南师大环工大气课程设计.doc

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大气污染控制工程课程设计书

——周建伟

目录

1.前言 1

1.1概况 1

1.2设计原则与设计依据 1

1.2.1设计原则 1

1.2.2设计依据 1

1.3设计范围 2

1.4设计参数 2

2.工艺概况 2

2.1技术现状 2

2.1.1除尘设备 2

2.1.2脱硝技术 5

2.2工艺选择 8

3.工艺计算 8

3.1污染物浓度及烟气计算 8

3.2管道计算 9

3.3设备、压降、风机、烟囱计算 10

3.3.1电除尘器计算 10

3.3.2SCR计算 12

3.3.3烟囱设备 13

3.3.4压降计算 15

3.3.5风机电机选型计算 15

3.4物料衡算 17

4.工程内容 17

4.1烟气系统 17

4.2电除尘系统 17

4.3SCR系统 18

4.4主要设备投资估算及构筑物 18

4.4.1土建投资 18

4.4.2设备及器材费用 18

5.效益评估及投资收益. 19

5.1运行费用估算. 19

5.1.1电费计算 19

5.1.2管理费用计算 19

5.2经济效益评估. 19

5.3环境效益和社会效益 20

6.结论. 20

7.参考资料. 20

1.前言

1.1概况

东方锅炉厂制造的DG-220/100型火电厂锅炉,，蒸发量220t/h，出口蒸汽压力100Mpa。

燃烧方式是沸腾炉（煤粉炉），所配发电机组功率50MW。

设计耗煤量：

23t/h；设计煤成分：

CY=69.5%，HY=4%，OY=3%，NY=1%，SY=1.5%，AY=13%，WY=8%，VY＝15％；属于中硫烟煤；飞灰率＝35％

烟气中NOx浓度取400mg/m3，排烟温度：

160℃；空气过剩系数＝1.2，烟气在锅炉出口前阻力1020Pa

1.2设计原则与设计依据

1.2.1设计原则

1、严格执行环境保护中的各项规定，确保经处理后废气达到排放标准。

2、采用国内技术成熟，运行可靠，操作管理简单的工艺，尽量降低工程投资和运行费用。

3、平面布置和工程设计时，布局力求合理，尽量节省占地。

4、尽量使操作运行与维护管理简单方便。

1.2.1设计依据

1.大气质量标准

当地大气质量执行《大气环境质量标准》“GB13271-2001”中的二级标准。

2.烟尘排放浓度

执行《大气环境质量标准》“GB13271-2001”中的二级标准。

本标准按锅炉建成使用年限分为两个阶段，执行不同的大气污染物排放标准：

Ⅰ时段：

2000年12月31日前建成使用的锅炉。

Ⅱ时段：

2001年1月1日起建成使用的锅炉（含在Ⅰ时段立项未建成或未运行使用的锅炉、建成使用锅炉中需要扩建、改建的锅炉）见表1。

表1燃煤锅炉烟尘初始排放浓度和烟气黑度限值

锅炉类别

适用区域

烟尘排放浓度（）

烟气黑度

（林格曼黑度，级）

Ⅰ时段

Ⅱ时段

燃煤锅炉

自然通风锅炉

（）

一类区

100

80

1

二、三类区

150

120

其他锅炉

一类区

100

80

1

二类区

250

200

0

三类区

350

250

3.锅炉烟囱高度应根据锅炉房总设计确定

新建锅炉烟囱周围半径200m的距离内有建筑物时，烟囱高度应高出最高建筑物3m以上，达不到此要求时，锅炉烟尘排放浓度限值及黑度按“GB13271-2001”中的二类区域的浓度标准执行。

