课程设计---某小型燃煤电站锅炉烟气文丘里除尘系统设计

大气污染控制工程课程设计学院：工学院

系别：环境工程

姓名：毛建田

学号：09040016

指导教师：肖惠萍柯斌清

成绩：

2012年06月01日

目录

摘要： (1)

1 设计题目 (2)

2 设计资料 (2)

3 设计目的 (2)

4 设计要求 (2)

5 设计内容 (3)

5.1 引言 (3)

5.2 方案的选择及说明 (3)

5.2.1 除尘器性能指标 (3)

5.3 设计依据和原则 (4)

5.3.1 依据 (4)

5.3.2 原则 (4)

5.4 烟气排放量以及组成 (4)

5.5 除尘器的选择 (6)

5.6 管道计算 (6)

5.6.1除尘系统工艺流程图 (6)

5.6.2管道直径的确定 (6)

5.6.3管道压力损失的计算 (8)

5.7 换热器的选型 (10)

5.8文丘里洗涤器几何尺寸和压损计算 (10)

5.9烟囱的高度计算 (13)

5.10 风机的选型 (14)

5.11 设计结果列表 (15)

六、总结 (16)

参考文献 (17)

某小型燃煤电站锅炉烟气文丘里除尘系统设计

摘要：该设计主要是为某小型燃煤发电站锅炉烟气设计一套除尘系统。通过分析计算燃煤锅炉排放的烟气量为0.546m3/s，总烟气量为25.69m3。针对燃煤锅炉排放污染物情况，设计选择机械振动清灰袋式除尘器。依照工艺流程，对除尘系统附属设备如管道、风机、烟囱等进行了详细的设计计算。该除尘系统除尘效率达80%以上，能够满足设计任务要求。

关键词：燃煤烟气；袋式除尘；机械振动

1 设计题目

某小型燃煤电站锅炉烟气文丘里除尘系统设计

2 设计资料

（1）设计耗煤量：203.8 kg/h；

（2）排烟温度：560℃；

（3）空气过剩系数：α=1.25；

（4）烟气密度（标态）：1.32kg/m3

（5）室外空气平均温度；24℃；

（6）锅炉出口前烟气阻力：1025Pa；

（7）烟气其他性质按空气计算；

（8）燃煤组成：褐煤2：C=61.3%，H=4.34%，S=0.14%，N=0.78%，O=10.28%，水分=19.16%，灰分=4.0% ；排灰系数35%；

（9）按锅炉大气污染物排放标准（GB13217—2001）中一类区标准执行：标准状态下烟尘浓度排放标准：80mg/m3。

3 设计目的

这次大气污染控制工程课程设计我们主要设计一燃煤电站的锅炉烟气除尘系统。主要设计目的：

（1）要求烟尘浓度排放达到（GB13217—2001）一类区标准：80 mg/m3。

（2）通过这次课程设计使我们进一步巩固课本中所学的内容, 加深对理论知识的理解。

（3）通过分析各种除尘器的优缺点来确定除尘器的选型，能够熟练掌握管网的布置、除尘器设计及烟囱高度的设计。

（4）能够培养我们在制定设计方案、设备选型、设计计算、工程绘图、文献查阅、计算机应用、工具书的使用等方面的基本工作实践能力。

4 设计要求

（一）编制一份设计说明书，主要内容包括：

（1）引言

（2）方案选择和说明（附流程简图）

（3）除尘设备设计计算

（4）附属设备的选型和计算（管道、风机、电机、烟囱）

（5）设计结果列表

（6）设计结果讨论和说明

（7）注明参考文献和设计资料

（二）绘制除尘系统工艺流程图、平面布置图、管线图

（三）绘制除尘主体设备图

5 设计内容

5.1 引言

我国是世界上唯一以煤为主要能源的大国。作为一次能源，煤的利用方式在我国主要是燃烧，而煤的燃烧是造成我国生态环境破坏的最大污染源，燃煤所造成的污染已成为制约我国国民经济和社会经济持续发展的一个重要因素。目前，我国煤电的环保性与世界先进水平相比还有很大差距。随着电厂容量的增大，用煤量增多，加上煤质较差，燃煤锅炉产生的烟气使许多城市和地区大气环境严重恶化，成为制约电力发展的突出问题。在常规燃煤电站锅炉和中小型燃煤工业锅炉还在大力发展的我国，防治煤烟型污染是大气污染防治工作的主要任务之一。而煤烟型污染主要是烟尘与二氧化硫的超标排放形成的大气污染。因此，控制燃煤烟气污染是我国改善大气质量的关键问题。

