二氧化碳富集濕法工藝及其設備設計,二氧化碳,富集,濕法,工藝,及其,設備,裝備,設計 附件2： 本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告 學號 學生姓名 學院 化學化工學院 專業(yè)年級 指導教師 職稱 設計（論文）題目 糖廠鍋爐煙道氣二氧化碳富集濕法工藝及其設備設計研究——預處理工段 本課題國內外研究動態(tài)及意義： 隨著工業(yè)高度發(fā)展，大氣中的二氧化碳含量日益增高。它吸收地面放出的紅外輻射，在地球周圍形成絕熱層，阻止熱量向外層空間擴散，使平均氣溫上升，即二氧化碳的溫室效應。它是引起全球氣候變化的最主要的溫室氣體之一，控制二氧化碳排放問題受到世界各國的廣泛關注，也是我國實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。但二氧化碳作為一種潛在的碳資源，幾乎可用于各個工業(yè)領域，工業(yè)發(fā)達國家對工業(yè)排放氣體二氧化碳的回收利用早已引起重視并作了大量應用推廣。而在發(fā)展中國家，二氧化碳的節(jié)能減排也越來越受到人們的關注。 從化石燃料燃燒排放的煙氣中分離回收二氧化碳已經變成世界各國普遍關注的問題。目前二氧化碳的回收利用主要要有四種方法：吸收分離法、膜分離法、低溫分離法和物理吸附法。 吸收分離法分為化學吸收法和物理吸收，化學吸收和物理吸收對于尾氣都需要額外的工藝進行處理而造成一定溶劑的浪費，同時該方法投資費用大，能耗高，分離回收成本較高；膜分離技術具有結構簡單、操作方便、一次性投資少、設備緊湊、占地面積小、能耗低等優(yōu)點，但仍處于發(fā)展階段，還有待進一步的開發(fā)與研究；低溫蒸餾法目前主要應用于分離提純油田伴生氣中的二氧化碳。該方法的優(yōu)點在于能夠產生高純液態(tài)的二氧化碳便于管道輸送，但是也有設備龐大、能耗較高、分離效果差的弊端。物理吸附法主要是利用固態(tài)吸附劑在對混合氣中二氧化碳的選擇性可逆吸附作用來分離回收二氧化碳，分為變壓吸附（PSA）、變溫吸附（TSA）、以及變電吸附法（VSA）。 我國是世界上主要的食糖生產和消費大國。20世界90年代以來，由于東南沿海地區(qū)產業(yè)結構和農業(yè)結構調整，我國甘蔗生產逐漸向西轉移，區(qū)域布局得到優(yōu)化。形成了廣西、云南、粵西為主體的蔗糖生產布局。 甘蔗產業(yè)作為廣西的特色優(yōu)勢產業(yè)之一，也支柱產業(yè)之一。自1992年以來，廣西的甘蔗種植面積、甘蔗產量、產糖量一直位居全國首位，其中甘蔗產量和食糖產量均占全國的60%以上，是與巴西圣保羅、澳大利亞昆士蘭、印度北方邦、美國福羅里達等量齊觀的中國“糖都”，對我國食糖的供求平衡發(fā)揮了極其重要的作用。并先后培育出了一批高產高糖的優(yōu)良品種。預計到2015年廣西預計將突破產量1100萬噸的大關，建成全國最大的糖業(yè)制造和儲備基地。 從原料甘蔗到成品糖，大致要經歷提汁、澄清、蒸發(fā)、煮煉這幾個工段。根據(jù)生產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。在這三種方法中，石灰法制出的糖品質較差，而碳酸法產生的濾泥難以處理，會造成嚴重的環(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。在亞硫酸法的基礎上改進得到的半硫半碳法，就是同時用二氧化碳和二氧化硫作為澄清劑，降低了糖中含硫量，不僅提高了糖的品質，而且所產生的濾泥還可以作為農作物的肥料，但目前仍處于研究應用階段。 畢業(yè)設計(論文)研究內容、擬解決的主要問題： 1、研究內容 進入20世紀90年代以來，隨著科學技術的發(fā)展，人們對二氧化碳的生產和應用作了深入的研究，它幾乎可以用于各個工業(yè)領域，越來越受到人們的重視。在中國，二氧化碳的排放量日益增加，中國政府在溫室氣體減排方面面臨前所未有的國際壓力，但對二氧化碳的研究起步較晚，對二氧化碳應用開發(fā)工作做的更少，為了解決能源緊張，消除污染，大力開展二氧化碳資源綜合開發(fā)利用顯得十分重要。 在傳統(tǒng)的制糖工藝中，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，但是會產生大量的堿性濾泥，造成嚴重環(huán)境污染。最新研究表明，可以從甘蔗糖廠的鍋爐煙道氣中富集二氧化碳并將其應用于亞硫酸法制糖澄清工藝。在一定程度上解決了久貯變黃的問題，只要控制加入適量的二氧化碳就不會造成濾泥污染。本研究的主要內容既是從糖廠鍋爐煙道氣中富集二氧化碳并將其應用于亞硫酸法制糖澄清工藝，即稱為亞硫酸碳酸法澄清工藝。 2、擬解決的主要問題 （1）緒論。 （2）煙道氣CO2富集——預處理工段 （3）旋風除塵器和穩(wěn)壓灌是設計 （4）冷卻器I的設計 （5）風機和壓縮機的選型 畢業(yè)設計(論文)研究方法、步驟及措施： 1、研究設計任務、收集查閱有關資料、擬訂設計方案、編寫開題報告。 