大气污染控制工程课程设计实例
大气污染控制工程课程设计实例
一、课程设计题目
某燃煤采暖锅炉烟气除尘系统设计
二、课程设计的目的
通过课程设计使学生进一步消化和巩固本能课程所学内容，并使所学的知识系统化，培养学生运用所学理论知识进行净化系统设计的初步能力。通过设计，使学生了解工程设计的内容、方法及步骤，培养学生确定大气污染控制系统的设计方案、进行设计计算、绘制工程图、使用技术资料、编写设计说明书的能力。
三、设计原始资料
锅炉型号：SZL4-13型，共4台
设计耗煤量：600kg/h(台)
排烟温度：160℃
烟气密度：1.34kg/Nm3
空气过剩系数：=1.4
排烟中飞灰占煤中不可燃成分的比例：16%
烟气在锅炉出口前阻力：800Pa
当地大气压力：97.86kPa
冬季室外空气温度：-1℃
空气含水按0.01293kg/ Nm3
烟气其他性质按空气计算
煤的工业分析值：
Y
O=5%，C=68%，Y
H=4%，Y S=1% ，Y
Y
V=13%
W=6%，Y A=15%，Y
N=1%，Y
按锅炉大气污染物排放标准（GB13271-2001）中二类区标准执行：
烟尘浓度排放标准：200mg/ Nm3
二氧化硫排放标准：900mg/ Nm3
净化系统布置场地为锅炉房北侧15m以内。
四、设计计算
1．燃煤锅炉排烟量及烟尘和二氧化硫浓度的计算 （1）理论空气量
()
Y Y Y Y a
O S H C Q 7.07.056.5867.176.4-++=' /kg)(m N 3 式中：Y
C 、Y H 、Y
S 、Y
O 分别为煤中各元素所含的质量百分数。
)
/(97.6)05.07.001.07.004.056.568.0867.1(76.4'3kg m
Q N
a =?-?+?+??=
（2）理论烟气量（设空气含湿量12.93g/m 3N ）
Y a a Y Y Y Y s
N Q Q W H S C Q 8.079.0016.024.12.11)375.0(867.1+'+'++++='
（m 3N /kg ）
式中：a
Q '—理论空气量（m 3N /kg ） Y
W —煤中水分所占质量百分数；
Y N —N 元素在煤中所占质量百分数
/kg)
(m 42.701.08.097.679.097.6016.006.024.104.02.11)01.0375.068.0(867.1'N 3=?+?+?+?+?+?+?=s Q
（3）实际烟气量
a s
s Q Q Q '-+'=)1(016.1α （m 3N /kg ） 式中： —空气过量系数。
s
Q '—理论烟气量（m 3N /kg ） a
Q '—理论空气量（m 3N /kg ） 烟气流量Q 应以m 3N /h 计，因此。?=s Q Q 设计耗煤量
/h)
（m
615060025.10/kg)(m 25.1097.6)14.1(016.142.7N
3N 3=?=?==?-?+=设计耗煤量s s Q Q Q
（4） 烟气含尘浓度：
s
Y
sh Q A d C ?= （kg/m 3N ）
式中：sh d —排烟中飞灰占煤中不可燃成分的百分数； Y A —煤中不可燃成分的含量；
s Q —实际烟气量（m 3N /kg ）。
)
(mg/m 1034.2)(kg/m 1034.225
.1015
.016.0N 33N 33?=?=?=
-C （5） 烟气中二氧化硫浓度的计算
61022
?=S
Y SO Q S C （mg/ m 3N ） 式中：Y
S — 煤中含硫的质量分数。
S Q — 燃煤产生的实际烟气量（m 3N /kg ）
)
(mg/m 1091.11025
.1098
.001.02N 336
2?=???=
SO C 2．除尘器的选择 （1）除尘效率
C
C s
-
=1η 式中：C —烟气含尘浓度，mg/m 3N ；
C s —锅炉烟尘排放标准中规定值，mg/m 3N 。
3
200
191.45%2.3410η=-
=?
