Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Инженерная школа природных ресурсов

Направление: Химическая технология нефтегазохимии и полимерных материалов

Кафедра: ОХИ

Пояснительная записка к курсовой работе

По дисциплине: Процессы и аппараты защиты окружающей среды

На тему:

Проект установки очистки выбросов котельной, работающей на угле

Выполнил: Цэрэндорж Н.

студент гр. 2Д01

Руководитель: к.х.н.,

доцент Ротарь О.В.

Томск - 2023



Задание на выполнение курсового проекта

Студенту гр. 2Д01 Цэрэндорж Н.

Тема курсового проекта: Проект установки очистки выбросов котельной, работающей на угле

Срок сдачи студентом выполненного проекта: 2023 г.

Исходные данные к курсовому проекту:

Кузбасский бассейн ОС 360 тонн в год

Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов, в том числе индивидуальное задание):

1. Введение (обоснование выбора аппарата)

2. Технологический расчёт аппарата

3. Конструктивно-механический расчёт

Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей):

1. Чертеж технологической схемы, лист 1, формат А1.

2. Сборочный чертеж аппарата, лист 2, формат А1.

3. Деталировка аппарата, лист 3, формат А1.

4. Спецификация аппарата, лист 4, формат А4.

Дата выдачи задания на выполнение курсового проекта по линейному графику.

Задание выдал: Руководитель: к.х.н., доцент ОХИ Мананкова А.А.

Задание принял: Студент гр. 2Д01 Цэрэндорж Н.



Содержание

• Введение
• 1. Расчет выброса загрязняющих веществ при сжигании твердого топлива
• 2. Выбор метода и аппарата для очистки отходящих газов
• 2.1 Подбор электрофильтра для очистки отходящих газов
• 2.2 Подбор скруббера для очистки отходящих газов
• 3. Расчет установки очистки выбросов котельной, работающей на угле
• 3.1 Составление материального баланса электрофильтра типа УГ (П)
• 3.2 Расчет скруббера Вентури
• 4. Конструктивно-механический расчет
• 4.1 Выбор материала
• 4.2 Расчет толщины обечайки
• 4.3 Расчет опорных лап
• Заключение
• Список использованных источников


Введение

При сжигании органического топлива в топках промышленных и коммунальных котлоагрегатах и теплогенераторах производится тепловая энергия (водяной пар или горячая вода на отопление или горячее водоснабжение). Котельные установки, предназначенные для снабжения паром предприятий, принято называть производственными котельными; в случае, когда котельная вырабатывает пар и нагревает воду для предприятия и нужд отопления, ее называют производственно-отопительной; и когда котельная установка сооружается лишь для потребностей отопления и горячего водоснабжения, ее называют отопительной.

Существенное влияние на состав образующихся вредных веществ при сжигании топлива оказывают:

1) его вид;

2) режим горения.

На тепловых электростанциях используется твердое, жидкое и газообразное топливо [1].

В качестве твердого топлива в теплоэнергетике используют угли (бурые, каменные, антрацитовый штыб), горючие сланцы и торф.

Горючая часть топлива включает органическую, состоящую из углерода, водорода, кислорода, органической серы, и неорганическую части (в состав горючей части топлива ряда месторождений входит пиритная сера FeS2).

Негорючая (минеральная) часть топлива состоит из влаги и золы. Основная часть минеральной составляющей топлива переходит в процессе сжигания в летучую золу, уносимую дымовыми газами. Другая часть в зависимости от конструкции топки и физических особенностей минеральной составляющей топлива может превращаться в шлак.

Зольность отечественных углей колеблется в широких пределах (10-55%). Соответственно изменяется и запыленность дымовых газов, достигая для высокозольных углей 60-70 г/м³.

Химический состав золы твердого топлива достаточно разнообразен. Обычно зола состоит из оксидов кремния, алюминия, титана, калия, натрия, железа, кальция, магния. Кальций в золе может присутствовать в виде свободного оксида, а также в составе силикатов, сульфатов и других соединений.

