1、大气污染控制工程课程设计大气污染控制工程课程设计系部环境工程系课 程 名 称大气污染控制工程课程设计适用班级姓名 学号 指导老师金磊厦门理工学院环境工程系2015年1月某厂酸洗硫酸烟雾治理设施设计TheFacilityDesignof XCompanyforPickling Sulphuric AcidGasGovernance摘 要 大气污染已经成为了一个全球性的问题，大气污染已经直接影响到人们的身体健康，所以必须通过有效的措施进行治理，大气污染控制工程课程设计是配合大气污染控制工程专业课程而单独设立的设计性实践课程。本次设计是对某厂酸洗硫酸烟雾治理设施进行设计。其主要内容包括：集气罩的设计
2、、填料塔的设计、管网的布置及阻力计算等。本设计采用液体吸收法进行净化，即采用5%NaOH溶液在填料塔中吸收净化硫酸烟雾，经过净化后的气体达到大气污染物综合排放标准。本次设计通过对酸洗硫酸烟雾治理净化，使我们能够初步掌握治理净化系统设计的基本方法，以及综合分析问题和解决实际问题的能力。AbstractAtomsphere pollection has become a global issue.And efficient measures are urgengtly needed to govern the air pollution,as the air pollution has cause
3、d the direct impact on human health. Curriculum Design of Air Pollution Covernace is an experiment-designing course which is set up to assist the course of Air pollution control engineering.This design is aim to devise the treatment facility on pickling sulphuricacid for x factery , which includes t
4、he design of gas- ullecting hood and packed tower,the layout of prpe network ,and the calculation of resistance and soon.This design is on the basis of the purification by uguid absorption -stripping,that is the using of 5% liquor NaOH is packed tower to absorb and purity sulphuric acid.After purifi
5、cation,the air reaches air pollutant release standards. 关键词 硫化工艺；脱硫；Sulfurous smog Sulfurous smog碱液吸收法；SDG法Key words Vulcanization process；Desulphurization；Alkali absorption method；SDG目录前 言- 5 -一、设计概述- 6 -1.1设计目的- 6 -1.2设计要求及任务- 6 -1.3设计任务分工- 6 -二、设计内容- 7 -2.1设计任务书- 7 -2.1.1 课程名称- 7 -2.1.2 基础资料- 7 -
6、2.2工艺原理- 9 -2.3设计方案的比较和确定- 9 -2.3.1 除雾器- 11 -2.3.2 SDG法- 11 -2.3.3液体吸收法- 12 -2.4. 处理单元的设计计算- 13 -2.4.1 集气罩的设计计算- 13 -2.4.2集气罩入风口的计算- 14 -2.4.3填料塔的设计- 16 -2.4.4填料塔有关附件的选择- 22 -2.4.5加料搅拌池和储液池的设计计算- 24 -2.4.6储液池的设计计算- 25 -2.4.7水泵的选取- 25 -2.4.8管网的设计及系统阻力计算- 26 -2.4.9系统阻力计算- 29 -2.4.10节点压力平衡计算- 33 -2.4.1
