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铸造厂烘干炉臭气治理设计(1)

目录

一、课程设计题目

二、课程设计目的

三、设计的原始资料

四、设计工艺参数

五、净化工艺流程的确定

六、设计计算

6.1 喷淋塔的设计计算

6.2 吸附塔的设计计算

6.3 烟囱设计计算

6.4 管道设计计算

6.5 风机选择

七、参考文献

一、课程设计题目

某铸造厂烘干炉臭气治理设计

二、课程设计目的

通过课程设计进一步消化和巩固课程所学内容,并使所学的知识系统化,培养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,了解工程设计的内容、方法和步骤,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、实用技术资料、编写设计说明书的能力。

三、设计的原始资料

某铸造厂现有两座远红外烘干炉,用于烘干集团公司所生产的主产品——推土机和压路机的型砂。

烘干工序为:烘干炉采用间歇操作,两座烘干炉每一个天平均烘干三炉型砂,在加热过程中有恒温控制系统进行自动控制,每加热一炉型砂需要4个小时左右,其排放烟气是间歇性的,一般炉内温度加热到180℃开始使用通风机进行排气,大约排放15分钟,以后每30分钟经行一次排气。炉内烟气通过安装在炉顶的两个排气管(d=200mm)引出,没有设置烟囱,烟气直接排入室外环境。

从某铸造厂的来的资料进一步了解到型砂是有3-4%的合脂油和黄沙混合而成的。从合脂油的硬化机理知道合脂的硬化主要是由于羟基酸之间的羟基团和羧基团起作用并聚合成为分子量更大的聚合物,

同时合脂中少量的不饱和脂肪酸在烘干过程中发生氧化聚合反应。由于合脂中含有较多的羟基酸(醇酸),在加热过程中容易脱水聚合,形成长链的聚酯。例如两个分子羟基酸中的羟基(-OH)和羧基(-COOH)相互脱水缩合而生成聚合物“交酯”。加热作用除了为了合脂的硬化提供硬化环境外,也起到蒸发水分和促进合脂油中的稀释剂(煤油)的生成作用。这就会使得在加热过程中有各种复杂的物质以气体的形式排出。主要有合脂油在浓缩过程中产生的水、有机酸、煤油,以及合脂油和黄沙所含杂质在加热过程中所产生的一些易挥发的小分子有机物、硫化物等。这些物质排入环境产生恶臭污染。

四、设计工艺参数

系统风量(Q):800 N/h

烟气温度(T):80-95 ℃

排气管直径(D):225 mm

原风机型号:Y132S1—2

风量:3807/h 功率:5.5 KW

五、净化工艺流程的确定

根据原始资料,拟确定有以下方法处理方法:冷凝法、吸附法、洗涤法和洗涤-吸附联合工艺。

冷凝法虽然既有一定的效果,但是烟气的温度难以降低,出口烟气温度在100℃以上,大部分小分子难于冷却下来,因此处理效率很低,出口部位的烟气中仍有恶臭,去除效率不高,冷凝下来的油脂容易附

在冷凝管上,不易收集。

吸附法对烟气治理效果较好,因为吸附剂能吸附绝大部分的油脂类物质和小分子物质。在系统的出口部位,烟气中基本上闻不出恶臭味,因此吸附法对恶臭处理具有良好的治理效果。但是吸附法带来一系列问题,如吸附剂的再生、吸附室温度过高对吸附剂带来不良作用等问题。

洗涤法也是利用冷凝的原理,对烟气进行处理,同时能去除部分易溶水的气体。洗涤法对烟气的冷凝作用明显,洗涤器进口管中的烟气温度在120-170℃,经过洗涤后,烟气温度降到40-50℃。油水静止后能分层,在水面上漂浮着油层,水中具有强烈的恶臭气味,说明部分恶臭气体是溶于水的。洗涤法能去除大部分烟气中的气味,但是在出口部分还能闻出少许恶臭的气味,说明洗涤法去除不彻底。

将洗涤法和吸附法联合起来处理,烟气先洗涤,后吸附,经过两道工序,保证了治理效果,同时解决了吸附法存在温度过高处理效果不好的的问题。因此在工艺选择上,我们采用了洗涤——吸附法的联合工艺。

铸造厂烘干炉臭气治理设计(1)

由以上工艺,洗涤器设置为喷淋塔,吸附器设置为吸附塔。

六、设计计算 6.1喷淋塔的设计

由于吸附塔在0-40℃时随着温度升高,活性炭吸附效果越好,所以取出喷淋塔温度为40℃。烟气量为800N/h ,令烟气温度为90℃,出口温度为40℃,冷流体进入状况,进水温度为25℃,出水温度为45℃。

