1、- 1 -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 名： - 2 -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
2、. - 10 -3. 5 供电系统的设计 .-13-3.6 壳体-14-四、 烟囱的设计 .- 14 - 3 -4.1 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- 1 -前言随着工业的发展，能源的消耗量
3、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
4、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
5、用这些知识解决工程问题。 - 2 -二、 设计资料和依据2.1 设计依据标准环境空气质量标准GB 3095-2012火电厂大气污染物排放标准GB 13223-2011锅炉大气污染物排放标准GB 13271-2014火电厂烟气排放连续监测技术规范HJ/T 75-2007工业企业设计卫生标准GB Z1-2010电除尘工程通用技术规范HJ 2028-2013电除尘器标准DL/T 514-20042.2 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） （）240 9.81 540 40 140150煤的工业分析值（ar）：C=
6、52.87%；H=3.25%；O=7.89%；S=0.53%；N=1.01%；W=8.5%；A=21.535%；V=7.22%，- 3 -应用基低位发热量：23654 KJ/kg（由于煤质波动较大，要求除尘器适应性较好） 。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）：1.34 kg/m 3空气含水（标准状况下）：0.01396 kg/m 3烟气在锅炉出口的压力：850 Pa烟尘比电阻 1.321011（cm ，150）粉尘粒径分布见下表：灰尘粒度/um40分布/% 18 15 26 22.58.5 4.2 5
7、.82.4 气象条件年平均大气压力 100.34 KPa；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 1.8 m/s；海拔高度 300 m。连接锅炉、净化设备及烟囱等净化系统的管道长度假设为 380 m，90弯头 9 个。- 4 -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、 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
8、量摩尔组成/mol/(100g 煤)摩尔分数/mol/mol(C)C 52.87 4.41 1.000H 3.25 3,25 0.74O 7.89 0.49 0.11S 0.53 0.02 0.005N 1.01 0.07 0.016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：M1=100/4.41=22.68g/mol(C)参照课本 P39，理论空气量计算的六点假设，可得- 5 -CH0.74O0.11S0.005N0.016+a(O2+3.78N2)CO 2+0.37 H2O+0.005SO2+(3.78a
9、+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+3.78*28)=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= V0*1.28=6.86 m3/Kg(煤)结合课本 40 页公式计算运行时需要的理论空气量：8.62 m 3/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/molC 528.7 44.06 44.0
10、6H 32.5 16.25 8.125O 78.9 4.93 -2.47S 5.3 0.17 0.17N 10.1 0.72 0.00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+52.87*3.78）=252.20 mol/Kg（煤）- 6 -即 252.2*22.4/1000=5.65 m3/Kg(煤)实际烟气量为：5.65+8.62*0.28=8.064 m 3/Kg(煤) 烟尘浓度为：0.75*252.2/(8.064)=23.46g/ m 3则，实际运行时：产生的烟气量为：110*1000*
11、8.064=8.87*105 m 3/h=246.39 m3/s灰尘：75%*21.535%*110*1000=17766.375Kg/h3. 2. 电除尘器的选型3.2.1 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 520m 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 283.19.03642mQ按锅炉大气污染物排放标准(GBl32712011)中二类区标准执行。烟尘浓度排放标淮(标
12、准状态下)：30mg/m33.2.5 除尘效率 标准状态下烟气的含尘浓度- 7 -30 2.785.034.127.5346. mgpTcN 所以 %9.2.0ce3.2.6 有效驱进速度的确定 QAe1式中 ；电 除 尘 器 的 除 尘 效 率 ，%；电 除 尘 器 收 沉 积 面 积 ， 2mA;3sQ烟 气 量 ，。有 效 驱 进 速 度 ，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
13、.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。 kS625.0314.7式中 ；媒 的 含 硫 量 ，%S下 表 确 定平 均 粒 度 影 响 系 数 ， 按ka 平 10 15 20 25 30 35- 8 -均k 0.90 0.95 1 1.05 1.10 1.151021naa平 均式中 组 成 的 百 分 比 ；粒 度 为 ,2121a粒 度 的 平 均 值 。21,a则该电厂的 为平 均 )(1610582435.82.526.71548. ma 平 均由表查得 k=0.96，当 ，得时%3.0Sscm21.69.5.314.762.03.2
14、.7 收尘极面积（A）由意希公式有)(54)9.01ln(62.03419)ln( 2mwQ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。 )(582%)1(mA3.2.8 比集尘面积（f） )(98.47360/19252Qf - 9 -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 3.55.4m，对要求净化效率高的电除尘器，一般选择34 个电场。本次设计由于除尘效率较高，故选 4 个电场。3.
