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颗粒污染物控制课程设计实例
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
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
烟气其他性质按空气计算
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(GB13271-2001)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+5.56HY+0.7SY-0.7OY)(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+0.375SY)+11.2HY+1.24WY+0.016Q’a+0.79Q’a+0.8NY(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3-3-1XDCG4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
12000
>98
≤1级
林格曼黑度
800~1400
>85
2800
表3-3-2XDGC4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3-3-1XDCG1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可以确定了。
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=10~15m/s)。
取ν=14m/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——通过烟囱的总烟气量,(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=4m/s
d=0.0188
=1.83(m)
圆整取d=1.8m。
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(通常取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。
可以查手册得到(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=450mm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,或通过实验获得;
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=13.8m/s
(Pa)
ι1=0.05×tan67.5=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=13.8m/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3-3-5T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=5443kJ/(㎡/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GB3095-1996
2中华人民共和国国家标准,大气污染物综合排放标准GB16297-1996
3中华人民共和国国家标准,锅炉大气污染排放标准GB13271-2001
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,2006
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,2004
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,
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