DG-200型火电厂锅炉高硫无烟煤烟气电除尘湿式氨法脱硫系统设计.doc
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目录
1燃烧计算 2
1.1烟气量的计算 2
1.2烟尘与SO2浓度 4
2净化方案 4
2.1电除尘器 5
2.2湿式氨法脱硫 11
3除尘设备结构设计计算 13
4脱硫设备结构设计计算 17
4.1物料平衡计算 17
4.2液气比 17
4.3确定填料类型及塔结构计算 17
4.4脱硫设备的效率核算 19
5烟囱的设计计算 22
6管道系统设计与风机电机选择 24
6.1管道系统阻力 24
6.2风机和电动机选择 25
总结 27
参考文献 28
1燃烧计算
1.1烟气量的计算
以1kg煤燃烧为基础，计算锅炉燃烧产生的烟气量，烟尘和SO2浓度；
重量摩尔数需氧分子数生成物（体积）
C76063.363.363.31.42
H404010200.45
S300.940.940.940.02
O201.250.630.630.01
由以下方程式得出上面列出的各生成物的摩尔量：
C+O2=CO2；4H+O2=2H20；S+O2=SO2；
如得出nSO2=0.94mol；
VSO2=m3/kg；以此类推出其它产物的体积。
理论需氧量：
mol
理论需氧体积：
m3/kg
理论空气量：
m3/kg
过剩空气量：
=
式中：
—空气过剩系数
=7.89m3/kg
含水的体积：
Wm3/kg
理论烟气体积：
m3/kg
实际设计耗煤23t/h；
V=m3/h
处理气体量：
式中：
Q—通过除尘器的含尘气体量m3/h
V—生产过程产生的气体量m3/h
t—气体温度，1600冷却至1200
p—环境大气压，kp
k—漏风系数,0.1~0.15
1.2烟尘与SO2浓度
SO2浓度：
CSg/m3
粉尘浓度：
C=g/m3
2净化方案
通过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，确定净化系统选用电除尘器除尘，湿式氨法脱硫。
2.1电除尘器
2.1.1电除尘器的工作原理
电除尘器的工作原理主要涉及悬浮料粒子荷电，带电粒子在电场内迁移和捕集以及将捕集物从集尘表面上清除等三个基本过程。
（1）气体电离：
在电晕电极上施加高压直流电，产生电晕放电，使气体电离，产生大量正离子和负离子。
（2）尘粒荷电：
若电晕极附近带负电，则正离子被吸引而失去电荷，自由电子和负电子受电场的作用便向集尘极移动于含尘气流中的尘粒碰撞而结合在一起，使尘粒荷电。
（3）尘粒尘集：
荷电尘粒到达集尘极后失去电荷，成为中性沉集在集尘极表面。
（4）振打清灰：
当集尘极表面的尘粒达到一定厚度时影响中和，须借助于振打装置使电极振动，将尘粒振掉，自动落入灰斗。
2.1.2电除尘器的主体结构
电除尘器主要由电晕极、集尘极、气流分布板、振动清灰装置和供电设备组成。
2.1.3影响电除尘器性能的因素
影响电除尘器性能的因素有许多，大致可归纳为三个方面：
烟尘性质、设备状况和操作条件。
各种因素的影响直接关系到电晕电流、粉尘比电阻、除尘器内的粉尘收集和二次飞扬这3个环节。
而最后结果表现为除尘效率的高低。
（1）烟尘性质的影响
粉尘的比电阻，适用于静电除尘器的比电阻为10cm。
比电阻低于10的粉尘，其导电性能强，在电除尘器电场内被收集时，到达沉降极板表面后会快速释放其电荷，而变为与沉淀极同性，然后又相互排斥，重新返回气流、可能在往返跳跃中被气流带出，所以除尘效果差；相反，比电阻高于10以上的粉尘，在到达沉降极以后不易释放其电荷，使粉尘层与极板之间可能形成电场、产生反电晕放电。
对于高比电阻粉尘，可以通过特殊方法进行电除尘器除尘，以达到气体净化，这些方法包括气体调质、采用脉冲供电、改变除尘器本体结构、拉宽电极间距并结合变更电气条件。
