30th燃煤蒸汽锅炉烟气除尘脱硫系统设计毕业设计

摘要

两种主要污染物对自然我国大气环境污染以煤烟型为主，其中颗粒污染物及SO

2

生态环境和人类都造成了很大的危害，由此形成的颗粒物污染和酸雨污染已成为制约我国经济和社会可持续发展的一个重要因素。因此，探索开发燃煤锅炉烟气的除尘脱硫工艺，使烟气中污染物的浓度达到国家烟气排放标准，减少污染物的排放，有效控

危害具有十分重要的意义。

制燃煤烟气污染对改善我国大气质量、减少酸雨和SO

2

本设计首先探讨研究了当今国内外主要的烟气除尘脱硫技术，通过对比各种除尘脱硫技术的优缺点，针对30t/h燃煤蒸汽锅炉的烟气排放量、烟尘含量及硫含量，依据国家要求和技术现状选择了适合本设计30t/h燃煤蒸汽锅炉烟气的除尘脱硫方案，拟选用两级除尘系统，一级为旋风除尘，二级为电除尘，同时采用氧化镁脱硫工艺。

其次，本设计将对旋风除尘器、电除尘器、脱硫塔、烟囱尺寸、管道等主要设备进行尺寸计算和设备选型，旋风除尘器拟选用CLP/B-27.5-X型，静电除尘器拟选用CDPK—45/3型，引风机拟选用G4-73-12D型，电动机拟选用Y315M

-4型两台。最后

2

根据设计设备参数绘制设备外形尺寸图和总体工艺流程图。

关键词：燃煤烟气，旋风除尘，静电除尘，氧化镁脱硫，管道计算

Design of Flue Gas Dusting and Desulfurization System of 30t/h Coal Fired Steam Boiler

ABSTRACT

and particulate pollutants China's air pollution is mainly fuliginous. SO

2

are two major pollutants causing great harm to the natural environment and humans. Particle pollution and acid rain pollution formed have affected China's economic and social sustainability. Therefore, coal-fired boiler flue gas dust removal and desulfurization process is developed to make the concentration of pollutants in flue gas reach the national standard and then reduce pollutants emission. Controlling the coal-smoke pollution effectively is of great significance to improve air quality, i.e., to reduce acid rain harm in our country.

and SO

2

Firstly, this paper introduces the main domestic and foreign flue gas desulphurization and dust removal technology. Select a boiler flue gas desulfurization and dust removal system which is suitable for 30t/h coal fired steam boiler by comparing the advantages and disadvantages of various desulphurization and dust removal technologies. The dusting and desulfurization system can make the flue gas emissions, dust content, sulfur content in the flue gas comply with national requirements and technical status. This work selects two dust collectors with the cyclone as the first one and the electrostatic precipitator as the second one integrated with magnesium oxide desulfurization process.

Secondly, this design will calculate the size and select the device type of the main devices of the system, such as cyclone, electrostatic precipitator, desulfurization tower, chimney and pipeline. This paper chooses CLP/B-27.5-X

type cyclone, 45/3-CDPK type electrostatic precipitator, G4-73-12D type draft fan, and two Y315M2-4 type motors. At last, main equipments and process flow diagram are drawn based on all above.

Key words:coal fired flue gas, cyclone, electrostatic precipitator, magnesium desulfurization, pipeline calculation

30t/h燃煤蒸汽锅炉烟气除尘脱硫系统设计

梁嘉伟 011411213

1 绪论

在当今中国的工业发展形势下，煤炭作为中国应用最广泛的能源，依然在我国的能源系统中有着难以撼动的地位。而燃烧煤炭势必会产生对于大气造成污染的二氧化硫和各种颗粒物粉尘。在当今社会中，酸性沉降以及颗粒物已经成为污染大气的主要成分。酸性沉降造成的酸雨和细小粉尘造成的霾已经影响人们生活的重要污染。

酸性沉降会带来巨大的损害，比如使湖泊变为酸性，导致水生物死亡，改变土壤性质活化土壤重金属，抑制数目生长进而使森林消亡，同时威胁森林内生物的生存，使地面水变酸，地下重金属活化导致地下水重金属含量上升影响饮用水。

