大气污染控制工程课程设计.docx

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大气污染控制工程课程设计

火电厂烟气净化系统设计

系别：

环境工程

专业：

环境工程

班级：

环本1315

姓名：

刘超

学号：

**********

*********

设计日期2016年12月26日至2016年12月31日

前言1

课程设计任务书3

第一章原始设计资料计算8

1.锅炉排烟量的计算1

2.烟尘，NOx和SO2浓度及去除效率1

3.烟气净化系统的总体设置方案2

第二章脱硝系统

1.脱销工艺说明3

2.SNCR3

3.SCR5

第三章除尘系统6

1.除尘工艺6

2.烟气量计算11

3.电除尘器计算14

4.布袋除尘部分16

第四章脱硫系统19

1.脱硫系统工艺流程说明19

2.脱硫剂耗量19

3.相应工艺水耗量及氧化空气量20

4.吸收塔本体尺寸计算20

5.浆液池计算20

6.喷淋系统设计20

7.吸收区高度20

8.除雾区高度20

9.石膏脱水系统20

10.风机选型20

11.泵的选型20

第五章烟囱的计算2

第六章阻力计算26

第七章小结27

主要参考文献27

前言

按照国际标准化组织（1SO）作出的定义，“空气污染：

通常系指由于人类活动和自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境。

”

大气污染物的种类非常多，根据其存在状态，可将其概括为两大类：

气镕胶状态污染物和气体状态污染物。

气体状态污染物种类极多，主要有五个方面：

以二氧化硫为主的含硫化合物、以氧化氮和二氧化氮为主的台氮化合物、碳的氧化物、碳氢化合物及卤素化合物等。

关于大气污染物的危害，在这里主要介绍粉尘和二氧化硫的危害。

粉尘的危害：

粉尘的危害，不仅取决于它的暴露浓度，还在很大程度上取决于它的组成成分、，理化性质、粒径和生物活性等。

粉尘的成分和理化性质是对人体危害的主要因素。

有毒的金属粉尘和非金属粉尘（铬、锰、镐、铅、汞、砷等）进入人体后，会引起中毒以至死亡。

无毒性粉尘对人体亦有危害。

例如含有游离二氧化硅的粉尘吸，入人体后，在肺内沉积，能引起纤维性病变，使肺组织际渐硬化，严重损害呼吸功能，发生“矽肺”病。

二氧化硫的危害：

二氧化硫为一种无色的中等强度刺激性气体。

在低浓皮下，二氧化硫主要影响是造成呼吸道管腔缩小，最初呼吸加快，每次呼吸曼减少。

浓度较高时，喉头感觉异常，并出现咳嗽、喷嚏、咯痰、声哑、胸痛、呼吸困难、呼吸道红肿等症状，造成支气管炎、哮喘病，严重的可以引起肺气肿，甚至致人于死亡。

随着经济和社会的发展，燃煤锅炉排放的二氧化硫严重地污染了我们赖以生存的环境。

由于中国燃料结构以煤为主的特点，致使中国目前大气污染仍以煤烟型污染为主，其中尘和酸雨危害最大，且污染程度还在加剧。

因此，控制燃煤烟尘的SO2对改善大气污染状况至关重要。

《大气污染控制工程》课程设计任务书

一、题目

火电厂烟气净化系统设计

二、目的

通过课程设计进一步消化和巩固《大气污染控制工程》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火电厂烟气净化系统设计的初步能力。

通过课程设计，初步了解工程设计的内容、方法及步骤，培养学生确定大气污染控制系统的设计方案、进行简单的设计计算、绘制系统流程图、使用技术资料、编写设计说明书的能力。

三、设计内容和要求

该课程设计的内容以火电厂烟气净化的系统设计为核心，依据火电厂烟气污染物特点，进行总体烟气净化方案设计；以物料守恒、能量守恒为依据，对烟气净化系统核心设备的物料参数、总体尺寸及阻力损失进行具体计算；绘制系统流程图，并编写设计说明书。

