燃煤锅炉脱硫系统设计

环境工程综合实验
课程设计
专业: 环境工程
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1 课程设计题目 (3)
2 设计依据 (3)
2.1 技术标准及依据 (3)
2.2 设计参数及参数范围 (3)
2.3 设计原则及设计目标 (4)
3 污染源强分析 (4)
3.1 污染物浓度的计算 (4)
3.2烟气中SO2的浓度计算 (6)
3.3烟气SO2排放量的计算 (6)
4 工艺设计 (7)
4.1 工艺选择 (7)
4.2吸收设备的选择 (7)
4.3 工艺原理 (8)
4.4 脱硫系统工艺流程 (9)
4.5 工艺组成 (9)
5 相关的设计计算 (10)
5.1 脱硫剂液箱容量与设计 (10)
5.2 增压风机 (10)
5.3 SO2吸收系统 (10)
5.3.1 塔径及底面积计算 (10)
5.3.2 脱硫塔高度计算 (11)
6 附图 (12)
附图1 双碱法烟气脱硫工艺流程图 (12)
附图2 吸收塔系统 (13)
附图3 吸收塔平面图 (13)
1 课程设计题目
四川省某火电厂30t/h燃煤锅炉烟气的脱硫系统设计
2 设计依据
2.1 技术标准及依据
（1）《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）
（2）《工业锅炉及炉窑湿法烟气脱硫工程技术规范》（HJ462－2009）
（3）《大气污染防治手册》
（4）《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2001）
（5）《环境空气质量标准》（GB3095-1996）
（6）《四川省大气污染物排放标准》
2.2 设计参数及参数范围
（1）根据技术标准与排放标准，确定设计参数及设计范围。

锅炉型号：30 t/h 锅炉一台
烟气排放量：19000m3/h
燃料种类：无烟煤
燃煤量：2.237152t/h
炉内温度：700℃
锅炉排烟温度：155℃
烟气含氧量：60.2605mol/kg（燃煤）
m
目前SO2排放浓度：1353mg/3
N
含硫率：1.1%
锅炉热效率：75%
空气过剩系数：1.2
(2)拟用双碱法，据《工业锅炉及炉窑湿法烟气脱硫工程技术规范》（HJ 462－2009），故有:
液气比（G/L）为2
钙硫比（Ca/S）为1.1
净化效率η不小于95% 可用率为95%
2.3 设计原则及设计目标
设计原则：
（1）设计中为将来更加严格的排放标准及规模扩大留有余地。