5.2 方案的选择及说明

5.2.1 除尘器性能指标

除尘器性能指标包括技术性能指标和经济性能指标，其中，前者包括含尘气体处理量、除尘效率、阻力损失，后者包括总费用（含投资费用和运转费用）、占地面积、使用寿命。上述各项指标是除尘设备选用及研发的依据。

各种除尘设备的基本性（表5-1）

除尘器名称适用的粒径

范围

（μm）

效率

（%）

阻力

（Pa）

设备费运行费

重力沉降室>50 <50 50 少少惯性除尘器20-50 50-70 300 少少旋风除尘器5-15 60-90 800 少中水浴除尘器1-10 80-95 600 少中下卧式旋风水膜除尘器≥5 95-98 800 中中冲激式除尘器≥5 95 1000 中中上电除尘器0.5-1 90-98 50 多中上袋式除尘器0.5-1 95-99 1000 中上大文丘里除尘器0.5-1 90-98 4000 少大

。

5.3 设计依据和原则

5.3.1 依据

（1）同类粉尘治理技术和经验

（2）《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2004）

（3）《大气污染防治技术及工程应用》

（4）《除尘技术手册》（张殿印张学艺编著）

5.3.2 原则

本设计遵循如下原则进行工艺路线的选择及工艺参数的确定：

（1）基础数据可靠，总体布局合理。

（2）避免二次污染，降低能耗，近期远期结合、满足安全要求。

（3）采用成熟、合理、先进的处理工艺，处理能力符合处理要求；

（4）投资少、能耗和运行成本低，操作管理简单，具有适当的安全系数，

各工艺参数的选择略有富余，并确保处理后的尾气可以达标排放；

（5）在设计中采用耐腐蚀设备及材料，以延长设施的使用寿命；

（6）废气处理系统的设计考虑事故的排放、设备备用等保护措施；

（7）工程设计及设备安装的验收及资料应满足国家相关专业验收技术规范

和标准。

5.4 烟气排放量以及组成

表5-2 烟气排放量及组成注：以1kg煤为基准

组分质量(g) 物质的量

（mol）

需氧量

（mol）

产生烟气量（mol）

N2CO2H2O SO2

C 613 51.08 51.08 —51.08 ——H 43.4 43.4 10.85 ——21.7 —S 1.4 0.044 0.044 ———0.044 O 102.8 6.425 -3.215 ————N 7.8 0.577 0 0.2785 ———

