燃煤电厂锅炉烟气静电除尘装置设计

("石河子大学化学化工学院燃煤电厂锅炉烟气静电除尘装置设计——大气污染控制工程课程设计任务书院（系）：化学化工学院专业：环境工程学号：姓1名：指导教师：完成日期：2016.01.02目录一、前言...........................................................................................................................................-1-二、设计资料和依据.................................................................................................................-2-2.1设计依据标准.........................................................................................................................-2-2.2设计条件................................................................................................................................-2-2.3烟气性质................................................................................................................................-2-2.4气象条件................................................................................................................................-3-2.5设计内容.................................................................................................................................-3-三、系统设计部分...................................................................................................................-3-3.1空气量和烟气量的计算.........................................................................................................-3-3.2电除尘器的选型.....................................................................................................................-5-3.3电除尘器总体尺寸的确定.....................................................................................................-8-3.4电除尘器零部件的设计和计算……………………………………………………………….-10-3.5供电系统的设计………………………………………………………………………………….-13-3.6壳体………………………………………………………………………………………………..-14-四、烟囱的设计........................................................................................................................-14-24.1烟囱高度的确定：...............................................................................................................-14-4.2烟气直径的计算...................................................................................................................-14-4.3烟囱的抽力...........................................................................................................................-15-五、系统阻力的计算………………………………………………………………………….…-15-5.1摩擦压力损失…………………………………………………………………………………....-155.2局部压力损失……………………………………………………………………………………165.3确定除尘器、风机、烟囱的位置及管道布置……………………………………………….-19六、风机和电动机选择及计算…………………………………………………………………-196.1标准状态下风机风量的计算……………………………………………………………………..-19-6.2风机风压计算…………………………………………………………………………………….-206.3电动机功率计算………………………………………………………………………………….-20-小结……………………………………………………………………………………………………………………………………………….-21-七、主要参考文献……………………………………………………………………………………..-21八、系统平面布置图3前言随着工业的发展，能源的消耗量逐步上升，大气污染物的排放量相应增加。而就我国的经济和技术发展水平及能源的结构来看，以煤炭为主要能源的状况在今后相当长时间内不会有根本性的改变。大气质量是环境质量的一个重要内容。人的生存每时每刻都离不开空气，大气质量与人类生存环境息息相关，所以对大气污染的治理与控制非常重要。大气流动性强、涉及面广，而且一旦受污染后，修复比较困难。虽然人们在大气环境整治方面做了大量工作，但目前的空气质量仍然不尽如人意，因此防止污染、改善空气环境成为当今迫切的环境任务。我国的大气污染仍将以煤烟型污染为主，燃煤电厂锅炉烟气中的粉尘严重地污染了我们赖以生存的环境。其中尘和酸雨危害最大，且污染程度还在加剧。因此，控制燃煤烟气污染是我国改善大气质量、减少酸雨和二氧化硫危害的关键问题。静电除尘器是把含有粉尘颗粒的气体，在接有高压直流电源的阴极线(又称电晕极)和接地的阳极板之间所形成的高压电场通过时，由于阴极发生电晕放电、气体被电离，此时，带负电的气体离子，在电场力的作用下，向阳板运动，在运动中与粉尘颗粒相碰，则使尘粒荷以负电，荷电后的尘粒在电场力的作用下，亦向阳极运动，到达阳极后，放出所带的电子，尘粒则沉积于阳极板上，而得到净化的气体排出防尘器外。通过此次课程设计了解大气污染控制工程工艺设计内容、程序和基本原则，学习设计计算方法和步骤，提高运算和制图能力。同时，通过设计巩固所学的理论知识和实际知识，并学习运用这些知识解决工程问题。二、设计资料和依据12.1设计依据标准《环境空气质量标准》GB3095-2012《火电厂大气污染物排放标准》GB13223-2011《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014《火电厂烟气排放连续监测技术规范》HJ/T75-2007《工业企业设计卫生标准》GBZ1-2010《电除尘工程通用技术规范》HJ2028-2013《电除尘器标准》DL/T514-20042.2设计条件表一锅炉设备的主要参数额定蒸发量主蒸汽压力主蒸汽温度燃煤量排烟温度（t/h）（MPa）（℃）（t/h）（℃）22409.8154040140~150煤的工业分析值（ar）：C=52.87%；H=3.25%；O=7.89%；S=0.53%；N=1.01%；W=8.5%；A=21.535%；V=7.22%，用基低位发热2.3烟气性质排烟中飞灰占煤中不可燃成分的比例：75%空气过剩系数：a=1.28烟气最高温度152.3℃烟气密度（标准状况下）：1.34kg/m3空气含水（标准状况下）：0.01396kg/m3烟气在锅炉出口的压力：850Pa烟尘比电阻1.32×1011（\uf057·cm，150℃）粉尘粒径分布见下表：灰<35123>3尘粒度/um3-5-100-200-300-4040分布/%18152622.58.54.25.82.4气象条件年平均大气压力100.34KPa；最低温度平均值-10℃；最高温度平均值40℃；冬季室外风速平均值2.4m/s；夏季室外风速平均值1.8m/s；海拔高度300m。连接锅炉、净化设备及烟囱等净化系统的管道长度假设为380m，90°弯头9个。