二氧化碳富集濕法工藝及其設(shè)備設(shè)計(jì),二氧化碳,富集,濕法,工藝,及其,設(shè)備,裝備,設(shè)計(jì) 摘 要 糖廠鍋爐煙道氣CO2富集濕法工藝采用變壓吸附法從糖廠鍋爐煙道氣中富集二氧化碳，并將其用于亞硫酸法制糖的澄清工藝，不僅減少了鍋爐煙道氣二氧化碳的排放，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，同時(shí)該工藝還能很好地解決了碳酸法制糖生產(chǎn)工藝的濾泥綜合利用難、污染嚴(yán)重的問題，是對(duì)傳統(tǒng)亞硫酸法制糖生產(chǎn)工藝一個(gè)重大改良。 設(shè)計(jì)說明書先闡述了二氧化碳的污染及其危害、排放和減排的情況、國內(nèi)外甘蔗制糖工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀以及二氧化碳在制糖工業(yè)中的應(yīng)用，比較論證了工業(yè)廢氣二氧化碳的回收利用的相關(guān)技術(shù)，得出了選用變壓吸附法回收提純二氧化碳的優(yōu)勢和發(fā)展前景。設(shè)計(jì)說明書對(duì)糖廠鍋爐煙道氣CO2富集濕法工藝主要進(jìn)行了設(shè)備設(shè)計(jì)已經(jīng)簡單工藝流程分析，設(shè)備設(shè)計(jì)分對(duì)旋風(fēng)除塵器、引風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)選型，對(duì)換熱器Ⅰ、穩(wěn)壓罐等設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，通過化工設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算專業(yè)軟件（SW6-1998）校核了換熱器的機(jī)械強(qiáng)度。最后用繪圖軟件AutoCAD2007繪制了旋風(fēng)除塵器、換熱器Ⅰ、穩(wěn)壓罐等設(shè)備的裝配圖和零部件圖。 關(guān)鍵詞：糖廠鍋爐、煙道氣、二氧化碳、預(yù)處理、設(shè)計(jì) Sugar mill boiler flue gas CO2 enrichment wet process and equipment design research, pretreatment section Abstract Sugar mill boiler flue gas CO2 enrichment wet process using pressure swing adsorption enriched carbon dioxide from the flue gas boiler sugar mills and sugar for sulfite legal clarification process, not only reduces the boiler flue gas carbon dioxide emissions, protect the environment , while the process is also a good solution to the legal carbonated sugar production process filter mud utilization difficult, serious pollution problems , is the traditional method of sugar production process sulfite a major improvement . Design specification describes the first case of carbon dioxide pollution and its harmful emissions and emission reduction , domestic cane sugar industry development status and application of carbon dioxide in the sugar industry , compare demonstrated technologies for recycling industrial emissions of carbon dioxide , draw a selection pressure swing adsorption purification of carbon dioxide recycling advantages and development prospects. Design specification for sugar mill boiler flue gas CO2 enrichment wet process equipment has been designed mainly for the simple process analysis, design of equipment for the cyclone , fan and other equipment for the design and selection of heat exchangers Ⅰ, the surge tank and other equipment were designed , calculated by professional software chemical equipment intensity (SW6-1998) check the mechanical strength of the cooler. Finally, draw the graphics software AutoCAD2007 assembly drawing and parts diagram cyclones , heat exchanger Ⅰ, surge tank and other equipment . Keywords: sugar-refinery boilers, flue gas, carbon dioxide, pretreatment, design 2 1 目 錄 一、緒論 1 （一）、二氧化碳污染的危害 1 1、對(duì)海洋的危害 1 2、對(duì)氣候的危害 2 3、對(duì)人體的危害 3 4、制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展 4 5、低碳生活極其優(yōu)勢 5 （二）、國內(nèi)外二氧化碳的排放現(xiàn)狀 5 1、中國二氧化碳的排放現(xiàn)狀 5 2、國外二氧化碳的排放現(xiàn)狀 6 3、二氧化碳的性質(zhì) 7 4、二氧化碳的利用 7 （三）、制糖行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及制糖工藝方法 9 1、制糖行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 9 2、甘蔗制糖的工藝流程 10 3、常用的甘蔗制糖方法 11 （四）、工業(yè)廢氣二氧化碳的回收利用 13 二、糖廠鍋爐煙道氣CO2富集濕法工藝及其設(shè)備設(shè)計(jì)研究預(yù)處理工段 15 （一）、設(shè)計(jì)條件 15 1、工藝設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù) 15 2、工藝流程的確定 15 （二）、工藝過程及設(shè)備 16 1、工藝過程 16 2、設(shè)備 16 三、引風(fēng)機(jī)和旋風(fēng)除塵器的設(shè)計(jì) 17 （一）、引風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)選型 17 1、引風(fēng)機(jī)的工作原理 17 2、引風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)選型 