1、河南城建学院设计 - 1 -摘 要目前我国环保要求日益严格，电厂负荷调节范围较大、煤种多变，原煤直接燃烧比例高、国民经济发展不平衡，燃煤与环保的矛盾日益突出的情况下，循环流化床锅炉已成为首选的高效低污染的新型燃烧技术。本设计采用 CFB 锅炉，CFB 属于低温燃烧，燃烧过程中直接脱硫，燃料适应性强且燃烧效率高，排出的灰渣活性好，易于实现综合利用。除尘器采用袋式除尘器，已达到高效除尘的效果。循环流化床是把煤和吸附剂加入燃烧室的床层中，从炉底鼓风使床层悬浮进行流化燃烧，形成了湍流混合条件，延长了停留时间，从而提高了燃烧效率。其反应过程是煤中硫燃烧生成二氧化硫，同时石灰石煅烧分解为多孔状氧化钙，二氧
2、化硫到达吸附剂表面并反应，从而达到脱硫效果。该工艺通过吸收剂的多次再循环，延长吸收剂与烟气的接触时间，提高了吸 （Ca/S：1.11.2）情况下接近或达到湿法工艺的脱硫效率。 设计中采用袋式除尘技术，袋式除尘器是一种干式滤尘装置。它适用于捕集细小、干燥、非纤维性粉尘。当含尘气体进入袋式除尘器地，颗粒大、比重大的粉尘，由于重力的作用沉降下来，落入灰斗，含有较细小粉尘的气体在通过滤料时，粉尘被阻留，使气体得到净化。关键词：干法烟气脱硫，循环流化床锅炉，袋式除尘技术河南城建学院设计 - 2 -河南城建学院设计 目录- 1 -目录1 概述 .- 1 -1.1 三废锅炉烟气污染现状 .- 1 -1.2
3、烟气脱硫技术的发展 .- 1 -1.2.1 国外研究动态 .- 1 -1.2.2 国内研究动态 .- 2 -1.3 循环流化床脱硫工艺特点 .- 2 -1.4 循环流化床的反应机理 .- 3 -1.4.1 固体流态化机理 .- 3 -1.4.2 化学反应机理 .- 3 -2 设计资料 .- 6 -2.1 单位生产情况 .- 6 -2.2 煤质资料参数 .- 6 -2.3 灰成分分析 .- 6 -2.4 气象和地理条件 .- 7 -2.5 排放浓度 .- 7 -2.6 工艺流程的选择 .- 8 -3 袋式除尘器的选型与设计 .- 9 -3.1 除尘器的选择 .- 9 -3.2 过滤机理 .- 9
4、 -3.3 除尘器的选型 .- 10 -3.3.1 构造及工作原理 .- 11 -3.3.2 主要特点 .- 12 -3.4 燃煤锅炉排烟量及烟尘和二氧化硫浓度的计算 .- 13 -3.4.1 标准状态下理论空气量 .- 13 -3.4.3 标准状态下实际烟气量 .- 13 -3.4.4 标准状况下烟气含尘浓度 .- 14 -3.4.5 标准状态下锅炉仅燃煤情况下烟气中二氧化硫浓度的计算 .- 14 -3.4.6 锅炉燃烧造气炉废气计算 .- 14 -3.4.7 锅炉燃烧洗中煤和造气炉废气的综合粉尘浓度 .- 14 -3.4.8 锅炉仅燃烧造气炉废气产生的 量计算 .- 15 -2SO3.4.
