大气课程设计..

1 设计概况

1.1 设计题目

DG-220/100型火电厂锅炉高硫无烟煤烟气喷雾干燥法袋式除尘系统设计。

1.2 设计内容及要求

(1)根据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。

(2)净化系统设计方案的分析，包括净化设备的工作原理及特点；运行参数的选择与设计；净化效率的影响因素等。

(3)除尘设备结构设计计算。

(4)脱硫设备结构设计计算。

(5)烟囱设计计算。

(6)管道系统设计，阻力计算，风机电机的选择。

(7)根据计算结果绘制设计图，系统图要标出设备、管件编号、并附明细表；除尘系统、脱硫设备平面、剖面布置图若干张，并包括系统流程图一张。

1.3 设计依据

(1)锅炉烟尘排放标准GB 13271—2001 (摘录)见表1-1

表1-1锅炉烟尘最高允许排放浓度

* 一类区禁止新建以重油、渣油为燃料的锅炉。

(2)锅炉二氧化硫排放标准GB13271-2001(摘录)见表1-2。

表1-2锅炉二氧化硫最高允许排放浓度

锅炉类别适用区域SO2排放浓度/（mg·m-3）

Ⅰ时段Ⅱ时段燃煤锅炉全部区域1200 900

燃油锅炉

轻柴油、煤油全部区域700 500 其他燃料油全部区域1200 900*燃气锅炉全部区域100 100

* 一类区禁止新建以重油、渣油为燃料的锅炉。

(3)《除尘工程设计手册》

(4)《大气污染物综合排放标准》(GB 16297—1996)[1]

1.4 设计原始资料

(1)锅炉型号：DG-220/100即，东方锅炉厂制造，蒸发量220t/h,出口蒸汽压力100MPa。

(2)燃烧方式是室燃炉（煤粉炉），所配发电机组功率50MW。

(3)烟气在锅炉出口前阻力1020Pa。

(4)设计耗煤量：23t/h。

(5)设计煤成分：见附表1-3，属于高硫无烟煤

(6)排烟温度：160℃

(7)空气过剩系数：

(8)飞灰率：29%

(9)连接锅炉、净化设备及烟囱等净化系统的管道假设长度380m，90°弯头60个。

表1-3 设计煤成分

物质C Y H Y S Y O Y N Y W Y A Y V Y

含量66% 2% 3% 4% 1% 4% 20% 8%

2 污染产物计算

以1kg燃煤燃烧为基础，则：

质量(g) 煤成分物质的量(mol) 需氧量(mol)

C 660 55 27.5

H 20 20 5

O 40 2.5 0

S 30 0.9375 0.9375

H2O 40 2.22

所以理论需氧量为：

理论空气量：

过剩空气量：

生成CO2的量为：27.5mol；

生成H2O的量为：10mol；

生成SO2的量为：0.9375mol；

1kg燃煤产生的实际烟气量：

锅炉产生的烟气流量：

二氧化硫浓度：

烟尘浓度：

3 方案设计

3.1 喷雾干燥法

喷雾干燥法是20世纪80年代迅速发展起来的一种半干法脱硫工艺。喷雾干燥法是目前市场份额仅次于湿钙法的烟气脱硫技术，其设备和操作简单，可使用碳钢作为结构材料，不存在有微量金属元素污染的废水。目前，喷雾干燥法主要用于低硫煤烟气脱硫，用于高硫煤的系统只进行了示范研究，尚未工业化。3.1.1 工艺流程及设备

喷雾干燥法的工艺过程如图，主要包括吸收剂设备、吸收和干燥、固体废物

捕集处置四个主要过程。

(1)吸收剂设备：吸收剂溶液或浆液在现场制备。虽然石灰是常见的吸收剂，也有多种其他吸收剂可供选用。吸收剂选择将取决于当地是否容易得到及价格因素。已用于喷雾干燥法脱硫的石灰达一百多种，通常活性氧化钙含量为80%～90%最好的。因为石灰石比石灰便宜，很多用户对石灰石更感兴趣，但石灰石作吸收剂仍在开发中。苏打粉和烧碱也是常用吸收剂，它们可以在多种工业过程中得到。在一些工业部门，如啤酒工业中，其废水含有氢氧化钠或苏打灰，这种废水可用烟气脱硫的反应剂。当苏打粉用作吸收剂时，产生一种由苏打灰和亚硫酸钠组成的混合物，这种混合物可以直接用于纸浆和造纸工业中。对石灰系统，循环固体废物可以提高吸收剂利用率；对钠系统，因吸收剂一次通过吸收塔，反应就几乎是完全的，所以不必要进行循环。在石灰系统中，粒状石灰必须熟化，以产生具反应性浆液。