17 （二）、旋風(fēng)除塵器的設(shè)計(jì)選型 17 1、旋風(fēng)除塵器的工作原理及特點(diǎn) 17 2、設(shè)計(jì)選型 18 1 1 四、穩(wěn)壓罐的設(shè)計(jì) 20 （一）、設(shè)計(jì)參數(shù) 20 （二）、計(jì)算過程 20 1、筒體壁厚計(jì)算 20 2、封頭計(jì)算 21 3、接管計(jì)算 22 4、接管法蘭計(jì)算 22 5、人孔及其補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 23 6、接管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 25 7、支座選取及其校核 28 8、罐體重要尺寸 29 9、水壓試驗(yàn)校核 30 五、換熱器Ⅰ的設(shè)計(jì) 32 （一）、工藝設(shè)計(jì)計(jì)算 32 1、換熱器的設(shè)計(jì)任務(wù) 32 3、換熱器I工藝參數(shù)的確定 35 4、換熱器Ⅰ傳熱系數(shù)及壓力降的計(jì)算 38 （二）、換熱器Ⅰ的結(jié)構(gòu)計(jì)算 42 1、容器法蘭的選擇與計(jì)算 42 2、管板的選擇 42 3、接管的選擇與計(jì)算 43 4、接管法蘭的選擇 43 5、管箱的選擇與計(jì)算 44 6、拉桿、定距管的選用 44 7、各部件的連接方式 44 8、選擇換熱器支座 45 參考文獻(xiàn) 47 附 錄 49 致 謝 63 2 1 一、緒論 隨著經(jīng)濟(jì)與現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展,環(huán)境問題越來越突出,面臨著嚴(yán)峻的形勢，人類的生活也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。而二氧化碳則是重要的一環(huán)，首先它是人類不可或缺的物質(zhì)，另一方面，它的超標(biāo)排放也帶來了溫室現(xiàn)象等許多環(huán)境問題，怎樣合理的使用二氧化碳，并減少因此而來的環(huán)境問題，正是現(xiàn)在社會(huì)應(yīng)該關(guān)注的問題。要解決這一問題，首先則需要我們充分認(rèn)識(shí)二氧化碳過量排放的危害。 （一）、二氧化碳污染的危害 1、對(duì)海洋的危害 大氣的二氧化碳含量增加，逐漸令全球海洋變酸。美國科學(xué)家估計(jì)，到了本世紀(jì)末，過酸的海水會(huì)導(dǎo)致珊瑚滅絕、浮游生物減少，甚至令海洋食物鏈崩潰。 美國國家大氣研究中心周三發(fā)表報(bào)告，指二氧化碳的排放將嚴(yán)重影響海洋化學(xué)成分，威脅珊瑚及海洋生物，珊瑚恐在本世紀(jì)末絕種?？茖W(xué)家解釋，珊瑚及貝殼類生物需吸收碳酸鈣組成外殼或骨胳，當(dāng)二氧化碳溶于海水，就會(huì)形成碳酸，影響珊瑚及浮游生物組成身體部分。 哥倫比亞大學(xué)仿真2050年的溫室效應(yīng)對(duì)水族箱內(nèi)海洋生物的影響，發(fā)現(xiàn)珊瑚的生長拖慢一半。按此推斷，珊瑚將會(huì)在本世紀(jì)末絕種。 浮游生物減少更可能破壞海洋食物鏈，令鯨魚、三文魚及鯖魚等面臨威脅?？茖W(xué)家及政界均形容海洋變酸是當(dāng)前最迫切的環(huán)境問題。眾議員因斯萊說﹕這絕對(duì)是計(jì)時(shí)炸彈，隨時(shí)影響科學(xué)界，甚至公眾政策制定。 目前發(fā)電廠、汽車等排放的二氧化碳，有三分一由海洋吸收。科學(xué)家過去普遍認(rèn)為，海洋有助緩和溫室效應(yīng)，但這卻令海洋酸性增加。 科學(xué)家以pH度衡量酸堿度，pH度愈低，代表酸性愈高。邁阿密大學(xué)的海洋生物教授蘭登指出，海洋的pH度通常介乎1000至1800個(gè)單位，但自工業(yè)革命以來，海洋pH度已下降了0.1個(gè)單位，令海洋酸性升至數(shù)百萬年的最高水平。到下一世紀(jì)，海洋pH度將再下跌0.3個(gè)單位，令海洋生物面臨重大威脅。 2、對(duì)氣候的危害 溫室效應(yīng)”是近年來的熱門話題，在媒體的報(bào)道中可以說是談之色變，其實(shí)溫室效應(yīng)自“古”就有，它是由于大氣層中的二氧化碳和水蒸氣等物質(zhì)吸收的熱量多于散失的而造成的。它使地球保持了相對(duì)穩(wěn)定的氣溫，是地球上生命賴以生存的必要條件。因而，“溫室效應(yīng)”并不是人們想象中的“惡魔”。只不過由于近年來人口激增、人類活動(dòng)頻繁，礦物燃料用量的猛增，再加上森林植被破壞，使得大氣中二氧化碳和各種氣體微粒含量不斷增加，造成了溫室效應(yīng)加劇，導(dǎo)致了全球性氣候變暖，才引起了人們對(duì)它的重視。 近幾十年來，由于人口急劇增加，工業(yè)迅猛發(fā)展，呼吸產(chǎn)生的二氧化碳及煤炭、石油、天然氣燃燒產(chǎn)生的二氧化碳，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了過去的水平。而另一方面，由于對(duì)森林亂砍亂伐，大量農(nóng)田建成城市和工廠，破壞了植被，減少了將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的條件。再加上地表水域逐漸縮小，降水量大大降低，減少了吸收溶解二氧化碳的條件，破壞了二氧化碳生成與轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)平衡，就使大氣中的二氧化碳含量逐年增加?？諝庵卸趸己康脑鲩L，就使地球氣溫發(fā)生了改變。 在溫室效應(yīng)就是由于大氣中二氧化碳等氣體含量增加，使全球氣溫升高的現(xiàn)象。如果二氧化碳含量比現(xiàn)在增加一倍，全球氣溫將升高3℃～5℃，兩極地區(qū)可能升高10℃，氣候?qū)⒚黠@變暖。氣溫升高，將導(dǎo)致某些地區(qū)雨量增加，某些地區(qū)出現(xiàn)干旱，颶風(fēng)力量增強(qiáng)，出現(xiàn)頻率也將提高，自然災(zāi)害加劇。更令人擔(dān)憂的是，由于氣溫升高，將使兩極地區(qū)冰川融化，海平面升高，許多沿海城市、島嶼或低洼地區(qū)將面臨海水上漲的威脅，甚至被海水吞沒。20世紀(jì)60年代末，非洲下撒哈拉牧區(qū)曾發(fā)生持續(xù)6年的干旱。由于缺少糧食和牧草，牲畜被宰殺，饑餓致死者超過150萬人。 這是“溫室效應(yīng)” 給人類帶來災(zāi)害的典型事例。因此，必須有效地控制二氧化碳含量增加，控制人口增長，科學(xué)使用燃料，加強(qiáng)植樹造林，綠化大地，防止溫室效應(yīng)給全球帶來的巨大災(zāi)難。 科學(xué)家預(yù)測,今后大氣中二氧化碳每增加1倍,全球平均氣溫將上升1.5～4.5℃,而兩極地區(qū)的氣溫升幅要比平均值高3倍左右。因此,氣溫升高不可避免地使極地冰層部分融解,引起海平面上升。大氣是包圍地球的空氣層，它由氮、氧、氬等多種氣體組成，當(dāng)太陽透過空氣時(shí)太陽輻射能受到它們不同程度的削弱，形成了目前這種平衡狀態(tài)的地球氣候系統(tǒng)，人類也已經(jīng)適應(yīng)了這種狀態(tài)。但隨著生產(chǎn)的發(fā)展，工業(yè)革命的到來，人類的種種活動(dòng)引起空氣中某些成分的變化，打破了這種平衡的狀態(tài)。例如：二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氟氯烴化合物、臭氧，這些氣體對(duì)于來自太陽的短波輻射幾乎是透明的，但對(duì)于從地面射出的長波輻射則有強(qiáng)烈的吸收作用，使地表輻射的熱量留在了大氣層內(nèi)，起到類似暖房的玻璃罩或塑料大棚的作用，提高了地表的溫度，通常稱為“溫室效應(yīng)”。這種溫室效應(yīng)改變了原來的生態(tài)環(huán)境。