5、9 两台锅炉燃烧造气炉废气和洗中煤产生 的综合浓度 .- 15 -23.4.10 标准状况下锅炉出气量 .- 15 -河南城建学院设计 目录- 2 -3.5 除尘器的确定 .- 15 -3.5.1 工况下烟气流量 .- 15 -3.5.2 除尘效率 .- 16 -4 循环流化床的设计计算 .- 19 -4.1 空塔气速的确定 .- 19 -4.2 流化床直径的计算 .- 20 -4.3 流化床高度的计算 .- 20 -4.3.1 临界流化床高度 .- 21 -4.3.2 流化床高 Lf .- 22 -4.3.4 分离高度 TDH.- 22 -4.3.5 流化床总高 .- 22 -4.4 循环就
6、化床系统的其他构件 .- 23 -4.4.1 气流分布板 .- 23 -4.4.2 床重计算 .- 23 -4.4.3 螺旋进料器的选型 .- 26 -4.5 气固分离装置 .- 28 -4.6 检测系统 .- 28 -4.7 喷水量的确定 .- 29 -4.7.1 喷水机理 .- 29 -4.7.2 喷水量的确定. .- 29 -4.8 喷嘴的选择 .- 31 -5 系统阻力计算与风机的选择 .- 33 -5.1 管道的阻力计算 .- 33 -5.1.1 直管的阻力计算 .- 33 -5.1.2 局部阻力损失的计算 .- 34 -5.2 设备阻力的计算 .- 35 -5.2.1 袋式除尘器的
7、阻力 .- 35 -5.2.2 流化床主体的阻力 .- 35 -5.3 风机型号的选择 .- 36 -6 烟囱的设计 .- 37 -6.1 烟囱高度的设计方法 .- 37 -6.2 烟囱的设计计算 .- 38 -6.2.1 烟囱高度的确定 .- 38 -6.2.2 烟囱直径的计算 .- 38 -河南城建学院设计 目录- 3 -参考文献 .- 40 -致谢 .- 41 -河南城建学院设计 前言- 1 -前言大气是人类赖以生存的最基本的环境要素。随着人类生产活动和社会活动的增加，尤其是工业革命以来，煤、石油等化石燃料的燃烧造成 SO2、NOx 和颗粒物等污染物的排放，使大气质量日趋恶化，已经到达了
8、非治不可的地步。我国的能源消费结构以煤为主，所以说环境保护形式非常严峻，CO2、SO 2、烟尘和氮氧化物等以及由此产生的酸雨（指 pH5.6 的降水）对我国的大气环境造成了极大的危害。对人体健康，SO 2污染有广泛、长期、慢性作用的特点，可导致呼吸道等多种疾病，降低人体的免疫功能；对生态环境，酸雨使土壤酸化和贫瘠化，植物生长减慢，湖水酸化，鱼类生长受到抑制；对建筑物和材料，酸雨具有强烈的腐蚀作用，至于对古建筑物等历史文化遗产的损害，则是无法用经济数字来估算的。由酸雨引起各种破坏造成的经济损失每年达数百亿元，已成为制约我国国民经济持续健康发展的重要因素之一。而且我国已是世界环境发展大会“气候变化
9、框架公约”的签字国，对温室气体排放量承担着国际义务，对 SO2污染的控制刻不容缓。为此，我国于 2000 年对大气污染防治法进行了修订。这次修订明显加大了大气污染防治力度，规定了数项重大的大气污染防治法律制度和措施，为我国控制酸雨和 SO2污染提供了法律依据。我国不能完全照搬外国大型电站烟气除尘脱硫的方法和技术，必需立足国内，结合国情，研制和开发投资省、运行费用低、技术可行、具有真正使用价值和推广前景的除尘脱硫一体化设备。这对缓解我国酸雨和二氧化硫的危害、促进国民经济持续发展具有重大的意义。河南城建学院设计 1 概述- 1 -1 概述1.1 三废锅炉烟气污染现状我国排放的二氧化硫已连续多年超过