在近年日益受到更强烈的关注。

其次空气中的颗粒物，尤其是细颗粒物，例如PM

2.5

这些颗粒物的人为来源主要是燃料燃烧污染物的排放以及烟尘的排放。颗粒物所带来的危害最为明显的当数1952年的伦敦烟雾事件，仅在大雾持续的五天之中就有5000多人死亡，之后的两个月内又有约8000人相继死亡。而在2013年10月17日，世界认定为致癌物。因此如何有效得减少各类颗粒物的排放成为了当今社

卫生组织将PM

2.5

会发展的重要课题之一。

因此，随着我国的工业发展和环境保护需要，国家发布了《锅炉大气污染物排放标准》用以规范锅炉燃烧污染物的排放。我国燃煤工业锅炉占锅炉总量的85%，其污染物的排量也是巨大的，燃煤二氧化硫的排量占二氧化硫总排量的90%，同时我国燃煤锅炉的数量还在不断增加，这也意味着排量也会不断上升。因此给锅炉安装减少污染物排放的脱硫除尘系统是保护环境的必要手段也是达到国家标准的有效方法。

本设计主要针对30t/h燃煤蒸汽锅炉的烟气除尘脱硫系统进行设计，以保证其排放量满足国家排放标准。

1.1 脱硫技术发展现状

当今的脱硫技术种类繁多，按照燃烧过程可分类为燃烧前脱硫（即选煤、微生物脱硫等），燃烧中脱硫（即固硫），燃烧后脱硫（即烟气脱硫）[1]这三类。

1.1.1 燃烧前脱硫

燃烧前脱硫是对原煤进行脱硫处理，通过物理或者化学方法对煤炭进行净化以达到去除硫和灰分的目的。

我国广泛使用的物理方法-选煤技术包括重力选煤和浮游选煤，重力选煤包括淘汰选煤和重介质选煤[2]。此种方法主要是利用煤的构成物质与煤炭中其他物质之间比重的不同将其分离。浮选法则主要通过表面润湿性的差别来分离脱硫。这类物理方法尽管工艺简单，投资少成本低，脱硫能力却并不好尤其难以脱除有机硫。

化学方法主要针对有机硫，利用化学反应将煤炭中的硫转变为不同形态的硫而使之脱离。当前主要的方法有：碱水液法、硫酸铁氧化法、空气氧化法、二氧化氮氧化法、氯分解法等。值得指出的是还有一种通过细菌产生的酶使硫氧化成硫酸盐脱硫的生物化学方法，称之为微生物脱硫技术。

1.1.2 燃烧中脱硫

燃烧中脱硫技术即是指煤在炉内燃烧时，向炉内喷入脱硫剂，脱硫剂利用炉内温

度进行煅烧，煅烧产物与煤燃烧所生成的SO

2、SO

3

进行反应从而生成硫酸盐和亚硫酸

盐以固体形式排出，达到脱硫的目的。当今常用的脱硫剂有石灰石、白云石等。

以石灰石为例主要的反应为：

CaCO

3→CaO+CO

2

CaO+SO

2→CaSO

3

2CaSO

3+O

2

→2CaSO

4

2CaO+SO

2+O

2

→CaSO

4

1.1.3 燃烧后脱硫[3]

燃烧后脱硫，即烟气脱硫技术（FGD），是直接对排入大气中的烟气内的二氧化硫进行脱除的技术，也是当今工业行业大规模使用的，非常有效的脱硫方法，并且仍将长期作为燃煤电厂控制二氧化硫排放的主要方法。此种技术在国内研究和应用历史较长，技术较为成熟。而且该种技术直接针对排入大气的二氧化硫进行脱硫，脱硫效率达90%以上，是燃煤锅炉脱硫的首选。烟气脱硫的基本形式分为三类：湿法脱硫工艺、干法脱硫工艺以及半干法脱硫工艺。

①湿法脱硫工艺[4]