根據(jù)科學(xué)家研究：二氧化碳加倍以后將使全球 地面平均溫度增加2-3℃，極地海冰融化，全球海面大幅上升，降水過程也將增加，而且分布并不均勻，隨之而來的全球生態(tài)系統(tǒng)也將發(fā)生巨大的改變。 3、對(duì)人體的危害 美國一項(xiàng)長期環(huán)境跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，生活在風(fēng)景區(qū)與污染區(qū)的居民其體內(nèi)血液有毒物質(zhì)含量相差無幾，因?yàn)槿嗣刻旒s80～90%的時(shí)間是在室內(nèi)度過的，室內(nèi)環(huán)境污染給人們帶來的影響甚至要大于室外。這引起了人們對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的重視。 在新鮮空氣中二氧化碳的濃度，鄉(xiāng)村約為0.03%，城市約為0.04%。而實(shí)驗(yàn)研究證明：當(dāng)二氧化碳含量達(dá)0.07%時(shí)，有少數(shù)對(duì)氣體敏感的人就感覺有不良?xì)馕逗筒贿m感覺；達(dá)0.1%時(shí)，空氣中氨類化合物明顯增加，人們普遍有不適感覺；達(dá)3%時(shí)，肺的呼吸量雖正常，但呼吸深度增加；達(dá)4%時(shí)，頭痛、耳鳴、脈搏滯緩、血壓上升；達(dá)8～10%時(shí)，呼吸明顯困難，意識(shí)陷入不清，以致呼吸停止；達(dá)30%時(shí)，致死。 雖然較高的室內(nèi)二氧化碳會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害，但通常情況下人們更多的是把其作為空氣污染“指示劑”看待的：在室內(nèi)人數(shù)一定時(shí)，室內(nèi)二氧化碳濃度可以反映室內(nèi)通風(fēng)情況，從而可以粗略估計(jì)室內(nèi)其他有害物質(zhì)的污染程度。例如，在學(xué)校里空氣的污濁程度達(dá)到一定程度時(shí)，感冒等流行疾病就容易傳播。人們一般要求室內(nèi)空氣中二氧化碳含量應(yīng)在0.07%以下，據(jù)最新頒布的國家標(biāo)GB/T17226—1998《中小學(xué)教室換氣衛(wèi)生要求》[5]規(guī)定，“教室內(nèi)空氣中二氧化碳的最高容許濃度為0.15%”。我們知道，一個(gè)16～19歲的少年男子每天約需2800千卡的能量，即其在每天需要24mol，0.768kg氧氣的同時(shí)，排出24mol，1.056kg二氧化碳。如果是在一個(gè)沒有氣體交換的封閉體系中，則其一小時(shí)所需的空氣量為1mol÷0.15%*22.4L/mol=15m3。假如有一個(gè)容納50名學(xué)生的教室（長9m，寬6m，高4m），則其每小時(shí)需置換的空氣不應(yīng)低于4次。因此，我們一定要重視家庭居室、學(xué)校教室、寫字樓辦公室、百貨商場等公眾較為集中地方二氧化碳的污染，特別是中小學(xué)生正處于發(fā)育旺盛期，個(gè)人抵抗力較成年人差，因而學(xué)校更要注意保持教室通風(fēng)，要求學(xué)生常做室外活動(dòng)，從而保持身體健康。 在人體內(nèi)，二氧化碳還起著調(diào)節(jié)呼吸的作用。與一般人的想法相反，正常情況下，氧對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)影響不大，而血液中二氧化碳的含量卻對(duì)呼吸的調(diào)節(jié)起著特別明顯的作用。因?yàn)?，呼吸中樞?duì)二氧化碳濃度的改變很敏感，當(dāng)血液中二氧化碳分壓稍高時(shí)，呼吸即加深加快，通氣量增加；稍低時(shí)則變淺變慢，通氣量減少。當(dāng)然，若血液中二氧化碳太多時(shí)，對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生毒性作用。 4、制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展 在全球應(yīng)對(duì)氣候變化形勢下，世界范圍內(nèi)正在經(jīng)歷一場經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展方式的巨大變革：發(fā)展低碳能源技術(shù)，建立低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和低碳社會(huì)消費(fèi)模式，并將其作為協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保護(hù)氣候之間關(guān)系的基本途徑。 就全球來看，歐美發(fā)達(dá)國家能源的利用率是相對(duì)較高的，但由于他們的消費(fèi)水平高，二氧化碳的減排責(zé)任并不占優(yōu)勢。我國2007年二氧化碳排放總量為54.2億噸，是世界二氧化碳的第二排放大國。在GDP高增長形勢下，“高碳模式”已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家綠色壁壘的重要內(nèi)容。 有分析認(rèn)為，中國要達(dá)到歐洲的低碳水平，中國的鋼鐵產(chǎn)量必須要降下來；但中國要繼續(xù)發(fā)展，鋼產(chǎn)量就得繼續(xù)維持10年至20年。當(dāng)然，既保持高能耗產(chǎn)品的產(chǎn)量，又盡最大的能力減排二氧化碳，也可以定義為低碳經(jīng)濟(jì)。 因此，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)既是盡國際義務(wù)，也是中國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的出路。 這一切都已經(jīng)引起了有識(shí)之士的重視，而且他們也都在各個(gè)領(lǐng)域積極探索這一問題的解決方案，并取得了一定成效。 2008年8月《中國日?qǐng)?bào)》報(bào)道了一則新聞：世界著名自然災(zāi)難專家、英國倫敦大學(xué)地球物理學(xué)教授比爾·麥克古爾在其新書《7年拯救地球》中宣稱，如果溫室氣體在從現(xiàn)在起的7年中無法得到控制，那么地球?qū)⒃?015年進(jìn)入不可逆轉(zhuǎn)的惡性循環(huán)中，包括戰(zhàn)爭、瘟疫、干旱、洪水、饑荒、颶風(fēng)在內(nèi)的各種災(zāi)禍將席卷地球。 如今，7年拯救期已過去了2年，我們的時(shí)間越來越緊迫。好在我們已經(jīng)知道了拯救的方法——減少碳排放，增加固碳能力。當(dāng)然，這個(gè)拯救的責(zé)任需要國際社會(huì)成員來共同擔(dān)當(dāng)，而且國際社會(huì)已經(jīng)有了控制手段：劃分指標(biāo)，建立碳排放權(quán)交易制度。在這個(gè)框架下，政府可以通過審批權(quán)，控制企業(yè)的碳排放。那么，我們現(xiàn)在要做的，就是：喚醒大眾的低碳意識(shí)，因?yàn)榇蟊姷暮狭κ蔷薮蟮?，這是一個(gè)簡單而且行之有效的方法。 5、低碳生活極其優(yōu)勢 “低碳生活”這一理念著眼于人類未來。近幾百年來，以大量礦石能源消耗和大量碳排放為標(biāo)志的工業(yè)化過程讓發(fā)達(dá)國家在碳排放上遙遙領(lǐng)先于發(fā)展中國家。當(dāng)然也正是這一工業(yè)化過程使發(fā)達(dá)國家在科技上領(lǐng)先于其他國家，也令它們的生產(chǎn)與生活方式長期以來習(xí)慣于“高碳”模式，并形成了全球的“樣板”，最終導(dǎo)致其自身和全世界被“高碳”所綁架。在首次石油危機(jī)、繼而在氣候變化成為問題以后，發(fā)達(dá)國家對(duì)高耗能的生產(chǎn)消費(fèi)模式和“低碳生活”理念才幡然覺悟，有了新認(rèn)識(shí)。