10、 2000 万吨，居世界首位。火电厂的二氧化硫排放占整个二氧化硫排放量的比重相当高。据统计燃煤工业锅炉的二氧化硫排放量占全国二氧化硫排放量达到 40%左右。我国酸雨和二氧化硫污染严重，酸雨面积已经占国土面积的 30%。同时我国能源结构的特点决定了控制燃煤二氧化硫的排放是我国控制二氧化硫污染的重点。目前，各国研究的烟气脱硫方法已超过一百种，其中有的进行了中间试验，有的还处于实验室研究阶段，已用于工业生产的只有十余种。中国环境保护 21 世纪议程颁布后，对其中的固定源大气污染的控制，建议采取如下以行动方案。（1）推广应用循环流化床燃烧脱硫成套技术和火电厂烟气脱硫技术；（2）发展燃煤电站 SO2控制
11、技术，其中包括大型流化床燃烧脱硫技术、旋转喷雾干燥脱硫技术、炉内喷钙技术并建立示范工程；（3）综合控制 SO2面源污染（烟囱高度40m） ，相应技术包括型煤燃烧成套技术、循环流化床燃烧技术、湿式脱硫除尘技术和炉内喷钙技术等。1.2 烟气脱硫技术的发展1.2.1 国外研究动态当前应用的烟气脱硫方法大致上有三类：干法脱硫、半干法脱硫和湿法脱硫。根据对脱硫生成物是否可以继续使用，脱硫方法还可分为抛弃法和回收法两种。根据净化原理和流程来分类，烟气脱硫方法又可分为下列三种： （1）用各种液体和固体物料吸收和吸附废气中的二氧化硫；（2）将废气中的二氧化硫在气流中氧化为三氧化硫，再冷凝吸收制成硫酸；（3）将
12、废气中的二氧化硫在气流中还原为硫。河南城建学院设计 1 概述- 2 -为了防止二氧化硫污染和酸雨污染，各国均致力于开发先进的烟气脱硫技术，目前已形成工业化运行的烟气脱硫技术主要有：以日本为代表的湿式石灰-石灰石法专利技术，以日本和意大利为代表的湿式氨法专利技术，以美国为代表的氧化镁脱硫工艺专利技术，以英国为代表的碱式硫酸铝专利技术，以美国为代表的喷雾干燥法专利技术，以美国和芬兰为代表的喷钙脱硫专利技术，以德国为代表的循环流化床脱硫专利技术，以及以美国为代表的荷电干式吸收剂喷射脱硫技术专利技术等。后四种脱硫技术属于干法脱硫技术。国外循环流化床烟气脱硫（CFB）工艺技术是 20 世纪 80 年代末
13、由德国鲁奇公司研究开发的。该公司是世界上第一台循环流化床锅炉的开发者，现又把循环流化床技术引入烟气脱硫领域，取得了良好的效果，德国的 wulff 公司在该技术的基础上开发了回流式循环流化床技术，丹麦 FLS.Miljo 公司开发的气体悬浮技术也得到了工程应用。CFB 工艺是近年来新兴起的具有世界先进水平的脱硫技术。具有干法脱硫的许多优点，如投资少、占地面积小、流程简单，而且可在较低的钙硫比下达到与湿法脱硫技术相近的脱硫效率，并能同时达到除尘效果（郝吉明等，2001） 。从烟气脱硫技术看，目前国内外的发展趋势是：由湿法向干法、半干法发展，由单一脱硫向同时除尘脱硫发展，由单一脱硫向同时脱硫脱硝发展
14、。1.2.2 国内研究动态CFB 工艺技术在国际上已趋于成熟。目前国内在这方面的基础工作已经起步。清华大学“煤的高效低污染燃烧”国家重点实验室做了约 400m3/h 的烟气量的机理试验研究，东南大学热能工程研究所也完成了模拟中试试验研究，试验规模2000m3/h(郝吉明等，2001） 。西安建筑科技大学 1993 年率先在国内开展了 CFB 工艺技术研究开发，并两次获原冶金工业部科学研究基金资助，在完成 300m3/h 烟气量的实验室机理研究的基础上，1997 年与鞍山钢铁公司合作，在鞍钢工业窑炉现场完成了 5000m3/h 烟气量的半工业性试验，取得了阶段性研究成果，在 CFB 工艺烟气除尘