烟囱的高度由锅炉蒸发量确定见表2。

表2锅炉房烟尘最低允许高度

锅炉房装机总容量

MW

<0.7

0.7～1.4

1.4～2.8

2.8～7

7～14

14～28

<1

1～2

2～4

4～10

10～20

20～40

烟囱最低允许高度

m

20

25

30

35

40

45

注：

燃煤、燃油（燃轻柴油、煤油除外）

1.3设计范围

设计从烟气发生点到烟囱，包括电除尘器，风机，泵，SCR反应器和烟囱。

需要进行SCR东西的计算，还有电除尘器的工艺计算，包括集尘板面积，电场断面面积，电场高度、宽度、长度及工作电压和电流的计算。

1.4设计参数

设计耗煤量：

23t/h

排烟温度：

160℃

空气过剩系数：

1.2

烟气锅炉出口前阻力：

1020Pa

烟气密度：

1.18kg/m3

2.工艺概况

2.1技术现状

2.1.1除尘设备

大气除尘主要有袋式除尘器，电除尘器，文丘里麻石水膜除尘器等等。

（1）袋式除尘器是一种干式高效除尘器，可用于净化粒径d>的尘土气体。

除尘效率可达99%以上，它是最古老的除尘方法之一。

袋式除尘器的优点

①袋式除尘器对净化含尘微粒和亚微粒数量级的粉尘粒子的气体效率较高，一般可达99%，甚至达到99.9%以上。

②袋式除尘器可以捕集多种干式粉尘，特别是高比电阻粉尘，采用袋式除尘器要比用电除尘器的净化效率高得多。

③含尘气体浓度在相当大的范围内变化对袋式除尘器的效率和阻力影响不大。

④袋式除尘器可以设计制造成适应不同气量的含尘气体的要求，除尘器的处理量可以从1～10/h。

⑤袋式除尘器也可以做成小型的，安装在散尘设备上或散尘设备附近，也可以安装在车上做成移动式袋式过滤器，这种小巧、灵活的袋式除尘器特别适用于分散尘源的除尘。

⑥袋式除尘器运行性能稳定可靠，没有污泥处理和腐蚀等问题，操作维护简单。

袋式除尘器的缺点

①袋式除尘器的应用主要受滤料的耐温和耐腐蚀等性能影响。

目前常用的滤料可耐250℃左右高温，如采用特别滤料处理高温含尘烟气，将会增大投资费用。

②不适于净化含粘结和吸湿性强的含尘气体。

用袋式除尘器净化烟尘是的温度不能低于零点温度，否则将会产生结露，堵塞布袋滤料的空隙。

③据初步统计，用袋式除尘器净化大于17000含尘气量的投资费用要比电除尘器高，而净化小于17000含尘烟气时投资费用要比电除尘器省。

（2）电除尘器是利用静电力从气流中分离悬浮粒子（尘粒或液滴）的装置。

电除尘器与其他除尘器的根本区别在于：

除尘过程的分离力（主要是静电力）直接作用在粒子上，而不是作用在整个气流上。

电除尘器的特点

①收集效率高：

静电除尘装置可以很方便的通过加长电场长度达到99%以上的除尘效率。

静电除尘器装置还有一个出色的特征，就是收集效率可长期稳定保持不变，这是其他除尘器比不上的。

只有袋式除尘器例外，但袋式除尘器需要经常更换滤袋，才能保持良好的收尘效率。

②烟气阻力小，总的能耗低，电除尘器的能耗主要是由烟气阻力损失、供电装置、电加热保温和震打电机等能耗组成。

由于总的能耗低，有很少更换易损件，所以运行费用比袋式除尘器、文丘里除尘器等要小得多。

③适用范围广：

电除尘器可捕集粒径小于的粒子，300～400℃的高温烟气。

湿式静电除尘器不仅可以除尘，还可除去烟气中的水雾和酸雾。

这种综合性的能力为用户提供了方便。

当烟气的各项参数发生一定范围内波动时，电除尘器仍然保持良好的捕集性能。

对于高比电阻和低比电阻粉尘的烟尘来说，需要采取烟气调节，但总的看来这种情况不多，绝大多数的烟气净化都可采用电除尘器。

