环境工程设计-第八章

第八章环保设备的选择和应用技术经济分析教学目标1.理解并掌握环保设备的选择原则；2.熟练掌握泵和风机的相关计算和选择；教学重点：风机的相关计算和选择环保设备是用于环境污染防治、环境质量改善的机械产品、电子产品和构筑物等及其系统。按功能分为水污染控制设备、大气污染控制设备、固体废弃物处理设备、噪声控制设备和环境监测及分析设备等；按构成可分为单体设备、成套设备和生产设备等；按性质可分为机械设备、仪器设备和构筑物等。其选择关系到对污染物(包括大气污染物、水污染物、噪声、固体废弃物等)的处理效果，同时也关系到处理的投资与处理系统运行的费用。§1选择环保设备的原则环保设备有定型的产品（风机）和非定型的产品（袋式除尘器），要根据污染物的性质、场地条件、处理要求、处理费用等诸多因素决定选择定型产品还是非定型产品。一、定型设备的选择定型的环保设备也称为标准设备，是成批成系列生产的，可以现成买到。定型设备有产品目录或样本手册，有各种规格牌号，有不同的生产厂家，如电机、水泵、风机等。定型设备选择的原则如下。(1)合理性即选择的设备必须满足处理工艺一般要求，与工艺流程、处理规模、操作条件、控制水平相适应，又能充分发挥设备的作用。(2)先进性设备的运行可靠性、自控水平、处理能力、处理效率要尽量达到先进水平，同时还要注意处理的水平要尽量考虑今后发展的要求。(3)安全性要求安全可靠、操作稳定、有缓冲能力、无事故隐患，对工艺、建筑物、地基、厂房等无过多的苛刻要求，操作时劳动强度小等。(4)经济性设备较为便宜，易于维修、更新，尽量减少特殊维护要求，设备的运行费用要尽量的低。总之，要综合考虑以上的原则，审慎地研究对比，选择最合理的定形设备，同时注意定型设备更新换代。二、非定型设备的设计环境工程中需要专门设计的特殊设备，称为非标准设备或非定型设备。由于污染物的种类非常多，处理的方法也较多，非标准设备在环境工程中大量存在，它是根据处理工艺要求，通过处理工艺的计算，提出设备的形式、材料、大小尺寸和其他一些要求，由建筑、结构、机械或环境工程等专业人员进行设计，由有关工厂或施工单位制造完成。非定型设备设计原则与定型设备的相同。其主要的设计程序:(1)处理：工艺流程上确定的处理设备的类型,处理工艺流程大体上已确定，如生活污水采用活性污泥法处理，曝气池和二沉池常为构筑物；除尘常用机械设备。(2)确定设备的材质根据处理的污染物、工艺流程和操作条件，确定适合的设备材料。如上述处理水的曝气池和二沉池一般采用钢筋混凝土材料；除尘机械采用钢铁材料；气态污染物处理设备一般采用不锈钢或工程塑料等防腐材料。(3)汇集设计条件和参数根据处理污染物的量、处理效率、物料平衡和热量平衡等，确定设备的负荷、设备的操作条件，如温度、压力、流速、加药、卸灰形式、工作周期等，作为设备设计计算的主要依据。(4)选定设备的基本结构形式根据各类处理设备的性能、使用特点和使用范围，依据各类规范、样本和说明书，进行权衡比较，确定设备的基本结构形式。(5)设计设备的基本尺寸根据设计数据进行有关的计算和分析，确定处理设备的外形尺寸；确定设备的各种工艺附件；设备基本尺寸计算和设计完成之后，画出设备示意草图，标注有关尺寸。(6)选型和选择标准图纸确定基本结构形式之后，根据处理工艺计算，选择非定型设备。在设计出基本尺寸后，应查阅有关标准规范，将有关尺寸规范化，尽量采用标准图纸。(7)设计数据汇总。(8)向有关专业人员提出设计要求，完成时间等。(9)汇总列出设备一览表。三、设备设计实例某厂铸钢车间设置两台HXK3—3.0型电弧炼钢炉，要求设计除尘设备。每台电炉的主要工艺参数为：容量3t，最大装料量5t，每炉铸钢的冶炼时间3h，吹氧时间30min，吹氧强度1m3/(t·min)，最大脱碳速度每分钟为0.065％，烟气温度l200℃，吹氧期烟尘浓度达18g/m3。当地气象参数：夏季通风计算温度32℃，大气压力96kPa。