大气污染控制工程课程设计说明书(完整版附图纸)

环境治理课程设计说明书
课程设计题目：某燃煤采暖锅炉房烟气除尘系统设计
指导教师：***
院系：土木建筑工程学院
专业：环境工程
******
学号：*********
日期：2010-12-6
大气污染控制工程课程设计任务书
一、课程设计的题目
某燃煤采暖锅炉房烟气除尘系统设计
二、课程设计的目的
《大气污染控制工程》课程设计是大气污染控制工程课程的重要实践性环节，本课程设计是环境工程专业学生在校期间第一次较全面的大气污染控制设计能力的训练，在实现学生总体培养目标中占有重要地位。

本课程设计旨在使学生通过这一环节，掌握《大气污染控制工程》课程各基本原理和基本设计方法的应用，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，使学生受到大气污染控制工程设计的基本训练，为学生以后从事本工程领域的设计打下基础。

通过课程设计进一步消化和巩固本课程所学内容，并使所学的知识系统化，培养学生运用所学理论知识进行大气污染控制系统方案设计的初步能力。

结合前续课程《大气污染控制工程》的内容，运用各种污染物的不同控制、转化、净化原理和设计方法，进行除尘、除硫、脱氮等大气污染控制工程设计，从课程设计的目的出发，通过设计工作的各个环节，达到以下教学要求：
1．通过课程设计实践，树立正确的设计思想，培养综合运用大气污染控制设计课程和其他先修课程的理论与生产实际知识来分析和解决大气污染控制设计问题的能力；
2．学习大气污染控制设计的一般方法、步骤，掌握大气污染控制设计的一般规律，重点掌握除尘技术的基本理论，学会正确选用除尘设备、设计除尘系统；气态污染物净化的基本原理，主要污染物的典型净化工艺流程和设备；设计、选择和运行大气污染净化系统；
3．进行大气污染控制设计基本技能的训练：例如设计计算、绘图工程图、查阅资料和手册、运用标准和规范；编写设计说明书。

三、课程设计原始资料
1.应用行业或者领域：水泥建材行业、冶金行业、焦炭行业、采暖通风、工业与民用建筑等。

2.运行工况：
处理风量：34000m3/h
排烟温度：140℃
流体密度（标准状态下）：1.34kg/m3
颗粒真密度: 1.33×103kg/m3
流体介质粘度: 1.30×103
空气过剩系数：1.4
排烟中飞灰占煤中不可染成分比例：16％
烟气在锅炉出口前阻力：800Pa
煤的工业分析值：
C Y=68% H Y=4% S Y=1% O Y=5%
N Y=1% W Y=6% A Y=16% V Y=13%
3.工作地点水文气象资料（以便做好防潮防冻等相关防护措施）:
周围风速:4m/s
年降水量:60cm3
风向:西北风
当地大气压力：97.86k Pa
空气湿度：0.0129kg/m3(标准状态)
最低气温：-1℃
露点：-9℃
结点：-4℃
4.土建基础情况〔以便考虑基础是否承重环保设备自重等因素〕；
5.地下水位距地面1.0～2.0m，对设备基础无侵蚀性，水位年变化约2m左右；
6.生产废气单位的排气量年度变化情况，在附近约5公里处有无较大型社区，周围无教育、科研等科教文化区；
7.附近水源及自来水供应状况〔尤其对于湿式除尘很有必要〕；
8.收集到的粉尘如何处理运输；
9.设备服役期限等相关数据资料;
10.执行标准：
按照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（标准状态下）：200mg/m3
二氧化硫排放标准（标准状态下）：900mg/m3
11.净化系统布置场地如图1、图2所示的锅炉房南侧15m以内。

