大氣污染控制工程煙囪課程設(shè)計

1、濟南大學(xué)課程設(shè)計目 錄1緒論11.1我國大氣污染現(xiàn)狀11.2大氣污染控制的意義12概述22.1設(shè)計目的22.2設(shè)計任務(wù)及要求22.3環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095-2012）32.4 SO2污染現(xiàn)狀32.5 SO2的危害43煙囪43.1煙囪的作用43.2煙囪設(shè)計應(yīng)注意的問題43.3煙囪材料分類53.3.1 磚石53.3.2 混凝土53.3.3 鋼材63.3.4 隔熱材料63.4本設(shè)計所選煙囪材料63.4.1混凝土材料選擇規(guī)范63.5煙囪防腐74煙囪設(shè)計相關(guān)計算84.1 出口處煙氣速度94.2 煙囪內(nèi)徑94.3煙囪高度104.4煙囪的厚度104.5煙囪的壓力損失115課程設(shè)計小結(jié)11參考文獻(xiàn)13

2、濟南大學(xué)課程設(shè)計用紙第 15 頁 共 13 頁 濟南大學(xué)課程設(shè)計 某供暖鍋爐煙氣排放煙囪設(shè)計1緒論1.1我國大氣污染現(xiàn)狀近年來，中國大氣污染物排放總量呈逐年降低態(tài)勢，部分污染較嚴(yán)重的城市空氣質(zhì)量有所好轉(zhuǎn)，環(huán)境質(zhì)量劣三級城市比例下降，但空氣質(zhì)量達(dá)到二級標(biāo)準(zhǔn)城市的比例也在減少，污染仍然很嚴(yán)重。中國大氣污染的主要來源是生活和生產(chǎn)用煤，主要污染物是顆粒物和SO2，部分大城市屬煤煙與機動車尾氣污染并重類型（如北京、上海、廣州等）。顆粒物是影響中國城市空氣質(zhì)量的主要污染物，SO2污染也保持在較高水平。老問題還遠(yuǎn)沒解決，新環(huán)境污染問題接踵而來。隨著機動車輛迅猛增加，中國部分城市的大氣污染特征正在由煙煤型向汽

3、車尾氣型轉(zhuǎn)變，NOx、CO呈加重趨勢，有些城市已出現(xiàn)光化學(xué)煙霧現(xiàn)象，全國形成華中、西南、華東、華南多個酸雨區(qū)，多地出現(xiàn)霧霾天氣、沙塵暴天氣。自1997年以來，雖然城市質(zhì)量惡化的趨勢有所減緩，部分城市空氣質(zhì)量有所改善，但某些城市大氣污染仍較嚴(yán)重，且北方城市重于南方城市。中國酸雨分布區(qū)域廣泛，成因復(fù)雜。酸雨出現(xiàn)的區(qū)域近年來基本穩(wěn)定，主要分布在長江以南、青藏高鹽以東的廣大地區(qū)及四川盆地。華中、華南、西南以及華東地區(qū)存在酸雨污染嚴(yán)重的區(qū)域，北方地區(qū)局部區(qū)域出現(xiàn)酸雨。酸雨區(qū)面積約占我國國土面積的30%，酸雨污染依然嚴(yán)重，污染程度居高不下。根據(jù)中國氣象局基于能見度的感測結(jié)果表明，2013年全國平均霾日數(shù)為

4、35.9天，比上年增加18.3天，為1961年以來最多。中東部地區(qū)霧和霾天氣多發(fā)，華北中南部至江南北部的大部分地區(qū)霧和霾日數(shù)范圍為50100天，部分地區(qū)超過100天。霧霾天氣中，首要污染物以PM2.5為主。1.2大氣污染控制的意義世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國環(huán)境組織發(fā)表的一份報告說：“空氣污染已成為全世界城市居民生活中一個無法逃避的現(xiàn)實?！比绻祟惿钤谖廴臼謬?yán)重的空氣里，那就將在幾分鐘內(nèi)全部死亡。工業(yè)文明和城市發(fā)展，在為人類創(chuàng)造巨大財富的同時，也把數(shù)十億噸計的廢氣和廢物排入大氣之中，人類賴以生存的大氣圈卻成了空中垃圾庫和毒氣庫。因此，大氣中的有害氣體和污染物達(dá)到一定濃度時，就會對人類和環(huán)境帶來巨大