2、結構設計、設計計算（工藝計算和強度計算）。 3、繪制工程圖。 4、編寫設計說明書。 5、總結、答辯。 主要參考文獻： [1] 馮孝庭.吸附分離技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2000 [2] 朱世勇等編，環(huán)境與工業(yè)氣體凈化技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2001 [3] 蒲恩奇等編，大氣污染治理工程[M]. 北京：高等教育出版社，1999 [4] 錢頌文等編，換熱器設計手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2002 [5] 鄭津洋等編，過程設備設計[M]（第三版），北京：化學工業(yè)出版社，2012 [6] 全國壓力容器標準化技術委員會. GB150—1998 鋼制壓力容器. 北京：中國標準出版社，1998 [7] 全國壓力容器標準化委員會. GB151—1999 管殼式換熱器. 北京：中國標準出版社，1999 是否可以進入設計（論文）研究： 指導教師簽名： 年 月 日 是否可以進入設計（論文）研究： 教研室(系、研究所)主任簽名： 年 月 日 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，保護了生態(tài)環(huán)境，同時該工藝還能很好地解決了碳酸法制糖生產工藝的濾泥綜合利用難、污染嚴重的問題，是對傳統(tǒng)亞硫酸法制糖生產工藝一個重大改良。 設計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)中的應用，比較論證了工業(yè)廢氣二氧化碳的回收利用的相關技術，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。設計說明書對糖廠鍋爐煙道氣CO2富集濕法工藝主要進行了設備設計已經簡單工藝流程分析，設備設計分對旋風除塵器、引風機等設備進行了設計選型，對換熱器Ⅰ、穩(wěn)壓罐等設備進行了設計計算，通過化工設備強度計算專業(yè)軟件（SW6-1998）校核了換熱器的機械強度。最后用繪圖軟件AutoCAD2007繪制了旋風除塵器、換熱器Ⅰ、穩(wěn)壓罐等設備的裝配圖和零部件圖。 關鍵詞：糖廠鍋爐、煙道氣、二氧化碳、預處理、設計 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、對海洋的危害 1 2、對氣候的危害 2 3、對人體的危害 3 4、制約經濟發(fā)展 4 5、低碳生活極其優(yōu)勢 5 （二）、國內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 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備設計研究預處理工段 15 （一）、設計條件 15 1、工藝設計的原始數(shù)據(jù) 15 2、工藝流程的確定 15 （二）、工藝過程及設備 16 1、工藝過程 16 2、設備 16 三、引風機和旋風除塵器的設計 17 （一）、引風機的設計選型 17 1、引風機的工作原理 17 2、引風機的設計選型 17 （二）、旋風除塵器的設計選型 17 1、旋風除塵器的工作原理及特點 17 2、設計選型 18 1 1 四、穩(wěn)壓罐的設計 20 （一）、設計參數(shù) 20 （二）、計算過程 20 1、筒體壁厚計算 20 2、封頭計算 21 3、接管計算 22 4、接管法蘭計算 22 5、人孔及其補強計算 23 6、接管補強計算 25 7、支座選取及其校核 28 8、罐體重要尺寸 29 9、水壓試驗校核 30 五、換熱器Ⅰ的設計 32 （一）、工藝設計計算 32 1、換熱器的設計任務 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)及壓力降的計算 38 （二）、換熱器Ⅰ的結構計算 42 1、容器法蘭的選擇與計算 42 2、管板的選擇 42 3、接管的選擇與計算 43 4、接管法蘭的選擇 43 5、管箱的選擇與計算 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 47 附 錄 49 致 謝 63 2 1 一、緒論 隨著經濟與現(xiàn)代社會的快速發(fā)展,環(huán)境問題越來越突出,面臨著嚴峻的形勢，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，另一方面，它的超標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)在社會應該關注的問題。要解決這一問題，首先則需要我們充分認識二氧化碳過量排放的危害。 （一）、二氧化碳污染的危害 1、對海洋的危害 大氣的二氧化碳含量增加，逐漸令全球海洋變酸。