图1 锅炉房平面布置图
图2 I-I 剖面图
四、课程设计内容及要求
1.燃煤锅炉排烟量以及烟尘和二氧化硫浓度的计算。

2.净化系统设计方案的分析确定。

3.除尘器的比较和选择：确定除尘器类型、型号及规格，并确定其主要运行参数。

4.管网布置及计算：计算各装置的位置及管道布置。

并计算各管段的管径、长度、烟囱高度和出口内径以及系统总阻力（即压降）。

5.风机及电机的选择设计：根据净化系统所处理烟气量、烟气温度、系统总阻力等计算风机种类、型号及电动机的种类、型号和功率。

6.编写设计说明书：设计说明书按照设计程序编写，包括方案的确定、设计计算、设备选择和有关设计的简图等内容。

课程设计说明书应有封面、目录、前言、正文、小结及参考文献等部分，文字应简明、通顺、内容正确完整，格式工整、装订成册。

7.图纸要求
（1）除尘系统图一张（2号图或者3号图）。

系统图应按比例绘制、标出设备、管件编号，并附明细表。

系统图需要在标题栏区域注明各部件编号、图号；根据各部件图详细情况，对各部件继续进行拆分，画出相应零件图，具体数量依据零部件标示清晰状况而定；标准件和外购件需要在总装配图上注明，并在标题栏区。

标准件指螺栓螺母垫圈等，外购件是指风机、电机等配套设备。

（2）除尘系统平面、剖面布置图2～3张（3号图或者4号图）。

图中设备管件应标注编号，编号应与系统图对应。

布置图应按比例绘制。

（3）绘制设备零件图纸。

8.设计成果提交形式：
设计说明书要力求文字通顺、简明扼要，图表要清楚整齐，每个图、表都要有名称和编号，并与系统图中内容一致。

课程设计图纸应能较好地表达设计意图，图面布局合理、正确清晰、符合制图标准及有关规定。

最后成果及图表要字体工整，合订时，设计说明书在前，附表和附图分别集中，依次放在后面。

五、主要参考书目
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.钢铁企业采暖通风设计手册.北京：冶金工业出版社,2000
3.同济大学等编.锅炉及锅炉房设备.北京:中国建筑工业出版社,1986
4.航天部第七研究设计院编.工业锅炉房设计手册.北京:建工出版社
5.陆耀庆主编.供暖通风设计手册.北京:建工出版社,1987
6.陈庆佳主编.最新风机产品样本设计参数与风机应用机产品技术标准使用手册.当代中国音像出版社，2007
7.工业锅炉旋风除尘器指南.1984
8.黄学敏,张承中主编.大气污染控制工程实践教程.北京：化工出版社,2003
9.张殿印,王纯主编.除尘工程设计手册,北京:化学工业出版社,2003
课程设计计算书
1.烟量气、烟尘和二氧化硫浓度的计算
（1） 标准状态下理论空气量
()34.761.867 5.560.70.7(/)Y Y Y Y a
Q C H S O m kg '=++- 式中 C Y ，H Y ，S Y ，O Y ——分别为煤中各元素所含的质量分数。

)
/(0.7)05.07.001.07.005.056.565.0867.1(76.43kg m Q =⨯-⨯+⨯+⨯⨯='α
（2） 标准状态下理论烟气量（设空气含湿量12.93g/m 3）
31.867(0.375)11.2 1.240.0160.790.8(/)Y Y Y Y Y S a a Q C S H W Q Q N m kg '''=++++++ 式中 a
Q '——标准状态下理论空气量，(kg m /3) ； W Y ——煤中水分所占质量分数，% ；
N Y ——N 元素在煤中的质量分数，% 。

)
/(5.701.08.00.779.00.7016.006.024.105.02.11)01.0375.065.0(867.13kg m Q s
=⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯+⨯='（3） 标准状态下实际烟气量
)/()1(016.1Q 3s kg m Q a Q a s
'-+'= 式中 a ——空气过剩系数；
s Q '——标准状态下理论烟气量，kg m /3；
a
Q '——标准状态下理论空气量，kg m /3。

标准状态下烟气流量Q 应以h m /3计，因此，设计耗煤量⨯=s Q Q 。

)
/(568755034.10)
/(34.100.7)14.1(016.150.733h m Q Q kg m Q s s =⨯=⨯==⨯-⨯+=设计耗煤量
（4） 标准状态下烟气含尘浓度 Y
3sh s
d A C (kg /m )Q ⋅=
式中 sh d ——排烟中飞灰占煤中不可燃成分的质量分数；
A Y ——煤中不可燃成分的含量；
s Q ——标准状态下实际烟气量，kg m /3。