所谓湿法脱硫工艺就是指用含有吸收剂的溶液或者浆液在湿状态下脱硫和处理产物，系统位于烟道的末端。它是气液反应，脱硫速度快，脱硫效率高且设备简单，

大，运行维护费用高及会造成废水处理二次污染等问题。尽管如此，湿法脱硫工艺仍然是世界上应用最多的脱硫技术，湿法脱硫不仅脱硫效率明显高于干法和半干法，而且针对我国煤炭种类繁多，含硫量差别大的情况其适用面非常广泛。

湿法脱硫其本身由于使用的吸收剂的不同还分为多种不同的工艺，他们主要是：石灰石/石灰-石膏法、氨法、海水法、双碱法、氧化镁法和柠檬酸钠法等，下面将主要介绍这些方法。

②干法脱硫工艺[5]

干法烟气脱硫主要是指用干粉或者粒状吸收剂、吸附剂或催化剂（如Sorbacal SP 和Sorbacal H90[6~8]）来处理二氧化硫烟气。此方法工艺简单，不需要处理污水，能耗低，净化后烟气温度高不用二次加热，利于烟囱排气的扩散，腐蚀性小。但是其脱硫效率较低且设备庞大，投资大同时占地面的也大，操作技术要求高不易控制。干法脱硫工艺主要有：喷雾干式烟气脱硫技术、粉煤灰干式烟气脱硫技术、电子束照射脱硫法技术。

③半干法脱硫工艺

半干法脱硫工艺结合了湿法和干法的优点，采用湿态吸收剂，在吸收过程中被烟气的热量干燥并与SO

反应产生干粉脱硫产物。这种方法工艺简单，反应物易于处理

2

且无废水，但脱硫效率和脱硫剂利用率低。该种工艺主要有：旋转喷雾干燥法、循环流化床法、增湿灰循环法等。

1.2 除尘技术发展现状[9~10]

烟气中除了二氧化硫还有大量的烟（粉）尘，燃烧后的飞灰如果通过烟气排出会增加大气中的细颗粒物和可吸入颗粒物的数量。因此，在将烟气排出之前，还需要进行一个步骤—烟气除尘。所谓烟气除尘，是指把燃料及其他物质燃烧过程产生的烟尘，以及对固体物料破碎、筛分和输送等机械过程产生的烟尘，除尘就是把这些烟尘从烟气中分离出来并加以捕集、回收的过程

当今主要的除尘技术包括机械式除尘技术，静电除尘技术，过滤式除尘技术，湿式除尘技术等。

1.2.1 机械式除尘技术

机械式除尘技术是利用机械力，例如重力、惯性力和离心力来净化含尘气体的一种除尘方式，这类方法较为传统而且除尘效率并不高，因此往往作为预除尘器在烟气

①重力除尘器

重力除尘器是一种较为古老的，简易的除尘方式。它的原理是突然降低气流流速和改变流向，较大颗粒的灰尘在重力和惯性力作用下与烟气分离，沉降到除尘器底部。这种除尘器的主要优点是价廉、易于维护；但是明显的缺点是它不能处理细微颗粒。

②惯性除尘器

惯性除尘器（见图1.1）的工作原理是使含尘气体与挡板撞击或者急剧改变气流方向，利用惯性力分离烟气中较大颗粒的灰尘并进行捕集。这种除尘器也被称为惰性除尘器。由于运动气流中灰尘颗粒与气体具有不同的惯性力，含尘气体急转弯或者碰撞时，灰尘颗粒的运动轨迹将分离出来使得气体得以净化。其主要优点同样是价廉，易于维护，它还可以处理高温气体，主要缺点仍然是不能处理微粒。

图1.1 惯性除尘器

③离心式除尘器（旋风除尘器）

旋风除尘器（见图1.2）的工作原理是使含尘气流作旋转运动，借助离心力将灰尘颗粒从气流中分离出来并在器壁捕集，再借助重力作用使其落入灰斗。这类除尘器的优点主要是不占场地，可以处理高温气体，适合含尘浓度较高的气体。缺点是压力损失大，不适于湿尘、粘着性大、腐蚀性大。另外，由于铸铁除尘器难以处理高温烟气，所以可采用耐高温的陶瓷旋风子的高温旋风除尘技术[11]使高温烟气得到更好的除尘效果。