美國科學家估計，到了本世紀末，過酸的海水會導致珊瑚滅絕、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)表報告，指二氧化碳的排放將嚴重影響海洋化學成分，威脅珊瑚及海洋生物，珊瑚恐在本世紀末絕種?？茖W家解釋，珊瑚及貝殼類生物需吸收碳酸鈣組成外殼或骨胳，當二氧化碳溶于海水，就會形成碳酸，影響珊瑚及浮游生物組成身體部分。 哥倫比亞大學仿真2050年的溫室效應對水族箱內海洋生物的影響，發(fā)現(xiàn)珊瑚的生長拖慢一半。按此推斷，珊瑚將會在本世紀末絕種。 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家及政界均形容海洋變酸是當前最迫切的環(huán)境問題。眾議員因斯萊說﹕這絕對是計時炸彈，隨時影響科學界，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?？茖W家過去普遍認為，海洋有助緩和溫室效應，但這卻令海洋酸性增加。 科學家以pH度衡量酸堿度，pH度愈低，代表酸性愈高。邁阿密大學的海洋生物教授蘭登指出，海洋的pH度通常介乎1000至1800個單位，但自工業(yè)革命以來，海洋pH度已下降了0.1個單位，令海洋酸性升至數(shù)百萬年的最高水平。到下一世紀，海洋pH度將再下跌0.3個單位，令海洋生物面臨重大威脅。 2、對氣候的危害 溫室效應”是近年來的熱門話題，在媒體的報道中可以說是談之色變，其實溫室效應自“古”就有，它是由于大氣層中的二氧化碳和水蒸氣等物質吸收的熱量多于散失的而造成的。它使地球保持了相對穩(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”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，造成了溫室效應加劇，導致了全球性氣候變暖，才引起了人們對它的重視。 近幾十年來，由于人口急劇增加，工業(yè)迅猛發(fā)展，呼吸產生的二氧化碳及煤炭、石油、天然氣燃燒產生的二氧化碳，遠遠超過了過去的水平。而另一方面，由于對森林亂砍亂伐，大量農田建成城市和工廠，破壞了植被，減少了將二氧化碳轉化為有機物的條件。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化的動態(tài)平衡，就使大氣中的二氧化碳含量逐年增加。空氣中二氧化碳含量的增長，就使地球氣溫發(fā)生了改變。 在溫室效應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℃，氣候將明顯變暖。氣溫升高，將導致某些地區(qū)雨量增加，某些地區(qū)出現(xiàn)干旱，颶風力量增強，出現(xiàn)頻率也將提高，自然災害加劇。更令人擔憂的是，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” 給人類帶來災害的典型事例。因此，必須有效地控制二氧化碳含量增加，控制人口增長，科學使用燃料，加強植樹造林，綠化大地，防止溫室效應給全球帶來的巨大災難。 科學家預測,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，當太陽透過空氣時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)，人類也已經適應了這種狀態(tài)。但隨著生產的發(fā)展，工業(yè)革命的到來，人類的種種活動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，這些氣體對于來自太陽的短波輻射幾乎是透明的，但對于從地面射出的長波輻射則有強烈的吸收作用，使地表輻射的熱量留在了大氣層內，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”。這種溫室效應改變了原來的生態(tài)環(huán)境。根據(jù)科學家研究：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、對人體的危害 美國一項長期環(huán)境跟蹤調查發(fā)現(xiàn)，生活在風景區(qū)與污染區(qū)的居民其體內血液有毒物質含量相差無幾，因為人每天約80～90%的時間是在室內度過的，室內環(huán)境污染給人們帶來的影響甚至要大于室外。這引起了人們對室內空氣質量的重視。 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%。而實驗研究證明：當二氧化碳含量達0.07%時，有少數(shù)對氣體敏感的人就感覺有不良氣味和不適感覺；達0.1%時，空氣中氨類化合物明顯增加，人們普遍有不適感覺；達3%時，肺的呼吸量雖正常，但呼吸深度增加；達4%時，頭痛、耳鳴、脈搏滯緩、血壓上升；達8～10%時，呼吸明顯困難，意識陷入不清，以致呼吸停止；達30%時，致死。 