)
/(1048.2)/(1048.234
.1016
.016.03333m mg m kg C ⨯=⨯=⨯=-
（5） 标准状态下烟气中二氧化硫浓度的计算
263210(/)Y so s
S C mg m Q =⨯ 式中 S ——煤中含可燃硫的质量分数；
s Q ——标准状态下燃煤产生的实际烟气量，kg m /3。

)
/(1093.11034
.1001.023362m mg C so ⨯=⨯⨯=
2．除尘器的选择
（1） 除尘器应达到的除尘效率
C
C s -=1η 式中 C ——标准状态下烟气含尘浓度，3/m mg ；
s C ——标准状态下锅炉烟尘排放标准中规定值，3
/m mg 。

%
93.919193.01048.2200
13
==⨯-=η
（2） 除尘器工况烟气流量
)/(3h m T
T Q Q '=' 式中 Q ——标准状况下的烟气流量，h m
/3；
T '——工况下烟气温度，K ； T ——标准状态下的温度，273K 。

)
/(8.8811273)273150(56873h m T T Q Q =+⨯='='
则烟气流速为： )/(45.23600
8.881136003s m Q ==' （3）除尘系统选择方案
净化系统的布置要考虑到占地面积小，沿程损失少，一次投资小、维修管理方便以及系统总除尘效率高等。

在净化系统处理烟气过程中不能产生二次污染，要做好系统的密封性和处理烟气的高效率。

该燃煤厂锅炉排放烟量不大，但其烟气含尘浓度及含硫浓度都比较大，选择除尘器时应该考虑除尘效率、处理烟气流量、脱硫效率等。

烟尘浓度排放标准规定的排放量是200mg/m 3，二氧化硫排放标准规定的二氧化硫排放量要达到900mg/m 3。

本工艺方案是按锅炉大气污染排放标准（GB13271-2001）中的二类区标准进行设计。

根据烟尘的粒径分布或种类、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的种类、型号及规格。

本设计确定除尘器为无锡市四方锅炉设备制造有限公司生产的ZST-4旋风水膜脱硫除尘器（按Q/320211ARQ01-2002《旋风水膜脱硫除尘器》和Q/320283JUHF01-2002《高效脱硫消烟水膜除尘器》标准进行制造、试验和验收。

）。

其生产性能规格见表-1,设备外形架构尺寸见图-1。

3．确定除尘器、风机很烟囱的位置及管道的布置 （1）各装置及管道布置的原则
根据锅炉运行情况现场的实际情况确定各装置的位置。

一旦确定了各装置的位置，管道的布置也就基本可以确定了。

本方案的管道确定如图-2所示。

（2）管径的确定
)d m =
式中 Q ——工况下管道内的烟气流量，s /m 3；
v ——烟气流速，m/s ，（可查有关手册确定，对于锅炉烟尘v =10～15m/s ）。

取 v = 13 m/s
表--1 ZST-4型旋风水膜脱硫除尘器性能规格表 图-1 ZST-4型旋风水膜脱硫除尘器外形结构尺寸
)(484.013
14.336008603
4360044m Q Q
d =⨯⨯⨯=
'
=
=
πνπν
取整d = 500 mm
则管的内径为：mm d 5.49875.025001=⨯-=
由公式 )d m =
计算实际烟气流速 s d Q /m 3.124985
.014.336008603
442
2=⨯⨯⨯==
πν
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-2 管道参数
4335
2835
1500
锅炉总的蒸发量/(t/h)：1644=⨯，则烟囱最低高度为40m 。

（2） 烟囱直径的计算
烟囱出口内径可按下式计算：
)d m = 式中 Q ——通过烟囱的总烟气量，h m /3；
v ——按表4选取的烟囱出口烟气流速，/m s 。

取 v=4 m/s （见表-4）
m d 74.175.920188.04
8603
40188.0=⨯=⨯⨯
=
则圆整取d = 1.7m 。

烟囱底部直径：
122()d d i H m =+⋅⋅
式中 2d ——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
m d 34.34002.0274.11=⨯⨯+=
（3）烟囱的抽力
11
0.0342(
)()273273y k p
S H B Pa t t =-⋅++
式中 H ——烟囱高度，m ；
k t ——外界空气温度，C o ； p t ——烟囱内烟气平均温度，C o ；
B ——当地大气压，a P 。