Более детальные анализы минеральной части твердых топлив показывают, что в золе в небольших количествах могут быть и другие элементы, например, германий, бор, мышьяк, ванадий, марганец, цинк, уран, серебро, ртуть, фтор, хлор. Микропримеси перечисленных элементов распределяются в различных по размерам частиц фракциях летучей золы неравномерно, и обычно их содержание увеличивается с уменьшением размеров этих частиц.

В составе золы твердых видов топлива могут присутствовать радиоактивные изотопы калия, урана и бария. Эти выбросы практически не влияют на радиационную обстановку в районе ТЭС, хотя их общее количество может превышать выбросы радиоактивных аэрозолей на АЭС той же мощности.

Твердое топливо может содержать серу в следующих формах: колчедана Fe2S и пирита FeS2, в составе молекул органической части топлива и в виде сульфатов в минеральной части. Соединения серы в результате 5 горения превращаются в оксиды серы, причем около 99% составляет сернистый ангидрид S02.

Сернистость углей в зависимости от месторождения составляет 0,3- 6,0%. Сернистость горючих сланцев достигает 1,4-1,7%, торфа-0,1%. [1].

При сжигании органического топлива различают 4 режима горения:

· нейтральное (стехиометрическое или полное сгорание топлива при коэффициенте избытка воздуха б = 1),

· окислительное (полное сгорание при небольшом избытке воздуха б>1),

· восстановительное (неполное сгорание при недостатке воздуха б>1).

Перечисленные факторы влияют на выброс всех вредных веществ, содержащихся в дымовых газах - золы, оксидов азота, углерода, серы, оксидов ванадия (в основном выделяется пентаоксид ванадия V2О5).



1. Расчет выброса загрязняющих веществ, при сжигании твердого топливо

Рассчитать выбросы вредных веществ в атмосферу, удаляемых с дымовыми газами от отопительной котельной, при сжигании 360 т/год каменного угля Кузбасского бассейна ОС со следующими характеристиками:

- низшая теплота сгорания Qн = 21,84 МДж/кг (5216 Ккал/кг),

- содержание серы S = 0,8%,

- зольность А = 27,9.

Расход топлива 360 т/год.

Продолжительность отопительного периода 234 дня (5616 часов). Расход угля в самый холодный месяц года (январь) 60 т. Паропроизводительность котлоагрегата 0,6 т/ч. Топка камерная.

В атмосферу от котельных при сжигании топливо с дымовыми газами выбрасываются: твердых частиц, оксиды углерода, серы и азота.

Расход топлива в январе (г/с):

m' = (60? 10⁶) / (31 ? 24 ? 3600) = 22,4 г/с

Расчёт выбросов твёрдых частиц в дымовых газах:

где А - Зольность,%;

m- расход топлива;

ч- коэффициент для топки с неподвижной решёткой, ч = 0,0023;

зт- эффективность золоуловителя, %зт = 0;

Расчет выбросов оксидов углерода

Для начала найдем :

R - коэффициент, учитывающий долю потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания топлива, обусловленный наличием в продуктах сгорания оксида углерода. R = 1 (твёрдое топливо);

Потери теплоты вследствие механической и химической неполноты сгорания топлива в данном случае равны:

Таблица 1

Характеристики топок котлов малой мощности [1]

Тип топки и котла	топливо	q3	q4
Камерная топка	Уголь	2	7

Или

Расчет выбросов оксидов азота

Коэффициент где K- параметр, характеризующий количество оксидов азота, образующихся на 1 ГДж тепла, K = 0,17; из таблицы 5 [1].

,; - коэффициент, зависящий от степени снижения выбросов оксидов азота в результате применения технических решений.

Расчет выбросов оксидов серы



з'SO2 - доля оксидов серы, связываемых летучей золой топлив, для прочих углей равна 0,1.

з"SO2 - доля оксидов серы, улавливаемых в золоуловителе, в данном случае равна 0.

где S- содержание серы в топливе, %

Результаты расчета представлены в таблице 2.

Таблица 2

	Количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу
Ед. изм.	SO2	CO	NO2	Твердое вещество
т/год	5,184	14,6241	1,371	6,93036
г/с	0,32258	0,91	0,08317	0,43125

Таким образом, при сжигании 360 т угля паропроизводительностью 0,6 т/ч в атмосферу в год выбрасывается 28,11 т загрязняющих веществ (в секунду 1,747 г).