5、災(zāi)難。一、大氣污染對人體和健康的傷害。大氣污染物主要通過三條途徑危害人體：一是人體表面接觸后受到傷害，二是食用含有大氣污染物的食物和水中毒，三是吸入污染的空氣后患了種種嚴(yán)重的疾病。二、大氣污染危害生物的生存和發(fā)育。大氣污染主要是通過三條途徑危害生物的生存和發(fā)育的：一是使生物中毒或枯竭死亡，二是減緩生物的正常發(fā)育，三是降低生物對病蟲害的抗御能力。三、大氣污染對物體的腐蝕。大氣污染物對儀器、設(shè)備和建筑物等，都有腐蝕作用。如金屬建筑物出現(xiàn)的銹斑、古代文物的嚴(yán)重風(fēng)化等。 四、大氣污染對全球大氣環(huán)境的影響。大氣污染發(fā)展至今已超越國界，其危害遍及全球。對全球大氣的影響明顯表現(xiàn)為三個方面：一是臭氧層破壞，二

6、是酸雨腐蝕，三是全球氣候變暖。2概述2.1設(shè)計目的（1）通過課程設(shè)計使學(xué)生進(jìn)一步消化和鞏固大氣污染控制工程這門課程所學(xué)內(nèi)容，并使所學(xué)的知識系統(tǒng)化，培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)理論知識進(jìn)行凈化系統(tǒng)設(shè)計的初步能力。（2）通過設(shè)計，使學(xué)生了解工程設(shè)計的內(nèi)容、方法及步驟，培養(yǎng)學(xué)生確定大氣污染控制系統(tǒng)的設(shè)計方案、進(jìn)行設(shè)計計算、繪制工程圖、使用技術(shù)資料、編寫設(shè)計說明書的能力。（3）培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、求實的工作作風(fēng)踏實苦干、勇于創(chuàng)新的敬業(yè)精神。2.2設(shè)計任務(wù)及要求某鄉(xiāng)村全年氣溫在-10-35，距離地面10m處的年平均風(fēng)速為5m/s。有一供暖鍋爐。SO2排放率為10g/s,煙氣流量為8m3/s,煙氣溫度4

7、05K，這一地區(qū)的背景濃度為0.1mg/m3。下風(fēng)方向1000m有一居民區(qū)，要求按照環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的一級排放標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計煙囪的高度和出口直徑 。要求：（1）完成煙囪高度和口徑的設(shè)計計算；（2）確定煙囪所需材料；（3）計算所煙囪的壓力損失；（4）按照工程制圖要求繪制一張煙囪的A3 圖。2.3環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3095-2012）表1. SO2排放濃度限值污染物名稱 取值時間 濃度限值 濃度單位 一級標(biāo)準(zhǔn) 二級標(biāo)準(zhǔn) 年平均 20 60二氧化硫（SO2） 日平均 50 150 ug/m3 1h平均 150 5002.4 SO2污染現(xiàn)狀目前，我國城市大氣污染狀況仍然十分嚴(yán)重。2012年，在國家監(jiān)測