)
(69.1751086.97)1502731
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
L L v P Pa d ρλ∆=⋅ 式中 L ——管道长度，m ；
d ——管道直径，m ；
ρ——烟气密度，3/m kg ；
v ——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K/d 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）。

1）对于圆形管道 直径为500mm 的管道
m
mm a a a a a L 45.11)(18003650150050050081526805
4321=++++++=++++= 密度换算：
)
/(886.0413
27334.1140
273273
3
m kg n =⨯=+⋅
=ρρ
摩擦压力损失：)(69.3023.12886.05.045.1102.02
Pa P L =⨯⨯
⨯=∆
2）对于砖砌拱形烟道（如图-3）
222)2(
24
2B
B D A ππ
+
=⨯
=
D=500mm ；故B=531mm ；则X
A R = (其中A 为面积，X 为周长)；
因 A=0.3925m 2
m B B X 8957.12
2=+
=π
则 2070.08957
.13925.0===
X A R 又
m
mm L 96.2020960)23940
25003200(29990==--
+⨯=
取 04.0=λ
则 Pa P 86.672
3.12886.02070.0496.200
4.02
0=⨯⨯⨯⨯
=∆ （2）局部压力损失
2
2
v p =⋅ρΔξ(Pa)
式中 ξ——异形管件的局部阻力系数，可在有关手册中查到；
图-3 砖砌拱形烟道示意图
v ——与ξ像对应的断面平均气流速率，m/s ； ρ——烟气密度，3m /kg 。

1）进气管部分局部水头损失的计算 a) 渐缩管（如附图-4）
)/3.1245(1.045s m ===≤ναζα，取，时，
则 Pa P 70.62
3.12886.01.022
2
1=⨯⨯==∆ρνζ
则 m l 12.05.67tan 05.01=⨯=
b) 90°弯头弯管 两个圆形90°弯头
圆管直径D=0.5m ，取曲率半径R=D ，查表得23.0=ζ 则 Pa P 83.302
3.12886.023.02222
2
2=⨯⨯⨯==∆ρνζ
c) 渐扩管
28.1)
2/4985.0(14.364
.039.0212=⨯⨯=A A 查《三废处理工程技术手册—废气卷》625页表17-23部分管件局部阻力系数，取α=30°，得07.0=ζ
则 Pa P 69.42
3.12886.007.02
3=⨯⨯
=∆ 则 m l 26.075tan 2
4985
.064.03=⨯-=
2）出气管部分局部水头损失的计算 a) 90°弯头弯管（如附图-5） 三个圆形90°弯头
圆管直径D=0.5m ，取曲率半径R = D ，查表得23.0=ζ 则 Pa P 23.462
3.12886.023.03232
2
4=⨯⨯⨯==∆ρνζ
b) 三通管
a.对于图-6所示的三通管，78.0=ζ
则 Pa P 28.522
3.12886.078.02
5=⨯⨯
=∆ b.对于T 形合流三通管，55.0=ζ
则 Pa P 86.362
3.12886.055.02
6=⨯⨯
=∆ （3）系统总阻力计算（其中锅炉出口前阻力800 Pa ，除尘器阻力1200 Pa ）
Pa
P P P P P P P P
h L
14.2276200086.3628.5223.4669.483.3070.686.6769.301200
8006543210=++++++++=++∆+∆+∆+∆+∆+∆+∆+∆=∆∑ 6．风机和电动机的选择及计算
（1）标准状态下风机风量的计算
3
273101.3551.1(/)273p y t Q Q
m h B
+=⨯ 式中 1.1——风量备用系数；
Q ——标准状态下风机前风量，m 3/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 Q y /1003686
.97325
.10127315027356871.13=⨯
+⨯⨯=
图-6 T 型三通管示意图
（2）风机风压的计算
()
273101.355 1.293
1.2()273p y y y y
t H h S Pa t B ρ+=∆-⨯⨯+∑
式中 1.2——风压备用系数；
h ∆∑——系统总压力，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 ——标准状况下烟气密度，1.34kg/m 3。