1、根据原始设计资料计算

（1）锅炉排烟量、烟尘、NOx和SO2的浓度。

（2）以满足超低排放为要求，计算除尘、脱硝和脱硫的效率。

烟气净化系统的总体设置方案

（1）脱硝：

SNCR（炉内）+SCR（炉后）

（2）除尘：

电袋除尘或袋式除尘器（一级）+湿式静电除尘器（二级）

（3）脱硫：

石灰石——石膏湿法脱硫

2、对各个净化装置进行设计计算及相关说明。

（1）脱硝

SNCR：

确定SNCR系统的安装位置

还原剂的选择

还原剂耗量及相应稀释物料耗量的计算

SCR：

SCR安装位置及反应器数量

催化剂类型的选择及填装情况还原剂的选择

还原剂耗量及相应稀释物料耗量的计算

吹灰器的选择及数量的确定

（2）除尘

对整个除尘系统的工艺流程进行描述

烟气量的计算（考虑SCR\SNCR以及漏风率对烟气量的影响）

电除尘：

除尘器的安装位置的说明

总集尘面积的计算、入口和出口截面积的计算

电场数和通道数的选择

清灰方式及灰斗相关描述

袋式除尘器：

除尘器的安装位置的说明

总集尘面积的计算、入口和出口截面积的计算

布袋尺寸的选择及布袋条数的计算

清灰方式及灰斗相关描述

（3）脱硫

对整个脱硫系统的工艺流程进行说明

烟气量的校核（烟气温度降低后烟气体积流量的变化）

脱硫剂耗量及相应工艺水耗量（t/h，t/d，t/a）

氧化空气量及风机选型

脱硫产物生成量的计算（t/h，t/d，t/a）及石膏脱水系统的描述

脱硫塔主要构件（喷淋装置、除雾器、搅拌器）的数量、型式的选择

循环浆液泵数量及选型

3、烟囱的设计计算

计算烟囱高度及出入口截面积，分别按照地面最大浓度、地面绝对最大浓度方法和P值法进行烟囱高度的设计计算。

4、阻力计算

对各净化系统的阻力进行计算。

5、编写设计说明书：

设计说明书按设计步骤编写，包括方案的确定、设计计算、设备选择和说明等内容。

课程设计说明书应有封面、目录、前言、正文、小结及参考文献等部分，文字应简明、顺畅、内容正确完整，书写工整、装订成一册。

6、绘制一张烟气净化系统流程图（2号图）：

以锅炉为起点，烟囱为终点。

其中锅炉及尾部烟道的受热面不要求详细标出，示意即可。

流程图中应标出设备名称，设备尺寸不要求完全按照尺寸比例画出，合理即可。

设计资料5

1、锅炉设备简介

600MW（HG-2000/25.4—YM12型）锅炉为一次中间再热、超临界压力变压运行带内置式再循环泵启动系统的本生直流锅炉，单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、∏型布置，紧身封闭。