雖然較高的室內二氧化碳會對人體健康產生危害，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：在室內人數(shù)一定時，室內二氧化碳濃度可以反映室內通風情況，從而可以粗略估計室內其他有害物質的污染程度。例如，在學校里空氣的污濁程度達到一定程度時，感冒等流行疾病就容易傳播。人們一般要求室內空氣中二氧化碳含量應在0.07%以下，據(jù)最新頒布的國家標GB/T17226—1998《中小學教室換氣衛(wèi)生要求》[5]規(guī)定，“教室內空氣中二氧化碳的最高容許濃度為0.15%”。我們知道，一個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，排出24mol，1.056kg二氧化碳。如果是在一個沒有氣體交換的封閉體系中，則其一小時所需的空氣量為1mol÷0.15%*22.4L/mol=15m3。假如有一個容納50名學生的教室（長9m，寬6m，高4m），則其每小時需置換的空氣不應低于4次。因此，我們一定要重視家庭居室、學校教室、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，特別是中小學生正處于發(fā)育旺盛期，個人抵抗力較成年人差，因而學校更要注意保持教室通風，要求學生常做室外活動，從而保持身體健康。 在人體內，二氧化碳還起著調節(jié)呼吸的作用。與一般人的想法相反，正常情況下，氧對呼吸運動影響不大，而血液中二氧化碳的含量卻對呼吸的調節(jié)起著特別明顯的作用。因為，呼吸中樞對二氧化碳濃度的改變很敏感，當血液中二氧化碳分壓稍高時，呼吸即加深加快，通氣量增加；稍低時則變淺變慢，通氣量減少。當然，若血液中二氧化碳太多時，對中樞神經系統(tǒng)就會產生毒性作用。 4、制約經濟發(fā)展 在全球應對氣候變化形勢下，世界范圍內正在經歷一場經濟和社會發(fā)展方式的巨大變革：發(fā)展低碳能源技術，建立低碳經濟發(fā)展模式和低碳社會消費模式，并將其作為協(xié)調經濟發(fā)展和保護氣候之間關系的基本途徑。 就全球來看，歐美發(fā)達國家能源的利用率是相對較高的，但由于他們的消費水平高，二氧化碳的減排責任并不占優(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”已經成為發(fā)達國家綠色壁壘的重要內容。 有分析認為，中國要達到歐洲的低碳水平，中國的鋼鐵產量必須要降下來；但中國要繼續(xù)發(fā)展，鋼產量就得繼續(xù)維持10年至20年。當然，既保持高能耗產品的產量，又盡最大的能力減排二氧化碳，也可以定義為低碳經濟。 因此，發(fā)展低碳經濟既是盡國際義務，也是中國未來經濟發(fā)展的出路。 這一切都已經引起了有識之士的重視，而且他們也都在各個領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《中國日報》報道了一則新聞：世界著名自然災難專家、英國倫敦大學地球物理學教授比爾·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，那么地球將在2015年進入不可逆轉的惡性循環(huán)中，包括戰(zhàn)爭、瘟疫、干旱、洪水、饑荒、颶風在內的各種災禍將席卷地球。 如今，7年拯救期已過去了2年，我們的時間越來越緊迫。好在我們已經知道了拯救的方法——減少碳排放，增加固碳能力。當然，這個拯救的責任需要國際社會成員來共同擔當，而且國際社會已經有了控制手段：劃分指標，建立碳排放權交易制度。在這個框架下，政府可以通過審批權，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，因為大眾的合力是巨大的，這是一個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志的工業(yè)化過程讓發(fā)達國家在碳排放上遙遙領先于發(fā)展中國家。當然也正是這一工業(yè)化過程使發(fā)達國家在科技上領先于其他國家，也令它們的生產與生活方式長期以來習慣于“高碳”模式，并形成了全球的“樣板”，最終導致其自身和全世界被“高碳”所綁架。在首次石油危機、繼而在氣候變化成為問題以后，發(fā)達國家對高耗能的生產消費模式和“低碳生活”理念才幡然覺悟，有了新認識。盡管仍有學者對氣候變化原因有不同的看法，但由于“低碳生活”理念至少順應了人類“未雨綢繆”的謹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%，預計到2020年，排放量還要在2000年的基礎上增1.32倍，這個增量要比全世界在1990年到2001年的總排放增量還大。科學預測表明，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年可能達到世界平均水平。