(2)吸收和干燥：120～160℃的锅炉烟气从喷雾干燥塔顶部送入，同时通过安装于顶部的高速旋转的喷雾，将制备好的石灰乳喷射成直径小于100微米的雾滴。这些具有大表面积而分散的石灰乳雾滴同时烟气接触后，一方面与烟气中的SO2发生化学反应，另一方面烟气与石灰乳雾滴进行热交换，迅速将大部分水分蒸发，形成含水较少，含亚硫酸钙、硫酸钙、飞灰和未反应氧化钙的固体废物。为了有效去除SO2，喷雾干燥塔、烟气气流分布装置和雾化器是最主要的装置。喷雾干燥塔为烟气与雾滴提供足够的接触时间，以便得到最大的SO2去除率，并且充分干燥由吸收液雾滴形成的固体颗粒。大部分石灰系统的烟气时间为10～12s。气流分布装置和雾化器要能够使烟气和雾化的野地充分混合，以有助于烟气与液滴间质量和热量传递。要求液滴要充分小，以便有足够的表面积，以利于SO2吸收。同时，也不宜过小，防止未充分吸收之前，液滴完全干化。采用较多的雾化器有旋转离心雾化器和两相流喷嘴雾化器两种。前者利用高速旋转盘或无滑轮产生细小雾滴，液滴大小随旋转盘直径和转速而变，与浆液供应量关系不大。这是其优点之一，因为实际操作中吸收剂供料速度要随烟气流量和SO2浓度而变。旋转雾化器结构是相当复杂的，雾化轮的耐磨性要好，另外喷雾孔堵塞也是问题之一。两相流喷嘴利用高压空气把吸收液破碎成雾滴，其主要优点是：没有运动部件，为避免堵塞可以采用大流量。缺点是液滴大小随供料速率而变，因而

导致SO2去除率改变。

(3)固体废物捕集：固体废物在喷雾干燥塔中沉积下来，由底部排出。细小的脱硫灰颗粒随烟气从干燥器下部排出进出袋式除尘中。袋式除尘器被广泛用于捕集干化固体从，其原因在于收集于滤袋表面的固体中为反应的碱类物质能够与烟气中的SO2继续反应。研究表明，袋式除尘器中去除的SO2可占到SO2总去除率的10%。电除尘器的优点在于它对冷凝并不太敏感，可以在更接近饱和温度下操作，从而导致SO2去除率提高。尽管烟气中SO2已被去除，由于烟气中水分存在和烟气体积流量减小，电除尘器收尘效率仍然较高。从除尘器出来的烟气经风机排空。电除尘器脱硫灰颗粒和喷雾干燥塔底部排出的脱硫灰颗粒再循环回系统，继续使用，以提高脱硫剂的利用率[1]。

(4)固体废物处置：固体废物的处置方法因吸收剂类型而异。对于石灰系统，当固体废物中未反应的吸收剂量小于5%时，固体废物是无害的，可采用与飞灰相同的处置方法；但对于钠系统，应采用谨慎措施减小废物的浸出率。喷雾干燥吸收的最后产物是一种潜在的工业和建材原材料，但目前扩大规模的应用仍在研究之中。喷雾干燥塔出口温度控制在较低、但又在露点温度以上温度，因此减少了重新加热系统。干的固体废物减少了废物体积。另外，脱硫系统的烟气压力适中，吸收剂输送量小，因此，系统能耗较低，只有湿法工艺所需能耗的1/2～1/3。

3.1.2 烟气脱硫与干燥原理

含SO2烟气进入喷雾干燥塔后，立即与雾化的浆液混合，气相中SO2迅速溶解于滴状液体中，并与吸收剂发生化学反应。SO2吸收的总反应为：

下述几个步骤表明了大致的反应机理：

(1)气相S O2的溶解：

(2)在碱性介质中的解离反应：

(3)石灰固体颗粒的溶解：

(4)亚硫酸盐及氧化反应：

(5)酸碱中和反应：

以上反应使气相中SO2不断溶解从而达到脱硫目的，在此过程中碱性物质被不断消耗，需由固体吸收剂继续溶解补充。

在石灰喷雾干燥吸收中，烟气中CO2被吸收，并与浆液反应生成碳酸钙，从而减少了钙离子的可用性：

喷雾干燥法脱硫技术是利用喷雾干燥原理，在吸收剂喷入吸收塔以后，一方面吸收剂与烟气中的SO2发生化学反应，生成固体废渣；另一方面烟气将热量传递给吸收剂，使之不断干燥，在塔内脱硫反应后形成的废渣为固体粉尘状态，一部分在塔内分离，有椎体出口排出，另一部分随脱硫后烟气进入除尘器。