8、的343個城市中，達(dá)到或優(yōu)于國家空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)、達(dá)到三級標(biāo)準(zhǔn)和劣于三級標(biāo)準(zhǔn)的城市約各占1/3。SO2平均濃度未達(dá)到國家空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)的城市約占22%，其中，超過國家空氣質(zhì)量三級標(biāo)準(zhǔn)的城市約占8%;南方地區(qū)酸雨污染較重，酸雨控制區(qū)內(nèi)90%以上的城市出現(xiàn)了酸雨。20世紀(jì)90年代，我國國民經(jīng)濟以年均10%左右的速度增長，SO2、煙塵、工業(yè)粉塵等大氣污染物排放總量也隨之增加，1995年達(dá)到最高水平。1995年全國SO2排放總量超過歐洲和美國，居世界第一位。1995年以來由于國家對SO2等主要污染物的排放實施總量控制和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整，污染物排放總量己有所減少。據(jù)專家測算，2012年SO2的實際排放量超

9、過環(huán)境容量的60%。SO2污染已使我國近1/3國土面積再現(xiàn)酸雨，成為世界三大酸雨區(qū)之一。我國燃煤帶來的大氣污染，特別是SO2污染，造成了巨大的經(jīng)濟損失，嚴(yán)重影響了國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民群眾的正常生活。2.5 SO2的危害SO2是一種無色具有強烈刺激性氣味的氣體，易溶解于人體的血液和其他黏性液。大氣中的SO2會導(dǎo)致戶籍到炎癥、支氣管炎、肺氣腫、眼結(jié)膜炎癥等。同時還會使青少年的免疫力降低，抗病能力變?nèi)?。SO2在氧化劑、光的作用下，能生成硫酸鹽氣溶膠，硫酸鹽氣溶膠能使人致病，增加病人死亡率。根據(jù)經(jīng)濟合作發(fā)展組織（OECD）的研究 ，當(dāng)硫酸鹽年濃度在10g/m3左右時，每減少10%的濃度能使死亡率降低0

10、.5%；SO2還能與大氣中的飄塵黏附，當(dāng)人體呼吸時吸入帶有SO2的飄塵，會使SO2的毒性增強。研究表明，在高濃度的SO2的影響下，植物產(chǎn)生急性危害，葉片表面產(chǎn)生壞死斑，或直接使植物葉片枯萎脫落；在低濃度SO2的影響下，植物的生長機能受到影響，造成產(chǎn)量下降，品質(zhì)變壞。SO2對金屬，特別是對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。每年給國民經(jīng)濟帶來很大的損失。據(jù)估計，工業(yè)發(fā)達(dá)國家每年因金屬腐蝕而帶來的直接經(jīng)濟損失占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的2%4%。3煙囪3.1煙囪的作用在于使其根部產(chǎn)生足夠吸力，克服焦?fàn)t加熱系統(tǒng)阻力（包括分煙道阻力）和下降氣流段熱浮力，從而使?fàn)t內(nèi)廢氣排出，空氣吸入。爐內(nèi)上升氣流熱浮力則有助于氣體流動和廢氣排出。煙囪

11、根部吸力靠煙囪內(nèi)熱廢氣的浮力產(chǎn)生，其值由煙囪高度和熱廢氣與大氣的密度差決定。煙囪的工藝設(shè)計主要是根據(jù)加熱系統(tǒng)的阻力和浮力值確定根部需要的吸力值，并據(jù)此計算煙囪高度和直徑。3.2煙囪設(shè)計應(yīng)注意的問題 1、增加煙氣抬升高度的措施錠煙氣抬升的主要因素有煙氣本身的熱力性質(zhì)、動力性質(zhì)、氣象條件和近地層下墊面等。 （1）影響煙氣抬升高度的第一因素是煙氣所具有的初始動量和浮力。初始動量的大小取決于煙氣出口速度和煙囪口的內(nèi)徑；浮力大小決定于煙氣和周圍空氣的密度差和溫度，若煙氣與空氣因組分不同而產(chǎn)生的密度差異很小時，煙氣抬升的浮力大就主要取決于煙氣溫度Tb與空氣溫度Ta之差。當(dāng)風(fēng)速為5m/s，煙氣溫度在1002