30只低N0x轴向旋流燃烧器采用前后墙布置、对冲燃烧，6台HP1003/Dyn中速磨煤机配正压直吹制粉系统。

最大连续蒸发量（BMCR）2000t/h，额定蒸发量（BRL）1863.6t/h。

锅炉排烟温度132℃，设计煤种的投煤量为276.81吨/小时。

2、气象资料

项目

单位

统计值

备注

30年一遇10min平均最大风速

m/s

25.7

10米高度

多年平均风速

m/s

2.3

多年平均气温

℃

9.5

多年平均相对湿度

多年平均气压

hPa

902.6

3、煤质及灰质成分分析

煤质特性表

名称

符号

单位

设计煤种

收到基碳

Car

50.49

收到基氢

Har

3.02

收到基氧

Oar

4.03

收到基氮

Nar

0.68

收到基硫（全硫）

St,ar

1.5

收到基灰分

Aar

30.96

收到基水分（全水分）

Mt,ar

6.00

收到基总成分

100.00

空气干燥基水分

Mad

10.00

干燥无灰基挥发分

Vdaf

24.17

收到基低位发热量

Qnet.ar

kJ/kg

20130

kcal/kg

19289

哈氏可磨指数

HGI

75.00

飞灰成分分析（重量百分比）

项目

二氧化硅

符号

SiO2

单位

设计煤种

53.92

三氧化二铝

Al2O3

36.21

三氧化二铁

Fe2O3

4.04

氧化钙

CaO

1.66

氧化镁

MgO

0.39

氧化钠

Na2O

0.02

氧化钾

K2O

0.57

三氧化硫

SO3

1.62

二氧化钛

TiO2

0.11

五氧化二磷

P2O5

0.54

4、石灰石成分分析

石灰石成份分析表

编号

项目

单位

数据

CaO

％（wt）

50.4

MgO

％（wt）

1.5

Fe2O3

％（wt）

0.33

Al2O3

％（wt）

0.22

SiO2

％（wt）

2.22

SO3

％（wt）

0.045

烧失量

％（wt）

41.32

石灰石粉活性

第一章原始设计资料计算

1.锅炉排烟量的计算

质量（g）

摩尔量（mol）

理论需氧量（mol）

理论烟气量（mol）

504.9

42.075

30.2

7.55

15.1

40.3

2.52

-1.26

6.8

0.486

0.243

0.469

3.33

309.6

理论需氧量：

42.075+7.55+0.469-1.26=48.834mol

理论空气量：

48.834×4.78=233.43mol

理论空气体积：

233.43×22.4×10-³=5.23m³

空气过剩系数：

根据资料查得α取值范围为1.02－1.05，本设计取α=1.03

实际干空气量：

233.43×1.03=240.4329mol

实际干空气体积：

240.4329×22.4×10-³=5.39m³

查《大气污染控制工程》附录一得t=9.5℃时饱和水汽压力Pv=1182.5Pa，相对湿度φ=53％。

空气含湿量：

d0=0.804Pw／Pd=0.804φPv／﹙P-φPv）

=0.804×0.53×1182.5／（90260-0.53×1182.5）=0.0056Kg／m³

空气中水汽体积分数：

φw=0.0056/（0.804+0.0056）=0.0069=0.69％

空气中水量：

233.43/（1-0.0069）=1.62mol

理论烟气量：

42.075+15.1+0.243+0.469+3.33+1.62+48.834×3.78=247.4295mol

理论烟气体积：

247.4295×22.4×10-³=5.543m³

实际湿烟气体积：

Vfg=Vfgº-Va（α-1）=5.543+5.39/（1-0.0069）×（1.03-1）=5.71m³/kg煤

每小时烟气量：

Q=Qs×设计煤耗量=5.71×276.81×10³=1580585.1m³/h

理论干烟气量：

42.075+0.243+0.469+48.834×3.78=227.38mol/kg煤

理论干烟气体积：

227.38×22.4×10-³=5.099m³/kg煤

实际干烟气体积：

V=5.09+5.39×（1.03-1）=5.25m³/kg煤

当空气过剩系数为1.03时，根据α=1+α（O2p）/（0.264α（N2P）-α（O2p））

得实测氧量α（O2p）=0.608％

超低排放标准：

氮氧化物50mg/mN³,二氧化硫35mg/mN³，烟尘5mg/mN³

大气污染物基准氧含量排放浓度折算方法：

C=C`×（21-O2）/（21-O2`）

2.NOx和SO2浓度及去除效率

1）烟尘：

根据经验可认为灰飞中灰飞占80％，底渣占20％。

标准状态下烟尘浓度：

C`尘=309.6×0.8/5.25=47.177g/m³=47177mg/m³

根据大气污染物基准氧含量排放浓度折算方法，得C折尘=C`尘×（21-6）/（21-0.608）=34703mg/m³

除尘效率：

η尘=（34703-5）/34703=99.986％

2）SO2：

标准状态下SO2浓度：

C`SO2=0.469×64/5.25=5717.3mg/m³，

折算后C折SO2=C`SO2×（21-6）/（21-0.608）=4205.55mg/m³

脱硫效率：

ηSO2=（4205.55-35）/4205.55=99.17％

3）NOx:

经查本设计中NOx产污系数：

低氮燃烧：

6.18kg/t=6.18×10³mg/kg

低氮燃烧+SNCR：

4.32kg/t=4.32×10³mg/kg

低氮燃烧：

C实NOx=6.18×10³/5.25=1177.1mg/m³,

C折NOx=1177.1×（21-6）/（21-0.608）=865.85mg/m³

脱硝效率：

ηNOx==（865.85-50）/865.85=94.23％

3.烟气净化系统的总体设置方案

1）脱硝部分：

经上述计算知脱硝效率需达到94.23％，经考虑选择炉内低氮燃烧+SNCR和炉后SCR技术相结合的方式来去除NOx。

理论上SNCR脱硝效率可达75％，但实际应用中，考虑到NH3损耗和NH3泄露问题，SNCR设计效率为30%-50%。

SCR技术脱硝效率高，理论上可接近100%的脱硝率，商业燃煤，燃气和燃油锅炉烟气SCR脱硝系统，设计脱硝率可大于90%,由于维持这种高效率费用高，实际SCR系统的操作效率在70%-90%之间。

2）除尘部分:

根据上述计算除尘率为99.985%，单一的静电除尘和布袋除尘均有其优缺点。

电袋复合除尘器是基于静电除尘和布袋除尘两种成熟的除尘理论而提出的一种新型的除尘技术。

它结合了电除尘器和布袋除尘器的优点，除尘效率高，可达99.99%，既能满足新的环保标准，又能增加运行可靠性，降低电厂除尘成本，故本设计采用电袋复合除尘器。

3）脱硫部分：

根据上述计算脱硫效率为99.17%，目前国内国外烟气脱硫工艺主要有干法，半干法和湿法三种。

近年来尽管半干法何干法脱硫技术及其应用有了较大的发展空间，但是湿法脱硫仍是世界上目前应用最广的脱硫技术，其优点是技术成熟，脱硫效率高，操作简便，吸收剂廉价易得适用煤种范围广，所用设备简单等优点。

结合本设计处理烟气的指标，本设计选用湿式脱硫工艺来进行脱硫处理。

（2-2）

第二章脱硝工艺

1.脱硝系统工艺说明

SNCR（选择性非催化还原）脱硝技术是没有催化剂存在的条件下，利用还原剂将烟气中的NOx还原为无害的氮气和水的一种脱硝方法。

该方法首先将含NHx的还原剂喷入炉膛温度为800-1000℃的区域。

在高温下，还原剂迅速热分解成氨气并与烟气中的NOx进行还原反应生成氮气和水。

该方法以炉膛为反应器，可通过对锅炉进行改造实现，投资相对较低，施工期较短。

SNCR脱氮是利用喷入系统的还原剂氨或尿素将烟气中的氮氧化物还原为无害的氮气和水。

尿素相对氨而言，储存更安全且能更好的在烟气中分散，对于大型锅炉，尿素应用更广。

SCR（选择催化还原）是指在氧气和非均相催化剂存在条件下，用还原剂氨气将烟气中的NO还原为无害的氮气和水的工艺。

与SNCR相同，这种工艺之所以称作选择性，是因为还原剂氨气优先与烟气中的氮氧化物反应，而不是被烟气中的氧气氧化，烟气中氧气的存在能促进反应，是反应系统中不可缺少的部分。

该技术既能单独使用，也能与其他氮氧化物控制技术联合使用。

本设计采用的还原剂是液氨，在大气压是气体，因此必须在加压条件下进行运输或贮存。

2.SNCR

1）确定SNCR系统的安装位置：

该技术是将含NHx的还原剂喷入炉膛温度为800-1000℃的区域，在高温下，还原剂迅速热分解成氨气并与烟气中的氮氧化物进行还原反应生成氮气和水，该方法以炉膛为反应器，炉膛壁上安装有还原及喷嘴，还原剂通过喷嘴喷入烟气中，并与烟气混合，反应后的烟气流出锅炉，整个系统有还原剂贮槽，还原剂喷入装置和控制仪表所构成。