從排放強度來看，由于技術和設備相對陳舊落后，我國單位GDP的溫室氣體排放量也居世界前列。 根據(jù)英國風險評估公司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CO2的回收利用的研究起步較晚，對CO2應用開發(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，對這個承諾首先需要明確兩點：一是此排放特指化石能源用和水泥生產的排放，不包括土地利用的排放，亦不包括生態(tài)建設的（固碳）負排放；二是GDP計量必須是2005年的不變價格，不能以美元計（即要排除匯率變動因素）。在這樣的前提下，我們即可計算出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上曾明確承諾：“我們將堅定不移地位實現(xiàn)、甚至超過這個目標而努力?！边@就可以理解為45%的相對減排是我國的最低目標。如果我國能保持年均GDP增長率達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。研究組認為，除發(fā)展中國家人口增加和經濟增長外，越來越多的國家為維持一定規(guī)模的經濟產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)達國家有責任在減排等對策上起帶頭作用。全球能源相關二氧化碳排放量在2009年經歷金融危機引發(fā)的“攀升低谷”后，2010年升至306億噸，高出2008年排放量的5%。世界經濟2010年恢復增長，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 (1)、化學性質 一般情況下，二氧化碳性質穩(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反應。 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)生反應生成尿素，這個方法被廣泛用于尿素及其衍生生物的生產過程中。 ③ 生化反應，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生成糖等有機物并放出氧氣[4]。 (2)、物理性質 二氧化碳是碳的兩種氧化物之一，是一種無機物，是空氣中常見的化合物。二氧化碳的化學式為CO2，相對分子質量是44。二氧化碳的沸點低(-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，所以必須進行二碳飽充，只通入二氧化碳氣，使蔗汁的可溶性鈣鹽全部以碳酸鈣形式沉淀下來。二碳飽充的中點堿度為PH8～8.5，此時清汁的含鈣量可降低至最低，使蔗汁純度進一步提高。 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用于亞硫酸法制糖澄清工藝，工藝流程簡圖見圖1-1。結果表明，采用本工藝，并結合上浮清凈技術，使廣西永金華糖集團有限公司的糖廠色值≤100IU的優(yōu)一級白砂糖產量同比07/08榨季提高25.35個百分點，色值≤120IU的優(yōu)一級白砂糖產量同比07/08榨季提高55.69個百分點，二氧化硫含量≤10mg/KS的一級白砂糖產量同比07/08榨季提高69.56個百分點，混濁度＜40MAU的一級白砂糖產量同比07/08榨季提高55.23個百分點。 圖1-1 鍋爐煙道氣變壓吸附工藝簡圖 (2)、二氧化碳在有機化工生產上的利用 二氧化碳在催化劑作用下與氫氣反應可生成甲醇、二甲醚、低碳烯氰、低碳醇等小分子物質。、 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，利用造氣工藝實現(xiàn)二氧化碳向一氧化碳的部分轉化。以焦炭制水煤氣-PSA工藝為例。該工藝在放空時浪費能源，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，并實現(xiàn)二氧化碳向一氧化碳的轉化。經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。在天然氣轉化工藝中也可補入二氧化碳，通過調節(jié)合成氣的氫碳比，在消耗二氧化碳的同時，可產生更多的一氧化碳。 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。日本國家材料化學研究所采用Rh-Fe/SiO2催化劑，在5MP、533K下通過CO2H2，二氧化碳的轉化率為26.7%，乙醇的選擇性為16.2%。當采用Rh-Li-Fe三元催化劑時，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催化劑將粗甲醇轉換為C2～C5氰。 (3)、二氧化碳在食品工業(yè)上的應用 對果蔬、糧食保鮮；對鮮魚、肉保鮮，二氧化碳對柿果有脫澀保脆的作用。