（2）除尘器的选择
工况下烟气流量：T
QT Q '
'=
（m 3/h ）； 式中，Q —标准状态下的烟气流量，m 3/h ； 'T —工况下烟气温度，k ； T —标准状态下温度273k 。
/s)(m 7.23600
9754
3600'/h)
(m 9754273
)
160273(6150'33===+?=
Q Q 根据工况下的烟气量、烟气温度及要求达到的除尘效率确定除尘器：由陕西蓝天锅炉设备制造有限公司所提供的“XDCG 型陶瓷多管高效脱硫除尘器”（《国家级科技成果重点推广计划》项目）中选取XDCG4型陶瓷多管高效脱硫除尘器。产品性能规格见表1，设备外型结构尺寸见表2。
表1 XDCG4型陶瓷多管高效脱硫除尘器产品性能规格
表2 XDCG4型陶瓷多管高效脱硫除尘器外型结构尺寸（见图1）
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、管路短、占地面
积小，并使安装、操作和检修方便。
（2）管径的确定
πν
Q
d 4=
（m ）
式中，Q —工况下管道内的烟气流量（m 3/s ）；
ν—烟气流速（m/s ）（对于锅炉烟尘ν=10-15 m/s ）。 取ν=14 m/s ，
49.014
14.37
.24=??=
d （m ）
圆整并选取风道：
内径=d 1=500-2?0.75=495.5mm 由公式πν
Q
d 4=
可计算出实际烟气流速：
8.134955
.014.37
.2442
2=??==
d Q πν （m/s ） 4．烟囱的设计
（1）烟囱高度的确定
首先确定共用一个烟囱的所有锅炉的总的蒸发量（t/h ），然后根据锅炉大气污染物排放标准中的规定（表3）确定烟囱的高度。
表3 锅炉烟囱高度表
锅炉总额定出力：4?4=16（t/h ） 故选定烟囱高度为40m 。 （2）烟囱直径的计算
烟囱出口内径可按下式计算：
?
Q
d 0188
.0= （m ）
式中：Q —通过烟囱的总烟气量（m 3/h ）
ω—按表4选取的烟囱出口烟气流速（m/s ）
表4 烟囱出口烟气流速m/s
选定ω=4m/s
m d 83.14
9754
40188
.0=?= 圆整取d=1.8m 烟囱底部直径
H i d d ??+=221 （m ） 式中：d 2—烟囱出口直径（m ）； H —烟囱高度（m ）；
i —烟囱锥度（通常取i =0.02~0.03）。
取i =0.02，
d 1=1.83+2?0.02?40=3.5m 。 （3）烟囱的抽力
B t t H S p k y ????
?
?
?+-+=2731
27310342.0 （Pa ） 式中，H —烟囱高度（m ）； t k —外界空气温度（℃）； t p —烟囱内烟气平均温度（℃）； B —当地大气压（Pa ）。
)
(1831086.97)160
2731
12731(400342.03
Pa S y =??+--??= 5. 系统阻力的计算 （1）摩擦压力损失
对于圆管， 2
.2
ρυλd L P L =? （Pa ）
式中， L —管道长度（m ） d —管道直径（m ）； ρ—烟气密度（kg/m 3）； υ—管中气流平均速率（m/s ）；
λ—摩擦阻力系数，是气体雷诺数Re 和管道相对粗糙度
d
K
的函数。可以查手册得到（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=9.5m
)/(84.0443
273
34.11602732733m kg n
=?=+=ρρ
)(4.302
8.1384.05.05.902.02
Pa P L =???=?
b ． 对于砖砌拱型烟道
222)2
(24
2B
B D A ππ
+
=?
=
mm
B mm D 450500==故
则X
A R =
式中，A 为面积，X 为周长。 （2）局部压力损失
2
2
ρυξ?
=?P （Pa ）
式中：ξ—异形管件的局部阻力系数，可在有关手册中查到，或通过实验获得；
图3中一为减缩管 α≤45℃时，ξ=0.1 取α=45℃、υ=13.8m/s
)(0.82
8.1384.01.022
2
Pa P =??==?ρυξ
)(12.05.67tan 05.01m l =?=
图3中二为30℃Z 型弯头
)(6.0595.039.2985.2m h ==-=
12.05
.06
.0==D
h
，取157.0'=ξ
'Re ξξξ=
由《通风》817页表18-17得Re ξ=1.0
157.0157.00.1=?=ξ
)(6.122
8.1384.0157.022
2
Pa P =??==?ρυξ
图3中三为渐扩管
79.14
4985.014.31
35.02
2
1
=?