12、00時，Tb與Ta每相差1K，抬升高度約增加1.5m。因此，提高排氣溫度有利于煙氣抬升，所以應(yīng)注意減少煙道及煙囪的熱損失。（2）煙氣與周圍空氣的混合速率是影響煙氣抬升的第二因素，決定混合速率的主要因素是平均風(fēng)速和湍流強度。平均風(fēng)速越大，湍流越強，煙氣與周圍空氣混合越快。因此，應(yīng)選擇一個適當(dāng)?shù)某隹谒俣取?（3）增加排氣量對動量抬升和浮力抬升均有利。因此，在附近有幾個煙囪時采用集合煙囪排氣。 2、煙囪高度設(shè)計時應(yīng)注意的問題 （1）對于設(shè)計的高煙囪（大于200 m），若所在地區(qū)上部逆溫出現(xiàn)頻率較高時，則應(yīng)有上部逆溫的擴散模式校核地面污染物濃度。對于設(shè)計中小型煙囪，當(dāng)輻射逆溫很強則應(yīng)按漫煙型擴散模式校

13、核地面污染物濃度。 （2）煙流抬升公式的選擇也是煙囪設(shè)計的重要一環(huán)。 （3）關(guān)于氣象參數(shù)的取值方法有兩種。一種是取多年的平均值；另一種取值是保證頻率值。 （4）煙囪的最低高度應(yīng)滿足各行業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。3.3煙囪材料分類 煙囪材料可選磚石、混凝土、鋼材和隔熱材料。3.3.1 磚石（1）磚煙囪筒壁的材料應(yīng)按下列規(guī)定采用：燒結(jié)普通黏土磚強度等級不應(yīng)低于MU10，水泥石灰混合砂漿強度等級不應(yīng)低于M5。（2）石砌基礎(chǔ)的材料應(yīng)采用未風(fēng)化的天然石材。（3）規(guī)范中給出了磚砌體在溫度作用下的抗壓強度設(shè)計值和彈性模量，若不考慮溫度的影響，可按國家標(biāo)準(zhǔn)砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50003）的規(guī)定采用。3.3

14、.2 混凝土（1）鋼筋混凝土煙囪筒壁用的混凝土宜采用普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥配制，強度等級不應(yīng)低于C25；水灰比不宜大于0.5，每立方米混凝土水泥用量不應(yīng)超過450 kg；混凝土的骨料應(yīng)堅硬致密，粗骨料宜采用玄武巖、閃長巖、花崗巖、石灰?guī)r等破碎的碎石或河卵石，細(xì)骨料宜采用天然砂；粗骨料粒徑不應(yīng)超過筒壁厚度的1/5和鋼筋凈距的3/4，同時最大粒徑不應(yīng)超過60 mm。（2）基礎(chǔ)及煙道的混凝土強度等級按下列規(guī)定采用：剛性基礎(chǔ)不應(yīng)低于C15；板式基礎(chǔ)不應(yīng)低于C20；殼體基礎(chǔ)不宜低于C30；煙道不應(yīng)低于C20。3.3.3 鋼材（1）鋼筋混凝土筒壁的鋼筋宜采用HRB335級鋼筋。（2）鋼煙囪塔架和筒

15、壁可采用Q235、Q345、Q390、Q420鋼。處在大氣潮濕地區(qū)的鋼煙囪塔架和筒壁或排放煙氣屬于中等腐蝕性的筒壁宜采用Q235NH、Q295NH或Q355NH可焊接低合金耐候鋼。煙囪的平臺、爬梯和磚煙囪的環(huán)箍宜采用Q235鋼。3.3.4 隔熱材料常用的隔熱材料有硅藻土磚、膨脹珍珠巖、水泥膨脹珍珠巖制品、高爐水渣、礦渣棉和巖棉等，其干燥狀態(tài)下的重力密度不宜大于8 KN/m3。3.4本設(shè)計所選煙囪材料本次設(shè)計中，煙囪材料選取混凝土。 3.4.1混凝土材料選擇規(guī)范 （1）混凝土宜采用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥配制，混凝土標(biāo)號不宜低于200號。 （2）混凝土的水灰比不宜大于0.5，混