安装于吸收塔顶部的离心喷雾机具有很高的转速，吸收剂浆液在离心力作用下喷射成均匀的雾粒，雾粒直径可小于100微米。这些具有很大表面积的分散微粒，一经同烟气接触，就发生强烈的热交换和化学反应，迅速将大部分水分蒸发掉，形成含水量很少的固体灰渣。由于吸收剂微粒没有完全干燥，在吸收塔之后的烟道和除尘器中仍可继续发生一定程度的吸收SO2的化学反应。

3.1.3 主要工艺操作参数

影响SO2去除率的工艺参数包括吸收塔烟气出口温度接近绝热饱和温度的程度、吸收剂钙硫比，以及SO2入口浓度。

(1)吸收塔烟气出口温度：烟气出口温度由浆液中的水含量和浆液供应速率

决定。吸收塔烟气出口温度越低，说明浆液的水含量越大，SO2吸收反应越容易进行，因而脱硫率越高。但是，烟气出口温度不能达到露点温度，否则除尘器将无法工作。一般吸收塔出口烟气温度以绝热饱和温度的差值T来控制。SO2吸收率和吸收剂利用率随T的减小而提高。大部分喷雾干燥塔在绝热饱和温度之上11～28K操作。

(2)吸收剂钙硫比：吸收剂化学当量比（及钙硫比）直接影响SO2去除。较高的钙硫比有利于SO2去除，但当钙硫比大于1时，脱硫率增加缓慢，而吸收剂利用率下降，增加了吸收剂成本和固体废物处置费用。另外，吸收剂溶解性或吸收固体在料浆中的质量分数又限制了可能采用的钙硫比的上限。喷雾干燥法的钙硫比一般控制在1.4～1.8。

（3）SO2入口浓度：由试验得知，脱硫率随着吸收塔入口SO2浓度的升高而有所降低。这是因为在钙硫比等操作条件不变的情况下，烟气中的SO2浓度越高，需要吸收的SO2就越多，就需要加入更多的石灰，从而提高了雾滴中石灰的含量，同时生成的CaSO3的量也随之增大，使雾滴中的水分相应减少，限制了SO2的吸收传质过程，造成脱硫率下降。因此，喷雾干燥法不适合燃烧高硫煤烟气的脱硫。

3.1.4 喷雾干燥法的优缺点

石灰石/石灰法湿法烟气脱硫是采用石灰石或者石灰浆液脱除烟气中的SO2的方法。该方法开发较早，工艺成熟，吸收剂廉价易得，因而而应用广泛。喷雾干燥法介于干湿法和干法之间，和石灰石/石灰法湿法相比具有很多优点：①流程简单，设备少，省掉了一整套浆液处理设备；②运行可靠，生产过程中不产生结垢和堵塞；③由于是干式运行，只要排气温度适宜，不产生腐蚀；④能量消耗低，投资及运转费用小；⑤对烟气量和烟气中SO2浓度的波动的适应性大。主要缺点有：①脱硫率不够高；②吸收剂利用率不高，吸收剂消耗较大；③增加系统除尘负荷；④关键部件雾化器易磨损；⑤对高硫煤经济不适用[2]。

3.2 石灰石/石灰法湿法烟气脱硫

3.2.1 石灰石/石灰法湿法烟气脱硫反应原理

采用石灰/石灰石浆液吸收烟气中的SO2，分为吸收和氧化两个阶段。先吸收生成亚硫酸钙，然后将亚硫酸钙氧化成硫酸钙(即石膏)。

吸收阶段：

氧化阶段：在氧化过程中，主要是将吸收过程中所生成的氧化成为

由于在吸收过程中生成了部分，在氧化过程中，亚硫酸氢钙也被氧化，分解出少量的：

3.2.2 石灰石/石灰法湿法烟气脱硫特点

(1)优点：技术成熟；脱硫效率高，可达95%以上；烟气处理量大；煤种适应性强，对高硫煤优势突出；吸收剂利用率高；

(2)缺点：设备腐蚀；易于结垢、堵塞；投资费用高；占地面积大，耗水量相对较大，有少量污水排放。

3.2.3 操作影响因素

(1)料浆的Ph值

料浆的Ph值对的吸收影响很大，一般新配制的浆液Ph值约在之间。随着吸收反应的进行，Ph值迅速下降，当Ph值低于6时，这种下降变得很缓慢，而当Ph值小于4时，则几乎不能吸收。