Рассчитаем концентрацию загрязняющих веществ в отходящих газах как отношение массового расхода вещества (г/с) и расхода газов (м³/с), который принимаем равным 1,2 м³/с.



2. Выбор метода и аппарата для очистки отходящих газов

На современном этапе для большинства промышленных предприятий очистка вентиляционных выбросов от вредных веществ является одним из основных мероприятий по защите воздушного бассейна. Обезвреживание выбросов предполагает либо удаление вредных примесей из инертного газа-носителя, либо превращение их в безвредные вещества. Оба принципа могут быть реализованы через различные физические и химические процессы, для осуществления которых требуются определенные условия. Расчеты процессов и аппаратов газоочистки при их проектировании должны быть направлены на создание условий, обеспечивающих максимально полное обезвреживание выбросов.

В практике химических производств нередко приходится подвергать разделению неоднородные газовые системы (пыли и туманы). Газы можно очищать от взвешенных в них твердых или жидких частиц под действием сил тяжести, центробежных и электростатических сил, а также промывкой и фильтрацией газов. Промышленное осуществление каждого из этих способов связано с применением соответствующей аппаратуры: газовых отстойников, центробежных пылеосадителей, электрических фильтров, гидравлических пылеуловителей и газовых фильтров.

Выбор аппарата для очистки газов определяется рядом факторов, главными из которых являются размеры улавливаемых частиц и заданная степень очистки газов.

2.1 Подбор электрофильтра для очистки отходящих газов

Количество твердых частиц золы и недожога топлива (под недожогом топлива имеется в виду механический недожог, т.е. твердые частицы несгоревшего топлива), образующихся в топках котлов и уносимых из топки дымовыми газами, пропорционально количеству сжигаемого топлива, его зольности и степени шлакоулавливания. Последняя составляет 5-10% при твердом и 15-30% при жидком шлакоудалении. Для котлов с механизированными слоевыми топками этот показатель значительно выше 80%.

Количество летучей золы, выбрасываемой в атмосферу энергетическими установками, определяется эффективностью очистки газов в золоуловителях, устанавливаемых за котлами.

По принципам действия золоуловители разнообразны: электрофильтры, мокрые инерционные, сухие инерционные

Электрическая фильтрация основана на зарядке взвешенных частиц и осаждение заряженных частиц на осадительных электродах под действием электрических сил. Газ, содержащий взвешенные частицы, проходит через систему, состоящую из заземленных осадительных электродов и размещенных на некотором расстоянии коронирующих электродов, к которым подводится выпрямленный электрический ток высокого напряжения. При достаточно большом напряжении, приложенном к электродам, у поверхности коронирующего электрода возникает интенсивная ударная ионизация газа, сопровождающаяся возникновением коронного разряда (короны). Сила тока растет с повышением напряжения до тех пор, пока все ионы не вовлекутся в движение. После этого наступает насыщение, т.е. все ионы вовлечены в движение, и повышение напряжения не влияет на силу тока.

При некотором критическом напряжении (Uкр) ионы и электроны настолько ускоряются, что, сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их, превращая в положительные ионы и электроны. Образовавшиеся ионы и электроны ускоряются электрическим полем и участвуют в ионизации молекул. Этот процесс называется ударной ионизацией газа. После этого происходит пробой газа. Взвешенные частицы, поступающие в зону между электродами, адсорбируют на своей поверхности ионы, приобретая электрический заряд. Заряженные частицы под действием электрического поля движутся в сторону электрода с зарядом противоположного знака и оседают на коронирующем и осадительном электродах. Электрофильтр питается от источника высокого напряжения (20-90кВ).

Время зарядки частиц измеряется долями секунды. Скорость движения частиц зависит от напряженности электрического поля и диаметра частиц. Электрофильтры бывают трубчатые и пластинчатые, которые могут быть горизонтальные и вертикальные, сухие и мокрые. Для обеспечения равномерности поступления газа на входе электрофильтра устанавливается распределительная решетка. Удаление слоя пыли осуществляется встряхивающим устройством. При этом пыль ссыпается в бункер, расположенный под электродами. Интервал между встряхивающими импульсами обычно составляет около 3 мин.