盡管仍有學(xué)者對(duì)氣候變化原因有不同的看法，但由于“低碳生活”理念至少順應(yīng)了人類“未雨綢繆”的謹(jǐn)慎原則和追求完美的心理與理想，因此“寧可信其有，不愿信其無”，“低碳生活”理念也就漸漸被世界各國所接受。 （二）、國內(nèi)外二氧化碳的排放現(xiàn)狀 1、中國二氧化碳的排放現(xiàn)狀 2000年至2010年，中國能源消費(fèi)同比增長120%，占全球比重由9.1%提高到約20%，二氧化碳排放占比由12.9%提高到約23%，人均二氧化碳排放量目前已經(jīng)超過世界平均水平。1990~2001年，中國二氧化碳排放量凈增8.23億噸，占世界同期增加量的27%，預(yù)計(jì)到2020年，排放量還要在2000年的基礎(chǔ)上增1.32倍，這個(gè)增量要比全世界在1990年到2001年的總排放增量還大?？茖W(xué)預(yù)測表明，到2025年前后，中國的二氧化碳排放總量可能超過美國，居世界第一位。從人均來看，目前中國人均二氧化碳排放量高于世界平均水平，到2025年可能達(dá)到世界平均水平。從排放強(qiáng)度來看，由于技術(shù)和設(shè)備相對(duì)陳舊落后，我國單位GDP的溫室氣體排放量也居世界前列。 根據(jù)英國風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估公司Maplecroft公布的溫室氣體排放量數(shù)據(jù)顯示，中國每年向大氣中排放的二氧化碳超過60億噸，位居世界各國之首。中國政府在溫室氣體減排方面面臨前所未有的國際壓力，但對(duì)CO2的回收利用的研究起步較晚，對(duì)CO2應(yīng)用開發(fā)工作做得更少，為了解決能源緊張，消除污染，大力開展CO2資源的綜合開發(fā)利用顯得十分重要。 我國政府作出到2020年單位GDP的CO2排放量比2005年降低40%~50%的承諾。根據(jù)我們的理解，對(duì)這個(gè)承諾首先需要明確兩點(diǎn)：一是此排放特指化石能源用和水泥生產(chǎn)的排放，不包括土地利用的排放，亦不包括生態(tài)建設(shè)的（固碳）負(fù)排放；二是GDP計(jì)量必須是2005年的不變價(jià)格，不能以美元計(jì)（即要排除匯率變動(dòng)因素）。在這樣的前提下，我們即可計(jì)算出2020年我國總共可以排放多少CO2。 溫總理在哥本哈根氣候大會(huì)上曾明確承諾：“我們將堅(jiān)定不移地位實(shí)現(xiàn)、甚至超過這個(gè)目標(biāo)而努力?！边@就可以理解為45%的相對(duì)減排是我國的最低目標(biāo)。如果我國能保持年均GDP增長率達(dá)10%，到2020年可排放的CO2總量為134.27億噸，比2008年增 加了90%，人均排放量為9.45噸CO2[3]。 2、國外二氧化碳的排放現(xiàn)狀 2000年至2004年期間，全球二氧化碳排放量每年增加3.2%，大幅超過了1990年至1999年年均1.1%的增長率，各國人均碳排放量如圖1-2。1980年全球二氧化碳排放量約為50億噸，之后持續(xù)增加，至2004年已超過73億噸。研究組認(rèn)為，除發(fā)展中國家人口增加和經(jīng)濟(jì)增長外，越來越多的國家為維持一定規(guī)模的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值而加大了溫室氣體排放量。自工業(yè)革命以來，美國、日本等發(fā)達(dá)國家排放的二氧化碳占地球大氣二氧化碳總量的77%。這表明發(fā)達(dá)國家有責(zé)任在減排等對(duì)策上起帶頭作用。全球能源相關(guān)二氧化碳排放量在2009年經(jīng)歷金融危機(jī)引發(fā)的“攀升低谷”后，2010年升至306億噸，高出2008年排放量的5%。世界經(jīng)濟(jì)2010年恢復(fù)增長，二氧化碳的排放量至2011年夜增加了16億噸，這是有史以來的最高增加幅度[2]。 3、二氧化碳的性質(zhì) (1)、化學(xué)性質(zhì) 一般情況下，二氧化碳性質(zhì)穩(wěn)定，但在高溫或催化存在情況下，二氧化碳可參與某些化學(xué)反應(yīng)。 ① 高溫下，二氧化碳可分解為一氧化碳和氧；在二氧化碳中，美、鋁、鉀等活性金屬可繼續(xù)保持燃燒，反應(yīng)生成金屬氧化物，析出游離態(tài)碳；二氧化碳可以用其他方法還原，例如氫氣。 ② 在高溫（170～200℃）高壓（13.8～24.6MPa）條件下，二氧化碳和氨氣發(fā)生反應(yīng)生成尿素，這個(gè)方法被廣泛用于尿素及其衍生生物的生產(chǎn)過程中。 ③ 生化反應(yīng)，二氧化碳在地球的生態(tài)環(huán)境中起著重要的作用，在植物的新陳代謝過程中，在光和葉綠素的催化作用下，空氣中的二氧化碳和水反應(yīng)生成糖等有機(jī)物并放出氧氣[4]。 (2)、物理性質(zhì) 二氧化碳是碳的兩種氧化物之一，是一種無機(jī)物，是空氣中常見的化合物。二氧化碳的化學(xué)式為CO2，相對(duì)分子質(zhì)量是44。二氧化碳的沸點(diǎn)低(-78.5 ℃)，常溫常壓下是一種無色無味氣體，密度1.977g/cm3，比空氣大，能溶于水，20 ℃時(shí)每100體積水可溶88體積二氧化碳。液體二氧化碳在加壓冷卻時(shí)可凝成固體二氧化碳，俗稱干冰，干冰密度為1 500 kg/m3，是一種低溫致冷劑。 4、二氧化碳的利用 (1)、二氧化碳在制糖工業(yè)中的應(yīng)用 在傳統(tǒng)的制糖工藝中，常用碳酸法即用二氧化碳和石灰乳作為主要清凈劑的方法處理蔗汁。碳酸法清凈劑中，用二氧化碳進(jìn)行飽充，使加入的石灰與二氧化碳生成大量的碳酸鈣沉淀，并發(fā)揮其吸附作用，吸附膠體及色素，然后沉淀過濾以除去沉淀物。飽充的PH控制在10.5～11，此過程稱為一碳飽充。蔗汁經(jīng)一碳飽充后必須將沉淀物分離除去，所得一碳清汁的堿度尚很高，PH為10.5～11，所以必須進(jìn)行二碳飽充，只通入二氧化碳?xì)?，使蔗汁的可溶性鈣鹽全部以碳酸鈣形式沉淀下來。二碳飽充的中點(diǎn)堿度為PH8～8.5，此時(shí)清汁的含鈣量可降低至最低，使蔗汁純度進(jìn)一步提高。 最新研究表明，還可以從甘蔗糖廠鍋爐煙道氣中富集二氧化碳并將其應(yīng)用于亞硫酸法制糖澄清工藝，工藝流程簡圖見圖1-1。結(jié)果表明，采用本工藝，并結(jié)合上浮清凈技術(shù)，使廣西永金華糖集團(tuán)有限公司的糖廠色值≤100IU的優(yōu)一級(jí)白砂糖產(chǎn)量同比07/08榨季提高25.35個(gè)百分點(diǎn)，色值≤120IU的優(yōu)一級(jí)白砂糖產(chǎn)量同比07/08榨季提高55.69個(gè)百分點(diǎn)，二氧化硫含量≤10mg/KS的一級(jí)白砂糖產(chǎn)量同比07/08榨季提高69.56個(gè)百分點(diǎn)，混濁度＜40MAU的一級(jí)白砂糖產(chǎn)量同比07/08榨季提高55.23個(gè)百分點(diǎn)。 圖1-1 鍋爐煙道氣變壓吸附工藝簡圖 (2)、二氧化碳在有機(jī)化工生產(chǎn)上的利用 二氧化碳在催化劑作用下與氫氣反應(yīng)可生成甲醇、二甲醚、低碳烯氰、低碳醇等小分子物質(zhì)。、 制合成氣，將二氧化碳作為輔助碳源，與煤、焦炭、天然氣或油共同作為原料，利用造氣工藝實(shí)現(xiàn)二氧化碳向一氧化碳的部分轉(zhuǎn)化。以焦炭制水煤氣-PSA工藝為例。該工藝在放空時(shí)浪費(fèi)能源，污染環(huán)境，在水蒸氣氣化和PSA后續(xù)加壓澤能耗高。若采用二氧化碳和氧氣為氣化劑，用焦炭部分氧化還原法可制得純度為69%的一氧化碳，并實(shí)現(xiàn)二氧化碳向一氧化碳的轉(zhuǎn)化。經(jīng)MDEA脫碳，催化脫氧后可獲得純度96%以上的一氧化碳，回收的余下二氧化碳又可返回氣化爐再利用。