图1.2 离心式除尘器

1.2.2 静电除尘技术

静电除尘技术（管式静电除尘器见图1.4）是当今燃煤锅炉中应用最广泛的除尘技术，它的主要除尘机理是在两个曲率半径相差较大的收尘和放电极通高压直流电，维持静电场使气体足以电离。（见图1.3[12]）

图1.3 气体电离和粉尘荷电示意图

在负极（放电极）上施加高压电使其电晕放电，气体电离，生成电子和离子吸附在粉尘上，在电场力作用下，粉尘分别向放电极和收尘极运动而沉积在电极上。粉尘积厚后，借助振打机构的振打使粉尘下落至灰斗[13]。静电除尘器主要优点是除尘效率高（可达到99%以上），可处理高温烟气（常规可处理<350°C的气体），维护费用低，可分类捕集不同粒径的粉尘。

现今的静电除尘技术的改进有旋转电极技术 [14]，通过物理或化学方法将微粒聚合

用高频高压电源替换传统可控硅相控电源[12]提高除尘效率和经济性的技术。

1.2.3过滤式除尘技术[15]

过滤式除尘技术主是指使含尘气体通过多孔滤料，把气体中的颗粒留下使气体得到净化的技术。该技术应用最广，最典型的就是袋式除尘技术（见图1.4）。

图1.4 袋式除尘器

袋式除尘技术主要工作原理是首先通过烟气中粉尘的惯性碰撞、重力沉降、扩散、拦截、静电效应等作用使粉尘被滤袋的纤维截留，然后其初期在滤料表面形成的粉尘初层再对后来的粉尘起过滤作用，也就是一次尘滤二次尘，用烟尘来过滤烟尘提高效率。它在捕集小于2μm的细颗粒时比电除尘器效率高。

布袋除尘器的主要优点有除尘效率高，投资小，可以捕集电除尘难以捕集的粉尘，性能稳定。其缺点是对湿度高的含尘气体需要保温以避免“糊袋”，滤料选择要根据烟气的温度和腐蚀性变化，压力损失较大一般为1000—1500Pa。气布比和气流分布都会影响其除尘效率和滤袋寿命。由于电除尘和布袋除尘各自有各自的优点和短板，因此现今较新的是一种电袋复合型除尘装置[16]，先使烟气经过电除尘除去70%~80%的烟尘，再由滤袋过滤剩余20%~30%的细微烟尘。其优点是可以捕集不同性质的粉尘，滤袋寿命长，设备阻力小，能耗低，避免糊袋烧袋，运行维护费用低等。

1.2.4湿式除尘技术[17]

湿式除尘技术也叫做洗涤式除尘技术，它主要是使烟气和液体（一般为水）相互接触，将颗粒从烟气中分离。它主要分为重力喷雾除尘、旋风式除尘、自激喷雾除尘、

我国现今的脱硫技术主要运用石灰法，钠法，氨法，镁法等湿法脱硫技术，我国脱硫技术面临的问题是设备与技术主要靠引进，设备运行不当导致运行效率差、运行不稳定，脱硫技术不够先进以及脱硫成本高和脱硫产物出路难寻的问题[18]。因此我国还需要进一步完善脱硫效率高且应用广的湿法脱硫技术和研发体系，注意排污处理和防治工作。而我国现今的除尘技术主要是采用离心式除尘，电除尘，袋式除尘技术，其中电除尘运用最为广泛，理论技术与设备较为先进成熟，除尘效率很高。而且，电除尘技术的关键设备国产化率高，技术性能可靠且运行费用低，因此成为了燃煤电站首选的技术。

1.3 方案论证

1.3.1 设计原始资料

1. 煤质分析

元素分析（ar, wt.%）工业分析（ar, wt.%）

Qnet, ar(kJ/kg)