（2）因地制宜，节省场地。

（3）严禁转移污染物，全面防治二次污染。

设计目标：
（1）根据《四川省大气污染物排放标准》标准，该火电厂标准状态下SO 2排放浓度应小于300 mg/m 3
（2）为保证电厂周围居民区空气质量，同时执行《环境空气质量标准》（GB3095—1996）的二级标准，即小于居民区大气中SO 2 最高允许的日平均浓度0.15mg/m 3 （3）总量控制指标达标
3 污染源强分析
3.1 污染物浓度的计算
含硫率为1.1%，选择煤种为无烟煤 以1kg 无烟煤为基础，则：
成分 质量/g 物质的量/mol 理论需氧量/mol C 649.572 54.131 54.131 H 25.308 12.654(分子) 6.327 O 14.06 0.879 -0.4395 N 6.327 0.226 (分子) —— S 7.733 0.242 0.242 H 20 75 4.17 —— 灰分 222 —— ——
(1) 理论需氧量为
(54.131+6.327-0.4395+0.242)mol/kg = 60.2605mol/kg （燃煤）
假定干空气中氮和氧的摩尔比为3.78，则1kg 燃煤完全燃烧所需要的理论空气量为： 60.2605×(1+3.78) mol/kg =288.0452 mol/kg （燃煤） 即标况下
288.0452×22.41000
m 3N /kg = 6.452 3
N m /kg （燃煤）
(2) 理论烟气量（按照标准状况换算体积，下同） 理论上烟气的组成为 CO 2 54.131mol/kg ；
H 2O 12.654+4.17=16.824 mol/kg;
N 2 60.2605×3.78+0.226=228.01mol/kg ; SO 2 0.242mol/kg ; 灰分 222mol/kg
故理论干烟气量为：
（54.131+228.01+0.242）mol/kg=282.383mol/kg （燃煤）
282.383×22.4
1000
3
N m /kg = 6.325 m 3N /kg （燃煤） 理论湿烟气量为：
（282.383+16.824）mol/kg=299.207mol/kg （燃煤）
299.207×22.41000
m 3N /kg = 6.702 3
N m /kg （燃煤） （3）实际烟气量
空气过剩系数为1.2，可求：
实际干烟气量V fg =理论干烟气量+理论空气量×（空气过剩系数-1）
=6.325+ 6.452× 0.2 = 7.6154 3N m /kg （燃煤）
实际湿烟气量V fg =理论湿烟气量+理论空气量×（空气过剩系数-1）
=6.702+ 6.452× 0.2 = 7.9924 3N m /kg （燃煤）
(4) 锅炉燃煤量：
h kg Q i i D B /)
(12η
⨯-=
低
式中：D ：锅炉每小时的产汽量（kg ／h ）；
Q 低：煤的低位发热量（kcal/kg ） η ：锅炉的热效率（%）；
i 2：锅炉在某工作压力下的饱和蒸汽热焓（kcal/kg ）；1.25MPa 时为1400.4kJ/kg i 1：锅炉给水热焓（kcal/kg ），一般给水温度取20℃，则i1=84.80kJ/kg ，
则:
h t h kg B /37.2/52.2371%
7522190)80.844.1400(100030==⨯-⨯⨯=
(5) 标准状态下的总干烟气量：
h m N /07.1806052.23716154.73
=⨯
标准状态下的总湿烟气量：
h m N /14.1895452.23719924.73=⨯
取设计烟气量为190003
N m /kg
3.2烟气中SO 2的浓度计算
(1) SO 2产污系数及其质量流量 二氧化硫产污系数：
P S Gso Y ⨯⨯⨯=100022 (Kg/t)
式中：S Y -燃煤应用基含硫量，%
P-燃煤中硫的转化率（煤粉炉一般取0.9），%
94.13919.0%)1.13.70(10002100022=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=P S Gso Y Kg/t
脱硫装置入口烟气中的SO 2质量流量可根据下面公式估算：
100
)
1001(2)(2ar
S q Bg K SO M -
⨯⨯⨯= 式中：M(SO2)——脱硫装置入口烟气中的SO2质量流量，t/h
K ——染料燃烧中硫的转化率（煤粉炉一般取0.9） Bg ——锅炉最大连续工况负荷时的燃煤量，t/h q ——锅炉机械未完全燃烧的热损失，% S ar ——燃料的收到基硫分，%
所以：
h Kg SO M /742.24100
1
.1%3.70)100251(37.29.02)(2=⨯-⨯⨯⨯=
烟气中SO2 的实测浓度为：
/302.119000
1000742.24g =⨯
3N
m 根据《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2001）的相关规定，需将实物浓度折算，规定说明
燃煤锅炉，折算项目为烟尘，SO2，NOX 排放浓度时，过量空气折算系数α=1.8
锅炉大气污染物过量空气系数折算排放浓度按下式计算：
α
α'
⨯
'=C C 式中 C ——折算后的烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放浓度，g/ 3
N m
C '——实测的烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放浓度，g/ 3N
m α′——实测的过量空气系数
α ——规定的过量空气系数
已知a =1.2，燃煤锅炉的过量空气折算系数a =1.8 所以折算后烟气中SO2的浓度：
/8688
.12.1302.1mg c =⨯
=3
N m 3.3烟气SO2排放量的计算
《工业锅炉及炉窑湿法烟气脱硫工程技术规范》（HJ 462－2009）对于65t/h 以下工业锅炉脱
硫装置的设计脱硫效率不宜小于80%的标准。