15、脱硫技术开发领域，居国内领先水平。2002 年，西安建筑科技大学获国家自然科学基金（50174042）资助，重点研究循环流化床脱硫的工业运行参数。河南城建学院设计 1 概述- 3 -1.3 循环流化床脱硫工艺特点循环流化床脱硫工艺的吸收剂可以用生石灰在现场进行干消化所得到的氢氧化钙细粉，也可以用废碱液或电石渣，从而节省投资费用，减少了能源消耗，使运行费用大为降低。该工艺是一种干法流程，所以不像湿法、半干法那样需要由许多庞大的贮存罐、易磨损的浆液输送泵等组成的复杂的吸收及制备、输送系统，从而大大简化了工艺流程。脱硫产物性质稳定，可以作为建筑材料使用，也可以进一步综合利用。该工艺通过吸收剂的多次再
16、循环，延长吸收剂与烟气的接触时间，提高了吸收剂的利用率，具有流程简单、占地少、投资小等优点，而且能在较低的钙硫比（Ca/S：1.11.2）情况下接近或达到湿法工艺的脱硫效率。 1.4 循环流化床的反应机理1.4.1 固体流态化机理固体颗粒的流动性差，若采取某种措施使颗粒也像流体一样呈流动状态，这种操作就称为固体流态化，进行流态化操作的设备叫流化床。当气体自下而上通过床层时，随着床层物料颗粒的特征，床层几何尺寸、气体流速等参数改变，其流态化状态不同。当改变空床气速时，固体流态化过程可大致分为固定床、流化床和气力输送三种情况。（1）固定床状态：在一个床内，当空床气速较小时，固体颗粒静止不动，气体从
17、物料颗粒间的缝隙穿过。（2）流化床状态：当床速增加到一定值后，固体颗粒开始松动，且颗粒位置也在一定区间进行调整，床层略有膨胀，床内空隙率开始增加，但固体颗粒仍保持接触，开始进入流化状态，此时的气流速度称为临界流化速度 ,当空床气mfU速超过 时，颗粒完全悬浮在向上的气流中，并在床层上形成一明显的上界面，mfU即床层的密相段，这是床内气固两相进行传质与传热的主要区域，在密相段中的固体看起来像沸腾着的液体，并且在很多方面具有液体的性质。（3）气力输送状态：当空床气速升高到一定值后，流化床上界面消失，床层空隙率剧增，颗粒分散悬浮在气流中，被气流带走，其相应气速称为最大气速，或称为颗粒的终端速度。tU
18、河南城建学院设计 1 概述- 4 -由上可知，要维持床层处于良好的流化床状态和脱硫效果，气流速度应处于与 之间，并且保持足够反应时间和较小的压力损失mfUt1.4.2 化学反应机理（1）SO 2被水吸收的化学反应机理 SO 2溶于水，发生下列反应SO2（g）+H 2O=H+HSO3-（2）CaO 吸收剂的水合反应 流化床内此反应在吸收剂 SO2与喷入的雾化水之间 进行，反应式为CaO（s）+ H 2O (l)=Ca(OH)2+1143.11J/gCaO 水合反应是一个剧烈的放热反应。当 CaO 对水产生剧烈亲和反应，把水吸进固体空隙中，激发大量的热，在粒子内部产生强大的膨胀力，使颗粒迅速分裂破
19、碎，变为小颗粒。（3）CaO 与 SO2、O 2的反应CaO（s）+ SO 2 (g)+ O2= CaSO4(s)由热力学观点来看，反应速度受反应条件（如温度，浓度）的严格限制，在760以上时，此反应变得显著，温度不断升高，反映速度亦随着增加，当温度增加到 1000以上后，反映速度增加的非常缓慢。（4）Ca(OH) 2与 SO2的反应Ca(OH)2 (s)+ SO2 (g)= CaSO3(s)+ H2O (g)此反应在 590条件下，可以直接完全进行。对于以除去 SO2 来说，温度应保持在 480650范围内，若反应温度低于 480时，反映几乎就无法进行。但是，当气相中存在一定量水分时，即使反应温度小于 120时，反应也是可以进行的。KlingSper 首先系统 研究了温度对脱硫效率的影响，并认为（a）温度是此反应最为重要的影响因素。（b）反应在 420以下进行时，脱硫效率受温度影响不大，虽然 Ca(OH)2与SO2的反应随温度升高，反映速率有所提高，但温度不超过 420时，效果不显著。（c）CaO、SO 2的水合反应是个极快的放热反应，只要湿度足够，大多数 CaO将迅速反应生成 Ca(OH)2。