（2）烟气湿度
烟气湿度能改变粉尘的比电阻，在同样温度条件下，烟气中所含水分越大，其比电阻越小。
粉尘颗料吸附了水分子，粉尘的导电性增大，由于湿度增大，击穿电压上长，这就允许在更高的电场电压下运行。
击穿电压与空气含湿量行关，随着空气中含湿量的上升，电场击穿电压相应提高，火花放电较难出现，这种作用对电除尘器来说，是有实用价值的，它可使除尘器能够在提高电压的条件下稳定地运行，电场强度的增高会使降尘效果显著改善。
（3）烟气温度
气体温度也能改变粉尘的比电阻，而改变的方向却有几种可能：
表面比电阻随温度上升而增加（这只在低温度交接处有一段）过渡区，表而和体积比电阻的共同作用区。
电除尘工作温度可由粉尘比电阻与气体温度关系曲线来选定。
烟气温度的影响还表现在对气体黏滞性影响，气体黏滞性随着温度的上升而增大，这将影响其驱进速度的下降。
气体温度越高对电除尘器的影响是负面的，如果有可能，还是在较低温度条件下运行较好，所以，通常在烟气进入电除尘器之前先要进行气体冷却，降温既能提高净化效率，又可利用烟气余热。
然而，对于含湿量较高和有SO3之类成分的烟气，其温度一定要保持在露点温度20-30℃以上作为安全余量，以避免冷凝结露，发生糊板、腐蚀和破坏绝缘。
（4）烟气成分
烟气成分对负电晕放电特性影响很大，烟气成分不同、在电晕放电中电荷载体的迁移不同。
在电场中，电子与中性气体分子相撞而形成负离子的概率在很大程度上取决于烟气成分，据统计，其差别是很大的。
氯、氢分子不产生负电晕，氯与二氧化硫分子
能产生较强的负电晕，其他气体互有区别；不同的气体成分对静电除尘设备的伏安特性及火花放电电压影响甚大，尤其是在含有硫酐时，气体对电除尘器运行效果有很大影响。
（5）烟气压力
有经验公式表明，当其他条件确定以后，起晕电压随烟气密度而变化，烟气的温度和压力是影响烟气密度的主要因素。
烟气密度对除尘器的放电特性和除尘性能都有一定影响，如果只考虑烟气压力的影响，则放电电压与气体压力保持一次（正比）关系。
在其他条件相同的情况下，净化高压煤气时电除尘器的压力比净化常压煤气时要高，电压高，其除尘效率也高。
（6）粉尘浓度
电除尘器对所净化的气体的含尘浓度有一定的适应范围，如果超过一定范围，除尘效果会降低，甚至中止除尘过程，因为在电除尘器正常运行时，电晕电流是由气体离子和荷电尘粒（离子）两部分组成的，但前者的驱进速度约为后者的数百倍（气体离子平均速度为60-100m/s，尘粒速度大体在60cm/s以下）。
一般粉尘离子形成的电晕电流仅占总电晕电流的1%-2%，粉尘的质量比气体分子大得多，而离子流作用在荷电尘粒上所产生的运动速度远不如作用在气体离子上所产生的运动速度高。
烟气粉尘浓度越大，尘粒离子也越多，然而单位体积中的总空间电荷不变，所以粉尘离子越多，气体离子所形成的空间电荷电然相应减产，于是电场内驱进速度降低，电晕闭塞，除尘效率显著下降，所以，电除尘器净化烟气时，通过电场的电流趋近于零。
发生电晕闭塞。
因此，电除尘器净化烟气时，其气体含尘浓度应有一定的允许界限。
电除尘器允许的最高含尘浓度与粉尘的粒径、质量组成有关。
如中位径为24.7um的钢铁厂烧结机尾粉尘，入口质量浓度30g/m3，电流下降不明显；而对中位径为3.2um”的粉尘，入口质量浓度大于8g/m3的吹氧平炉粉尘，却使电晕电流比通烟尘之前下降80%以上。
有资料认为粒径为1um左右的粉尘对电除尘效率的影响尤为严重。
（7）粉尘粒径分布
试验证明，带电粉尘向沉淀极移动的速度与粉尘颗粒半径成正比，粒径越大，除尘效率越高；尺寸增至20-25um之前基本如此；尺寸至20-40um阶段，可能出现效率最大值；冉增大粒径，其除尘效率下降，原因是大尘粒的非均匀性具有较大导电性，容易发生二次扬尘和外携。