Ph值的变化除对的吸收有影响外，还可影响到结垢、腐蚀和石灰石粒子的表面钝化。

(2)石灰石的粒度

石灰石粒度的大小，直接影响到有效面积的大小。一般来说，粒度越小，脱硫率及石灰利用率越高。石灰石粒度一般控制在200~300目。

(3)吸收温度

吸收温度低，有利于吸收，但温度过低会使与或间的反应速率降低，因此吸收温度不是一个独立可变的因素。

(4)洗涤器的持液量

洗涤器的持液量对与的反应时重要的，因为它影响到所接触的石灰石表面积的数量。只是在洗涤器中与和接触，才能大量溶解，因此洗涤器的持液量大对吸收反应有利。

(5)气液比

气液比除对吸收推动力存在影响外，对吸收设备的持液量也有影响。增大液气比对吸收有利，当Ph值为7时，气液比(L/V)值为15时，脱硫率接近100%。

(6)防止结垢

石灰—石灰石湿式洗涤法的主要缺点是装置容易结垢堵塞。造成固体沉淀主要以三种方式出现：湿干结垢，即因溶液水分蒸发而使固体沉淀；或沉淀或结垢析出：或从溶液中结晶析出。为防止固体结垢，特别是防止的结垢，除使吸收器应满足持液量大，气液相间相对速度高，有较大的气液接触表面积，内部构件少，压力降低等条件，还可采用控制吸收液饱和和添加剂等方法[3]。

3.3 袋式除尘器

过滤式除尘器，又称空气过滤器，是使含尘气流通过过滤材料将粉尘分离捕集的装置，采用滤纸或玻璃纤维等填充层作滤料的空气过滤器，主要用于通风及空气调节方面的气体净化。采用纤维织物作滤料的袋式除尘器，在工业尾气的除尘方面应用较广。

袋式除尘器的除尘效率一般可达99%以上。虽然它是最古老的除尘方法之一，但由于它的效率高，性能稳定可靠、操作简单，因而获得越来越广泛的应用。同时，在结构形式、滤料、清灰方式和运行方式等方面也得到了不断的发展。3.3.1 袋式除尘器的工作原理

含尘气流从下部孔板进入圆筒形滤袋内，在通过滤料的孔隙时，粉尘被捕集与滤料上，透过滤料的清洁气体由排出口排出。沉积在滤料上的粉尘，可在机械振动的作用下从滤料表面脱落，落入灰斗中。颗粒因截留、惯性碰撞、静电和扩散等作用，逐渐在滤袋表面形成粉尘层，常称为粉尘初层。初层形成后，它成为袋式除尘器的主要过滤层，提高了除尘效率。滤布只不过起着形成粉尘初层和支

撑它的骨架作用，但随着颗粒在滤袋上积聚，滤袋两侧的压力差增大，会把有些已附在滤料上的细小粉尘挤压过去，使除尘效率下降。另外，若除尘器压力过高，还会是除尘系统的处理气体量显著下降，影响生产系统的排风效果。因此，除尘器阻力达到一定数值后，要及时清灰。清灰不能太过分，即不应破坏粉尘初层，否则会引起除尘效率显著降低。

3.3.2 袋式除尘器的分类

(1 )按滤袋的形状分为：扁形袋（梯形及平板形）和圆形袋（圆筒形）。

(2 )按进出风方式分为：下进风上出风及上进风下出风和直流式（只限于板状扁袋）。

(3 )按袋的过滤方式分为：外滤式及内滤式。

滤料用纤维，有棉纤维、毛纤维、合成纤维以及玻璃纤维等，不同纤维织成的滤料具有不同性能。常用的滤料有208或901涤轮绒布，使用温度一般不超过120℃，经过硅硐树脂处理的玻璃纤维滤袋，使用温度一般不超过250℃，棉毛织物一般适用于没有腐蚀性；温度在80-90℃以下含尘气体。

3.3.3 袋式除尘器的清灰

清灰是袋式除尘器运行中十分重要的一环，实际上多数袋式除尘器是按清灰方式命名和分类。常用的清灰方式有三种，最早的方法是振动滤料以使沉积的粉尘脱落，称为机械振动式。另外两种是利用气流把沉积颗粒吹走，即用低压气流反吹或用压缩空气喷吹，分别称为逆气流清灰和脉冲喷吹清灰。此外，还有一些其他清灰方式，但出于经济和技术的原因，现在并不常用。对于难以清除的颗粒，也有同时并用两种清灰方式的形式，如逆气流和振动结合式。

(1)机械振动清灰

含尘气体通过除尘器底部的花板进入滤袋内部，净化后的气体经风机有烟囱排出。振动方式大致有三种：滤袋沿水平方向摆动，或沿垂直方向振动，或靠机械转动定期将滤袋扭转一定的角度，使沉积于滤袋的颗粒层破碎而落入灰斗中。

该类型袋式除尘器的优点是工作性能稳定，清灰效果较好。但滤袋常受机械力作用，损坏较快，滤袋检修与更换的工作量大。

(2)逆气流清灰

逆气流清灰指清灰时气流方向与正常过滤时相反，其形式有反吹风和反吸风