7、1总压力损失- 34 -2.4.12烟囱设计高度- 35 -2.5工艺流程图、设备图- 38 -三、总结- 39 -四、参考文献- 40 -五、附录- 41 -前 言我国的能源结构以煤为主，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。随着经济的快速发展，我国因燃煤排放的二氧化硫急剧增加，所造成的酸雨污染已经到了十分严重的程度，必须引起密切关注。随着人口的剧增和城市化的加剧，煤和石油燃烧排放到大气中的二氧化硫越来越多，它在大气中与水蒸气和氧气混合，生成硫酸，形成酸雨，它对生态系统的危害已成为举世瞩目的环境问题。控制大气中二氧化硫的含量无疑是当今正在努力的一个问题。而酸洗产生的废气中含有大量酸性气体，合理处
8、理废气中的酸性气体是控制大气污染的必要措施。大气污染防治既是重大民生问题，也是经济升级的重要抓手。日益突出的区域性复合型大气污染问题是长期积累形成的。治理好大气污染是一项复杂的系统工程。本次设计是对某厂酸洗硫酸烟雾治理设施进行设计。酸雾主要是硫酸雾、磷酸雾、铬酸雾。本设计是指硫酸雾，它是浓硫酸酸洗时产生的，所含酸雾浓度超过规定限值。处理的酸雾的方法有多种。本设计采用液体吸收法进行净化，即采用5%NaOH溶液在填料塔中吸收净化硫酸烟雾，经过净化后的气体达到大气污染物综合排放标准。此设计通过对酸洗硫酸烟雾治理净化系统的工艺设计，使我们能够初步掌握酸洗硫酸烟雾治理净化系统设计的基本方法。培养我们利用
9、已学理论知识，综合分析问题和解决实际问题，减少有害气体生成，以及减轻有害气体对车间环境及工人身体健康造成的严重危害。一、 设计概述1.1设计目的大气污染控制工程课程设计是配合大气污染控制工程专业课程的设计性实践课程。教学目的和任务是使学生在学习专业技术基础和主要专业课程的基础上，学习和掌握环境工程领域内主要设备设计的基本知识和方法，培养学生综合运用所学的环境工程领域的基础理论、基本技能和专业知识分析问题和解决工程设计问题的能力，培养学生调查研究，查阅技术文献、资料、手册，进行工程设计计算、图纸绘制及编写技术文件的基本能力。1.2设计要求及任务本次设计的目标是对某厂酸洗硫酸烟雾治理设施进行设计。
10、其主要内容包括：集气罩的设计、填料塔的设计、管网的布置及阻力计算等，经过净化后的气体达到大气污染物综合排放标准。主要设备的设计计算工艺管道设计及风机的选择绘制治理设施系统图编写课程设计说明书1.3设计任务分工：设计方案简介：包括对选定的工艺流程、主要设备（或构筑物）的形式进行简要论述。编写设计说明书：设计说明书的编写方法和格式。包括设计任务书、目录、设计方案评述、工艺设计、主要设备设计、工艺流程设计图及主要设备（或构筑物）结构图、设计结构总汇、参考文献等。：主要设备（或构筑物）的工艺设计计算：包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备（或构筑物）的工艺尺寸计算及结构设计。典型辅助设备的选型和
11、计算：包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定。编写计算程序：主要设备（或构筑物）的工艺设计计算流程和格式；典型辅助设备的选型的计算流程和格式。: 工艺流程图:以单线图的型式绘制，标出主要设备（或构筑物）和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和主要参数测量点。主要设备（或构筑物）的工艺条件图：包括设备（或构筑物）的主要工艺尺寸。：部分设备（或构筑物）的工艺设计计算：包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备（或构筑物）的工艺尺寸计算及结构设计。编写计算程序：主要设备（或构筑物）的工艺设计计算流程和格式；典型辅助设备的选型的计算流程和格式。二、设计内容2.1设计任务书2.1.1 课
12、程名称某厂酸洗硫酸烟雾治理设施设计2.1.2 基础资料某厂生产需加浓硫酸酸洗处理。加酸时，有大量蒸汽、酸雾及有害气体生成，对车间环境及工人身体健康造成严重危害。为此，需要对酸洗产生的废气进行治理，以改善车间的环境及工人的操作条件。要求设计的净化系统效果好、操作方便、投资省，并且达到排放标准。酸洗工艺特点酸洗时，工人将预先装入金刚砂的900mm的圆筒形料槽，沿酸洗槽前方的轨道，推入酸洗槽位置后，向料槽中加入浓硫酸，并不断搅拌。酸洗完后，将料槽推出卸料；重新装入一筒新料进行酸洗。故酸洗为间断操作，加酸后槽内温度可达80以上。废气特点废气成分：近似空气，标准状态下酸雾含量为6000mg/m3；废气温