В связи с вышесказанным, больше всего подходит электрофильтр типа УГ (П) с эффективностью очистки 98%.

2.2 Подбор скруббера для очистки отходящих газов

Скрубберы Вентури являются наиболее распространенным типом мокрого пылеуловителя, обеспечивающим эффективную очистку газов от частив пыли практически любого дисперсного состава. Помимо пылеулавливания, в скруббере Вентури могут осуществляться абсорбционные и тепловые процессы/

Конструктивно скруббер Вентури представляет собой сочетание орошаемой трубы Вентури и сепаратора. Труба Вентури имеет плавное сужение на входе - конфузор и плавное расширение на выходе - диффузор. Пережим сечения трубы Вентури получил название «горловина». Такая конфигурация трубы Вентури, выполненная с оптимальными с аэродинамической точки зрения соотношениями размеров, положена в основу типоразмерного ряда аппаратов ГВПВ.

В качестве сепаратора наиболее часто используют укороченные циклоны - каплеуловители, положенные в основу типоразмерного ряда КЦТ.

Принцип действия скрубберов Вентури основан на улавливании частиц пыли, абсорбции или охлаждении газов каплями орошающей жидкости, диспергируемой самим газовым потоком в трубе Вентури.

В зависимости от физико-химических свойств улавливаемых пылей, химического состава и температуры газа выбирают режим работы скруббера Вентури. Обычно скорость газа в горловине трубы составляет , а удельное орошение - . Эффективность очистки газов зависит от гидравлического сопротивления скруббера Вентури и величины удельного орошения.



3. Расчет установки очистки выбросов котельной, работающей на угле

3.1 Составление материального баланса электрофильтра типа ЭГТ (П)

Принимаем характеристики электрофильтра типа ЭГТ (П) и отходящих газов следующим:

1. расход очищаемого газа, поступающего на первую стадию очистки,

или ;

2. расход твердого вещество ;

3. температура газа ;

4. рабочие давление в электрофильтре

5. эффективность очистки ;

Плотность газа в действительных условиях составит:

Рассчитаем массовый расход газов:

Массовый расход воздуха без примесей:

Количество твердого вещество, поступающей в бункер в час, составит:



Соответственно вместе с отходящими газами в час улетучивается 0,0052 кг твердый вещество. То есть на вторую стадию очистки поступает твердый вещество Массовый расход газов, поступающих на вторую стадию очистки, составляет:

Таблица 3

Материальный баланс электрофильтра УГ (П)

ПРИХОД	РАСХОД
№	Поток	кг/ч	%	№	Поток	кг/ч	%
1	Газы на очистку, в том числе:	3369,6	100	1	Сбрасываемые газы, в том числе:	3368,0527	100
	1.1 Воздух	3368,0475	99,95		1.1 Воздух	3368,0475	99,999846
	1.2 Твердое вещество	1,5525	0,05		1.2 Твердое вещество	0,0052	0,00012
				2	Пыль в бункере	1,52145	0,003
Всего:	3368,6	Всего:	3368,6

3.2 Расчет скруббера Вентури

Исходные данные:

1. расход очищаемого газа ;

2. температура воздух на входе в скруббер ;

3. разряжение газа перед скруббером

4. напор поступающей на орошение воды

Рассчитаем концентрацию загрязняющих веществ на входе в скруббер. Масса загрязняющих веществ, поступающих в скруббер в секунду, составит:

Концентрация пыли в газе на входе в скруббер составит:

Концентрация загрязняющих веществ в газе на выходе из скруббера должна составлять

Определяем требуемую степень очистки газа:

Приняв коэффициенты и , вычислим затраты энергии на очистку газа по формуле:

Удельный расход орошающей жидкости принимаем . Общее гидравлическое сопротивление скруббера определим по формуле:

Плотность газа в действительных условиях:



Объемный расход поступающего на очистку газа при действительных условиях:

Гидравлическое сопротивление циклона-каплеуловителя на основании опыта работы аналогичных установок принимается .