16、凝土的水泥用量不宜超過50Kg/m3。 （3）混凝土的骨料應(yīng)堅硬致密。骨料宜采用玄武巖、閃長巖、花崗巖等破碎的碎石或卵石。細(xì)骨料宜采用天然砂，也可采用上述巖石經(jīng)破碎篩分后的產(chǎn)品，但不得含有金屬礦物、云母、硫酸化合物和硫化物。 （4）粗骨料粒徑不應(yīng)超過管壁厚度的1/5和鋼筋間距的3/4，同時最大粒徑不應(yīng)超過60mm。 （5）沿筒壁高度方向宜采用相同標(biāo)號的混凝土。當(dāng)煙囪較高（150m以上時），亦可采用不同標(biāo)號的混凝土，煙囪下部的混凝土標(biāo)號應(yīng)高于上部混凝土標(biāo)號。 （6）筒壁頂部第一節(jié)和有煙氣直接作用的部位，不宜采用石灰石做骨料。3.5煙囪防腐為了解決濕煙囪的防腐問題,必須尋求一種耐酸防腐、耐溫變強、

17、耐高溫同時耐磨附著力又好的材料。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，為了解決這一難題，各廠家先后采用了增設(shè)鋼內(nèi)筒加鈦板防腐、在混凝土煙囪內(nèi)加裝鋼排煙筒、鋼排煙囪內(nèi)用聚脲彈性體防腐、在耐火磚上噴涂耐火膠泥、采用輕型耐酸澆注料進(jìn)行整體澆注等方法，均未得到行業(yè)的一致認(rèn)可。（1）ZS-1041煙氣防腐涂料與傳統(tǒng)的聚脲、泡沫玻璃磚、玻璃鱗片、OM涂料或膠泥不同，它耐溫幅度高，涂層輕盈、使用壽命長，耐久性好，損壞的涂層可以方便地進(jìn)行修補。在制備、涂裝和形成涂層過程中對環(huán)境無污染。 煙囪防腐涂料涂層有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕特別是冷凝硫酸腐蝕的能力； 煙囪防腐涂料與鋼基體有非常好的粘結(jié)力； 煙囪防腐涂料涂層有非常高的抗水蒸汽滲透性能；

18、煙囪防腐涂料涂層還有較高的抗撓曲性及熱膨脹抗變性，能抵抗鋼煙囪，雖經(jīng)加固但仍不可避免的運行中振動； 煙囪防腐涂料涂層有優(yōu)異的耐高溫和耐溫度急變的性能，可滿足長期工作溫度在45 600 之間波動，短期運行溫度800 ，保護動作溫度850 。 （2）玻璃鋼(FRP) 由于玻璃鋼化學(xué)腐蝕而且造價比高鎳合金低，所以許多濕法脫離系統(tǒng)裝置使用玻璃鋼已取得了很好的效果，根據(jù)國外資料介紹，玻璃鋼已在濕法脫硫系統(tǒng)以下方面獲得了成功的應(yīng)用：吸收塔塔體，石灰溶解槽，集液器，除霧器，漿液輸送管道，煙道，煙囪； 由于玻璃鋼內(nèi)表光滑，不易積垢，耐磨耐酸，所以在流速很高及顆粒物濃度較高的區(qū)域通常都有比較好的效果。玻璃鋼系列