13、度：80。气象资料气温：冬季：5；夏季：39大气压力：冬季：101.86kPa； 夏季：95.72kPa酸洗车间工艺布置图酸洗车间平面图见图1，酸洗车间剖面图见图2图4-1 酸洗车间平面图图4-2 酸洗车间剖面图2.2工艺原理酸雾是指雾状的酸性物质，酸雾主要有硫酸雾、磷酸雾、铬酸雾。硫酸雾产生于湿法制硫酸及稀硫酸浓缩过程；磷酸雾产生于磷酸及磷肥生产过程；铬酸雾产生于电镀镀铬过程。同时二氧化硫等硫氧化物和其他酸性物质在有水雾、飘尘存在时也生成酸雾。酸雾的危害性极大，对人体健康、植物、器物和材料及大气能见度皆有重要影响，而且它的影响比二氧化硫更严重。当大气中的二氧化硫氧化形成硫酸和硫酸烟雾时，即使
14、其浓度只相当于二氧化硫的十分之一，其刺激和危害也将更为显著。治理酸雾可采用丝网过滤法、碱液吸收法、水溶液吸收法，本设计采用5%NaOH溶液在填料塔中吸收净化酸雾，这是一种酸碱中和吸收方法。反应式为： SO2+2NaOHNaSO3+H2O2.3设计方案的比较和确定酸雾因其性质不同，对其控制及净化的难易程度亦不同。其净化方法一般可分为物理净化和化学净化两大类。物理净化包括吸附-解吸法、离心法、过滤法等；化学法包括燃烧法、氯化法、催化法、中和法等。以下列出了几种不同的酸雾的净化方法。表4-1几种不同的酸雾的净化方法种类净化方法净化机理硫酸雾（气溶胶状态）丝网过滤法（干式）碱液洗涤法（湿式）水洗涤（湿
15、式）拦截、碰撞、吸附、凝聚、静电酸碱中和利用酸雾的水溶性盐酸雾（气态与气溶胶状态）静电抑制（干式）覆盖法（干式）碱液洗涤（湿式）水洗涤（湿式）高压静电造成荷电酸雾返回液面覆盖材料抑制酸雾外溢酸碱中和利用酸雾的水溶性硝酸雾（主要是气态）催化还原法（干式）碳质固体还原法（干式）吸附法（干式）电子一束法（干式）碱液洗涤法（湿式）稀硝酸吸收法（湿式）硝酸钒液吸收法（湿式）氧化-吸收法（湿式）吸收-还原法（湿式）催化剂作用使NO2还原为N无催化剂作用，C将NO还原为N利用吸附材料的高吸附能力利用高速电子促进分子反应转化为硝酸铵酸碱中和酸雾的溶解性酸雾的溶解性提高氧化度，增加吸收能力使NO还原为N氢氟酸雾
16、（气态与气溶胶状态）氧化铝吸附法（干式）石灰石吸附法（干式）消石灰吸附法（干式）碱液洗涤（湿式）水洗涤（湿式）利用吸附剂的高吸附能力利用吸附的高吸附能力利用吸附剂的高吸附能力酸碱中和酸雾的水溶性氯气（气态与气溶胶状态） 吸附法（干式）碱液洗涤（湿式）水洗涤（干式）碱液洗涤（湿式）利用吸附剂的高吸附能力中和反应利用氯气的水溶性利用氯化亚铁将Cl2还原成Cl-2.3.1 除雾器治理酸雾可以采用除雾器。常用除雾设备有文丘里除雾器、过滤除雾器、折流式除雾器及离心式除雾器。一般来说除雾器是根据酸雾的特性、除雾要求、投资费用等条件来进行选择。丝网除雾器是靠细丝编织的网垫起过滤除雾作用，通过这种分离器的压降
17、范围在25-250Pa之间，其分离的效率很高，一般在90%左右，且结构极为简单。主要缺点是它不适用于处理含固体量较大的废气，以及含有或溶有固体物质的情况（如碱液、碳酸氢铵溶液等），以免发生固体杂质堵塞或液相蒸发后固体发生堵塞现象，破坏正常操作运行。折流式除雾器的折流板包括两块折流板，它们是构成一个通道的壁，在通道的每个拐弯处装有一个贮器，收集并排出液体。当气体经过拐弯处，离心力阻止液滴随气体流动，其中一部分液滴碰撞在对面的壁上，聚集形成液膜，并被气体带走聚集在第二拐弯处的贮器里。最后，经过除雾的气体离开折流分离器。离心式除雾器能可靠地分离直径0.05-0.4m范围内的极微细的液滴。含雾的气体以
18、约20m/s的速度通过螺旋管道，且流向分离器的中心。当气体流向中心时，气体的旋转速度逐渐加大，离心力也逐渐加强。由于这个理想力场的作用，液滴从气流一并被带走。在设备中心，向含雾气体中喷水，可帮助液滴分离。喷出的较大水滴会粘着在旋转气流中的非常细微的液滴上。聚集后的液滴积聚在壳体壁上，由气体把这些液体带至排出口。因为离心式除雾器的结构简单，故其优点为设备的防堵性能较好，尤其适用于那些酸雾中带固体或盐分的废气除雾。 2.3.2 SDG法利用SDG吸附剂净化多种酸雾，是北京工业大学研制成功的一种方法，已被原国家环保局列为1995年的可行实用技术。可用于电子、电镀、化工等各种用酸行业，可净化硫酸、硝酸