Гидравлическое сопротивление трубы Вентури определяем по формуле:

Температура насыщенного влагой газа на выходе из скруббера Вентури определяется по формуле:

Плотность газа на выходе из трубы Вентури:

Выбираем трубу Вентури с центральным подводом орошающей жидкости в конфузор. При этом значение коэффициента гидравлического сопротивления сухой трубы принимаем Приняв коэффициенты и , рассчитаем гидравлическое сопротивление орошаемой трубы:

Скорость газа в горловине трубы Вентури по формуле:

Объемный расход газа на выходе из трубы Вентури составит:

Диаметр горловины трубы Вентури составит:

В соответствии с типоразмерным рядом принимаем диаметр горловины трубы Вентури 155 мм. При этом длина горловины составит:

Скорость газа в горловине трубы в этом случае составит:



Принимается скорость газа в входе в конфузор и на выходе из диффузора трубы Вентури равной . При этой скорости диаметр входного сечения конфузора составит:

а диаметр выходного сечения диффузора составит:

Угол сужения конфузора принимаем . Длина конфузора составит:

Приняв угол раскрытия диффузора , найдем его длину:

Составим материальный баланс скруббера Вентури.

В трубу Вентури в час поступает: диоксида серы , монооксида углерода , оксидов азота и твердых веществ Для улавливания диоксида серы, оксидов азота и твердое вещество используем воду. При пропускании мооксида углерода через скруббер образуется диоксид углерода, который можно поглотить растворами этаноламинов. Обычно для поглощения диоксида углерода используют моноэтаноламин (МЭА) из-за его низкой стоимости, высокой реакционной способности и легкой регенерации.

Таким образом в скруббере будут протекать 3 реакции:

где -

В результате взаимодействия монооксида углерода с водой в час образуется:

На взаимодействие с монооксидом углерода в час расходуется воды:

Поскольку эффективность очистки скруббера Вентури составляет 91%, то в результате работы скруббера количество загрязняющих веществ, соответственно поглощенных орошающей жидкостью и улетучившихся в атмосферу, рассчитаем по формулам:

Например, для диоксида серы:



Аналогично находим для остальных загрязняющих веществ. Результаты расчетов представлены в таблице 5 - количество загрязненных веществ поглощенных и улетучившихся.

Таблица 5

Количество загрязненных веществ, поглощенных и улетучившихся

Вещество				Твердые вещества

Количество сернистой и азотной кислот соответственно в шламовых водах составит:

Количество моноэтаноламина (МЭА), необходимого для поглощения диоксида углерода, и бикарбоната (БК), образующегося, в результате реакции, соответственно составит:

Количество воды, пошедшей на реакции, составит:



Результаты расчетов занесем в таблицу материального баланса

Таблица 6

Материальный баланс

ПРИХОД	РАСХОД
№	Поток	кг/ч	%	№	Поток	кг/ч	%
1	Газы на очистку, в том числе:	3368,0527	100	1	Сбрасываемые газы, в том числе:	3363,4666	100
1	1.1 Воздух	3363,3125	99,85		1.1 Воздух	3363,3125	99,99
	1.2 Пыль	0,0052	0,0002		1.2 Пыль	0,0001	0,2*10-5
	1.3	1,16	0,03		1.3	0,1	0,003
	1.4	0,299	0,009		1.4	0,027	0,0008
	1.5	3,276	0,09		1.5	0,292	0,008
					1.6	0,234	0,006
2	Орошающая жидкость, в том числе	10,016	100	2	Шлам, в том числе:	13,4481	100
	2.1	5,876	58,7		2.1	3,37	25,06
	2.2 МЭА	4,14	41,3		2.2	1,36	10,11
					2.3	0,373	2,77
					2.4 БК	8,34	62,02
					2.5 Пыль		0,04
Всего	3378,0687	Всего	3378,0687



4. Конструктивно-механический расчет

4.1 Выбор материала

Материал подбирается исходя из свойств веществ, находящихся в скруббере: отходящие газы и вода. Выбор материалов для изготовления элементов аппарата и определение его основных характеристик - предела прочности (у_в) и предела текучести (у_т), согласно общим принципам выбора материалов с учетом максимальных температур и давлений, а также с учетом свойств сред (агрессивность, коррозионность). В данном случае согласно таблице III.7 [3, c.138] допускается использовать сталь марки 08Х18Н10Т.