19、的防腐材料在國內(nèi)市場上比較常見的有:環(huán)氧樹脂，改性的有OM特種防腐涂料。（3）橡膠在國內(nèi)市場上比較常見的有硅橡膠，聚脲，但該產(chǎn)品不耐高溫，防水防酸性能極好，不利于燃煤機組長時間直排。（4）玻璃磷片 由于玻璃鱗片的主要填充材料是SiO2，其耐溫性，耐酸性極好，在市場上比較常見的有：泡沫玻璃磚和玻璃鱗片。（5）耐酸膠泥。 用途：用于濕法脫硫耐酸磚內(nèi)筒煙囪內(nèi)襯防腐。涂層耐溫性及耐酸性能好、附著力強、使用壽命長（20年以上），可以承受高低溫?zé)煔獾拈L期沖刷和急熱急冷工況下的長期作用，是濕法FGD后排放凈煙氣的煙囪內(nèi)襯防腐的專用涂料材料。 特性：KY2耐酸膠泥涂料是以優(yōu)質(zhì)高硅粉、分散劑、固定劑以及細(xì)粒料等

20、為原料，按一定比例科學(xué)配制而成，它具有以下優(yōu)良特性：優(yōu)良的耐化學(xué)介質(zhì)，耐高溫濕態(tài)腐蝕性氣體性能；極低的水蒸氣滲透率、硬化收縮率低、線膨脹系數(shù)低；能承受高低溫?zé)煔獾拈L期沖刷和急熱急冷之工況；極佳的耐磨性；良好的粘接性；常溫硬化，成型施工簡單、修補容易。4煙囪設(shè)計相關(guān)計算已知：鄉(xiāng)村全年氣溫在-10-35；距離地面10m處的年平均風(fēng)速為=5m/s；SO2排放率為10g/s；煙氣流量Q=8m3/s；煙氣溫度405K；這一地區(qū)的背景濃度為0.1mg/m3；下風(fēng)方向1000m有一居民區(qū)。4.1 出口處煙氣速度排氣筒出口處煙氣速度不得小于風(fēng)速的1.5倍。式中： 排氣筒出口高度處環(huán)境風(fēng)速的多年平均風(fēng)速； 韋伯

21、斜率； 函數(shù), ，可通過查表進(jìn)行查詢。由原始資料得：5m/s，根據(jù)上式計算得：由得：所以4.2 煙囪內(nèi)徑已知：煙氣排放流量 煙氣出口處的煙流溫度 環(huán)境背景濃度 ，環(huán)境大氣溫度 國家一級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SO2一小時平均濃度限值 （見下表）表2.國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定SO2濃度限值污染物取值時間濃度限值二氧化硫SO2一級標(biāo)準(zhǔn)二級標(biāo)準(zhǔn)三級標(biāo)準(zhǔn)年平均0.020.060.10 mg/m3標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)日平均0.050.150.251小時平均0.150.500.70所以，煙囪出口內(nèi)徑： 4.3煙囪高度煙氣抬升高度：所以，煙囪高度：所以,煙囪高度煙囪入口內(nèi)徑： 系數(shù)，一般取0.01 0.03,設(shè)計中取0.02。4.4煙囪的厚度表

22、3.煙囪筒壁的厚度筒壁頂口內(nèi)徑（m）最小厚度（mm）D41404<D61606<D8180D>8180 + (D - 8) ×10經(jīng)過計算得出，煙囪出口內(nèi)徑為6.44m，所以，本次設(shè)計取管壁厚度為180 mm。根據(jù)計算以及查閱資料確定本設(shè)計中的煙囪選擇鋼筋混凝土煙囪，然后涂上煙囪防腐涂料涂層，防止SO2煙囪的腐蝕，煙囪高度為141.6m，出口內(nèi)徑0.78 m和入口內(nèi)徑為6.44m。4.5煙囪的壓力損失局部壓力損失：式中：異形管件的局部阻力系數(shù)，可在有關(guān)手冊中查到， 或通過實驗獲得； 與相對應(yīng)的斷面平均氣流速率（m/s）； 煙氣密度（kg/m3）。5課程設(shè)計小結(jié) 本次設(shè)計某供暖鍋爐煙氣排放煙囪設(shè)計。