也有资料指出，粒径在0.2-0.5um之间，由于捕集机理不同，会出现效率最低值（带电料子移动速度最低值）。
（8）粉尘密度、黏附力
粉尘的密度与烟气在电场内的流速二次扬尘有密切关系，尤其是堆积密度小的粉尘，由于体积内的孔隙率高，更容易形成二次扬尘，从而降低除尘效率。
粉尘黏附力是由粉尘与粉尘之间，或粉尘颗粒与极板表面之间接触时的机械作用力、电气作用力等综合用途的结果，附着力大的不易振打清除，而附着力小的又容易产生二次扬尘；机械附着力小、电阻低、电气附着力也小的粉尘容易发生反复跳跃，影响电除尘器效率。
粉尘黏附力与颗粒的物质成分有一定关系，矿渣粉、氧化铝粉、黏土熟料等粉尘的黏附力就小，水泥粉尘、纤维粉尘，无烟煤粉尘等，通常有很大的黏附力。
黏附力与其他条件，如粒径大小、含温量高低等有密切关系。
（9）设备情况对电除尘效率的影响
2.1.4电除尘器的优点
（1）电除尘器的除尘效率高，如果设计合理，按装施工质量高，电除尘器可以达到任何除尘效率的要求。
（2）可以净化气量较大的烟气，在工业上净化～烟气的电除尘器已得到普遍应用。
（3）电除尘器能够除下的粒子粒径范围较宽，对于的粉尘粒子仍有较高的除尘效率。
（4）可净化温度较高的含尘烟气，用于净化ºC以下的烟气，可长期持续运行，用于净化高温度烟气时，须特殊设计。
（5）电除尘器结构简单，气流速度低，压力损失小，干式电除尘器的压力损失大约为～，湿式电除尘器的压力损失稍高些，通常只有～。
（6）电除尘器的能量消耗比其他类型除尘器低，如以每小时净化烟气计算电除尘器的电能消耗约为～·。
（7）电除尘器可以实现微机控制，远距离操作。
2.1.5电除尘器的缺点
（1）建立电除尘器一次投资费用高，刚才消耗量较大，据估算，平均收尘面积所需的钢材大约为～。
（2）电除尘器的除尘效率受粉尘的物理性质影响很大，特别是粉尘比电阻的影响更为突出。
电除尘器最适宜捕集比电阻为～的粉尘粒子。
净化小于或大于的粉尘粒子，除尘效率是很低的。
（3）电除尘器对制造和安装质量要求很高。
（4）电除尘器不是以直接净化高浓度含尘气体。
（5）需要高压便电及整流控制设备。
（6）占地面积较大。
2.1.6运行参数的选择和设计
表2.1主要设计参数
主要参数
符号
单位
一般范围
总除尘效率
有效趋进速度
气流速度
通道长高比
板间距
比集尘表面积
电晕极间距
%
95～99.9
1.5～2.0
0.5～2.0
0.5～1.5
23～38
300～2400
200～300
2.2湿式氨法脱硫
2.2.1湿式氨法脱硫原理
湿式氨法脱硫工艺是采用一定浓度的氨水做为脱硫吸收剂，与进入吸收塔的烟气接触混合，SO2与氨水反应，生成亚硫酸铵，经与鼓人的强制氧化空气进行氧化反应，生成硫酸铵溶液，经结晶、脱水、干燥后即制得化学肥料硫酸铵[3]。
氨法也是一种技术成熟的脱硫工艺。
反应原理主要包括如下几部分：
（1）吸收：
2NH3+SO2+H2O（NH4）2SO3
（NH4）2SO3+SO2+H2O2NH4HSO3
（2）中和
随着NH4HSO3比例的增大，溶液的PH值下降，吸收能力降低，
需补充氨水将NH4HSO3转化为（NH4）2SO3[3]。
NH4HSO3+NH3.H2O（NH4）2SO3+H2O
（3）氧化
由于尾气中含有O2和CO2，在吸收过程中还会发生副反应：
2（NH4）2SO3+O22（NH4）2SO4
2NH3+H2O+CO2（NH4）2CO3
2.2.2主要技术特点
优点；脱硫剂利用率高，脱硫效率高，同时氨法不需吸收剂再循环系统，因而系统要简单，其投资费用低[3]；在工艺中不存在石灰石作为脱硫剂时的结垢和堵塞现象；氨法工艺无废水排放，除化肥硫酸氨外也无废渣排放，无二次污染之忧[4]。
