有5个，则总压为:18.06×5=90.3pa
3.7.3 总阻力损失
估算：设文丘里除尘器阻力小于6500Pa, 锅炉出口前阻力为800Pa,喷淋塔为300 Pa。则总阻力:（3-21）
3.8 风机的计算与选择
3.8.1 选择风机的计算风量
（3-22）
式中Q——管道计算的总风量，m3/h；
K1——考虑系统漏风所附加的安全系数，一般管道K1=0.1；除尘管道取K1=0.1～0.15，此处计算取0.15。
3.8.2 选择风机的风压
即 （3-23）
式中Δp——系统总压力损失，Pa；
K2——考虑管道计算误差及系统漏风等因素所采用的安全系数，一般管道取K2=0.1～0.5，此处取0.5。
ρ0——风机性能表中给出的标态的空气密度，对于通风机ρ0=1.2kg/ m3，对于引风机ρ0=0.745 kg / m3；
ρ——运行工况下进入风机时的气体密度，取1.34kg/Nm3
3.8.3 风机选择
由以上计算，得风机风压6436.91Pa，风量为106846.04m3/h查设计手册，选用两台Y5-47型离心引风机。
四 总结
双碱法有在理论上优点有：（1）用NaOH脱硫，循环水基本上是NaOH的水溶液，在循环过程中对水泵、管道、设备均无腐蚀与堵塞现象，便于设备运行与保养；（2）吸收剂的再生和脱硫渣的沉淀发生在塔外，这样避免了塔内堵塞和磨损，提高了运行的可靠性，降低了操作费用；同时可以用高效的板式塔或填料塔代替空塔，使系统更紧凑，且可提高脱硫效率；（3）钠基吸收液吸收SO2速度快，故可用较小的液气比，达到较高的脱硫效率，一般在90%以上；（4）对脱硫除尘一体化技术而言，可提高石灰的利用率。但也有许多不足之处，Na2SO3氧化副反应产物Na2SO4较难再生，需不断的补充NaOH或Na2CO3而增加碱的消耗量。另外，Na2SO4的存在也将降低石膏的质量。总之，双碱法脱硫技术是国内外运用的成熟技术，是一种特别适合中小型锅炉烟气脱硫技术，具有广泛的市场前景。

参考文献:
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