2.5设计内容a.根据燃煤的原始数据计算锅炉燃烧产生的烟气量，烟尘浓度；b.静电除尘器结构设计计算（包括整体结构大小、电晕线、集尘极、供电装置等）；c.烟囱设计计算；d.管道系统设计，阻力计算，风机电机的选择三、4系统设计部分3.1空气量和烟气量的计算3.1.1标准状态下理论空气量化学成分w%单位质量摩尔组成/[mol/(100g煤)]摩尔分数/[mol/mol(C)]C52.874.411.000H3.253,250.74O7.890.490.11S0.530.020.005N1.010.070.016对于该种煤，其组成可表示为CH0.74O0.11S0.005N0.016燃料的摩尔质量，即相对于每摩尔碳的质量，包括灰分，为：1=100/4.41=225照课本P39，理CH0.74O0.11S0.005N0.016+a(O2+3.78N2)→CO2+0.37H2O+0.005SO2+(3.78a+0.0065)N2其中a=1+0.74/4+0.005-0.11/2=1.135因此，理论空气条件下燃料/空气的质量比为：22.68/[1.135(32+3.7828)]=0.145若以单位质量燃料（1KG）燃烧需要空气的标准体积V0表示，V0=1.135(1+3.78)22.4/17.76=5.36m3/Kg(煤)实际体积V：V=V01.28=6.86m3/Kg(煤)结合课本40页公式计算运行时需要的理论空气量：8.62m3/Kg3.1.2标准状态下烟气量以1Kg煤燃烧为基础，则：质量/g物质的量/mol理论需氧量/molC528.744.0644.066H32.516.258.125O78.94.93-2.47S5.30.170.17N10.10.720.00理论需氧量为（44.06+8.125-2.47+0.17）=49.885mol/Kg（煤）理论烟气量为：（44.06+8.125+0.17+52.873.78）=252.20mol/Kg（煤）即252.222.4/1000=5.65m3/Kg(煤)实际烟气量为：5.65+8.620.28=8.064m3/Kg(煤)烟尘浓度为：0.75252.2/(8.064)=23.46g/m3则，实际运行时：产生的烟气量为：11010008.064=8.8710^5m3/h=246.39m3/s灰尘：75%21.535%1101000=17766.375Kg/h3.2.电除尘器的选型37.2.1电除尘器型号的确定本次设计选用卧式、板式、无辅助电极的宽间距（400mm）电除尘器。3.2.2电除尘器的台数采用一台除尘器3.2.3电场风速（v）的确定对于电炉，由于粉尘粒径很小，一般在5~20μm之间，故不可取过高的电场风速，以免引起二次扬尘，故取0.90m/s。3.2.4电除尘的截面积(F')F'=Qυ=10392×43600×0.9=12.83(m2)按锅炉大气污染物排放标准(GBl3271－2011)中二类区标准执行。烟尘浓度排放标淮(标准状态下)：30mg/m33.2.5除尘效率(η)标准状态下烟气的含尘浓度c0=cTTNppN=所以η=c0−cec0=37.22−0.0337.22=99.9%3.2.6有效驱进速度的确定8η=1−e−AQϖ中η—电除尘器A—电除尘器收沉积面积，m2；Q—烟气量，m3/s;ω—有效驱进速度，m/s。设计的电厂用煤，由于含硫量很低，为0.53%，含水分也不大，粉尘较细，比电阻很高，所以导致驱进速度不高，故除尘比较困难。对于电厂锅炉，虽然影响驱进速度的因素很多，但实际上媒含硫量和粉尘历经分布是影响驱进速度的主要因素。根据经验，当燃煤含硫量大于0.5%，小于2%，电晕线为芒刺时，同极距为400mm时，有效驱进速度可由下式计算。ω=7.4×1.3×S式中S—媒的含硫量，%；k—平均粒度影a平均101520253035k0011119.90.95.05.10.15a平均=ω1a1+ω100中ω1,ω2,⋅¿⋅粒a1,a2⋅¿⋅—粒度的平均值。则该电厂的a平均为a平均=1.5×18100由表查得k=0.96，当S=0.53%时，得ω=7.4×1.3×03.2.7收尘极面积（A）由意希公式有A=Qw×ln(11−η)=10329×43600×0.0621ln(11−0.999)=554(m2)计算求得的极表面积后，在选择电除尘器的实际极板面积时，适当增加一些余量（也可称为储备参数）一般按5%左右考虑。10A'=A(1+5%3.2.8比集尘面积（f）f=AQ=55410392×4/3600=47.98(m2)3.2.9电场数（n）的确定在卧式电除尘器中，一般可将电极沿气流方向分为几段，即通称几个电场。为适应粉尘的特性，达到较好的供电效果和电极的清灰性能，单电场长度不宜过大，一般取3.5~5.4m，对要求净化效率高的电除尘器，一般选择3~4个电场。