水分191.6 10.644 0 ——10.644 —

灰分40 ————

（1）理论需氧量：

()m ol 999.582125.3044.085.1008.51o 2=-++=V

（2）理论空气量：mol 84.280)76.31(999.580

a =+?=V

（3）实际空气量：

mol 05.35184.28025.10

a a =?==V V α

（4）过剩空气量：

mol 21.7084.280-05.351==过剩V （5）其中N 2量：

mol V 84.22176.3999.582N =?= （6）理论烟气量：

m ol 86.832785.004375.064.107.2108.51=++++=理论V （7）总烟气量：

3m 69.25001.035.6821.7084.22186.83=??++=+=）（过剩空气理论V V V

（8）乘以用煤量：

s m h m Q /46.1/9.52358.20369.253

3

==?= （9）1kg 烟气中灰分：

g m 0.14%35401=?= s g h kg m /79.0/2.28538.203142==?= （10）烟气含尘浓度：3

/54.046.1/79.0m g C == （11）冷却后烟尘浓度: 33/540g/m 54.0%3569

.2540

m mg C ==?=烟尘 （12）除尘效率的计算

i

i 0

01Q C Q C -

=η 式中：0C ——排放浓度，3

mg/m ；

i C ——初始浓度，3

mg/m ；

0Q ——标准状态下出口的气体流量，/s m 3

； i Q ——标准状态下进口的气体流量，/s m 3

；

故 %85%100540

80

=?=

η

5.5 除尘器的选择

在选择除尘器过程中，应全面考虑一下因素： （1）除尘器的除尘效率；

（2）选用的除尘器是否满足排放标准规定的排放浓度；

（3）注意粉尘的物理特性（例如黏性、比电阻、润湿性等）对除尘器性能有较大的影响 另外，不同粒径粉尘的除尘器除尘效率有很大的不同；

（4）气体的含尘浓度较高时，在静电除尘器或袋式除尘器前应设置低阻力的出净化设备，去除粗大粉尘，以使设备更好地发挥作用；

（5）气体温度和其他性质也是选择除尘设备时必须考虑的因素； （6）所捕集粉尘的处理问题；

（7）设备位置，可利用的空间、环境条件等因素；

（8）设备的一次性投资（设备、安装和施工等）以及操作和维修费用等经济因素

5.6 管道计算

5.6.1除尘系统工艺流程图

向锅炉中进行机械通风，使煤充分燃烧。产生的烟气通过管道进入袋式除尘器进行除尘过程，净化后的烟气通过风机从烟囱排出。而通入换热器的冷空气被加热后又可返回锅炉进行燃烧。

5.6.2管道直径的确定

管段（1-2）： s m Q /46.115

.27315

.27356048.032~1=+?

=

查设计手册取管道中气速v=12m/s ，可得 d 1-2=

v Q π4=m 38.014

.31246

.14=?? 根据实际管道情况，管道内为气体如果速度小于12m,则有粉尘堵塞管道，为保证速度不小于12，取d 1-2 =0.30m

实际流速：s m d Q V /67.203.014.346

.1442

2=??==

π实 管段（3-4）： 温度为110℃，即T=383.15 K s m Q /67.015

.27315

.38348.034~3=?

=

取气体流速12m/s ，d 3-4=v Q π4=m 27.014

.31267

.04=?? ， 取d 3-4 =0.25m 实际流速：s m d Q V /66.1325

.014.367.0442

2=??==

π实 管段3-4与管段5-6的温度差为：

08.4207.09.19111059.001.429.19159.001.421=?+?+-=++-=?h W t T 所以管段5-6的温度为：110-42.08=68o

C 管段（5-6）： 温度为68℃，即T=341.15 K s m Q /60.015

.27315

.34148.036~5=?

=

取气体流速12m/s ，d 5-6=v Q π4=m 25.014

.3126

.04=?? ，取d 5-6 =0.22m 实际流速：m/s 79.1522.0126.04d 42

2=??==

πQ V 实 管段（7-8） 温度为68℃，即T=341.15 K s m Q /60.015

.27315

.34148.036~5=?

=

取气体流速12m/s ，d 5-6=v Q π4=m 25.014

.3126

.04=?? ，取d 5-6 =0.22m 378341.07

0.310.39273.15

Q m -=?

=

列表为（表5-3）：

管段 气体流量m 3/s 管段温度

气体流速 计算管径 标况下 实际中

o

C(K) K （m/s ） (m) 1-2 0.48

1.46 560 833.15 12 0.30 3-4 0.67 110 383.15 12 0.25 5-6 0.60 68 341.15 12 0.22 7-8