缺点：
副产品硫酸镀的销路和价格是氨法工艺应用的先决条件，由于氨法所采用的吸收剂氨水价格远比石灰石高，其吸收剂费用很高，如果副产品无销路或销售价格低，不能抵消大部分吸收剂费用，则不能应用氨法工艺，氨脱硫存在的一个重要问题是氨的挥发和泄漏，但氨法仍不失为一个治理的好方法[5]。
2.2.3设计与运行参数
（1）氨法脱硫工艺一般安装在电厂的除尘器后面，预先用冷却器将温度降为1200C，经过脱硫后烟气温度降低，一般在450C左右，在露点以下，必经再热器升温
至100~1200C再排入烟囱，有利于烟气的扩散[4]。
（2）SO2的吸收量增加，S/C增大，PH值减小，因而需要补充氨水使PH值保持在合适的水平，一般取6，以获得稳定的吸收液成分[1]。
（3）Ca/s接近1，湿法工艺的反应条件较为理想，一般为1.05～1.2[2]，这里采用1.1。
（4）在烟气脱硫工艺中，湿法脱硫剂的与Ca/s成反比，一般可达90%以上，氨法脱硫率85%～90%[2]。
2.2.4脱硫效率的影响因素
除了工艺本身的脱硫性能外，还取决于烟气的状况，如SO2浓度，烟气量，烟温，烟气含水量等[2]。
3除尘设备结构设计计算
（1）除尘效率
式中：
——除尘器入口含尘浓度，；
——除尘器出口允许排放浓度，，
即
（2）集尘极比集尘面积
式中：
——有效驱进速度，，～，取；
——除尘效率。
（3）集尘极总面积
式中：
——集尘极比集尘面积，；
——标状态下实际烟气量，；
考虑因处理气量、温度、压力的波动和供电系统的可靠性等因素影响，参照实际生产情况，取富裕系数～。
（4）其需要的集尘极面积ˊ
ˊ～
式中：
——集尘极总面积，；
ˊ～
则取实际集尘极面积为5000。
（5）实际集尘极的比集尘面积ˊ
式中：
——标状态下实际烟气量，；
ˊ——需要的集尘极面积，。
（6）电除尘器有效截面积
式中：
——标状态下实际烟气量，；
——气体流速，，取。
（7）集沉极集板高度
式中：
——电除尘器有效截面积。
取；
取宽高比为1，则集尘极极板宽度；
（8）气体在电除尘器内的通道数
式中：
——电除尘器有效截面积，；
——集尘极间距，；（目前一般集尘极的间距一般采用～，放电极与集尘极之间距离为～）取
——集沉极集板高度，。
取
（9）集尘极总长度
式中：
ˊ——需要的集尘极面积，；
——集沉极集板高度，
——气体在电除尘器内的通道数。
，取。
（10）电晕极间距为，则每个板上点晕极为根。
（11）采用机械振打集尘装置
（12）灰斗倾斜角45º，灰斗高，出口直径为，共设四个灰斗。
（13）支架高。
（14）电除尘器的总高
电除尘器的高+支架高
（15）电除尘器的总长应于集尘板的长度相等，为10m
（16）电除尘器的总宽应于集尘板的长度相等，为10m
4脱硫设备结构设计计算
4.1物料平衡计算
吸收塔内主要反应总方程式：
NH3+SO2+H2ONH4HSO3
11
0．94mol0．94mol
总消耗的NH3液量t；
不加循环设备，所以实际总的NH3液量t。
4.2液气比
一般液气比为8～25L/m3[7]，此处以10L/m3计算
总消耗的SO2体积：
m3
时，所以m3
所以衡算后总耗氨液量浓度：
Ckg/m3
4.3确定填料类型及塔结构计算
填料结构特性参数
材质
公称直径
dp/mm
高厚
mm
比表面积
（m2/m3）
瓷拉西环
15
152
330
瓷拉西环
16
162
305
（1）最小喷淋密度：
Umin=qw
式中：
qw—最小润湿速度
—其比表面积
由上表选择φ的瓷拉西环[6]，m2/m3
直径d=16mmmm,可取qw为0.08m3/（m2.h）[5]
[m3/（m2.h）]
（2）确定塔的截面积
设计一个在120℃常压下的填料吸收塔
式中:
—操作条件下,空气流量；