По таблице III.5 [3, с.185] определяем основные характеристики этой стали - предел прочности у_в = 509 МПа и предел текучести у_т = 206 МПа.

4.2 Расчет толщины обечайки

Корпус аппарата работает под давлением:

где - плотность воды, H - высота труб.

Проницаемость , среда насыщенный пар при температуре 100. Примем, что отверстия в обечайке укрепленные, сварной шов стыковой двусторонний (. Допускаемое напряжение для стали марки 08Х18Н10Т при 100 у = 130 МПа, взято из таблицы III.6 [3, ст. 138]. Примем толщину обечайки 4 мм.

4.3 Расчет опорных лап

Массу берем по сумме трубы Вентури и каплеуловителя. Технические характеристики даны в томе 2 Тимонин А.С.

Типоразмер трубы Вентури принимаем ГВПВ-0,019-400 массой 175 кг. Выбираем центробежный каплеуловитель типа КЦТ-800 массой 268 кг.

Масса аппарата составляет 443 кг.

Масса воды составляет 35 кг.

Общая масса аппарата:

Общая нагрузка на опоры:

На одну опору:

Рисунок 1 - Опорная лапа типа I

Из таблицы 29.2 [6, ст 674] принимаем опорные лапы типа I для аппаратов без теплоизоляции. Исполнение Б, опоры изготавливаются сварным исполнением.



Таблица 7

Опорные лапы типа I

G*, MH	L	L1	L2	B	B1	B2	b	b1	H	h	s	a	a1	a2	R	d	dб	Масса
	Мм
0,16	50	60	40	60	45	50	15	40	85	6	4	10	15	10	8	12	M10	0,46

Таблица 8

Характеристика прокладного листа

Подкладной лист
s2	L3	H1
Мм
6	75	120

Расчет фланцев

Фланцы [3]:

Таблица 9

Характеристика типа фланцев 1

№ фланца	Dy	dн	Dф	Dб	D1	Болты	Тип фланццев-1
Мм	dб	z	ГОСТ 1255-67
	М16	4
			h,мм	Масса, кг
1	100	108	205	170	148	М20	16	15	3,61
2	450	480	590	550	520			20	14,56
3	450	480	590	550	520	М20	16	20	14,56
4	150	159	260	255	202	М16	8	17	4,39



Заключение

В ходе выполнения курсовой работы по проектированию технологической схемы, предназначенной для очистки загрязняющих газов, обзазующихся при сжигании угля в котельной установке.

Было предложены аппараты, которые могли бы справиться с данной задачей, а именно, электрофильтр УГ (П) и скруббер Вентури.

Был произведен расчет очистки твердого вещество в электрофильтре и очистка загрязняющих газов в скруббере Вентури.

Произведен полный расчет скруббера Вентури. По результатам расчетов был выбран каплеуловитель и труба Вентури.

С целью определения прочности и надежности аппарата проведены механические расчеты, определены толщины обечайки и определения опор.



Список использованных источников

1. Методическое пособие по выполнению практических занятий по курсу “Промышленная экология” для студентов специальности 320700 “Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов” / Сост. Л.И. Бондалетова, В.Т. Новиков, Н.А. Алексеев. - Томск: Изд. ТПУ, 2000. - 39 с.

2. Гичёв Ю.А. Очистка газов. Часть 1: Конспект лекций. - Днепропетровск: НМетАУ, 2015. - 51 с.

3. Электронный ресурс; режим доступа: открытый

4. Деев Л.В., Балахничев Н.А. Котельные установки и их обслуживание. Пособие для ПТУ. - М.: Высшая школа, 1990. - 239 с.

5. Гужулев, В.В. Шалай, А.Н. Лямин, А.Б. Калистратов. Основы современной малой энергетики: учеб., пособие: в 3 т. / Э.П. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. - 528 с.;

6. А.С. Тимонин. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования.

Размещено на Allbest.Ru