0.39

68

341.15

12

0.22

5.6.3管道压力损失的计算

5.6.3.1 摩擦阻力损失

流体力学原理，气体流经断面性状不变的直管时，圆形管道的摩擦阻力可按下式计算 2

2

ρυλ?=?d L

P L

式中△P L —一定长度管道的摩擦阻力，Pa L —直管道的长度，m λ—摩擦阻力系数，无量纲 d —圆形管道内直径，m ρ—管内气体的密度，kg/m 3

υ—管内气体的平均风度，m/s

管段1～2，在操作条件下

31.32k /g g m ρ=，012.0,/66.13,25.0,3====λs m v d m L （镀锌管） Pa v d L P 84.332

67.2032.13.03012.022

22

~1=???==?ρλ

管段3～4在操作条件下

31.32k /g g m ρ=，012.0,/66.13,25.0,8====λs m v d m L （镀锌管） Pa v d L P 29.472

66.1332.125.08012.02222

~1=???==?ρλ

管段5～6，在操作条件下

31.32k /g g m ρ= ，012.0,/66.13,22.0,10====λs m v d m L （镀锌管） Pa v d L P 76.892

79.1532.122.010012.02222~1=???==?ρλ

管段7～8 在操作条件下

31.32k /g g m ρ= ，012.0,/66.13,22.0,5====λs m v d m L （镀锌管）

Pa v d L P 88.442

79.1532.122.05012.022

22~1=???==?ρλ

管段

标况下

管道中 摩擦阻力系

数 管道长度 气体流速 摩擦阻力损失 流量

密度

密度 1-2 0.48

1.32 1.32 0.012 3 20.67 33.84 3-4

1.32 0.012 8 13.66 47.29 5-6 1.32 0.012 10 15.79 89.76 7-8

1.32

0.012

5

15.79

44.88

总摩擦压力损失：a 77.21588.4476.8929.4784.33P P L =+++=?总

5.6.3.2局部压力损失

局部压力损失在管件形状和流动状态不变时，可按下式计算 2

2

υρξ

g P =?

式中△P—气体的管道局部压力损失，Pa ξ—局部阻力系数

管道1～2，弯头2个ξ1=ξ2=0.18则

Pa P W 51.1012

67.2032.1)18.018.0(2

=??

+=? 管道3～4，弯头2个ξ1=ξ2=0.18则

Pa P W 34.442

66.1332.1)18.018.0(2

=??

+=? 管道5～6，弯头3个ξ1=ξ2=3ξ=0.18则

Pa P W 89.882

71.1532.1)18.018.018.0(2

=??

++=? 管道7～8，无弯头，故无局部阻力损失

总的局部阻力损失：Pa P W 74.23489.8834.4451.101=++=?总

5.7 换热器的选型

（1） 换热面积的计算 取1

2185--??=c m w K o

Θ)(12T T mc t KA Q -=?=

34.22030

11090560ln

)

30110()90560(=-----=

?t

6

.3450

053.132.199.171534.220185???=??∴A

2

3.7m A =

本设计采用的是管壳式换热器，冷热两种流体在其中换热时，一种流体流过管内，其行程称为管程，另一种流体在管外流动，其行程称为壳程，选用管径为Φ25×2.5的无缝钢管，型号为BEM700-2.51.6-200-9

25

-4I 的换热器，其主要参数为管外径为25mm,管长9m ，换热面

积为10m 2

。因为换热器的压损相对除尘系统管道和除尘器的压损较小，在这里将其压损忽略不参与后面的有关计算和选型。

5.8文丘里洗涤器几何尺寸和压损计算

（1）管径

V

Q

D 8

.18= (5-13) 式中：Q ——进口气体流量，s m /4.5270360046.13

=?

一般进口流速： s

m V s m V s

m V /180~50/22~18/22~16321===

m mm D s m V 305.030520

4

.52708

.18,/2011====取 m mm D s m V 305.030520

4

.52708

.18,/2022====

m mm D s m V 163.03.1670

4

.52708.18,/7033==== （2）管长

渐缩管中心角1?，取25o ,渐扩管的中心角2?，取8o ，当选定两个角之后计算： 吸收管长：m D D L 32.02

25

cot 2163.0305.021cot 2311=?-=??-=

喉管长度L 3对文丘里管的凝聚效率和阻力皆有影响。实验证明： ()m

2445.0163.05.15.1,5.1~8.03333=?===D L D L 取

（3）压力损失

L v P r ???=?-2

6

1003.1

式中：P ?——文丘里洗涤器的气体压力损失，cmH 2O r v ——喉部气体速度，cm/s

L ——液气体积比，一般为0.5~1L/m 3,取L=0.8 ()Pa O cmH P 6.4037376.408.010701003.12

2

26==????=?-

（4）脱水器的选择

根据进入文丘里除尘器的风量h m Q /52563

=，选择CLS/D634型号的脱水器。

主要参数如下表： 风量/m 3

/h 压损/Pa 筒体高度H/mm

筒体直径D/mm

出口直径/mm

5256

550

3627

634

110

(6) 喷嘴选型

喷嘴是湿式除尘设备的附属构件之一，对烟气冷却、净化设备性能影响很大，根据喷嘴的结构形式不同，一般可分为喷洒型喷嘴、喷溅型喷嘴和螺旋型喷嘴等，本设计采用螺旋型喷嘴的碗型喷嘴，其计算过程如下：