则每小时去除SO 2的量为：
h kg /194.13%8010190008686=⨯⨯⨯-
出口烟气中SO2的排放量为：
h kg s mg /298.3/3298%)801(10190008686==-⨯⨯⨯-
取烟囱出口处平均风速u 为5.0m/s ；烟囱出口处烟气流速不应低于该高度处平均风速的1.5倍，故取烟囱出口流速v 为9.0m/s ；取
y
z
∂∂为0.5;烟气出口处烟流温度Ts 为155℃；烟囱高度取60m;烟囱出口内径D 为2m 。

根据霍兰德（Holland ）公式得烟气抬升高度：
m D T T T u D V H s a s S 53.11)2428
293
4287.25.1(520.9)7.25.1(=⨯-+⨯⨯=-+=
∆ 总高度H=60+11.53=71.53m 地面最大浓度
3
2
max /0151.053
.7155.032982m mg e =⨯⨯⨯⨯=
πρ
脱硫结果满足四川省《大气污染物排放标准》，亦满足《环境空气质量标准》的二级标准，即小于居民区大气中SO 2 最高允许的日平均浓度0.15mg/m 3，脱硫效果良好。

4 工艺设计
4.1 工艺选择
钠法由于脱硫剂较贵，因而运行费用高；氧化镁法的脱硫剂氧化镁不仅价格较贵，而且广东地区镁源不足，造成运行成本高昂；氨法存在氨泄漏问题，容易造成二次污染，而且脱硫剂价格高，因而在中小型锅炉中应用不多。

相对于以上三种工艺，双碱法消耗的脱硫剂主要是价廉的石灰。

吸收液中的钠碱通过再生，大部分可循环回用，减少了运行费用，具有投资少、占地面积较小、运行费用低等优点，符合中小型锅炉烟气脱硫工艺选择的“技术成熟、经济合理、工程可行’”三统一原则，因此本方案采用双碱法脱硫工艺。

4.2吸收设备的选择
SO 2吸收净化过程，处理的是低浓度SO 2烟气，烟气量相当可观，要求瞬间内连续不
断地高效净化烟气，脱硫吸收器的选择原则，主要是看其液气接触条件、设备阻力以及吸收液循环量，因此选用气相为连续相、湍流程度高、相界面较大的吸收塔作为脱硫塔比较合适。

通常，喷淋塔、填料塔、板式塔、文丘里吸收塔等能满足这些要求。

吸收设备中，喷淋塔液气比高，水消耗量大；筛板塔阻力较大，防堵性能差；填料塔防堵性能差，易结垢、黏结、堵塞，阻力也较大；湍球塔气液接触面积虽然较大，但易结垢堵塞，阻力较大；文丘里阻力大。