(1)根据尘的粒径分布确定采用的处理设备：电炉烟尘很细，小于4um的约占80％一90％，因此一般多采用布袋除尘器。(2)选择滤料除尘的效率、滤料的价格、气体的温度和湿度是主要考虑的因素，为保证处理效果，同时从价格方面考虑，多采用涤纶绒布滤料，清灰方式采用脉冲喷吹。(3)根据烟气温度和滤料最高限制温度确定预冷却系统：每种滤料都有一个可以使用的最高限制温度，涤纶绒布的最高限制温度为130℃，而处理的烟气温度较高，因此要对烟气进行预冷却。通过混入大量车间内冷空气来实现烟气降温。(4)根据经验确定和计算烟气量：根据经验数据，烟气冷却到120℃时，每吨炉料发生的烟气量为5500m3/h，则总烟气量为5×5500＝27500m3/h。换算成标准状态(273K、101.3kPa)下的烟气量为：QN=27500×273/(120+273)×96/101.3＝18104m3/h考虑到管道回转装置和惯性灭火器漏风，附加20％，则除尘器进口烟气量为Q1N＝18104×1.2＝21725m3/h混合后烟气温度降为：t1＝(18014×1.38×120+3621×1.30×37)/1.38×21725＝105.8℃其中，120℃时烟气的定压平均比热容为1.38kJ/(m3·℃)；37℃时烟气的定压平均比热容为1.30kJ/(m3·℃)。因而除尘器进口的实际烟气量为：Ql＝21725×(105.8＋273)/273×101.3/96＝31809m3/h(5)根据实际情况计算烟尘浓度：根据最大装料量和最大脱碳速度，在空气过剩系数为1.5时，产生的最大炉气量按计算为1518m3/h，则产生烟尘量为：s1＝1518×18＝27324g/h则除尘器进口烟尘浓度为：Cl＝27324/31809＝0.859g/m3(6)根据排放要求及含尘浓度确定除尘器效率排放要求为150mg/m3，则除尘器的效率为：η＝1－150/859=82.5%(7)选择过滤速度：过滤速度一般在0.3—1.5m/min，粉尘越细，选取的过滤速度越小。这里根据实际情况过滤速度选择为1.0m/min，在该过滤速度下除尘效率可达99％以上，这样除尘器的排尘浓度可达8.6mg/m3以下。(8)根据处理的烟气量和所选择的过滤速度确定过滤面积：已知处理的烟气量和过滤速度，所以过滤面积为：A＝Q/60v＝31809/(60×1.0)＝530m2脉冲喷吹清灰方式的滤袋长度可达十几米，这里选择滤袋长度为2.5m，直径为0.2m，所以每个滤袋的面积为πDL＝3.14×0.2×2.5＝1.57m2。滤袋的数量为530/1.57=338个。(9)确定过滤循环周期根据计算，管道压力降为1100Pa，炉盖罩和熄火器的压降取为900Pa，选用通风机的压头(在最大系统风量下)为2900Pa。考虑到布袋式除尘器的结构压降，取300Pa，则允许的滤袋上的压力降为：Δpf＝2900－(1100＋900＋300)＝600Pa所以可根据下式确定过滤周期：Δpf＝SEvo＋K2Cl(vo)ˆ2t式中Δpf—滤袋上的压力降，Pa；SE—滤料的有效残余阻力，Pa·min·m－1，可查阅有关文献，这里SE＝350Pa·min·m－1；K2—粉尘层的比阻力系数，N·min·g－1·m－1，这里K2＝119N·min·g－1·m－1；C1—布袋除尘器进口的粉尘浓度，g/m3；VO—过滤速度，m/min；t—过滤时间，min。Δpf＝350×1.0+119×0.859×1.02t＝350+102.2t则过滤周期为：t＝（600－350）/102.2＝2.45min(10)布袋除尘器壳体设计壳体设计包括：布袋除尘器箱体、灰斗、进出口、喷吹的气源、电磁阀、喷吹文式管等。应列出一览表。§2泵与风机泵与风机是提供流体流动动力的流体机械。是处理常用的定型设备。根据泵与风机的工作原理，通常可以将它们分类如下。a.容积式容积式泵与风机在运转时，机械内部的工作容积不断发生变化，从而吸人或排出流体。按其结构不同，又可分为往复式和回转式两种。