④可处理大容量烟气：

电除尘器易模块化，因此可以很方便地实现装置的大型化。

目前单台电除尘器处理气量已达，这样大的气量用袋式除尘器或旋风除尘器来处理是很难想像的，即使勉强做到也不经济。

⑤捕集到的粉尘干燥：

因为粉尘以干燥的形态被捕集，有利于粉尘的输送和再利用，也没二次污染。

⑥维护保养简单：

电除尘器如果品种规格选的恰当，又有良好的制造安装质量，日常的维护保养量是很少的。

电除尘器的操作运行以全部实现自动化，实现了智能化——即自动选择瞬时最佳运行方式。

⑦一次投资大：

电除尘器和其他除尘器相比结构较复杂，耗用钢材比较多，每个电场需配用一套高压电源及控制设备，因此价格较大。

但是静电除尘装置设备费用加上3～5年的运行费用比大多数其他除尘设备的要低。

（3）文丘里麻石水膜除尘器中含尘气体由烟气进口引入，首先进入麻石文氏管，文氏管是一个缩放管，在文氏管喉部入口处喷入的压力水呈雾状布满整个喉部，烟气流经文氏管的渐缩管时由于流道的缩小，速度逐渐增大，到达喉部时速度达到最大。

因此当烟气流到喉部是，烟气中高速运动的尘粒冲破水滴周围的气膜而被吸附在水滴上凝聚成大颗粒的液滴随烟气一起进入麻石水膜除尘器进行第二次分离。

液滴与烟气一起由麻石水膜除尘器切向或蜗向引入，然后沿筒体螺旋上升，液滴与尘粒在离心力的作用下被甩向筒体内壁自上而下的一层均匀的水膜接触，被水膜吸附，而随水膜一起流到底部灰斗，从排灰口排出筒体，在经过水封面进入排灰沟排出。

净化后的烟气从顶部以切向或蜗向引入。

文丘里麻石水膜除尘器中花岗石（俗称麻石）它成本低，便于安装耐腐蚀，占地面积小等特点，而且能大量吸收烟气中的SO2、SO3形成SO33-、SO42-离子，具有良好的脱硫效果，并克服了钢制除尘器易腐蚀，内衬的瓷砖或辉绿岩板衬里易脱落的特点。

麻石水膜除尘器具有投资少，电能消耗低，除尘效率高，可脱硫，操作简单，维护方便，使用寿命长等优点。

2.1.2脱硝技术

（1）选择性非催化还原SNCR法

选择性非催化还原SNCR法是一种成熟的商业性烟气脱硝技术，由于SNCR脱硝技术不需要催化剂，系统结构较为简单，可以炉膛为反应器，占地面积小，投资和运行维护费用低等优点，得到了较为广泛的应用。

原理：

SNCR工艺是向高温烟气中喷射氨或尿素等还原剂，将NOx还原成N2，所用的还原剂可为氨、氨水和尿素等，也可添加一些增强剂，与尿素一起使用。

其原理是把含有基的还原剂喷入炉膛温度为800～1100℃的区域，在此区域中，还原剂迅速热分解成NH3，并与烟气中的NOx进行反应生成N2和N2O。

该法特点是不需催化剂，旧设备改造量小，得以应用到较多燃煤锅炉中。

工艺流程：

SNCR工艺是一个燃烧后的脱硝过程，通过在火力发电锅炉，垃圾燃烧炉、窑炉或其他燃烧炉的烟道中喷入适量的脱硝剂来去除NOx的化学反应过程。

以尿素为还原剂的SNCR工艺较为普遍，其工艺流程由反应剂的接收和储存；反应剂的计量稀释和混匀；稀释的反应剂喷入锅炉合适的部分；反应剂与烟气的混合四部分组成。

具体如下图：

图1SNCR法工艺流程示意图

SNCR脱硝工艺的优点是：

投资少，由于系统简单以及运行中不需要昂贵的催化剂而只需要廉价的尿素或液氨，显然更适合我国国情；系统结构比较简单，不需要改变现有锅炉的设备设置，而只需在现有的燃煤锅炉的基础上增加氨或尿素储槽，氨或尿素喷射装置及其喷射口即可；系统占地面积小，需要的较小的氨或尿素储槽，可放置于锅炉钢架之上而不需要额外的占地预算；不需要使用催化剂，因而不会提高烟气中SO2的氧化率，烟气中SO3浓度不会增加，生成的（NH4）2SO4造成空气预热器的堵塞和腐蚀要比SCR低。