該工藝除減排二氧化碳外，還具有節(jié)省蒸汽、氣化效率高、焦炭消耗低的特點(diǎn)。在天然氣轉(zhuǎn)化工藝中也可補(bǔ)入二氧化碳，通過調(diào)節(jié)合成氣的氫碳比，在消耗二氧化碳的同時(shí)，可產(chǎn)生更多的一氧化碳。 制備C1～C2混合酶，有廢棄中的CO2加氫制低碳醇是人們感興趣的課題，尤以日本為盛，然而所用催化劑較昂貴。日本國家材料化學(xué)研究所采用Rh-Fe/SiO2催化劑，在5MP、533K下通過CO2H2，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率為26.7%，乙醇的選擇性為16.2%。當(dāng)采用Rh-Li-Fe三元催化劑時(shí)，乙醇的選擇性由15.5%增至34%。 合成混合燃料，使用二氧化碳和水制備，可使用催化轉(zhuǎn)化法、微波-等離子還原法。使用CO2-H2-CO制備，首先采用Pd改性的Cu-Zn-Cr-Al催化劑將二氧化碳加氫為甲醇，第二步采用H-Ga-Silicate催化劑將粗甲醇轉(zhuǎn)換為C2～C5氰。 (3)、二氧化碳在食品工業(yè)上的應(yīng)用 對(duì)果蔬、糧食保鮮；對(duì)鮮魚、肉保鮮，二氧化碳對(duì)柿果有脫澀保脆的作用。飲料上，用于含氣飲料的生產(chǎn)、果汁半成品保存、二氧化碳在紅酒釀造中的應(yīng)用。在食品冷藏和冷凍中的應(yīng)用。還有干燥食品、制造冰淇淋、油脂防止氧化等。 （三）、制糖行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及制糖工藝方法 糖是人們主要的生活資料之一。蔗糖和淀粉、糖類、蛋白質(zhì)、脂肪及某些無機(jī)鹽是保證人們健康的主要營養(yǎng)品，每公斤糖可在人體內(nèi)發(fā)出3950千卡的熱量，維持人體的活力。因此，糖是人體需的重要營養(yǎng)物質(zhì)，尤其對(duì)于運(yùn)動(dòng)員、嬰兒及某些病人，則更是不可缺少。糖除了供直接食用外，也是一種重要的工業(yè)原料。食品工業(yè)就離不開糖，其他如醫(yī)藥工業(yè)及若干有機(jī)化學(xué)工業(yè)都與糖有密切關(guān)系。 1、制糖行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 (1)、國外制糖行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，世界上有產(chǎn)糖能力的國家和地區(qū)達(dá)到107個(gè)。在世界上有產(chǎn)糖能力的國家和地區(qū)中，產(chǎn)糖量50萬噸以上的國家和地區(qū)有34個(gè)，產(chǎn)糖量100萬噸以上的國家和地區(qū)有23個(gè)，產(chǎn)糖量500萬噸以上的只有巴西、印度、歐盟、中國、泰國、美國、墨西哥、澳大利亞8個(gè)國家，這8個(gè)國家的產(chǎn)糖量占全球的大部分，世界主要產(chǎn)糖國的食糖產(chǎn)量見圖1-2。 圖1-2 世界主要產(chǎn)糖國的食糖產(chǎn)量 (2)、國內(nèi)制糖行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 我國是世界上主要的食糖生產(chǎn)和消費(fèi)大國。20世界90年代以來，由于東南沿海地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，我國甘蔗生產(chǎn)逐漸向西轉(zhuǎn)移，區(qū)域布局得到優(yōu)化。2004年全國有359家糖廠，制糖能力1100萬噸，其中甘蔗糖廠340家、制糖能力近1000萬噸，主要分布在廣西、云南、廣東、海南等省區(qū)、按照氣候條件適宜、具有一定生產(chǎn)規(guī)模、制糖產(chǎn)業(yè)布局合理等原則，我國選擇桂中南、滇西南和粵西為全國甘蔗優(yōu)產(chǎn)區(qū)，包括48個(gè)縣市。 經(jīng)過區(qū)域結(jié)構(gòu)調(diào)整，我國產(chǎn)糖省由原來的21個(gè)減少到18個(gè)，我國糖業(yè)布局逐步向優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)集中。甘蔗種植區(qū)域重點(diǎn)向西南區(qū)域轉(zhuǎn)移，基本形成了廣西、云南、粵西為主體的蔗糖生產(chǎn)布局。根據(jù)2007-2008年榨期，3省區(qū)產(chǎn)糖1298.65萬噸，占全國蔗糖產(chǎn)量的95%以上。 (3)、廣西制糖行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 甘蔗產(chǎn)業(yè)是廣西的特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，也支柱產(chǎn)業(yè)之一。自1992年以來，廣西的甘蔗種植面積、產(chǎn)糖量一直位居全國首位，甘蔗產(chǎn)量和食糖產(chǎn)量均占全國的60%以上，是與巴西圣保羅、澳大利亞昆士蘭、印度北方邦、美國福羅里達(dá)等量齊觀的中國“糖都”，對(duì)我國食糖的供求平衡發(fā)揮了極其重要的作用。廣西有51%的縣市種植甘蔗，糖業(yè)的稅收占全區(qū)財(cái)政收入的13%~17%。近年來廣西的食糖產(chǎn)量如表1-1所示。 表1-1 2005-2011年榨季廣西食糖產(chǎn)量（單位：萬噸） 制糖期 05/06 06/07 07/08 08/09 09/10 10/11 全國產(chǎn)量 881.5 1199.41 1884.02 1243.12 1073.83 1045.42 廣西產(chǎn)量 527.7 708.6 937.2 763 710.2 627.8 近十多年來是廣西甘蔗種植發(fā)展最快的時(shí)期。自從1992-1993年榨季，甘蔗種植面積達(dá)到42.8萬噸，產(chǎn)糖量226萬噸，躍居全國首位，廣西甘蔗不僅僅從種植面積上有所突破，從單產(chǎn)和含糖量等標(biāo)準(zhǔn)上有很大的提高，并且先后培育出“桂糖11號(hào)”、“桂糖17號(hào)”、“桂糖22號(hào)”等一批高產(chǎn)高糖的優(yōu)良品種。2015年廣西預(yù)計(jì)將突破產(chǎn)量1100萬噸的大關(guān)，并建成全國最大的糖業(yè)制造和儲(chǔ)備基地。 2、甘蔗制糖的工藝流程 甘蔗制糖的過程中，從原料甘蔗到成品糖，大致要經(jīng)歷提汁、澄清、蒸發(fā)、煮煉這幾個(gè)工段。甘蔗制糖工藝流程圖如圖1-3所示。 甘蔗 蒸發(fā) 提汁 澄清 煮煉 成品糖 圖1-3 甘蔗制糖工藝流程圖 提汁就是從甘蔗原料中提取蔗汁，現(xiàn)在常用的方法有三種：壓榨法、滲出法、磨壓法，這三種方法都是要先將含有糖分的甘蔗組織細(xì)胞加以破壞，然后采用多重壓榨、多級(jí)噴淋或擠壓把糖汁抽下取出來。 澄清是把提汁工段得到的蔗汁進(jìn)行除雜處理，提汁工段得到的蔗汁是暗綠色的混濁液體，除了含有蔗糖外，還含有不溶性的非糖物質(zhì)，如葉綠素、蔗屑，可溶性的非糖物質(zhì)，如有機(jī)酸、無機(jī)鹽、膠體等。澄清的目的就是通過加熱、加澄清劑、沉降、過濾等工序以除去蔗汁中對(duì)制糖有妨礙的非糖物質(zhì)，以提高成品糖的品質(zhì)和回收率。 蒸發(fā)就是通過加熱作用使糖汁中一部分水氣化而得到濃縮的糖漿。澄清工段的糖汁在除雜處理后變成了清汁，但還是含有大量的水分，一般為84%~88%的水分，只有經(jīng)過蒸發(fā)濃縮后才能送去煮煉。 煮煉的目的是把處理好的糖漿制成成品，并最大限度的把糖液中蔗糖以結(jié)晶的形式提煉出來。煮煉包括煮糖、助晶、分蜜、干燥和篩分。煮糖是對(duì)糖漿進(jìn)一步加熱濃縮使之析出蔗糖。助晶是對(duì)糖漿降溫冷卻，加快晶體的析出。分蜜是將助晶后的糖膏送入離心機(jī)，使晶體與母液分離。