19、、盐酸、氢氟酸、醋酸、磷酸等各种酸雾，尤其适用于浓度小于1000mg/ m的间歇酸洗操作场所，简介如下。（1）基本原理SDG是利用吸附原理净化酸雾。已研制成功的SDG-I型产品主要用于硝酸类净化，型主要用于硫酸、盐酸、氟酸净化，根据现场酸气的品种、排气浓度，设计净化系统，将酸气经排气筒排入大气，可达到环保规定的排放标准。SDG吸附剂由多种组分复合而成，既有物理吸附的特性，又有化学离子吸附的特性，经过检验鉴定，不会带来二次污染。（2）技术关键采用保证质量的SDG吸附剂，合理设计、加工、安装的净化设备及集气装置，是风机正常净化运行的保证。（3）工艺流程SDG法吸附净化酸雾的工艺流程如下：酸雾 集气
20、装置 净化装置 风机 净化气排放（4）酸雾的去除率 硝酸去除率93%-99%；盐酸去除率93%-99%；硫酸去除率93%-99%；氢氟酸去除率93%-99%。2.3.3液体吸收法液体吸收法就是将废气中的气态污染物同液体进行充分的接触，使气态污染物由气相转入液相，从而净化气体的一种方法。根据所采用溶剂的不同，液体吸收法可分为水溶液吸收法和碱液吸收法，吸收液是吸收效率的重要因素。水是较便宜的吸收液，吸收液要求对有害组分的溶解度足够大、蒸汽压足够低，以减少液体的损失，还要求费用低廉、无腐蚀性、黏度低、化学稳定性好以及冰点低，以免吸收液在塔内凝固而造成损失。但是不可能找的一种符合上面所有要求的吸收液，
21、所以要结合各种情况进行具体分析。本设计采用碱液吸收法，即采用5%NaOH溶液吸收净化硫酸烟雾，与水溶液吸收法相比，由于在碱液中硫酸雾的溶解度较大，碱液吸收法效果较好，但是成本较高。吸收法净化废弃主要设备是吸收塔，其优点有：压降较低；可用于玻璃纤维塑料制作，耐腐蚀；可达到较高的传质效率；设备占地少，投资低；去除有害气体的同时去除颗粒物；如果想提高传质效率，只需增加填料高度或增加板块数量，不需另加设备。缺点有：可能形成水污染：净化后的气体中有大量的液滴需收集处理；维护费用高等。 2.4. 处理单元的设计计算2.4.1 集气罩的设计计算集气罩是用来捕集污染气流的装置，其性能对净化系统的技术经济指标有
22、直接影响。由于污染源设备结构、生产操作工艺的不同。它的形式多种多样。主要有密闭式集气罩、接受式集气罩和外部集气罩。集气罩的设计包括集气罩结构形式的确定、基本参数的确定以及安装位置的确定。（1）集气罩结构形式的确定浓硫酸酸洗金刚砂过程中，料槽内温度可达80以上，污染源为热源，所以选用的集气罩为热源上部接受式集气罩。（2）确定基本参数 集气罩的结构如图所示图4-3集气罩的结构图假设集气罩连接风管的特征尺寸为d0，污染源的特征尺寸为d集气罩距污染源的垂直距离为H，集气罩的特征尺寸为D0。由材料知污染源的特征尺寸d=900mm，取d0=250mm。污染源的横断面积为 热源表面上方的接受罩按其安装高度H
23、的不同分为高悬罩和低悬罩。由于该污染源产生的气体有毒，设置低悬罩有利于控制有毒气体不会进入周围气体，并且设置低悬罩较为经济合理。当 时为高悬罩， 时为低悬罩，要设计成低悬罩，必须使，取H=500mm。罩口直径：那么集气罩的下口面积为：取集气罩的顶端口为900集气罩高度为：集气罩喇叭高度为：验算： 验算结果符合条件，所取数据可行。2.4.2集气罩入风口的计算接受式集气罩的特点是接受生产过程中产生或诱导出来的污染气源，其排风量取决于污染气体的流量。生产过程产生或诱导出来的污染气流。主要指热源上部的热射流和物料在高速运动时所诱导的气流，而后者的影响较为复杂，通常按经验数据确定。当热射流高度时，因上升
24、高度较小，近似认为热射流的流量和横断面积基本不变，热射流烟气流量可按下式计算： （2-1）式中，Q0为热射流烟气流量，m3/s；q为热量流率kJ/s；H为罩口离热源水平面的距离，m；A为污染源水平面断面投影面积，m2。热量流率可按下式计算： （2-2）式中，T为周围空气与废气的温度差，。集气罩排风量按下式计算：。 （2-3）式中，V，指最小吸入速度，一般为0.51.0m/s，此处取0.7m/s；Q0为热烟气流量，m3/s；F为集气罩下口面积与污染源横断面积之差。由此可见，周围空气与废气的温度差将影响热烟气流量，从而影响集气罩排风量。由材料已知冬季的气温为5，夏季为39，而料槽中废气温度为80，