C H O N S A W V FC

64.85 3.55 4.75 1.35 0.9 16.6 8 7.4 68 21463.2

2. 锅炉型号：FG-35/

3.82-M

3. 锅炉热效率：75%

4. 空气过剩系数：1.45

5. 空气含水（标准状况下）：0.012kg/m3

6. 烟尘排放因子：32%

7. 排烟温度：190°C

8. 烟气在锅炉出口前阻力为1000Pa

9. 烟气性质按照空气计算

10. 烟气中烟尘颗粒粒径分布

粒径/μm 0.5 5 10 15 20 30 40 50 >60 粒径分布/% 5 18 18 22 14 8 5 4 6

11. 按照锅炉大气污染物排放标准（GB13271-2014）新建锅炉标准执行：

烟尘排放浓度限值（标准状况下）：50mg/m3

排放浓度限值（标准状况下）：300mg/m3

SO

2

12. 按照环境空气质量标准（GB3095-2012）二类区适用标准执行：

烟尘日平均排放浓度限值（标准状况下）：0.15mg/m3

日平均排放浓度限值（标准状况下）：0.30mg/m3

SO

2

1.3.2 技术路线

首先对我国环境现状进行研究，依照现状分析在中国对烟气进行脱硫和除尘以保护环境的迫切性，然后调查国内外脱硫和除尘技术发展现状，通过所燃烧的煤种和烟气特性对脱硫和除尘的技术进行对比，选择除尘和脱硫工艺。接着进行设计计算，对除尘设备结构、脱硫设备结构、烟囱、管道系统及阻力进行设计计算，再分析方案的可行性与经济性。最后，通过以上的设计使得烟气达到如下技术指标：烟尘排放浓度限值（标准状况下）：50mg/m3，SO

排放浓度限值（标准状况下）：300mg/m3。烟尘日

2

日平均排放浓度限值（标准状况下）：平均排放浓度限值（标准状况下）：0.15mg/m3；SO

2

0.30 mg/m3[19]。

1.3.3 方案选择

本设计拟采用二级除尘与氧化镁脱硫技术。根据粒径分布，烟气温度，煤种含硫量作为依据，一级除尘拟采用旋风除尘器，二级除尘拟采用电除尘器，脱硫拟采用氧化镁脱硫。本设计将在每一章对脱硫除尘工艺进行方案与设备的选择。

2 一级除尘工艺计算

2.1 一级除尘工艺选择

通常而言，第一级预除尘主要去除大颗粒物，且除尘要求不高，通常采用重力沉降室、惯性除尘器、旋风除尘器、多管旋风除尘器和喷淋洗涤塔等。详细性能对比见表2.1~2.3：

表2.1 除尘设备基本性能

惯性除尘器100~500 50~70 少少

旋风除尘器400~1300 70~92 少中

多管旋风除尘器800~1500 80~95 中中

喷淋洗涤塔100~300 75~95 中中

表2.2 各种除尘器设备费用、耗钢量及能耗量指标

惯性除尘器0.7~1.2 3.0~6.0 0.15~0.3

旋风除尘器约1.75 1.0~4.0 0.05~0.1 0.8~1.6

多管旋风除尘器 3.9 2.5~5.0 0.07~0.15 1.6~4.0

重力沉降室重力>100低低200~1000 <400 大，除尘效

率低

惯性除尘器惯性力>50 低400~1200 <400 除尘效率低旋风除尘器离心力5~20 400~2000 <400

由于本设计的烟气颗粒粒径分布主要在5-20μm，占72%，外加通过对比发现旋风除尘器技术成熟，制作方便，体积小，价格便宜，因此采用一级旋风除尘器进行预除尘。另外，考虑到压力损失过大对除尘器的影响，作为一级除尘器要求不高，因此确定旋风除尘器选型时阻力不大于800Pa。

2.2 烟气量、烟尘和二氧化硫浓度计算 2.2.1 烟气量计算[20]