干燥是將分蜜得到的糖用熱空氣或其他方法除去水分至符合要求的含水量。干燥后的砂糖按規(guī)格大小用篩分類，叫做篩分。篩分后的合格砂糖便可以裝包作為成品，送入倉庫貯存或出廠[5]。 3、常用的甘蔗制糖方法 根據(jù)生產(chǎn)過程中澄清方法的不同，制糖方法大致可分為石灰法、亞硫酸法、碳酸法。 (1)、石灰法 石灰法是以石灰作為主要澄清劑的生產(chǎn)方法，石灰法具有取材容易、價(jià)格便宜、工藝過程簡單的優(yōu)點(diǎn)，所以石灰法應(yīng)用廣泛。但石灰法的澄清效果較差，不能用于制白糖，只能制得含蔗糖分為96%~97%的粗糖，粗糖呈淺黃色，表面有一層糖蜜，一般不直接使用，而是供給精煉糖廠作原料。 (2)、亞硫酸法 亞硫酸法主要是以石灰和二氧化硫作為澄清劑，SO2與石灰形成亞硫酸鈣，亞硫酸鈣具有吸附作用，再加上SO2具有抑制色素生成的作用，其澄清的效果優(yōu)于石灰法，可用于生產(chǎn)白糖，亞硫酸法所用設(shè)備和制造方法比較簡單，消耗材料較少，成本較低，在甘蔗原料新鮮的情況下，可生產(chǎn)出白糖，但當(dāng)原料有變化或質(zhì)量較差時(shí)，白糖質(zhì)量就會(huì)下降，而且亞硫酸法制得的白糖在貯存時(shí)會(huì)發(fā)生變黃的現(xiàn)象，亞硫酸法工藝流程如圖1-4。 圖1-4 亞硫酸法澄清工藝 (3)、碳酸法 碳酸法主要以石灰和二氧化碳做澄清劑來澄清糖汁，碳酸法所除去的非糖物質(zhì)比亞硫酸法要多，所以總回收率較高，所以制得的成品糖的純度較高，色值較低，且能長久貯存而不變色，但碳酸法生產(chǎn)流程長、設(shè)備多，而且需要耗費(fèi)大量的石灰和二氧化碳，因此生產(chǎn)成本較高，另外碳酸法制糖會(huì)產(chǎn)生大量的堿性慮泥，會(huì)造成嚴(yán)重環(huán)境污染[6],在這三種制糖方法中，石灰法制出的糖品質(zhì)較差，而碳酸法產(chǎn)生的濾泥難以處理，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，所以這兩種方法在現(xiàn)代甘蔗制糖工業(yè)中的應(yīng)用逐漸減少，現(xiàn)在最常用的方法就是亞硫酸法，在亞硫酸法的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的半硫半碳法，就是同時(shí)用CO2和SO2作為澄清劑，就降低了糖中含硫量，在一定的程度上解決了久貯變黃的問題，只要控制加入適量的CO2，就不會(huì)造成濾泥污染，碳酸酸法工藝流程如圖1-5。 圖1-5 碳酸法澄清工藝 （四）、工業(yè)廢氣二氧化碳的回收利用 能源與環(huán)境已成為全球普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問題。無論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，都把可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略作為國家宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的一種必然選擇。 目前，溫室氣體大量排放所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，已經(jīng)對(duì)自然條件和人類生存條件帶來了諸多負(fù)面影響。例如，氣溫升高，海平面上升，頻繁惡劣天氣等。因而， “溫室效應(yīng)”引起的氣候變化已成為一個(gè)全球性熱點(diǎn)環(huán)境問題，愈來愈引起世界各國的關(guān)注。 大氣中主要的溫室氣體是水汽（H2O），水汽所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)大約占整體溫室效應(yīng)的60%～70％，其次是二氧化碳（CO2）大約占了26％，其他的還有臭氧（O3），甲烷（CH4），氧化亞氮（N2O）全氟碳化物（PFCs）、氫氟碳化物（HFCs）、含氯氟烴（HCFCs）及六氟化硫（SF6）等。 在各種溫室氣體中，CO2以其較長的壽命年限(50～200年)及超高的排放量，而且二氧化碳是化學(xué)惰性的，不能通過光化學(xué)或化學(xué)作用去除。因而除水汽外對(duì)“溫室效應(yīng)”的貢獻(xiàn)最大。人類燃燒煤、油、天然氣和樹木，產(chǎn)生大量二氧化碳和甲烷進(jìn)入大氣層后使地球升溫，使碳循環(huán)失衡，改變了地球生物圈的能量轉(zhuǎn)換形式。自工業(yè)革命以來，大氣中二氧化碳含量增加了 25%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過科學(xué)家可能勘測出來的過去16萬年的全部歷史紀(jì)錄，而且目前尚無減緩的跡象。因而，二氧化碳在全球范圍的“溫室效應(yīng)”中扮演著十分重要的角色，應(yīng)當(dāng)作為溫室氣體削減與控制的重點(diǎn)，CO2減排是可持續(xù)發(fā)展的必然要求。 從化石燃料燃燒排放的煙氣中分離回收CO2是世界各國普遍關(guān)注的問題?；剂现屑词怪挥?0%的CO2得到回收利用，它提供的碳源也是十分巨大的，在一定程度上可以解決全世界的CO2需求問題。這種方法將提供最大的碳源，同時(shí)也是減緩CO2排放的最有力、最直接的手段之一。 目前回收提濃CO2氣體的方法有溶劑法、膜分離法、變壓吸附法、精餾法等方法，溶劑法是國內(nèi)外回收CO2較多的一種方法，典型的有熱鉀堿法和乙醇胺（MEA）法，其優(yōu)點(diǎn)是能有效回收二氧化碳，CO2濃度可達(dá)到99%以上，但其突出缺點(diǎn)是投資大、流程長、能耗高、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、開停車麻煩、運(yùn)行費(fèi)用高。對(duì)于處理窯氣有兩點(diǎn)嚴(yán)重的不足：1）窯氣O2含量7%～10%，溶劑氧化反應(yīng)嚴(yán)重，消耗大；2）每千標(biāo)m3CO2需0.4MPa 的蒸汽3.5t。采用溶劑法成本過高。 變壓吸附法是處理回收CO2的一種方法。一般變壓吸附脫碳?jí)毫υ?.6MPa 以上，產(chǎn)品CO2氣體來自解吸氣，需用真空泵抽出，壓力很低。原料氣升壓越高，裝置的能耗和投資就越大，采用通常變壓吸附法，需要加壓兩次。僅原料氣的升壓，就將導(dǎo)致動(dòng)力消耗增加40%以上，大大提高產(chǎn)品陳本，同時(shí)將增大動(dòng)力設(shè)備和吸附劑的投資。采用通常變壓吸附法，投資和成本也過不了關(guān)。對(duì)于氣體壓力小于0.05MPa ，CO2濃度只有7%～12%，而對(duì)產(chǎn)品氣體CO2濃度要求不高的條件下，膜分離法和精餾法也不適用。通過分析比較，從分離效果及成本費(fèi)用方面考慮，采用變壓吸附（PSA）富集CO2更合適。 2、 糖廠鍋爐煙道氣CO2富集濕法工藝 及其設(shè)備設(shè)計(jì)研究預(yù)處理工段 （一）、設(shè)計(jì)條件 1、工藝設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù) (1) 設(shè)計(jì)處理能力：5500Nm3/h。 (2) 生產(chǎn)時(shí)日：每年按180天，每天24小時(shí)連續(xù)操作。 (3) 物料：甘蔗糖廠鍋爐煙道氣。 (4) 糖廠鍋爐水膜除塵器后的煙道氣成分如表2-1所示。 表2-1 糖廠鍋爐水膜除塵器后的煙道氣成分 成分 N2 CO2 O2 NO CO SO2 含量 79% 10%~11% 11%~10% 142ppm 84pm - (5) 糖廠鍋爐水膜除塵器后的煙道氣溫度：87℃。 (6) 旋風(fēng)除塵器：煙道氣入口溫度為87℃，出口溫度為85℃。 (7) 換熱器Ⅰ：煙道氣入口溫度為85℃，出口溫度為50℃。 