2）还原剂的选择：

氨气是以气态形式喷入炉膛，尿素是以液态喷入，当氨与氮氧化物反应不完全时，未反应的氨气将从SNCR系统逸出，因此，还原剂喷入系统必须将还原剂喷入到锅炉内有效的部位，以保证氨与氮氧化物的混合均匀，尿素相对氨而言，贮存更安全，且能更好的在烟气中分散。

本系统采用还原剂为尿素。

3）还原剂耗量及相应稀释物料耗量的计算

根据所给数据可假设氮氧化物中NO和NO2的体积分数分别为95%和5%。

由V1/V=n1/n=m1/M1/m/M得质量分数为m1/m=V1×M/（V×M1）

mNO/m=0.95×30/（30×0.95+46×0.05）=0.925

mNO2/M=0.05×46/（30×0.95+46×0.05）=0.075

CNO=1177.1×0.925=1088.82mg/m³

C折NO=865.85×0.925=800.91mg/m³

CNO2=1177.1×0.075=88.28mg/m³

C折NO2=865.85×0.075=64.94mg/m³

低氮燃烧+SNCR：

CNOx=4.32×10³/5.25=822.86mg/m³

C折NOx=822.86×（21-6）/（21-0.608）=605.28mg/m³

SNCR脱硝效率：

ηSNCR=（86585-605.28）/865.85=30.1％

SNCR以尿素作为还原剂将NOx还原为N2，因需较高的反应温度（930-1090℃），还原剂通常注入炉膛内，主要的化学反应为：

CO（NH2）2+2NO+0.5O2→2N2+CO2+2H2O60/C1=2×30/（1088.82×0.301）

得C1=327.73mg/m³

4CO（NH2）2+6NO2→7N2+4CO2+8H2O240/C2=23.11mg/m³

C尿素=C1+C2=327.73+23.11=350.84mg/m³

尿素投加量为：

350.84×1580585.1=554.5kg/h

商业化的SNCR系统的还原剂应用率一般只有20%-60%，取40%，

则实际尿素投加量为：

554.5/0.4=1386.25kg/h

尿素储藏容积应满足全厂所有机组1-3天脱硝所需的尿素量，取三天：

1386.25×24×3=99810kg

尿素溶解罐总容积以满足全厂所有机组在工况下一天的尿素溶液耗量，配制的尿素溶液浓度宜为40%-55%（取质量分数为50%）。

1386.25×24/50%=66540kgV=m/Þ尿素=66540/1.335=49842.7m³取49900m³

尿素溶液储罐的总储存容量宜为全场所有机组工况下5-7天的日平均消耗量，取7天，

则66540×7=465780kg

假设把50%尿素溶液稀释为10%，则需加水体积为：

50%=m质/m溶=1386.25/m溶得m溶=1386.25/50%=2772.5kg

10%=m质/（m溶+m水）=1386.25/（m溶+m水）得m溶+m水=1386.25/10%=1386.5kg

m水=1386.25-2772.5=11090kgV水=11090×22.4/18=13800.89m³

校正烟气体积Q1=13800.89+1580580.1=1594385m³/h

3.SCR

（1）SCR安装位置及反应器

依据SCR脱硝反应器相对的安装位置，SCR系统有高粉尘布置，低粉尘布置和尾部布置三种方式。

高粉尘布置：

SCR反应器布置在锅炉省煤器和空气预热器之间，此时烟气温度在300-400℃范围内，是大多数金属氧化物催化剂的最佳反应温度，烟气不需要加热即可获得较高的NOx净化效果，但催化剂处于高尘烟气中，条件恶劣，寿命会受下列因素影响：