Pa
H y 05.225234.1293
.186.97325.101200273150273)69.17514.2276(2.1=⨯
⨯++⨯-⨯=
根据y y H Q 和的值，选定Y5-50-12.6C 型号的风机，其性能规格如下表-5所示。

（3）电动机功率的计算
12
()36001000y y Q H Ne kW βηη=
⨯
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，高效风机为0.9）； η2——机械传动效率，当风机与电机直接传动时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 。

KW
Ne 95.1495.06.010*******
.105.225210036=⨯⨯⨯⨯⨯=
表-5 Y5-50-12.6C 型引风机性能表
根据电动机的功率Ne ，选定与Y5-50-12.6C 型引风机配套的Y160M2-2B3型号 电动机。

其性能表如下表-6所示。

7．系统中烟气温度的变化
当烟气管道较长时，必须考虑烟气温度的降低。

除尘器、风机、烟囱的烟气流量应按各点的温度计算。

（1） 烟气在管道中的温度降
1()V
q F t C Q C ⋅∆=
⋅ 式中 Q ——标准状态下烟气流量，m 3/h ；
F ——管道散热面积，m 2；
C V ——标准状态下烟气平均比热容（一般为1.352~1.357kJ/m 3•℃）； 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）、 室内管道长度及面积：
2
11129.25.046.114.346.112.06.018.2m D L F m
L =⨯⨯===--=π
室外管道长度及面积：
2
221268.155.099.914.399.946.145.11m D L F m L L L =⨯⨯===-=-=π
则
C
C Q F q F q t V
︒=⨯⨯+⨯=⋅+=
∆33.12354
.1568768
.15544329.241872
2111 （2）烟气在烟囱中的温度降
2)t C ∆=
表-6 Y160M2-2B3型电动机的性能表
电动机 转速(r/min)
功率(KW) Y160M2-2B3
2930
15
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合，t/h ；
A ——降温系数，可由表-7查得。

则 C D
A H t ︒=⨯⨯=
⋅=∆44
44.0402
总温度降为
C t t t ︒=+=∆+∆=∆33.16433.1221
8．绘制图纸
锅炉烟气除尘系统平面布置图和系统剖面图、弯道示意图分别见附图-4、附图-5、附图-7和附图-8所示。

9．主要参考书目
1.郑铭.环保设备原理设计与应用[M].化学工业出版社
2.刘新旺.锅炉房工艺与设备[M].科学出版社
3.郝吉明，王书肖，陆永琪.燃煤二氧化硫污染控制技术手册[M].北京：化学工业出版社环境科学与工程出版中心，2001。

4.黄学敏，张承中.大气污染控制工程实践教程[M].北京：化学工业出版社，2003
5.宋瑞祥.中国环保产业高新技术的应用和发展[M].环境保护，1999。

表-7 烟囱降温系数
烟囱种类 钢烟囱 （无衬筒）
钢烟囱 （有衬筒）
砖烟囱(H ＜50m ） 壁厚小于0.5m
砖烟囱壁厚大于0.5m A
2
0.8
0.4
0.2
郑州航空工业管理学院土木建筑工程学院环境工程专业环境治理课程设计
6.王玉彬.大气环境工程师实用手册[M].北京：中国环境科学出版社，2003
7.郭静，阮宜纶.大气污染控制工程[M].北京：化学工业出版社教材出版中心，2001。

8.航天部第七研究设计院编.工业锅炉房设计手册[M].北京，中国建筑工业出版社，1986
9.奚士光等主编.锅炉及锅炉房设备[M].北京，中国建筑工业出版社，1994
10.金国淼主编.除尘设备设计[M].上海科学技术出版社，1985
11.鹿政理主编.环境保护备选用手册——大气污染控制设备.大连市环境科学设计研究院组织编写
12.刘天齐，黄小林，邢连壁等.三废处理工程技术手册废气卷[M].北京:化学工业出版社，1999。

13.郝吉明，马广大.大气污染控制工程[M].北京：高等教育出版社，2002
14.陈庆佳主编.最新风机产品样本设计参数与风机应用机产品技术标准使用手册.当代中国音像出版社， 2007
第21页共21页。