冷卻水進(jìn)口溫度為25℃，出口溫度為29℃。 (8) 穩(wěn)壓罐：容積V=4.5m3，直徑φ=1200。 2、工藝流程的確定 工藝流程簡圖如圖2-1。 煙道氣 旋風(fēng)除塵器 引風(fēng)機(jī) 換熱器 穩(wěn)壓灌 加壓工段 圖2-1 糖廠鍋爐煙道氣CO2濃縮系統(tǒng)工藝流程簡圖 從鍋爐出來的煙道氣經(jīng)水膜除塵器后由引風(fēng)機(jī)抽送入旋風(fēng)除塵器和換熱器Ⅰ，在換熱器Ⅰ冷卻至常溫，進(jìn)入穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓緩沖后送入壓縮機(jī)進(jìn)行加壓，得到的壓縮氣體直接送入變壓吸附（PSA）系統(tǒng)進(jìn)行CO2吸附，吸附塔塔頂及塔底排出氣體分別進(jìn)入相應(yīng)的儲(chǔ)氣罐，其中主要產(chǎn)品CO2可由鼓風(fēng)機(jī)送至用戶用于工藝生產(chǎn)，富含氮氧的產(chǎn)品氣體則用于其他工藝過程。 （二）、工藝過程及設(shè)備 1、工藝過程 來自鍋爐的煙道氣先經(jīng)過水膜除塵處理，使煙道氣的粉塵含量降低，由引風(fēng)機(jī)（C0101）抽送入旋風(fēng)除塵器（X0101）除塵后進(jìn)入換熱器Ⅰ（E0101）的管程進(jìn)行冷卻，經(jīng)穩(wěn)壓罐（V0101）緩沖后再送入下一級(jí)加壓工段。具體工藝流程圖如圖2-2所示。 圖2-2 預(yù)處理工段工藝流程圖 2、設(shè)備 在預(yù)處理工段中，主要的設(shè)備有換熱器等，各設(shè)備的名稱和型號(hào)如表2-2所示。 表2-2 預(yù)處理工段各設(shè)備名稱及型號(hào) 序號(hào) 名稱 設(shè)備位號(hào) 型號(hào)規(guī)格 數(shù)量 備注 1 2 3 4 旋風(fēng)除塵器 換熱器Ⅰ 引風(fēng)機(jī) 穩(wěn)壓罐 X0101 E0101 C0101 V0101 B-900 DN900 F=75m2 9-26-15NO5.6A V=4.5m3 φ1200 1 1 1 1 三、引風(fēng)機(jī)和旋風(fēng)除塵器的設(shè)計(jì) （一）、引風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)選型 1、引風(fēng)機(jī)的工作原理 引風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)見圖3-1。煙氣以一個(gè)角度進(jìn)入葉輪，在翼背上產(chǎn) 生一個(gè)升力，同時(shí)必定在翼腹上產(chǎn)生一個(gè) 大小相等方向相反的作用力，使氣體排出 葉輪呈螺旋形沿軸向向前運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)， 風(fēng)機(jī)進(jìn)口處由于差壓的作用，使氣體不斷地吸入 2、引風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)選型 在煙道氣的預(yù)處理中需要一臺(tái)引風(fēng)機(jī)來提供動(dòng)力。在預(yù)處理的工藝中，煙道氣經(jīng)過旋風(fēng)除塵器、換熱器Ⅰ、引風(fēng)機(jī)最終到達(dá)穩(wěn)壓罐進(jìn)行儲(chǔ)存。其中在旋風(fēng)除塵階段的降壓為2750Pa，在冷卻階段氣體流經(jīng)換熱器降溫，降壓為783.2Pa，加上管道阻力所引起的壓降損失為1800Pa?？紤]抽取煙道氣時(shí)負(fù)壓降及整個(gè)預(yù)處理壓降，可取負(fù)壓降為1000Pa，則總壓降： 根據(jù)工況要求并考慮加10%的附加值，可知引風(fēng)機(jī)的實(shí)際處理量： 則根據(jù)以上參數(shù)查《風(fēng)機(jī)產(chǎn)品樣本》[23]，選取風(fēng)機(jī)型號(hào)為：離心式引風(fēng)機(jī)9-26-5No5.6A右90°。參數(shù)見表3-1。 表3-1 離心式引風(fēng)機(jī)的參數(shù) 轉(zhuǎn)速 全風(fēng)壓 風(fēng)壓 軸功率 電動(dòng) 機(jī)型號(hào) 電機(jī)功率 外型尺寸(長×寬×高) 壓量 2900r/min 9894Pa 9048m3/n 23.47kw Y200L1-2 30kw 823×993×1053 118kg （二）、旋風(fēng)除塵器的設(shè)計(jì)選型 1、旋風(fēng)除塵器的工作原理及特點(diǎn) (1)、工作原理 旋風(fēng)除塵器的結(jié)構(gòu)見圖3-2。當(dāng)含塵氣流以12~25m/s速度由進(jìn)氣管進(jìn)入旋風(fēng)除塵器時(shí)，氣流將由直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)。旋風(fēng)氣流的絕大部分沿器壁自圓筒體呈螺旋形向下，朝椎體運(yùn)動(dòng)。通常稱此為外旋氣流。含塵氣體在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生離心力，將密度大于氣體的塵粒甩向器避。塵粒一旦與器避接觸，便失去慣性力而靠入口速度的動(dòng)量和向下的重力沿壁面下落，進(jìn)入排灰管。旋轉(zhuǎn)下降的外旋氣流在到達(dá)椎體時(shí)，因圓錐形的收縮而向除塵器中心考靠攏。根據(jù)“旋轉(zhuǎn)矩”不變?cè)?，其切向速度不斷提高。?dāng)氣流到達(dá)椎體下端某一位置時(shí)，即以同樣的旋轉(zhuǎn)方向從旋風(fēng)除塵器中部，由下而上繼續(xù)做螺旋形流動(dòng)，即內(nèi)旋氣流。最后凈化氣經(jīng)排氣管排出器外。一部分為被捕集的塵粒也由此逸失。 自進(jìn)氣管流入的另一小部分氣體，則向旋風(fēng)除塵器頂蓋流動(dòng)，然后沿排氣管外側(cè)向下流動(dòng)。當(dāng)?shù)竭_(dá)排氣管下端時(shí)，即反轉(zhuǎn)向上隨上升的中心氣流一同從排氣管排出。分散在這一部分上旋氣流中的塵粒也隨同被排走。 (2)、特點(diǎn) 旋風(fēng)除塵器是利用旋轉(zhuǎn)的含塵氣體所產(chǎn)生的離心力，將粉塵從氣流中分離出來的一種干式-固體分離裝置。 圖3-2 旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)圖 旋風(fēng)除塵器用于工業(yè)生產(chǎn)以來，已有百余年歷史。對(duì)于捕集、分離5~10cm以上的粉塵效率較高，被廣泛地應(yīng)用于化工、石油、冶金、建筑、礦山、機(jī)械、輕紡等工業(yè)部門。 旋風(fēng)除塵器有以下幾個(gè)特點(diǎn)： ① 結(jié)構(gòu)簡單，器身無運(yùn)動(dòng)部件，不需特殊的附屬設(shè)備，占地面積小，制造、安裝投資較少； ② 操作、維護(hù)簡便，壓力損失中等，動(dòng)力消耗不大，運(yùn)轉(zhuǎn)、維護(hù)費(fèi)用較低； ③ 操作彈性較大，性能穩(wěn)定，不受含塵氣體的濃度、溫度限制。對(duì)于粉塵的物理性質(zhì)無特殊要求，同時(shí)可根據(jù)化工生產(chǎn)的不同要求，選用不同材料制作，或內(nèi)襯各種不同的耐磨、耐熱材料，以提高使用壽命。 2、設(shè)計(jì)選型 (1)、確定設(shè)計(jì)條件 氣體處理量的確定：由設(shè)計(jì)任務(wù)書Q=5500Nm3/h，將其轉(zhuǎn)化為工作溫度t=87oC下的氣體體積： Q1=Q× (3-1) 式中：T0=273k，代入數(shù)據(jù)，得： 　　　 Q1 =5500×=7252.75m3/h (2)、設(shè)備選型 由《除塵設(shè)備》[9]查得，B型旋風(fēng)除塵器采用180°蝸殼進(jìn)口，入口面積較大，具有較高的處理能力，其處理風(fēng)量為480~12000m3/h,對(duì)于較細(xì)粉塵的除塵效率高，且體型較短，因此根據(jù)工藝條件，查《除塵設(shè)備》表3-35及表3-36，擬選B-900旋風(fēng)除塵器。 (3)、確定旋風(fēng)除塵器參數(shù) B-900旋風(fēng)除塵器的性能和尺寸表參數(shù)見表3-1和表3-2： 表3-1 B-900旋風(fēng)除塵器性能表 型號(hào) 進(jìn)口氣速v(j)，m/s 處理氣量Q，m3/h 壓力損失P/Pa B-900 18 9700 2750 表3-2 B-900旋風(fēng)除塵器尺寸參數(shù) 型號(hào) a b D0 D1 D2 D3 DE h H-h B-900 576 260 900 540 360 216 378 1190 1206 四、穩(wěn)壓罐的設(shè)計(jì) （一）、設(shè)計(jì)參數(shù) 根據(jù)穩(wěn)壓罐任務(wù)要求，確定如下設(shè)計(jì)參數(shù)： (1) 容積，設(shè)計(jì)壓力 　　　。 (2) 設(shè)計(jì)溫度：由于從換熱器Ⅰ出來時(shí)介質(zhì)的溫度為50℃，取設(shè)計(jì)溫度為80℃。 (3) 選材：由于是常壓容器，選擇殼體材料為Q235-B，使用狀態(tài)為熱軋。 (4) 腐蝕裕量：由于介質(zhì)氣體腐蝕微弱，查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》[14],在無特殊腐蝕情況下，碳鋼和低合金鋼C2不小于1mm，故取C2=3mm。 (5) 焊接接頭形式：縱焊采用雙面焊全焊透對(duì)接形式，局部無損檢測，=0.85。 (6) 負(fù)偏差：由《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》[14]查得Q235-B在厚度4.5~16mm時(shí)，C1=0.3mm。 穩(wěn)壓罐的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示： （二）、計(jì)算過程 1、筒體壁厚計(jì)算 查JB/T4735-1997[32]，利用內(nèi)插法得：80℃時(shí)，Q235-B許用應(yīng)力[σ]t=128.25MPa，暫定厚度為4.5~16mm，則 (3-2) 代入數(shù)據(jù)，得： 圖4-1 穩(wěn)壓罐結(jié)構(gòu)圖 查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》[14]，在無特殊腐蝕情況下，碳鋼和低合金鋼最小厚度δ不小于3mm，故取δ=3mm，則： 　　　　 δn=δ+C1+ C1 (3-3) 式中：C1=0.3mm，C2=3mm，代入數(shù)據(jù)得： δn=δ+C1+C2=3+3+0.3=6.3mm 查《化工工藝制圖》[11]表6-17，得當(dāng)公稱直徑為1200mm時(shí)，內(nèi)壓圓筒的最小壁厚為8mm，取實(shí)際筒體壁厚為δn=10 mm, 則 δe=δn－C1－C2 (3-4) 代入數(shù)據(jù)得： δe=δn－C1－C2=10－3.3=6.7mm。 2、封頭計(jì)算 選用殼體材料與筒體材料相同，均為Q235-B，C2=2mm。從受力均勻及加工工作量上考慮，查JB/T 4737-1997[32],選擇標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭(DN1200mm)。取封頭及筒體焊接方式為雙面焊全焊透對(duì)接形式，局部檢測，=0.85，則封頭壁厚： (3-5) 由于是標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，K=1 代入數(shù)據(jù)，得： 同樣，根據(jù)：不特殊腐蝕情況下，碳鋼和低合金鋼最小厚度δ不小于3mm，故取δ=3mm，δn=δ+C1+C2=3+3+0.3 =6.3mm。由于筒體壁厚為10mm，故取封頭壁厚與筒體一致，δ為10mm。由于4.5<8<16mm，故許用應(yīng)力范圍一致，故取名義厚度δn=10mm, 則δe=δn－C1－C2=10－3.3=6.7mm。 3、接管計(jì)算 取煙氣進(jìn)出接管取流速u=16m/s，則接管內(nèi)徑為： (3-6) 式中：V=2.685kg/s，ρ=1.34 kg/ m3，代入數(shù)據(jù)得： 　　　　 進(jìn)出口接管規(guī)格采用φ456×8mm，材料為20號(hào)不銹鋼管。查《化工工藝制圖》[11]表6-18，得接管長度為150mm。排污口接管根據(jù)實(shí)際排污需要，取φ57×3.5mm，即可滿足要求。 4、接管法蘭計(jì)算 查《常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)》[12]，在公稱壓力為1.0MPa時(shí)的管法蘭尺寸，見表4-1： 表4-1 管法蘭系列尺寸(單位：mm) 公稱直徑DN 鋼管外徑A1 法蘭外徑D 螺栓孔中心圓直徑K 螺栓孔直徑L 螺栓孔數(shù)量n 螺紋Th 法蘭厚度C 法蘭內(nèi)徑B1 法蘭高度H 法蘭理論重量kg 450 450 615 565 26 20 M24 30 484 57 24.4 5、人孔及其補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 查《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》表11-1，選擇材料為20號(hào)鋼，根據(jù)筒體公稱直徑Di=1200>1000mm，則應(yīng)至少設(shè)置一個(gè)人孔，且人孔最小直徑為φ400，選擇人孔法蘭類型為板式平焊法蘭，取公稱直徑為φ450mm，具體參數(shù)見表4-2： 表4-2 人孔主要尺寸(單位：mm) 公稱 壓力MP 公稱直徑DN dw×S D D1 A B L H1 H2 d 螺栓 0.6 450 480×6 595 550 330 150 200 220 110 20 M20×95 由人孔外徑D=480mm，故需補(bǔ)強(qiáng)。 人孔直徑：d=di+2C=450+2×3.3=456.6mm<，滿足等面積法開孔計(jì)算適用條件。 由 δ=0.48mm 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積 　　　 (3-7) 式中 ，δet=δnt-C=6-3.3=2.7mm， 　　 (3-8) 查JB/T4735-1997[32]，利用內(nèi)插法得80℃時(shí)，Q235-B許用應(yīng)力[σ]t=128.25MPa，暫定厚度為4.5~16mm；20號(hào)鋼許用應(yīng)力149.25MPa，暫定厚度為小于等于10mm， 則，故取=1 即: 有效寬度按下式確定： ﹜取大值，代入數(shù)據(jù)得： ﹜取B=913.2mm 有效高度按下式確定： 外側(cè) ﹜ 取小值 內(nèi)側(cè) ﹜ 取大值 代入數(shù)據(jù)得： }取h1=52.34mm }取h2=0 筒體的金屬面積A，按下式計(jì)算： （3-9） 代入數(shù)據(jù)，得： =2840.05mm2 而Ae=A1+A2+A3，由于A=219.2mm2,僅A1就已經(jīng)遠(yuǎn)大于A，故不再需另行計(jì)算A2、A3，且無需另行補(bǔ)強(qiáng)。 6、接管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 （1）、出氣口接管 查《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》第三版表4-15，由于不另行補(bǔ)強(qiáng)最大接管外徑為φ89mm