往复式机械借活塞在汽缸的往复作用使缸内容积反复变化，以吸入和排出流体。如蒸汽活塞泵等；回转式机壳内的转子或转动部件旋转时，转子与机壳之间的工作容积发生变化，从而吸人和排出流体，如齿轮泵、罗茨鼓风机等。齿轮泵罗茨风机往复式活塞泵b.叶片式叶片式泵与风机的主要结构是可旋转的、带叶片的叶轮和固定的机壳。通过叶轮的旋转对流体作功，从而使流体获得能量。根据流体的流动情况，可将它们再分为下列几种：离心式泵与风机；混流式泵与风机；贯流式泵与风机。c.其他类型的泵与风机如引射泵、旋涡泵、真空泵等。其中叶片式是在环境工程中常用的一种，下面简单介绍叶片式中离心式泵与风机的情况。一、离心式泵与风机的工作原理及性能参数1.工作原理离心式泵与风机的主要结构部件是叶轮和机壳。机壳内的叶轮固定安装于由电动机拖动的转轴上。当电动机带动叶轮旋转时，机内流体便获得能量。离心泵和风机工作原理演示2.泵的扬程泵的扬程(H)的定义是：泵所输送的单位重量流体从进口至出口的能量增值。也就是单位重量的流体通过泵所获得的有效能量。单位是m。3.风机的全压和静压风机的全压指单位体积气体通过风机的能量增量。对于风机而言，上式所求出的单位重量流量的流体的能量增值H，就应当是“气柱”高度，单位m。因在大气污染控制工程中压强不大，故在工程习惯中常用p来表示该气体的能量增量，其单位为Pa，过去常用mmH2O。1mmH2O的压强等于1kgf/m2。风机的静压pj定义为风机全压减去风机出口动压，假设Z1＝Z2时有：式中ρ—气体密度，kg/m3。从上式看出，风机的静压，不是风机出口的静压p2，也不是风机出口与进口的静压差(p2-p1)。4.流量Q单位时间内泵或风机所输送的流体量称为流量。常用体积流量表示，单位为m3/s或m3/h。严格地讲，风机的容积流量特指风机进口处的容积流量。5.功率及效率泵的扬程是指单位重量流体通过泵所获得的有效能量。在单位时间内通过泵的流体所获得的总能量称为有效功率。6.转速指泵或风机叶轮每分钟的转数，单位r/min。二、泵与风机的性能曲线泵与风机的扬程、流量以及所需的功率等性能显然是互相影响的，所以通常用以下三种形式来表示这些性能之间的关系：①泵与风机所提供的流量和扬程的关系，用H=f1(Q)来表示；②泵与风机所提供的流量和所需外加功率之间的关系，用N=f2(Q)来表示；③泵与风机所提供的流量与设备本身效率之间的关系，用η＝f3(Q)来表示。上述三种关系常以曲线形式绘在以流量Q为横坐标的图上，这些曲线称为性能曲线。性能曲线有理想和实际性能曲线两种。理想性能曲线是在无限多的且无限薄的叶片和不计流动损失情况下得出的上述三种关系。实际性能曲线考虑了实际运行时的机内损失，包括水力损失、容积损失和机械损失。具有平坦型Q—N曲线的泵或风机，当流量变化很大时能保持基本恒定的扬程。有陡降型曲线的泵或风机则相反，即流量变化时，扬程的变化相对较大。有驼峰型曲线的泵或风机，当流量自零逐渐增加时，相应的扬程最初上升，达到最高点后开始下降。具有驼峰型性能的泵或风机在一定的运行条件下可能出现不稳定。这种不稳定显然是应尽量避免的。•从风机的构造风机可分为离心式风机和轴流式风机。•离心式风机适用于风量较小、系统阻力较大的场合；•轴流式风机适用于风量较大、系统阻力较小的场合。环境工程中常用的是离心式风机。•离心式风机输送气体时，一般增压范围在9.807kPa以下。•根据增压大小，离心式风机又可分为：低压风机，增压值小于1000Pa(约100mmH2O)；中压风机，增压值自1000—3000Pa(约100－300mmH2O)；高压风机，增压值大于3000Pa(约300mmH2O以上)。•低压和中压风机大都用于通风换气及排尘系统和空气调节系统。高压风机则用于一般锻冶设备的强制通风及某些气力输送系统。•根据风机的特性还可分为防爆风机(由有色金属制成)，防腐风机(由塑料或玻璃钢制成)，高温风机等。•我国离心风机的支承与传动方式已经定型，共分A、B、C、D、E及F六种形式(见表8—8)