①飞灰中K、Na、Ca、Si、As会使催化剂污染或中毒；

②飞灰磨损反应器并使催化剂堵塞；

③若烟气温度过高会使催化剂烧结；

低粉尘布置：

SCR反应器布置在省煤器后的高温电除尘器和空气预热器之间，该布置方式可防止烟气中的飞灰对催化剂的污染和对反应器的磨损与堵塞，其缺点是大部分电除尘器在300~400oC的高温下无法正常运行。

尾部布置方式：

SCR反应器布置在除尘器和烟气脱硫系统之后，催化剂不受飞灰和SO2等的污染，但由于烟气温度较低，仅为50~60oC一般需要气一气换热器（GGH）或采用加设燃油或燃天然气的燃烧器将烟灰提高到催化剂的活性温度，势必增加能源消耗和运行费用。

对上述进行综合考虑，本设计SCR反应器选择高尘布置。

（2）催化剂的选择及填装情况

可用于SCR系统的催化剂主要有贵金属催化剂、碱金属氧化物催化剂和分子筛催化剂三种类型

典型的贵金属催化剂是Pt或Pd作为活性组分，其操作温度在175~290oC之间，属于低温催化剂，这种催化剂还原NOx的活性很好，但选择性不高，NH3容易直接被空气中的氧氧化。

商业SCR催化剂即碱金属氧化物催化剂，其活性组分为V2O5，载体为锐钛矿型的TiO2、WO3和MoO3做助催化剂，负载在锐钛矿上的V2O5具有很好的SCR催化反应活性和稳定性，WO3和MoO3能抑制TiO2、由锐钛矿型向金红石型的转变，也能竞争TiO2表面上碱性位的吸附而抑制SO2的吸附。

分子筛催化剂也能应用于SCR反应，由于其操作温度高，主要用于燃气锅炉。

综上考虑选用碱金属氧化物催化剂，并且用于燃煤锅炉的SCR设备必须承受烟道气流中颗粒物的摩擦作用，因此使用平行流道的催化剂，平行流道意味着烟气直接通过开口的通道，并平行接触催化剂表面，气体中的颗粒物被气流带走，NOx靠紊流迁移和扩散，到达催化剂表面，常用催化剂形状是蜂窝状，它不仅强度好，而且容易清理。

反应器采用固定床平行通道形式，反应器为自立钢结构形式，催化剂底部安装气密装置，防止未处理过的烟气泄露，本电厂采用的烟气脱硝催化剂形式为平板式，烟气平行流过催化剂，催化剂床层由3+1层催化剂所组成，反应器内装填有480m3的催化剂。

（3）还原剂的选择

液氨和氨水均能作为SCR反应的还原剂，液氨几乎是100%的纯氨，它在大气压是气体，因此必须在加压条件下进行运输和贮存，SCR系统中用作还原剂的氨，常用29.4%氨水进行运输和贮存。

与液氨相比，用氨水进行运输和贮存不存在安全问题，但要求较大的容器进行贮存，当使用29.4%的氨水作为还原剂时，为提供足够大的氨蒸汽压，SCR系统还需要蒸发器，因此考虑经济效益选用液氨为还原剂。

（4）还原剂耗量及相应稀释物料耗量的计算

从SNCR出来的NOx折算浓度为605.28mg/m³

SCR脱硝效率：

ηSCR=（605.28-50）/605.28=91.7%

SCR主要以液氨作还原剂，通常催化剂安装在单独的反应器内，反应器位于省煤器之后或空气预热器之前。

此处烟气温度约为290-400℃，是还原反应的最佳温度。

P’NO=822.86×0.925=761.15mg/m³P’NO2=822.86×0.075=61.71mg/m³

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O17/C3=30/（761.15×91.7%）得C3=395.52mg/m³

8NH3+6NO2→7N2+12H2O4×17/C4=3×46/（61.17×91.7%）得C4=27.64mg/m³

查规范的氨气的逃逸浓度不大于3μL/L,

工况下氨气的逃逸浓度为：

3×（21-0.608）/（21-6）=4.1μL/L=4.1×10﹣6

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