?=A A
查《大气污染控制工程》附表十一，并取o
30=α 则19.0=ξ
)(2.152
8.1384.019.022
2
Pa P =??==?ρυξ
l 图4 除尘器出口至风机入口段管道示意图
图4中a 为渐扩管
1.045=≤ξα时，o
取s m o
/8.13,30==υα
)
(93.0)
(0.82
8.1384.01.022
2
m l Pa P ==??==?ρυξ 图4中b 、c 均为90o 弯头
,23.0,,500===ξ则取D R D
则)(4.182
8
.1384.023.02
2
2Pa P =??
==?ρυ
ξ
两个弯头)(8.364.1822'Pa P P =?=?=? 对于如图5所示T 型三通管：
图5 T 型三通管示意图
78.0=ξ
)(4.622
8.1384.078.022
2
Pa P =??==?ρυξ
对于T 型合流三通：
55.0=ξ
)(442
8.1384.055.022
2
Pa P =??==?ρυξ
系统总阻力（其中锅炉出口前阻力为800Pa ，除尘器阻力1400 Pa ）：
∑++++++++++=?1400800444.628.360.82.156.120.81.844.30h
)(5.2601Pa =
6．风机和电动机选择及计算
（1）风机风量的计算 B
t Q Q p
y 325
.101273
2731.1?
+?
= （m 3/h ） 式中：1.1—风量备用系数； Q —风机前风量（m 3N /h ）；
t p —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 —当地大气压力（kPa ）。
/h
m 8.1110986.97325
.101273
16027361501.13=?
+??=y Q
（2）风机风压的计算
∑?
?
++-?=Y
y
p y y B t t S h H ρ293
.1335.101273273)
(
2.1 （Pa ） 式中： 1.2—风压备用系数；
∑?h —系统总阻力（Pa ）
S y —烟囱抽力（Pa ）； t p —风机前烟气温度
t y —风机性能表中给出的试验用气体温度（℃）； ρy —标况下烟气密度（γ=1.34kg/m 3N ）。
)
(240034.1293.186.97325.101250273160273)1835.2601(2.1Pa H y =?
?++-=
根据y y H Q 和选定Y5-47-136.5C 工况序号为2的引风机，性能表为：
（3）电动机功率的计算 2
110003600ηηβ?=
y y H Q Ne （kw ）
式中：Q y —风机风量（m 3/h ）； H y —风机风压（Pa ）；
η1—风机在全压头时的效率（一般风机为0.6，高效风机约为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，用三角皮带传动时η2=0.95； β—电动机备用系数，对引风机，β=1.3。
9.1695
.06.010*******
.1240011109=?????=
Ne （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。 7、系统中烟气温度的变化
（1）烟气在管道中的温度降 V
C Q F
q t ??=
?1 （℃）
式中：Q —烟气流量（m 3N /h ） F —管道散热面积（m 2）
C V —烟气平均比热（一般C =1.352~1.357kJ/m 3N ?℃）； Q —管道单位面积散热损失。 室内q =4187kJ/m 2?h 室外q =5443kJ/m 2?h
室内管道长：L=2.18-0.6-0.12=1.46m
229.25.046.114.3m D l F =??=?=π
室外管道长L=9.5-1.46=8.04m
262.125.004.814.3m D l F =??=?=π
354
.150.6)
62.12544329.24187(2
2112
2111??+?=
?+=?+?=?v
v
v C Q F q F q C Q F
q C Q F q t
=9.4（℃）
（2）烟气在烟囱中的温度降： D
A H t ?=
?2 （℃）
式中：H —烟囱高度（m ）；
D —合用同一烟囱的所有锅炉额定蒸发量之和（t/h ）； A —温降系数，可由表5查得。
表5 烟囱温降系数
44
44.0402=??=
?t （℃）
总温度降4.1344.921=+=?+?=?t t t （℃）
五、主要参考书目（略）