飲料上，用于含氣飲料的生產、果汁半成品保存、二氧化碳在紅酒釀造中的應用。在食品冷藏和冷凍中的應用。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、脂肪及某些無機鹽是保證人們健康的主要營養(yǎng)品，每公斤糖可在人體內發(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，尤其對于運動員、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)及若干有機化學工業(yè)都與糖有密切關系。 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，世界上有產糖能力的國家和地區(qū)達到107個。在世界上有產糖能力的國家和地區(qū)中，產糖量50萬噸以上的國家和地區(qū)有34個，產糖量100萬噸以上的國家和地區(qū)有23個，產糖量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個國家，這8個國家的產糖量占全球的大部分，世界主要產糖國的食糖產量見圖1-2。 圖1-2 世界主要產糖國的食糖產量 (2)、國內制糖行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 我國是世界上主要的食糖生產和消費大國。20世界90年代以來，由于東南沿海地區(qū)產業(yè)結構和農業(yè)結構調整，我國甘蔗生產逐漸向西轉移，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、具有一定生產規(guī)模、制糖產業(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)產區(qū)，包括48個縣市。 經過區(qū)域結構調整，我國產糖省由原來的21個減少到18個，我國糖業(yè)布局逐步向優(yōu)勢產區(qū)集中。甘蔗種植區(qū)域重點向西南區(qū)域轉移，基本形成了廣西、云南、粵西為主體的蔗糖生產布局。根據(jù)2007-2008年榨期，3省區(qū)產糖1298.65萬噸，占全國蔗糖產量的95%以上。 (3)、廣西制糖行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 甘蔗產業(yè)是廣西的特色優(yōu)勢產業(yè)之一，也支柱產業(yè)之一。自1992年以來，廣西的甘蔗種植面積、產糖量一直位居全國首位，甘蔗產量和食糖產量均占全國的60%以上，是與巴西圣保羅、澳大利亞昆士蘭、印度北方邦、美國福羅里達等量齊觀的中國“糖都”，對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)財政收入的13%~17%。近年來廣西的食糖產量如表1-1所示。 表1-1 2005-2011年榨季廣西食糖產量（單位：萬噸） 制糖期 05/06 06/07 07/08 08/09 09/10 10/11 全國產量 881.5 1199.41 1884.02 1243.12 1073.83 1045.42 廣西產量 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)展最快的時期。自從1992-1993年榨季，甘蔗種植面積達到42.8萬噸，產糖量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，從單產和含糖量等標準上有很大的提高，并且先后培育出“桂糖11號”、“桂糖17號”、“桂糖22號”等一批高產高糖的優(yōu)良品種。2015年廣西預計將突破產量1100萬噸的大關，并建成全國最大的糖業(yè)制造和儲備基地。 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，大致要經歷提汁、澄清、蒸發(fā)、煮煉這幾個工段。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胞加以破壞，然后采用多重壓榨、多級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，如葉綠素、蔗屑，可溶性的非糖物質，如有機酸、無機鹽、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制糖有妨礙的非糖物質，以提高成品糖的品質和回收率。 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。煮糖是對糖漿進一步加熱濃縮使之析出蔗糖。助晶是對糖漿降溫冷卻，加快晶體的析出。分蜜是將助晶后的糖膏送入離心機，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方法，石灰法具有取材容易、價格便宜、工藝過程簡單的優(yōu)點，所以石灰法應用廣泛。