本次设计由于除尘效率较高，故选4个电场。3.2.10电场高度（h）h=√F'2=√12.832=2.5(m2)取h=3m3.2.11同极距（2s）的确定一般电除尘器的极间距为250~300mm。但根据国内外的实践来看，电厂锅炉尾部使用宽间距电除尘器可以获得更高的除尘效率和更低的排放浓度。故本次设计采用400mm的同极距。3.2.12通道数由式Z=F'h(2s−k')计算，k'为除尘器的阻流宽度，其中设计选用Z11型板，Z形板宽度为40mm，k'为0.02m。故Z=F'h(2s−k')=12.833×(0.4−0.02)=11.3mm取Z=12mm3.2.13电场断面（F）有式F=Zh(2s−k')=12×3×(0.4−0.02)=13.68m2则实际风速υ=QF=10392×4/360013.68=0.84(m/s)3.2.14每电场有效长度（l）l=A2hZn=5542×3×12×4=1.924(m)根据所选的阳极板来看，板宽480mm,根据上式计算的l，每电场长度方向需要的阳极板数为12n1=l480=1924480=4.008故需要的板的板数为5块，则电场有效长度为l=480×5=243.3电除尘器总体尺寸的确定3.3.1宽度方向上的尺寸a．电场有效宽度B有效=Z(2s−k')=12×(0.4−0.02)=456(mm)b.电除尘器为双室，内壁宽为B=2sZ+4Δ+式中Δ—最外层的一排极板中心线与内壁间的距离，取100mm；e'—中间柱子宽13则B=400×12+4×100+300=5500(mm)c.柱间距LkLk=B+2δ1+式中δ1—收尘e'—柱的宽度，取300mm。则Lk=5500+2×5+300=5810(mm)143.3.2高度方向的尺寸a.从收尘器顶梁底面到灰斗上端面的距离H1=h+h1+h中h—电场高h1—从收尘器顶梁底面到阳极板上断面的距离，取200mm；h2—收尘器下端至撞击杆中心的距离，取400mm；h3—撞击杆中心到灰斗上端的距离，取200mm。由电除尘器横断面图知，H1=3000+200+40+200=3440(mm)b.灰斗上端到支柱基础面距离（H2）根据电除尘器的大小，可取H2=350mm（315长度方向的尺寸a.电除尘器壳体内壁长由电除尘器沿气流方向尺寸图，可取le1=400mm，le2=470mm，C=380mmLH=2le1+2nle2+(n−1)C+nl=2×400+2×5×470+4×380+5×2400=19020(mm)b.沿气流方向的柱距将收尘极安装在顶梁底面，每电场的荷重由两根梁和柱承担，立柱设计成等距，且柱距为Ld=l+2le2+c2=2400+2×470+3802=3530(mm)首尾的边柱与壁的距离为X=le1+2le2+3.4.电除尘器零部件的设计和计算（161）进气箱采用水平引入式进气箱，如图所示，并取υ0=8m/s，则进气箱进气口的面积为（两个进风口）F0=Q3600×2×考虑到进气口尽可能与电厂断面相似，可取F0=1950×360进气箱长度LZ,,按LZ=(0.55~0.56)(a1−a2)+250确定。中a1,a2—F0和FK—进气箱大端面积。故LZ=0.55(3440进气中心高度（从进气中心至侧部底梁下端面）H4为H4=(LZ−100)（2）出气箱出气箱最小面积为F0′=F0=1950出气箱长度为17LW=0.8LZ=0出气箱大端高度h5为h5=0.8a1×0.2（3）灰斗采用角锥形灰斗，沿气流方向设4个，垂直于气流也设4个，灰斗下口取300mm×300mm2斗壁斜度最小60°，则灰斗高为h7=1.732(LH4（4）气流分布板a.分布板层数的确定由于FKF0=3×2.281.95×0.36=9.74<20故分布板层数取n=2b.分布板的阻力系数可由式ξ=N0(FKF0)2n−1确定18中ξ—阻力系数N0—气流在入口处按气流动量计算的速度场系数，取N0=1.8；n—多孔板层数。所以ξ=1.8×9.74−1=16.5c.开孔率的确定多孔板的阻力系数与它的开孔率f由下式确定ξ=(0.707√1−为避免高次方程，已知阻力系数，可以利用图解法求解。查图可知f=30%d.气流分布板的尺寸根据电厂断面，进气管出口到第一层多孔板的距离Hp应满足的条件HP≥0.8Dr中Dr—进气管n0—F0断面的水力直径。19Dr′=2F0n0=2×0.8Dr′=0.8×0故取HP=0.50m相邻两层多孔板的距离l2应满足条件为l2≥0.2Dr中Dr—进气管n0—F0断面的水力直径。由0.2Dr=0.2×2取l2=0.4m根据图，可以计算的宽度和高度分别为B1=B2=2.28mH1=2990，H2=282320为避免分布板沉积下来的粉尘堵塞。