利用低位发热量、锅炉热效率和水的蒸发热计算需煤量。 ①蒸发量为30t/h 的锅炉所需热量：

()v w Q h h D =-?…………………………………………………………………（2.1） 式中：Q —蒸发热，kJ/h ；

v h —饱和蒸汽焓，按照绝对压力3.92Mpa 计算，取2801.7kJ/kg ； w h —给水焓，取84.01kJ/kg ；

D —烟气蒸发量，30t/h 锅炉给定，kg/h 。

()2801.784.013000081530700kJ/kg Q =-?= ②需煤量：

net Q

B Q η

=

?………………………………………………………………………（2.2） 式中：B —需煤量，kg/h ； Q —蒸发热，kJ/h ；

net Q —低位发热量，21463.2kJ/kg ； η—锅炉热效率，75%。

81530700

5064.84kg/h 21463.20.75

B =

=?

③理论空气量：

022.412432320.21

ar ar ar ar a

C H S O V ???++- ?

??=

…………………………………………（2.3） 式中：C ar

，H ar

，S ar

，O ar

分别为煤中所含碳、氢、硫、氧的质量分数，g/m 3

。

0364.85 3.550.9 4.7522.41243232 6.583m /kg 1000.21

a

V ???++- ?

??==? ④理论烟气量：

含水体积：

22.418

w d

V =

………………………………………………………………………（2.4）

式中：w V —空气含水体积，m 3

/m 3

干空气； d —空气含水量，0.012 kg/m 3干空气。

3322.40.012

0.015m /m 18

w V ?=

=

标准状况下理论烟气量：

000

22.40.791232

21828ar ar ar ar ar fg

w a a C S H W N V

V V V ??=?+++++?+ ???………………

（2.5） 式中：0fg V —理论烟气量，m 3/kg ； ar W —煤中所含水分，%； ar N —煤中所含氮的质量分数，%。

364.850.9 3.558 1.3522.41232218280.015 6.5830.79 6.5837.024m /kg

100

fg V ??

?++++ ?

??=+?+?=⑤实际烟气量：

()()0011fg fg w a V V V V α=++?-?…………………………………………………（2.6） 式中：fg V —实际烟气量，m 3/kg ； α—空气过剩系数，1.45。

()()7.02410.015 1.451 6.58310.03fg V =++?-?= ⑥烟气流量：

标准状况下烟气流量：

0v fg q V B =?………………………………………………………………………（2.7） 式中：0v q —标准状况下烟气流量，m 3/h 。

0310.035064.8450801.59m /h v q =?= 实际工况下烟气流量：

0n s

v v s n

p T q q p T =?

?…………………………………………………………………（2.8） 式中：v q —实际工况下烟气流量，m 3/h ； n p —标准状况烟气压力，101325Pa ； s p —实际工况烟气压力，101325Pa ； s T —实际工况烟气温度，463K ；

n T —标准状况烟气温度，273K 。

3101325190273

50801.5986158.01m /h 101325273

v q +=?

?=

2.2.2 烟气含尘浓度

ar

sh fg A C d V =?………………………………………………………………………（2.9） 式中：C —烟气含尘浓度，kg/m 3； sh d —烟尘排放因子，32%； ar A —烟气中灰分质量分数，%。

3316.632100 5.3010kg/m 10010.03C -=?=?

2.2.3 烟气中二氧化硫浓度

2

6

210ar SO fg

S C V ?=

…………………………………………………………………（2.10） 式中：2SO C —烟气中二氧化硫浓度，mg/m 3。

2630.9

2101001794.57mg/m 10.03

SO C ??=

= 2.3 一级除尘器计算[21] 2.3.1 一级除尘器尺寸计算 ①实际工况下烟气密度：

0s n

n s

p T p T ρρ=?

?…………………………………………………………………（2.11）

式中：ρ—实际工况下烟气密度，kg/m 3；

0ρ—标准状况下空气(烟气)密度，1.293kg/m 3。

3101325273

1.2930.76kg/m 101325190273

ρ=?

?=+

②烟气流速和压力损失：

根据烟气处理量q v =86158.01m 3/h ，初步选用CLP/B 型旋风除尘器，局部阻力系数ξ=5.8，预选烟气流速为u 0=18m/s 进行计算，允许压力损失为800Pa 。 实际压力损失：