(1)烟气量计算

0Q 273

T

273Q +=

式中:Q 、Q 0——标准状态下和温度为

T 时的烟气流量,m 3/h

T ——烟气进口温度 代入数据得: 进口烟气流量:800273

90273Q +==1063.74 m 3/h=0.295 m 3

/s (2)塔径的计算 V

Q

4D π=

式中:Q ——烟气流量,m 3/h V ——空塔气速m/s

由于喷淋塔是小型喷淋塔,根据GB/T50392-2006的机械通风冷却塔设计规范。塔内风速一般为2~2.5m/s ,取空塔气速为2m/s 。

所以:

433.02

14.3295

.04D =??=

,取整为0.8m

实际空塔气速为58.08.014.3295

.04D Q 4V 2

2=??=π=

m/s (3)湿段高度

为了取得较好的降温效果,一般取2-5秒的停留时间,本次设计取停留时间为5秒。

所以湿段高度h=0.58×4=2.9m (4)用水量计算(根据热量平衡式计算) )t t (C W )T T (C W Q 21pc c 21h p h -=-=

式中:W h W c ——热流体和冷流体的质量流量,kg/h T 1、T 2 ——热流体进出口温度,℃ t 1、t 2——冷流体进出口温度,℃

C ph 、C pc ——热流体和冷流体的平均比热容,KJ/kg ·℃ 烟气的平均温度为

2

40

90+=65℃,查得该温度下比热容1.017KJ/kg ·℃,密度为1.046 kg/m 3。

冷流体的平均温度为

2

45

25+=35℃,查得该温度下比热容 4.174 KJ/kg ·℃,密度为994kg/m 3。

热流体的质量流量1063.74×1.046=1112.67kg/h 冷流体的质量流量:

()()

25-45174.440-90017.167.1112)T T ()t t (W W C C Q 2121c h pc

h p ???=

--== =677.76kg/h 所以用水量为 994

76

.677Q C =

=0.682 m 3/h 考虑到水的重复使用,设置一个换热器以及提升泵。

(5)其他设施设计

a、布水装置

由于采用逆流式冷却塔,所以用管式配水。喷头布置采用正三角形布置。

喷淋区一般设置3~6个喷淋层,每个喷淋层都装有多个雾化喷嘴,交叉布置,覆盖率达200%~300%。由于湿段高度为2.9m,同时考虑成本问题,故设计中设置3个喷淋层。喷淋层间距一般为1.2~2m,为了便于检修和维护,层间距设为0.6m。由于处理量较小,根据GB/T50392-200的冷却塔设计规范,取喷淋密度为14m3(m2/h)。

表1:喷淋塔高度参考

铸造厂烘干炉臭气治理设计(1)

喷淋层高度为=(3-1)×0.6=1.2m

入口烟道到第一层喷淋层的距离为:2.9-(3-1)×0.6=1.7m。满足要求。

b、除雾器设置

气液接触后,气体中会有一定量的液体沫雾,在进入吸附塔之前,必须将水雾去除。常用的除雾器有拆版除雾器,填料除雾器,丝网除雾器,考虑到喷淋塔的特点及经济因素和效果,本工艺采用折板除雾

器。

除雾器通常安装在吸收塔的顶部,也可安装在吸收塔后的烟道上。其作用是捕集降温后洁净烟气中的水分,尽可能地保护其后的管路及设备不受腐蚀与沾污。同时如果蒸汽中含有较多的水分会对后续的吸附塔吸附产生影响,必须要对气体进行除雾干燥。在吸收塔中,由上下两级除雾器及冲水系统构成。本喷淋塔按照吸收塔规格设计。除雾器的原理示意图如下:

铸造厂烘干炉臭气治理设计(1)

表1是吸收塔的相关设计规范,由于喷淋塔参考吸收塔设计,可以使用吸收塔的相关设计规范。按照表1取值,取最后一层喷淋层到除雾器的距离为0.6m,除雾器到吸收塔出口的距离0.4m。除雾器的高度为1m,采用2层除雾,则除雾区的总高度为0.6+1×2+0.4=3m。

C、布气装置设计

布气主要是看进出口烟气的控制,一般希望进气在塔内能够分布均匀,且烟道呈正方形,故高度尺寸取得较小,但宽度不宜过大,否则影响稳定性。取入口宽度与直径之比0.3,出口宽度与直径之比取0.35。所以:

入口宽度=800×0.3=240mm

出口宽度=800×0.35=280mm

由于进口烟气温度为90℃,出口烟气温度为40℃,所以可以得出进出口的烟气流量。

进口烟气流量:=1063.74/h=0.295/s

出口烟气流量:=917.22/h=0.255/s

逆流式喷淋塔烟气进出口流速一般为 2.5~5m/s,本设计均取2.5m/s,由上面可以得到进口烟气流量为0.295/s,出口烟气流量为0.255/s。由V=u×h×L,得:

入口高度:0.49m,取0.5m。

出口高度:

根据气体在管道内的速度范围及喷淋塔的出口气体的细致特点,在塔顶设计成锥形,选取喷淋塔的出口口径D=150mm,外接外径为150mm壁厚0.5mm的钢质管道,其中塔斗边角为45°。

所以塔斗所占高度为:(800-280)/2=60mm=0.26m

d、塔总高度计算

塔的总高等于各段高度之和;

H==1.7+1.2+3+0.5+0.26=6.66m

实际中可取整计算。本设计按照6.66m设计。

压力损失:由于采用的是三层喷淋,根据计算喷淋塔压力损失的软件,一层喷淋压力损失为407Pa,三层喷淋压力损失为1221Pa。

表2 冷却塔的主要数据

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6.2吸附塔设计

工业上应用广泛的吸附剂主要有四种:活性炭、活性氧化铝、硅胶和沸石分子筛。通过常用吸附剂的比较,我们可以选择活性炭作为吸附剂。它是由各种含碳物质在低温下碳化,然后在高温下活化而得到。其优点是吸附效率高,比表面积大,有足够的机械强度,提热稳定性和化学稳定性强,价格便宜,且易获得。选取相关参数如下:

1、 堆积密度:b ρ=460g/m 3;

孔隙率:ε=0.37;

颗粒直径:4-8mm ;选用粒状炭。 实验确定活性炭的用量为400kg/三个月。 2、烟气量:

V

Q

4D π=

式中:Q 、Q 0——标准状态下和温度为T 时的烟气流量,m 3/h T ——烟气进口温度

由于吸附塔位于喷淋塔后,所以吸附塔的进口温度为

40℃。即:

800273

40273Q +=

=917.22m 3/h=0.255m 3

/s 3、活性炭体积:

ρ

=

m V (m 3)

式中:m ——一次装入的活性炭质量,kg

ρ——活性炭密度,kg/m 3

V=

460

400=0.87m 3

4、塔径:

V Q 4D π=

式中:Q ——烟气流量,m 3/h

V 0——空塔气速,m/s ,查相关设计手册

查简明通风设计手册,选择固定床吸附装置中的圆筒型,如下。

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同时查简明通风设计手册,得出固定床吸附装置的空塔气速一般取0.50m/s 以下,吸附剂和气体的接触时间取0.50~2.0s 以上,吸附层压力损失应控制小于1KPa 。

取空塔气速为0.3m/s ,由于处理的有害气体浓度不是太高,采用单罐式。故塔径为: 0

V Q

4D π==

3

.014.3255

.04?? 1.04m ,取整D=1m

实际的空塔气速为v =

2

21

14.3255

.04D Q 4??=π0.325m/s

5、压力损失:

()L d V 175.1d V 1150P 20

32

032

ρ

ρεε-+ρμεε-=?(Pa ) 式中:ε——孔隙率 μ——粘度,pa/s ρ——烟气密度,kg/m 3

V 0——烟气流速,m/s

ρd ——活性炭颗粒直径,m

取孔隙率为0.37,40℃下烟气密度为 1.128kg/m 3,粒径为5×10-3m ,40℃下大气的粘度为1.90×10-5Pa ·S ,L 为活性炭层高度,由于垂直型的吸附塔的活性炭层高度和塔径相等,故取L=1m 。所以压

力损失

()()

3

2

3

2

353

2

105325.0128.137.037.0175.1105325.01090.137.037.01150---???-?+????-?=?P

=290.5+519.2 =809.7(Pa )<1000Pa 压力损失合理。 6、停留时间: t=

Q

V

ε 式中:ε——孔隙率

V ——活性炭体积,m 3

Q ——烟气流量,m 3/s t=

Q

V ε=255.08.037.0?=1.192,在0.5~2s 之间,符合要求 7、吸附塔高度:

铸造厂烘干炉臭气治理设计(1)

(1)、塔的顶部空间高度

塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头切线的距离。为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量,取塔顶的空间为1.2~1.5m 。有时为了提高产品质量,必须更多的除去气体中夹带的雾沫,可以再塔顶设置除沫器。