可以用尿素代替NH3作为还原剂，由于尿素比氨具有更好的锅炉内分布性能，且尿素是一般化学药品，使得操作系统更加安全可靠，且不必担心因NH3的泄漏造成新的污染。

但此项技术也存在一些不足：

效率不高。

锅炉的脱硝效率为30％～60％左右；增加反应剂和运载介质（空气）的消耗量；对温度要求严格，一般控制在800℃～1100℃的区域。

（2）选择性催化还原法

选择性催化还原法（SelectiveCatalyticReduction，SCR）是指在催化剂的作用下，以NH3作为还原剂。

“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。

SCR广泛使用V2O5/TiO2作为催化剂。

目前已成为世界上应用最多、最为成熟且最有成效的一种烟气脱硝技术。

SCR技术对锅炉烟气NOx控制效果十分显著，占地面积小，技术成熟，易于操作；同时SCR技术消耗NH3和催化剂，也存在运行费用高、设备投资大的特点。

选择性催化还原脱硝原理是在一定的温度和催化剂的作用下，还原剂有选择地把烟气中NOx还原为无毒无污染的N2和H2O。

还原剂可以是碳氢化合物、氨、尿素等。

工业应用的还原剂主要是氨，其次是尿素。

以氨为还原剂的SCR反应如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

（1）

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

（2）

上面第一个反应是主要的，因为烟气中几乎95%的NOx以NO的形式存在。

在没有催化剂的情况下，上述化学反应只在很窄的温度范围内（980℃左右）进行，即选择性非催化剂还原（SNCR）。

采用催化剂促进NH3和NOx的还原反应时，其反应温度取决于所选用催化剂的种类。

当采用钒或铁氧化物类的催化剂时，其反应温度为300～400℃；当采用活性焦炭作为催化剂时，其反应温度为100～150℃。

因此，根据所采用的催化剂的不同，催化剂反应器应布置在尾部烟道中相应温度的位置。

现代火电厂选择性催化还原法脱硝使用的温度范围在290～430℃。

所以在电站锅炉中脱硝系统的安装选择在省煤器与空预器之间。

目前工业中应用最多的SCR催化剂大多以TiO2为载体，以V2O5、V2O5-WO3、V2O5-MoO3为活性成分。

其中TiO2具有较高的活性和抗SO2性能；V2O5时最重要的活性成分，具有较高的脱硝效率，但同时也促进SO2向SO3的转化；另一种活性材料WO3的增加，有助于抑制SO2的转化；其他的活性材料还有Mo，Cr等，它们可以起到助催化剂及稳定剂的作用。

一般V地负载量低于1%～1.5%，而WO3和MoO3的负载量分别为10%和6%左右。

在SCR脱硝工业中，影响脱硝效率的主要因素是反应温度、催化剂性能、NH3/NOx摩尔等。

在管式固定床反应器中，采用V2O5/TiO2催化剂，经过研究发现反应温度对NOx脱除的影响较大。

在200～310℃范围内，随着反应温度的升高，NOx脱除率急剧增加，升至310℃时，达到最大值（90%），随后NOx脱除率随温度的升高而下降。

在SCR过程中温度的影响存在两种趋势：

一方面时温度升高使脱硝反应速率增加NOx脱除效率升高；另一方面，随温度升高NH3氧化反应开始发生，使NOx脱除效率下降。

经研究发现，实验制备的V2O5/TiO2催化剂最佳温度为310℃。

在一定范围内，NOx脱除率随n（NH3）/n（NOx）增加而增加，n（NH3）/n（NOx）小于1时，其影响更显著。

该结果说明若NH3投入量偏低，NOx受到限制；若NH3投入量超出需要量，NH3氧化等副反应的反应速率将增加，从而降低了NOx脱除效率，同时也增加了净烟气中NH3的排放浓度，造成二次污染。