25、那么两季中大气与废气的温度差将有明显区别，从而使冬季集气罩排风量和夏季集气罩排风量也将不同，下面分别计算冬季和夏季集气罩排风量。冬季：T=80-5=75代入以上公式：热烟气流量为：最小吸入风量为：夏季：T=80-39=41热量流率：热烟气流量：最小吸入量：可以看出，以后的计算取集气罩的排风量，即。验算：根据计算风速，风管的风速应在1020m/s范围之内。冬季：夏季：由上述计算结果可得风管风速均在1020m/s范围内，符合条件。2.4.3填料塔的设计本设计的废气主要在填料塔中进行吸收净化，即采用5%NaOH溶液吸收净化硫酸烟雾。填料塔的设计是本设计的关键部分，包括根据填料塔已知的参数条件，确定填
26、料塔的塔径、填料层的高度、填料层压降以及填料塔有关附件的选择计算。（1） 填料塔简述填料塔是治理废气使用的最普遍的塔型之一，特别是逆流填料塔，气体由塔的下部进入，液体则由上而下喷淋，使气液不断接触。随着气态污染物的上升，其浓度不断下降，而往下喷淋的是新鲜吸收液，因此填料层的扩散和吸收过程的平均推动力是最大的。 对于选择适合的吸收设备以及选择强化过程措施，研究吸收过程属于什么控制具有重要的指导意义。如喷洒塔将液体高度分散，高速流入气相，液相周围气相阻力较小，适用于易溶气体吸收的气膜控制过程；而板式塔更适用于难溶气体吸收的液膜控制工程。 填料塔的结构主要包括塔底、塔料和塔内件3大部分。气体在塔内通
27、常呈逆流流动，塔内设置的填料使气液两相有较大的接触面积，达到良好的传质效果。填料塔具有结构简单，阻力小，便于用金属耐腐蚀材料制作，适用于小直径塔（1.5m以下）等优点。一般认为对于小直径塔采用填料（如鲍尔环或鞍形填料），可获得很好的经济效果。 填料的种类很多，工业填料大致可分为实体填料和网体填料两大类。实体填料有拉西环、鲍尔环、鞍形、波纹填料。一般要求填料具有较大的通量、较低的压降、较高的传质效率，同时操作弹性大、性能稳定，能满足物系的腐蚀性、污堵性、热敏性等特殊要求。填料的强度要高，便于塔的拆装、检修，并且价格要低廉。本设计采用鲍尔环填料，且为乱堆。 液体吸收过程是在塔内进行的，为了强化吸收
28、过程，降低设备的投资和运行费用，要求吸收设备应满足以下基本条件。 气液之间应有较大的接触面积和一定的接触时间； 气液之间扰动强烈，吸收阻力低，吸收效果好； 气流通过时压力损失小，操作稳定； 结构简单，制作维修方便，造价低廉； 应具有相应的抗腐蚀和防堵塞能力。填料塔操作性能好坏与塔辅助构件的选型和设计密切相关，合理的选型与设计可保证塔的分离效率、生产能力及压降要求。它的辅助构件包括液体分布器、填料支承板、填料压板、液体再分布器、除沫器，还有裙座、气体进出口装置、液体进出口装置等。（2）填料塔的设计计算 混合气体和溶液密度的计算标准状态下酸雾含量为6000mg/m3，那么它的体积含量为： 惰性气体
29、的体积含量为： 混合气体分子量： 标况下混合气体密度： 那么在60，734mmHg(即0.966atm）大气压下，气体密度为 由于溶液中NaOH含量较少，可近似认为1000kg/m3，而为1.029kg/m3。塔径计算由材料知取那么 （2-4）式中L为溶液的质量流率，kg/s；V为气体的质量流率，kg/s。由上式得：那么即埃克特通用关联图的横坐标为0.08，由于填料为乱堆填料，查关联图可得纵坐标读数为0.14，即 （2-5）由材料知：，选用75*45*5规格的乱堆鲍尔环填料，所以 指泛点气速，当气体流速增大到泛点气速时，通过填料层的压降迅速上升，并有强烈波动，液体受到阻塞积聚在填料上，我们可以看到填料层的顶部以及某些局部截面积较小的地方出现液体，所以塔内的气速应小于泛点的气速。 选择较小的空塔气速，则压降小，动力消耗小，操作弹性大，但塔径大，设备投资高而生产能力低。低气速也不利于气液充分接触，传质效率低。若选用较大气速，则压降大，动力消耗大，操作不平稳，难于控制，但塔径小，投资低。一般适宜操作气速通常取泛点气速的50%85%，现在取空塔气速为70%。那么空塔气速：本设计采用3个集气罩塔径的