15、2.10 电场高度（h）)(5.283.12mFh取 h=3m3.2.11 同极距（2s）的确定 一般电除尘器的极间距为 250300mm。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 计算， 为除尘器的阻流宽度， 其中设计)2(kshFZk选用 Z 型板，Z 形板宽度为 40mm， 为 0.02m。 故 mkshFZ3.1)02.4(38)2(取 mZ123.2.13 电场断面（F）有式 268.13)0.4(312)( mksh则实际风速 )/(4/9sFQ3.2.14 每电场
16、有效长度（ ）l- 10 -)(924.13254mhZnAl 根据所选的阳极板来看，板宽 480mm,根据上式计算的 ，每电场长度方向需要的l阳极板数为08.41924801ln故需要的板的板数为 5 块，则电场有效长度为 ml240583. 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mksZB45602.1)2(有 效b.电除尘器为双室，内壁宽为 esZ42式中 ；线 与 内 壁 间 的 距 离 ， 取最 外 层 的 一 排 极 板 中 心m10。中 间 柱 子 宽 度 ， 柱 宽 取 me30则 B51420c.柱间距 kL- 11 -eBLk12式中 ；， 一
17、 般 取收 尘 器 壳 体 钢 板 的 厚 度m51。柱 的 宽 度 ， 取e30则 Lk 581250 HLHhhHBhK211233.3.2 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 3211hH式中 电 场 高 度 ；h；极 板 上 断 面 的 距 离 ， 取从 收 尘 器 顶 梁 底 面 到 阳 m201- 12 -；心 的 距 离 ， 取收 尘 器 下 端 至 撞 击 杆 中mh 402。的 距 离 ， 取撞 击 杆 中 心 到 灰 斗 上 端 23由电除尘器横断面图知，)(34020301 mHb.灰斗上端到支柱基础面距离（ ）2根据电除尘器的大小，可取 m3502（3
18、）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 ， ， mle401le4702mC380nlCnllLeeH1902538754)(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)(3502847022 mclLed 首尾的边柱与壁的距离为 )(752304702421LllXde - 13 -3.4. 电除尘器零部件的设计和计算（1）进气箱 采用水平引入式进气箱，如图所示，并取 ，则进气箱进sm80气口的面积为（两个进风口） 200 7.0836419236QF考虑到进气口尽可能与电厂断面相似，可取 203619
19、5mF进气箱长度 LZ,按 确定。0.21aLZ式中 处 最 大 边 长 ；和KFa021,进 气 箱 大 端 面 积 。K故 mLZ 14250360534.0进气中心高度（从进气中心至侧部底梁下端面）H4 为 tgLHZ 32056.0856014 （2）出气箱 出气箱最小面积为 2036195mF出气箱长度为 LZW15428.0.- 14 -出气箱大端高度 h5为 ma 234170362.950348.0172.08.15 （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 斗壁斜度最小 60，则灰斗高为20mmBLhH 53420413872.47
20、3.11 （4）气流分布板a.分布板层数的确定由于 2074.936.051280FK故分布板层数取 2nb.分布板的阻力系数可由式 确定120nKFN式中 阻 力 系 数 ；取量 计 算 的 速 度 场 系 数 ，气 流 在 入 口 处 按 气 流 动 8.100 NN多 孔 板 层 数 。n所以 5.1674.981c.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- 15 -2170.ff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 %30fd.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 rPDH8.0式中 ；进 气 管
21、的 水 力 半 径 ，02nFDrr 断 面 的 水 力 直 径 。0FnmnFDr 30.6.9512700 24.8r故取 mHP50.相邻两层多孔板的距离 应满足条件为2l rDl2.式中 ；进 气 管 的 水 力 半 径 ，0nFDrr 断 面 的 水 力 直 径 。0Fn由 259.08.32.020nFDr- 16 -取 ml4.02根据图，可以计算的宽度和高度分别为， ，mB28.1901H283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，故两层分布板高度为630，29301H2763多孔板可由 3mm 厚的钢板弯成槽制成，其弯边可为 25mm，这样可
22、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
23、线间距的确定 阴极排和通道数相等，故 12Zy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。c.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- 17 -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 30003500V/cm,空载电场为 4000V/cm。工作电压 kVcmVU70623501 空载电压 kc841b.二次