由于在次设计中吸附塔进入的气体已经在喷淋塔中除沫了,不需要在额外再设置除雾器。只需要预留顶部空间,取顶部空间为1.3m 。采用弧度圆顶,具体设计如高程布置图。 (2)、塔的底部空间高度

塔的底部空间高度指塔底最末一层塔盘到塔底下封头切线处的距离。由于是吸附塔,所以气体停留时间很短。 本设计取气体10s 停留时间。 塔的底部空间高度为:

1

114.310

255.0???=0.8m

(3)吸附层高度

由之前的计算可得吸附层高度为1m 。 吸附塔的总高度为1.3+0.8+1=3.1m 8、附件装置设计:

承载装置的设计 :选用典型的栅板作为支撑装置,其结构简单,强度大,操作方便。

卸料人孔:距地面高度为1 m ,高度为0.4m 。 装料人孔:在塔顶设置,人孔的大小为0.4m

6.3烟囱设计

1、烟囱直径(烟囱出口内径):

D=

s

v Q 4 式中:Q ——工况下烟气流量,m 3/s v ——烟囱出口烟气速度,m 查锅炉房设计手册,得出下表

表1 烟气出口流速(单位米每秒)

铸造厂烘干炉臭气治理设计(1)

采用机械通风,选取烟气出口速度为=3m/s ,

则D===0.33m ,取整为0.3m 。 则实际烟气出口速度为

2、烟囱的出口处平均风速:

U =10

M

H U s 式中:U ,U 0————烟囱出口和近地面大气平均流速,m/s ; H s ——烟囱高度,m M ——大气稳定系数;

表2 锅炉烟囱高度

铸造厂烘干炉臭气治理设计(1)

取烟囱高度为20m 。烟囱锥度为0.02。所以烟囱的底部直径为 d 1 =H i D ??+2 式中:D ——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 底部直径d 1=1.12002.023.0=??+m

为了取m 值方便,取地面10m 处的气速为4m/s 。大气稳定度等级为D 级别。

表3 各种稳定条件下的风廊线幂指数值m

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可以得出稳定度m=0.25

则烟囱出口处平均风速=4.76m/s

3、烟流抬升高度:

(1.5d+9.56*)

式中:

,——烟囱出口大气平均风速和烟气流速,m/s

d——烟囱直径,m

——烟气热释放率,kj/s

由以上计算:4.76m/s,,烟囱直径d===0.7m,

=0.35*Pa*

式中:——烟气排放量,m3/s

——烟气温度和空气温度之差,取空气温度为20设施度

——烟气温度

Pa——当地大气压力,取1013.25hPa

代入数据得出:=0.35*Pa*

=0.35*1013.25**0.255

=354.6*0.06*0.255

= 5.4kj/s

计算抬升高度为:(1.5d+9.56*)

=2**(1.5+9.56*)

=1.6m

4、校核:

以SO2作为污染气体校核,

烟囱的有效高度为:=20+1.6=21.6m

地面最大浓度出现点为:==15.3m。

扩散参数修正,该铸造厂建在城市中,按照P-T法得出的大气稳定度为D,经修正后选择C类。利用相关表格取得相关参数:

0.106803*=15.3.得出x=223.7m

在x=223.7m时,=0.177154*=26.3m

质量流量Q=0.255*1.128=0.2876 kg/s

最大浓度==17.66mg/m3

小于国家标准200mg/m3,烟囱设计合理。

5、烟囱阻力计算:

a、烟囱的摩擦阻力

1

式中:——烟囱摩擦阻力系数,砖制或金属烟囱均取0.04 ——烟囱高度,m

——烟囱内烟气平均流速,m/s

——烟囱平均直径,m

1——烟囱内烟气的平均密度,kg/m3

由上面数据可以得出,H=20m,=0.7m,

烟囱内烟气平均流速===0.66m/s。

烟囱内烟气的平均密度:由于标况下干空气密度为1.29,硫化氢密度为1.518,取标况下烟道气密度为kg/m3

40℃下烟道气密度:=1.35*=1.18 kg/m3

所以:=*1.18=0.029mm水柱

b、烟囱出口阻力

=

式中:A——烟囱出口阻力系数,A=1.0

V S——烟囱出口烟气流速,m/s

——烟囱出口处烟气密度,kg/m3

由上面可得V S=3.6m/s,

烟囱出口处温度为20℃,其烟气密度为=1.35*=1.26

所以=

C、烟囱抽力:

S=H()

式中:S——烟囱抽力,Pa

H——烟囱高度

、——标况下空气烟气的密度,kg/m3

——外界空气温度,℃