式中:
A—塔的截面积；
u—烟气流速,选3m/s；（一般为2～5m/s）
m2
（3）确定塔的直径
m
塔径与填料尺寸之比D>>20～25d,实际Ｄ＝5.7>16mm校核合格。
（4）填料塔的有效高度
式中：
—有效塔高,m；
—混合气体的空塔流速，m/s；
—气液反应时间；s；一般取3～5s。
当取时，m
设计出气口顶部至除雾器高度2.3m,除雾器高度采用0.5m,除雾器至填料层2.3m,栅板高度采用0.6m,宽度0.12m,高度0.7m。
填料层底部到塔底3m。
当填料塔分三层时：
m，设填料层之间距离为0.5m，塔底支架高为0.5m时，设塔的总高度为。
则2.3+0.5+2.3+15+3+0.5=23.6m
4.4脱硫设备的效率核算
（1）校核流速
当Ｄ＝5.7m时，
式中：
—截面积，m2；
—混合气体的空塔流速，m/s；
m2
m/s
校核后流速在1～5m/s的范围内，符合要求
（2）从浓度考虑效率核算
有燃烧部分的计算，二氧化硫排放浓度mg/m3
当转换成标况时：
由于
所以
=mg/m3
脱硫后浓度：
—设脱硫效率为90%；
mg/m3
经查表得到新污染源头的污染物排放限值，二氧化硫排放的最高限值为960mg/m3，因为：
mg/m3373.88mg/m3所以：
本设计符合排放要求
（3）排放速率核算
=
=148.9kg/h
查资料得到新污染源头的污染物排放限值，可知烟囱高度为100m时,
二氧化硫的最高排放速率为170kg/h,本设计的烟囱高度为162m（见下章烟囱计算部分）.
所以：
本设计基本符合排放要求
由于综合考虑，可知本设计的脱硫效果合格。
5烟囱的设计计算
1）烟囱高度的确定
假定烟囱的几何高度HS=60m
烟气的热释放率
式中：
—当地大气压力，（940hPa）
—实际排烟量m3/s
—烟囱出口处的烟气温度K
—环境大气温度K
（K）
kw
抬升高度
式中：
—烟囱几何高度m
—烟囱出口处的平均风速取4m/s
m
烟囱有效高度
m
地面SO2最大浓度
式中：
—为一常数，一般取0.5~1，在这里取1；
Q—烟气排出的SO2速率；
g/m3mg/m3
国家环境空气质量二级标准日平均SO2浓度为0.15mg/m3，因为0.15mg/m3mg/m3，所以烟囱符合标准。
烟囱出口内径：
式中：
Q—通过烟囱的总烟气量，m3/h；
W—选取烟囱出口烟气流速，m/s。
（机械通风10～20m）
选定w=20m/s则可得
m
2）烟囱底部直径：
式中：
H—烟囱高度，m.
i—烟囱椎角（通常取i=0.02—0.03），此处设计取i=0.02,
m
6管道系统设计与风机电机选择
6.1管道系统阻力
管长L=380m,900弯头60个
锅炉烟气烟道采用机械通风，气体流速范围10~15m/s.
（1）管道直径D=
式中：
V0—预先假定流速V0=14m/s
取整D=3m,水力半径R=0.75m
核算
m/s
（2）摩擦压力损失
式中：
l—管道长度m（380m）；
—烟气密度；
—摩擦阻力系数
（可查手册得到实际中对金属管道值取0.02，）
又00C时烟气的密度为：
1.295。
则可得在实际温度1200下的密度为：
；
pa
（3）局部阻力损失：
（
式中：
—异形管道的局部阻力系数；
v—与相对应的断面平均气流流速，m/s；
—烟气密度；
系统总需90度弯头60个，查表可得=0.18则可得：
Pa
所以系统总阻力（已知锅炉出口前阻力为1020Pa，吸收塔设备的总阻力为：
1000Pa）为：
=锅炉出口前阻力+设备阻力+管道阻力+引风机阻力=1020+1000+574.5+2449.5+700=574
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