在分布板与进、出气底端之间要有一定间隙δ=0.02H=0.02×3000=60mm，故两层分布板高度为H1=2930H2=2763多孔板可由3mm厚的钢板弯成槽制成，其弯边可为25mm，这样可以增加板的刚度，其宽度取400mm左右，上下焊以连接板，上下用螺栓悬吊于上部顶梁，下部与一撞击杆相连，敲击撞击杆则可振落板上的积灰。e.分布板的振打多孔分布板需要安装振打机构，以清除板上的积灰。分布板的振打控制应是连续的。（5）槽形板的设计由于气流涡流现象的存在和二次飞扬，使出气箱和出气管道存在积灰，加了槽形板后，对粉尘有强烈的吸收作用，提高除尘效率。（6）电晕极系统及振打装置电晕线的选择电晕线应选择放电性能好，起晕电压低，对烟气条件变化的适应性强；机械强度大，不断线，耐腐蚀；高温下不变形；有足够的刚度以及清灰性能好等。本设计采用BS系列鲁奇型电收尘器的V15线。电晕极排数和线间距的确定阴极排和通道数相等，故y=Z=12在卧式电除尘器内极线间距大小会直接影响到电晕电流值和除尘效率。c21.电晕线的固定放电极悬挂框架水平杆和垂直杆全部采用钢管，用专用管卡进行固定，下部与框架连接的间距架用90°弯头向上，整个悬挂假设计合理，坚固轻便，减少了内部空间占用，现场安装方便。d.电晕极的振打排放浓度低于50mg/m3时，放电极振打采用侧部振打转动，放电极振打控制应是连续的。3.5.供电系统的设计（1）供电装置的选型二次电压工作电场为3000~3500V/cm,空载电场为4000V/cm。工作电压U1=(3000~3500V/cm)×20cm=60~70kV空载电压U1=4000V/cm×20cm=80kVb.二次电流选取电流板密度为0.40mA/m2，取每一个电场用两台整流器，故每个整流器对应的极板面积为506/8=63.3m2，故整流设备应输出的电流为I=0.4×63.3=（2）接地保护电除尘器壳体要与接地网可靠连接，接地点要求每电场设一个，用扁钢与接地网相连接，整流室所有金属部分如控制柜、变压器和电抗器及其外壳体的接地22端、电缆头支架、金属隔离网，都必须十分可靠接地。3.6.壳体电收尘器全部采用钢结构外壳。电收尘器的下部分排灰选用拉链机、刮板输送机、回转卸料器。为消除应力，拉链机和壳体下部灰斗之间应装设伸缩节。电除尘器本体由安装在地梁下的活动支座及固定支座支撑，以保证个支点在正常运行时格子膨胀方向上自由移动。四、烟囱的设计4.1.烟囱高度的确定先确定公用一表3-1锅炉烟囱高度烟囱总额定出力/(t/h)<11~22~66~1010~2020~35烟囱最低高度/(m)202530354045锅炉总额定出力：4×4=16(t/h)故选定烟囱高度为40m。4.2.烟气直径的计算烟囱出口内径可按下式计算：23d=0.0188√Qω(m)中Q—通过烟ω—按下表选取的烟囱出口烟气速度，m/s。烟囱出口烟气流速(m/s)通风方式运行情况全负荷最小负荷机械通风10~204~5自然通风6~102.5~3选定ω=4m/sd=0.0188√4×103924=1.92(m)圆整取d=1.9m。烟囱底部直径：d1=d2+2×i×H(m)中d2—烟囱出H—烟囱高度，m；i—烟囱锥度(通常取i=0.002~0.03)。取i=0.02，d1=1.92+2×0.02×40=3.5(m)4.3.烟囱的抽力Sy=0.0342H(1273+tk−1273+tp)×B(Pa)24中H—烟囱高tk—外界空气温度，℃；tp—烟囱内烟气平均温度，℃;B—当地大气压，Pa。Sy=0.0342×40×(1273−1−1273+160)×97.86×103=183(Pa)五、系统阻力的计算5.1摩擦压力损失对于圆管：ΔpL=λLd⋅ρv22(Pa)中L—管道长度d—管道直径，m；υ—管中气流平均速度，m/s；λ—摩擦阻力系数，是气体雷诺数Re和管道相对粗糙度Kd的函数。可以查手册得（实际中对金属管道λ值可取0.02，对砖砌或混凝土管道λ值可取0.04）。a.对于φ500圆管L=9.5mρ=ρn273273+160=1.34×273433=0.84(kg/m3)25ΔPL=0.02×9.50.5×0.84×15.022=35.91(Pa)b.对于砖砌拱形烟道A=2×π4D2=B2+π2(B2)2D=500mm故B=531mm则R=AX式中，A为面积，X为周长。5.2局部压力损失Δp=ξ×ρυ22(Pa)中ξ—异型管υ—与ξ相对应的断面平均气流速率，m/s；ρ—烟气密度，kg/m3。下图中一为渐缩管。