相比之下，旋流板塔具有负荷高、压降低、不易堵、弹性好等优点，适用于快速吸收过程，且除尘脱硫效率高。

因此，选用旋流板塔脱硫除尘器。

4.3 工艺原理
（1）吸收反应
洗涤过程的主要反应式：
在洗涤过程中生成亚硫酸钠。

（2）再生反应
用石灰浆料进行再生时：
↓
亚硫酸钙的一般形式为半水亚硫酸钙。

用石灰石粉再生时：
+ +
（3）硫酸钠的去除
硫酸钠用硫酸酸化使其转变为石膏来去除。

加酸后，PH 下降到2―3，使亚硫酸钙转化为亚硫酸氢钙而溶于溶液中，
超过了石膏的溶度积，使石膏沉淀出来。

（4）氧化反应
在回收法中，最终产品是石膏，需将由再生反应应得到的亚硫酸钙氧化为石膏。

4.4 脱硫系统工艺流程
P-6
P-5
4.5 工艺组成
脱硫剂制备系统
脱硫剂制备系统主要包括：石灰消化池、钠碱罐、搅拌器及相应的阀门、管道及管件等。

由成品石灰（粒径小于10mm（90％）的粉状石灰）运至厂里后手工加入石灰消化池进行消化，消化后的石灰浆液自流至再生池中进行脱硫液再生反应。

烟气系统
热烟气自锅炉出来后进入吸收塔，向上流动穿过喷淋层，在此烟气被冷却到饱和温度，烟气中的SO2等污染物被脱硫液吸收。

经过喷淋洗涤后的饱和烟气，经除雾器除去水雾后，通过烟道经引风机进入烟囱排空。

从锅炉出口至脱硫塔进口段的连接烟道采用A3钢制作，并根据需要设置膨胀节。

SO2吸收系统
在吸收塔内，脱硫液中的氢氧化钠与从烟气中捕获的SO2、SO3等发生化学反应，生成亚硫酸钠和亚硫酸氢钠等物质。

脱硫后的净烟气通过除雾器除去气流中夹带的雾滴后排出吸收塔。

SO2吸收系统主要由脱硫主塔、连接烟道（副塔）、喷淋层、组合式除雾器、预埋件及外部钢结构、冲洗系统组成。

5 相关的设计计算
5.1 脱硫剂液箱容量与设计 (1)石灰消化池
本设计采用化灰池搅拌器，得含固率为15%的石灰浆液，其密度为1.2 t/ m3， 熟石灰的质量流量为26.46÷56×78=36.86kg/h 。

按照《工业锅炉及炉窑湿法烟气脱硫工程技术规范》（HJ 462－2009），脱硫剂浆液贮罐的容量宜不小于设计工况下2h 的浆液消耗量，所以，熟石灰浆液箱容量为
3m 41.021000
2.115%.86
36=⨯⨯⨯=
浆液箱V
所以设计V 浆液箱为0.5m 3。

尺寸：直径φ =0.85m ，高度h=0.86m 。

(2)钠碱溶解池
钠碱溶解池的有效容积取1.5m 3。

尺寸：直径φ =1.23m ，高度h=1.24m 。

5.2 增压风机
30t/h 锅炉相当于24.5MW 机组容量，参考HJ/ T 179-2005 经验，机组容量在300MW 以
下，脱硫增压风机可选用高效离心风机，增压风机的风量为满负30t/h 荷工况下烟气量的110%，增压风机的压头为脱硫装置在满负荷工况下并考虑10℃温度裕量下阻力的120%。

所以增压风机的风量为
h m Q /20900%110190003
=⨯=
正常状态下，烟气动过烟气管道、进口挡板、脱硫塔喷淋层、除雾板、烟气管道、出口挡板，整个系统压降为△P=△P 管道+△P 挡板+△P 喷淋+ △P 除雾
△P 管道约为210Pa △P 挡板约为2×5=10Pa △P 喷淋约为85 Pa △P 除雾约为15 Pa
所以△P=210+10+85+15=320Pa
5.3 SO 2吸收系统
5.3.1 塔径及底面积计算
塔内流速：设v=2m/s
.
2r v vS Q π==
m v Q r 96.02
14.33600/20900=⨯==π 底面积 229.2m r S ==π
5.3.2 脱硫塔高度计算
液气比取L/G= 2.1，烟气中水气含量设为4%
① 循环水泵流量：h m M L HG Q G
L Q /13.42100004.01209001.2)
/(100033=-⨯⨯=⨯⨯= ② 塔底浆液区的高度：
塔底浆液区取泵5min 的流量，则m H 924.08.3)56013.42(1=÷⨯÷= ③ 计算洗涤反应区高度：
停留时间取2.5 秒，则洗涤反应区高度 m H 0.55.20.22=⨯= 反应区为二级喷淋，层间距2.2m
④ 除雾区高度取3.0 米，所以，H 3=3.0m
第一级除雾器距离最上一层喷淋层距离为1m
第二级除雾器距离第一级除雾器1m
第二级除雾器上端留有1.0m 的间隙
⑤ 进气口烟气管道直径进气口烟气流速不超过15m/s 管道直径：m v Q D 71.015
14.33600/2090022=⨯⨯=⨯=π 取管道直径D 管道为0.8 m 所以管道烟气流速为13.4 m/s ⑥ 脱硫塔总高度：
m D H H H H 7.98.00.35924.0321=+++=+++=管道
.
6 附图
附图1 双碱法烟气脱硫工艺流程图
. 附图2 吸收塔系统
附图3 吸收塔平面图。