24、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 ，故整流设备应输出的电流为23.6850mAI3.5.4（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
25、动。- 18 -四、 烟囱的设计4.1. 烟囱高度的确定首先确定公用一个烟囱的所有锅炉的总蒸发量（t/h） ，然后根据锅炉大气污染物排放标准中的规定（表 3-1 锅炉烟囱高度）确定烟囱高度。表 3-1 锅炉烟囱高度烟囱总额定出力/(t/h) 1 12 26 610 1020 2035烟囱最低高度/(m) 20 25 30 35 40 45锅炉总额定出力： ht164故选定烟囱高度为 。m04.2. 烟气直径的计算烟囱出口内径可按下式计算： )(018.mQd式中 ；通 过 烟 囱 的 总 烟 气 量 ，hmQ3。烟 气 速 度 ，按 下 表 选 取 的 烟 囱 出 口 s烟囱出口烟气流速(m/
26、s)- 19 -运行情况通风方式全负荷 最小负荷机械通风 1020 45自然通风 610 2.53选定 sm4md92.140318.圆整取 。d9.1烟囱底部直径： mHid21式中 m;2烟 囱 出 口 直 径 ，d；烟 囱 高 度 ，H。通 常 取烟 囱 锥 度 03.2.ii取 ，02.i md5.3402.9.14.3. 烟囱的抽力 PaBttHSpky )2731(0342.式中 ；烟 囱 高 度 ，mH- 20 -外 界 空 气 温 度 ， ；kt;烟 囱 内 烟 气 平 均 温 度 ，pt。当 地 大 气 压 ， PaBPaSy 18306.97)1237(4032. 五、系统
27、阻力的计算5.1 摩擦压力损失对于圆管： )(2PavdLp式中 ；管 道 长 度 ，mL；管 道 直 径 ，d；管 中 气 流 平 均 速 度 ， s） 。值 可 取对 砖 砌 或 混 凝 土 管 道 ，值 可 取对 金 属 管 道可 以 查 手 册 得 （ 实 际 中 的 函 数 。和 管 道 相 对 粗 糙 度雷 诺 数摩 擦 阻 力 系 数 ， 是 气 体 04.02.Re dKa.对于 圆管50 mL5.9384.0327.160273kgn- 21 -PaPL 91.3520.84.5092. b.对于砖砌拱形烟道 224BDAm50故 mB531则 XAR式中，A 为面积，X 为
28、周长。5.2 局部压力损失 )(2Pap式中 数 ；异 型 管 件 的 局 部 阻 力 系；速 率 ，相 对 应 的 断 面 平 均 气 流与 sm。烟 气 密 度 ， 3mkg下图中一为渐缩管。- 22 -3505060 30A2A1一 二 三1.045时 ，取 sm.， )(45.920.18.02Papml 1.0567tan0.1图中二为 30Z 形弯头 h6.059.3.298.17.1.06.， 取DRe查手册得 0.1e57 )(84.120.584.17.02Pap图中三为渐扩管- 23 -79.1485.03221A查大气污染控制工程附表十一，并取 则 19.0 )(96.1
29、720.584.1902Papml 3.tan.3右图中 a 为渐扩管 1.045时 ， sm.3， )(45.920.18.02PapmL93.图中 b、c 为 90弯头 23.050， 则， 取 DR则 )(74.210.584.2 Pap两个弯头 Pap.437.12对于如下图所示 T 形三通管- 24 -78.0 )(71.320.584.702Pap对于 T 形合流三通5.0 )(98.5120.84.52Pap系统总阻力（其中锅炉出口前阻力为 800Pa，除尘器阻力 1400Pa）为Pah78.2456 14089.571.348.5.96174.913 5.3. 确定除尘器、风机
30、、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- 25 -mQd4式中 ；量 ，工 况 下 管 道 内 的 烟 气 流sQ3。对 于 锅 炉 烟 尘烟 气 流 速 ， sm150s取 14则 d51.092圆整并选取风道钢质板风管m外 径 允 许 偏 差 m壁 厚500 75.0md5.497.0251内 径由公式 可计算出实际烟气
31、流速：Q4 smdQ0.1549.0241mD外 径- 26 -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 hmBtQpy 325.102731.式中 风 量 备 用 系 数 ；1.；，标 准 状 态 下 风 机 前 风 量 hmQ3；以 近 似 取 锅 炉 排 烟 温 度 ， 若 管 道 不 太 长 ， 可风 机 前 烟 气 温 度 ,pt。当 地 大 气 压 ， kPaBhmQ3186.9732502163651. 6.2 风机风压计算 PaBtShHyypyy 293.15.0273.1式中 风 压 备 用 系 数 ；2.1；系 统 总 阻 力 ， aPh；烟 囱 抽
32、力 ，Sy风 机 前 烟 气 温 度 ， ；pt验 用 气 体 温 度 ， ；风 机 性 能 表 中 给 出 的 试yt- 27 -。标 准 状 态 下 烟 气 密 度 ，3kg4.1my PaHy 9.25634.15.9702687.256.1 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/kW6.5C 2620 2 11930 2992 78.6 12.61 17.666.3 电动机功率计算 kWHQNye21036式中 ；风 机 风 量 ，hmQy3；风 机 风 压 ， aPHy；， 高 效 风 机 为一 般 风 机 为风 机 在 全 压 头 时 的 效 率 9.06.01；形 带 传 动 时， 用 ， 用 联 轴 器 连 接 时与 电 机 直 联 传 动 时机 械 传 动 效 率 ， 当 风 机 95.98.05. 122 2V。风 机 ，电 动 机 备 用 系 数 ， 对 引3.1 kWNe 9.165.06028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。