α≤45°时，ξ=0.1取α=45°，υ=15.0m/s26350500600A2A1一二三Δp=ξ×ρυ22=0.1×0.84×15.022=9.45(Pa)l1=0.05×tan67.5°=0.12(m)图中二为30°Z形弯头h=2.985−2.39=0.596=0.6(m)h/D=0.6/0.5=0.12{，取ξ'=0.157¿ξ=ξReξ'查手册得ξRe=1.0ξ=1.0×0.157=0.157Δp=ξ×ρυ22=0.157×0.84×15.022=14.84(Pa)图中三为渐扩管A1A2=0.35×1π×0.498524=1.79查《大气污染控制工程》附表十一，并取α=30°则ξ=0.19Δp=ξ×ρυ22=0.19×0.84×15.022=17.96(Pa)l3=1−0.49852/tan15°=0.93(m)右图中a为渐扩管α≤45°时，ξ=0.1α=30°，υ=15.0m/s27Δp=ξ×ρυ22=0.1×0.84×15.022=9.45(Pa)L=0.93(m)图中b、c为90°弯头D=500，取R=D，则ξ=0.23则Δp=ξ×ρυ22=0.23×0.84×15.022=21.74(Pa)两个弯头Δp'=2Δp=2×21.74=43.48(Pa)对于如下图所示T形三通管ξ=0.78Δp=ξ×ρυ22=0.78×0.84×15.022=73.71(Pa)对于T形合流三通ξ=0.55Δp=ξ×ρυ22=0.55×0.84×15.022=51.98(Pa)系统总阻力（其中锅炉出口前阻力为800Pa，除尘器阻力1400Pa）为ΣΔh=35.91+9.54+14.84+17.96+9.45+43.48+73.71+51.98+800+1400=2456.78(Pa)5.3.确定除尘器、风机、烟囱的位置及管道布置计算各管段的管径、长度、烟囱高度和出口内径以及系统总阻力。（1）各装置及管道布置的原则根据锅炉运行情况及锅炉现场的实际情况确定各装置的位置。一旦确定各装置的位置，管道的布置也就基本可以确定了。对各装置及管28道的布置应力求简单、紧凑、管路占地面积小，并使安装、操作和检修方便。（2）管径的确定d=√4Qπυ(m)中Q—工况下υ—烟气流速，m/s(对于锅炉烟尘υ=10~15m/s)。取υ=14m/s则d=√4×2.9π×14=0.51(m)圆整并选取风道钢质板风管外径允许偏差/mm壁厚/mm5000.75内径=d1=500−2×0.75=495.5(mm)由公式d=√4Qπυ可计算出实际烟气流速：υ=4Qπd4=4×2.9π×0.49552=15.0(m/s)六、风机和电动机选择及计算6.1标准状态下风机风量的计算Qy=1.1Q⋅273+tp273×101.325B(m3/h)29外径D/mm±1中1.1—风量备Q—标准状态下风机前风量，m3/h；tp—风机前烟气温度,℃，若管道不太长，可以近似取锅炉排烟温度；B—当地大气压，kPa。Q=1.1×6552×273+160273×101.32597.86=11836m3/h6.2风机风压计算Hy=1.2(ΣΔh−Sy)273+tp273+ty×101.325B×1.293ρy(Pa)中1.2—风压备ΣΔh—系统总阻力，Pa；Sy—烟囱抽力，Pa；tp—风机前烟气温度，℃；ty—风机性能表中给出的试验用气体温度，℃；ρy—标准状态下烟气密度，(γ=1.34kg/m3)。Hy=1.2(2456.78−183)273+160273+250×101.32597.325×1.2931.34=2256.9(Pa)根据Qy和Hy选定Y5-47-136.5C工况序号为2的引风机，性能表如下。机号转动方式转速/（r/min）工况序号流量/（m3/h）全压/Pa内效率/%内功率/kW所需功率/kW6.5C2620211930299278.612.6117.66306.3电动机功率计算Ne=QyHyβ3600×1000×η1η2(kW)中Qy—风机风Hy—风机风压，Pa；η1—风机在全压头时的效率(一般风机为0.6，高效风机为0.9)；η2—机械传动效率，当风机与电机直联传动时η2=1，用联轴器连接时η2=0.95~0.98，用V形带传动时η2=0.95；β—电动机备用系数，对引风机，β=1.3。Ne=11836×2256.9×1.33600×1000×0.6×0.95=16.9(kW)根据电动机的功率、风机的转速、传动方式选定Y180M-2型电动机。小结：此次课程设计，按照任务书基本完成了要求的内容，同时也根据相关资料拓展了一些内容，但是由于时间有限，难免会出现一些不足之处，希望老师能提出意见，以求这次课程设计能尽善尽美。主要参考文献（1）郝吉明，马广大主编．大气污染控制工程．北京：高等教育出版社，2002（2）钟秦，王娟等编．化工原理．北京：国防工业出版社，2001（3）吴忠标主编．实用环境工程手册——大气污染控制工程．北京：化学工业出版社，312001（4）熊振湖，费学宁等编．大气污染防治技术及工程应用．北京：机械工业出版社，2003（5何争光主编．大气污染控制工程及应用实例．北京：化学工业出版社，200432",)