① 设计参数：喷水量2.7m 3/h ，喷射角75o ，出水口轴向流速为8m/s ， 则出水口面积为：

26

175.938

3600107.2mm A ??=

出水口直径为：mm A D N 93.1041

==

π

② 取蜗室入口流速为4m/s ，则蜗室切向入口纵断面积为：

6

22.710187.5mm 36004

f

A

?==?

③

水口内径D C 的截面积A 2的计算：

22

12=f A K A A ，K 取0.785，则222

222

1187.5608.5mm 0.78593.75

f

A A K A ===? D C =27.8mm ④ 取V R =0.5m/s,则该处圆环面积为：

6

22.7101500mm 36000.5

R A ?=

=? ⑤喷嘴外壳的内半径R 1为： ()()22

2211150020.7852424R d R π????=-=-?

?

?

?

,d=36mm ，R 1=28.31mm

如下图：

选喷口口径为14mm 的，其主要参数如下：

5.9烟囱的高度计算

（1）烟囱出口内径可按下式计算：

i

v Q

D π4=

式中 Q —通过烟囱的总烟气量， s m /3

i v —按表选取的烟囱出口烟气流速，选定i v =4 s m /

m D 72.04

14.346

.14=??=

表5-7 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

（2）烟囱高度的确定

一个烟囱的所有锅炉的总蒸发量为Q=208.3kg/h ，

表5-8 燃煤、燃油（燃轻柴油、煤油除外）锅炉房烟囱最低允许高度

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

t/h <1 1～<2 2～<4 4～<10 10～<20 20～≤40 烟囱最低高度

m

20

25

30

35

40

45

查上表可得：20m H =烟囱

烟囱底部直径

()12d D i H m =+??

式中D ——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。 选定i=0.025

m d 72.120025.0272.01=??+=

(3)烟囱的抽力

烟囱的抽力取决于烟温、空气温度及烟囱高度，烟温越高，周围空气温度越低，烟囱 的抽力越大；烟囱高度越高，其抽力也越大。

B t t H P f

)2731

2731(

0345.00+-+=?

式中H —产生抽力的管道高度，m

t 0—外界空气温度 ℃

t f —计算管段中烟气的平均温度 ℃ t f =(160+120+90+80)/4=112.5℃

B —当地大气压 Pa

Pa P 96.34101325682731242731200345.0=???

?

??+-+?=?

（4）烟囱沿程阻力损失

Pa v d L h f 4.1872

422.1204.122

2=??=?=λ

（5）系统的压力损失

摩擦阻力损失： △P L 总=215.77Pa 局部阻力损失： △P w 总=234.74Pa

除尘器压损： △P c =4037.6+550=4587.6Pa （文丘里管和脱水器两部分） 总压力损失：

△P =△P L +△P w +△P c +通风力烟囱锅炉P P P ?-?+?