在SCR工艺中，一般控制n（NH3）/n（NOx）在1.2以下。

催化剂中V2O5含量的增加，催化效率增加，NOx脱除率提高。

但是，V2O5含量超过6.6%时，催化效率反而下降。

这主要是由于V2O5在TiO2上的分布不同造成的。

红外光谱表明,，当V2O5含量在1.4%～4.5%时，V2O5均匀分布于TiO2载体上，并且以等轴聚合的钒基形式存在；当V2O5含量为6.6%时，V2O5在TiO2载体上形成新的结晶区——V2O5结晶区，从而降低了催化剂的活性。

V2O5是SCR反应催化剂的活性组分，在NH3的作用下降烟气中NOx还原成N2和H2O的同时，也将烟气中的SO2氧化为SO3，因此工业应用的催化剂中V2O5含量较低（0.3%～1.5%）。

为保证催化剂效果通常加入助催化剂WO3或MoO3。

2.2工艺选择

由于处理的烟气量比较大，烟气量远远大于17000m3/h，所以选择电除尘器相对经济实用，并且电除尘的除尘效率很高，可以使得烟气出口的烟气浓度更低，对环境的影响也相对较小。

而脱硝处理中，选择SCR工艺，SCR技术对锅炉烟气NOx控制效果十分显著，明显要高于SNCR，并且地面积小，技术成熟，易于操作。

3.工艺计算

3.1污染物浓度及烟气计算

1.标准状态下理论空气量

=7.215（m3/kg）

式中CY=69.5%，HY=4%，SY=1.5%，OY=3%。

2.标准状态下理论烟气量（设空气含湿量12.93g/m3）

=7.675（m3/kg）

式中——标准状态下理论空气量，7.215m3/kg；

CY=69.5%，HY=4%，SY=1.5%，WY=8%，NY=1%

3.标准状态下实际烟气量

=9.141（m3/kg）

式中α——空气过量系数，取1.2；

——标准状态下理论空气量，7.675m3/kg；

——标准状态下理论空气量，7.215m3/kg；

而标准状态下烟气流量以计，因此，＝×设计耗煤量=9.141×23×103=210243（m3/h）。

4.标准状态下烟气含尘浓度

=4.976×10-3（kg/m3）

式中——排烟中飞灰占煤中总灰分的比例，为35%；

AY——煤中灰分的质量分数，13%；

——标准状态下实际烟气量，9.141m3/kg。

5.标准状态下烟气中二氧化硫浓度的计算

=3281.92（mg/m3）

式中SY——煤中硫的质量分数，为1.5%；

——标准状态下燃煤产生的实际烟气量，9.141m3/kg。

3.2管道计算

工况下烟气量：

=210243×（273+160）/273=333462.34m3/h=92.63m3/s

由于处理烟气量过大，决定以5根管道进行输送烟气，=66692.468m3/h=18.53m/s，管道总共为380m，则每根管路的管道总长为76m。

管道尺寸截面积

=1.54（m2）

式中——锅炉出口到除尘器进口连接管的截面积m2；

——锅炉出口的工况烟气流量m3/h，66692.468m3/h；

——烟气流速m/s，机械通风金属管道烟气流速为10～15m/s，本设计取12m/s。

根据可得，则内径,管壁厚度取20mm，外径。

烟气在管道中的温度降

（℃）

式中——标准状态下烟气流量，210243m3/h；

F——管道散热面积，m2；

CV——标准状态下烟气平均比热容，取1.355kJ/m3·℃；

——管道单位面积散热损失。

室内＝4187kJ/（m2·h），室内＝5443kJ/（m2·h）

每根管路为76m，设计管道的室内为20m，室外为56m。

则室内管道长度为20m，管道散热面积F1=87.96m2,，温降△t1为1.68℃

室外管道长度为56m，管道散热面积F2=246.30m2，温降△t2为3.62℃

那么管道温降△t为5.3℃，则烟囱进口处温度约为155℃，此时烟气量为329611.74m3/h

3.3设备、压降、风机、烟囱计算

3.3.1电除尘器计算

设计参数:

有效驱进速度ω取0.12m/s

电场风速υ为1m/s

放电极与集尘板距离b为100mm

集尘板间距为2b，即200mm

1.除尘器应达到的除尘效率

=95.98%

式中C——标准状态下烟气含尘浓度，4976mg/m3；

Ch——标准状态下锅炉烟尘排放标准中规定值，200mg/m3。

2.集尘面积

其中，k取1；

3.初定电场断面积

4.电场高度与宽度

为了使气流沿断面均匀分布，所以进气口所对应的的断面要接近于正方形或者高度略大于宽度。

则实际集尘板高度H取10m，宽度B取10m，那么电场断面积为100m2

5.集尘板排数n，通道数Z，电场长度L

（个）

（个）

取电场长度为2.5m

6.电压和电流

7.柱间距Lk

本设计为单进风，设外层的一排极板中心线与内壁的距离为100mm；

除尘器内壁宽E=B×Z+2=200×50+2×100=10200mm

除尘器壳体钢板的厚度δ=10mm；

电除尘器在与气流流动方向垂直断面上的外侧柱间距离Lk=E+2δ=10200+2×10=10220mm

8.进气烟箱

进气烟箱采用水平进气方式，并设置导流板和开孔率为的气流均布板，取进口烟气流速为，进气烟箱进口的截面积

为了保持除尘器有较高的除尘效率，烟气流速沿电场断面要尽可能均匀。

进气烟箱的进口截面积形状为3100mm×3100mm的正方形，那么进气箱长

式中——ɑ1，ɑ2分别为F’和F0处的最大边长。

9.出气烟箱

出气烟箱采用水平出气方式，并设置槽型极板，取各出气烟箱小端截面3100mm×3100mm的正方形，底板与水平夹角为，那么出气烟箱长

10.灰斗

采用船形灰斗，沿气流方向设2个灰斗，灰斗上口取，灰斗下口取，底部卸灰阀高度取，灰斗壁与水平夹角为，灰斗高为。

灰斗总体积

取有效容积为

11.理论捕集效率

符合设计要求。

3.3.2SCR计算

1.SCR反应器截面积尺寸计算

已知流经催化剂的表面速度为5m/s左右，烟气流量Q=333462.34m3/h，则截面积

得到催化剂层面积为18.72m2。

考虑到催化剂几何形状及安装结构，SCR反应器的横截面积比催化剂进面大20%左右，所以反应器截面积

设计取反应器截面积为25m2，尺寸为长10m，宽2.5m。

2.催化剂体积及层数计算

已知系统中脱硝效率η=80%，催化剂活性K取0.7，催化剂比表面积β取350m2/m3，NH3与NOx的化学摩尔比M取1.0，则催化剂体积

催化剂体积为109.53m3，催化剂模板的高度h取2m，则层数

催化剂层数约为三层。

3.反应器高度计算

SCR反应器的断面尺寸根据催化剂层数、整流层安装高度和催化剂的安装空间等因数确定。

因此反应器高度

式中，c1为支撑、安装催化剂所需的空间高度，取4m

c2为整流层安装高度及安装所需的空间高度，取3.5m

反应器高度为27.5m，因此最终SCR反应器尺寸为10m（长）×2.5m（宽）×27.5（高）

4.氨区液氨储罐计算

液氨储罐属于三类容器，选用卧式罐，设计压力取液氨介质在50℃时的饱和蒸汽压力的1.1倍，氨罐的工作温度一般为-10～40℃，设备材料通常选用16MnDR，则氨罐体积

式中，D为氨罐内径，取2m

L为氨罐长度，取5m

最后液氨储罐体积V’为17.80m3

3.3.3烟囱计算

锅炉总额定出力/（t/h）

1～2

2～6

6～10

10～20

26～35

>35

烟囱最低高度/m

20

25

30

35

40

45

锅炉房

装机总容