=215.77+234.74+4587.6+1025+187.4-34.96=6215.55Pa

5.10 风机的选型

（1）风量 根据总风量和总压力损失选择合适的风机。在选择风机时按下式计算。 Q 0=K 1K 2Q

式中 Q —管道系统的总风量，m 3

/h

K 1—考虑系统漏风所附加的安全系数。一般通风系统取1.1，除尘系统取1.15，

本设计中取K 1=1.15

K 2—除尘器或净化设备的漏风所附加的安全系数，取0.1 故Q 0=1.15×0.1×2160=248.4m 3/h

（2）风压 P f =（K 3 △P 1+△P 2）K 4 式中 P f —风机的风压，Pa

△P 1—管道系统的总压力损失，Pa △P 2—除尘器的压力损失，Pa

K 3—管道系统总压力损失的附加安全系数，一般通风系统取1.1～1.15，除尘

系统取1.15～1.20，取K 3=1.15

K 4—由于风机产品的技术条件和质量标准允许风机的实际性能比产品样本低

而附加的系数，K 4=1.08

P f =[1.15×450.51+4587.6×1.08=5472.7Pa

（3）电机功率 K P Q N f

2

1010003600ηη???=

式中 N —风机配用电动机的功率，kW Q 0—风机的风量，m 3

/h P f —风机的风压，Pa

η1—风机运行时的效率，一般为0.5～0.7，电机直联传动取0.5

η2—机械传动效率，取1.00

K —电动机轴功率安全系数，离心通风机取1.40

kw N 06.140.11

5.010*******

.54724.248=?????=

风机根据风压、风量、功率选择C6-48型的锅炉风机。

表5-6 除尘风机性能表

风机类型 型号 全压/Pa 风量/(m 3

/h ) 功率/kW 备注 排尘风机

C4-73

294～3922

2640～11100

1.0～

2.2

适用范围广

5.11 设计结果列表

本设计的燃煤电站锅炉烟气除尘系统及附属设备主要有：文丘里除尘器、脱水器、换热器、风机、电机、除尘系统管道、烟囱等。除尘净化系统设备的选型见下表5-9。

序号名称规格数量设计参数

1 文丘里除尘器 1 进口D1=0.305m，出口D2=0.305m,喉管D r=0.163 收缩管管长L1=0.32m

扩散管管长L2=0.1.35m

2 脱水器CLS/D634

1

风量：5256 m3/h

压损：550Pa

筒体高度H：3627mm

筒体直径D：634mm

出口直径: 110mm

3 烟囱1D:1.72m,d1=0.72m，

H：20m

4 换热器 1 管外径为 mm,管长 m，换

热面积为7.3m2

5 风机除尘风机C4-73 1 全压:294～3922Pa

风量：2640～11100m3/h

功率：1.0～2.2 kw

6 除尘系统管道管段1：D×L：300mm×3m

管段2：D×L：250mm×8m

管段3：D×L：220mm×10m

管段4：D×L：220mm×5m 4

气体流速v:12m/s

六、总结

本次大气课程设计主要从除尘器系统方面锻炼了我们的思维能力，从对所设计的除尘器不甚了解到查阅大量资料设计参数、设备主要尺寸以及对整个工艺的工艺流程有个大概的了解和思考路线，一个初步设计显现了出来，这其中的收获和坚辛只有经历过的人才能知晓。

设计中首先对所给原始数据条件按照设计要求进行了分析，查阅工具手册确定相关的主要参数计算范围，然后最重要的是确定除尘系统的工艺流程。对文丘里除尘器进行设计计算包括主要尺寸、压力损失等，最后是风机的选型计算和烟囱的直径和高度计算，此次课程设计过程中不免错误的发生，从找出错误到改正错误这就是一个对知识重新了解的过程，这也加深了我对课本知识的理解，收益良多，能完成此次课程设计要感谢老师们悉心提供帮助和热情解答疑问！

参考文献

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[2] 熊振湖，费学宁，池勇志．大气污染防治技术及工程应用[M]．机械工业出版社．

[3] 郭静，阮宜纶. 大气污染控制工程（第二版）[M]. 北京：化学工业出版社，2008.1

[4] 陈家庆．环保设备原理与设计（第二版）[M]．北京：中国石化出版社，2005

[5] 何争光．大气污染控制工程及应用实例[M]．北京：化学工业出版社，2004

[6] 国家环境保护局. 环境空气质量标准（GB3095—1996）. 北京：中国环境科学出版社，

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[7] 国家环境保护局科技标准司. 大气污染物综合排放标准（GB16297—1996）. 北京：中

国环境科学出版社，1997

[8] 周兴求. 环保设备设计手册. 北京：化学工业出版社，2007

[9] 孙颐. 袋式除尘技术与应用. 机械工业出版社．

[10] 李德华. 化学工程基础（第二版）. 北京：化学工业出版社，2007.7