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，可用于生產白糖，亞硫酸法所用設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，可生產出白糖，但當原料有變化或質量較差時，白糖質量就會下降，而且亞硫酸法制得的白糖在貯存時會發(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，但碳酸法生產流程長、設備多，而且需要耗費大量的石灰和二氧化碳，因此生產成本較高，另外碳酸法制糖會產生大量的堿性慮泥，會造成嚴重環(huán)境污染[6],在這三種制糖方法中，石灰法制出的糖品質較差，而碳酸法產生的濾泥難以處理，會造成嚴重的環(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，在亞硫酸法的基礎上改進得到的半硫半碳法，就是同時用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注的焦點問題。無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，都把可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略作為國家宏觀經濟發(fā)展戰(zhàn)略的一種必然選擇。 目前，溫室氣體大量排放所產生的溫室效應，已經對自然條件和人類生存條件帶來了諸多負面影響。例如，氣溫升高，海平面上升，頻繁惡劣天氣等。因而， “溫室效應”引起的氣候變化已成為一個全球性熱點環(huán)境問題，愈來愈引起世界各國的關注。 大氣中主要的溫室氣體是水汽（H2O），水汽所產生的溫室效應大約占整體溫室效應的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惰性的，不能通過光化學或化學作用去除。因而除水汽外對“溫室效應”的貢獻最大。人類燃燒煤、油、天然氣和樹木，產生大量二氧化碳和甲烷進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%，遠遠超過科學家可能勘測出來的過去16萬年的全部歷史紀錄，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”中扮演著十分重要的角色，應當作為溫室氣體削減與控制的重點，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是世界各國普遍關注的問題。化石燃料中即使只有10%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)點是能有效回收二氧化碳，CO2濃度可達到99%以上，但其突出缺點是投資大、流程長、能耗高、設備腐蝕嚴重、開停車麻煩、運行費用高。對于處理窯氣有兩點嚴重的不足：1）窯氣O2含量7%～10%，溶劑氧化反應嚴重，消耗大；2）每千標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。一般變壓吸附脫碳壓力在0.6MPa 以上，產品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，就將導致動力消耗增加40%以上，大大提高產品陳本，同時將增大動力設備和吸附劑的投資。采用通常變壓吸附法，投資和成本也過不了關。對于氣體壓力小于0.05MPa ，CO2濃度只有7%～12%，而對產品氣體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 及其設備設計研究預處理工段 （一）、設計條件 1、工藝設計的原始數(shù)據(jù) (1) 設計處理能力：5500Nm3/h。 (2) 生產時日：每年按180天，每天24小時連續(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 旋風除塵器 引風機 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水膜除塵器后由引風機抽送入旋風除塵器和換熱器Ⅰ，在換熱器Ⅰ冷卻至常溫，進入穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓緩沖后送入壓縮機進行加壓，得到的壓縮氣體直接送入變壓吸附（PSA）系統(tǒng)進行CO2吸附，吸附塔塔頂及塔底排出氣體分別進入相應的儲氣罐，其中主要產品CO2可由鼓風機送至用戶用于工藝生產，富含氮氧的產品氣體則用于其他工藝過程。 （二）、工藝過程及設備 1、工藝過程 來自鍋爐的煙道氣先經過水膜除塵處理，使煙道氣的粉塵含量降低，由引風機（C0101）抽送入旋風除塵器（X0101）除塵后進入換熱器Ⅰ（E0101）的管程進行冷卻，經穩(wěn)壓罐（V0101）緩沖后再送入下一級加壓工段。具體工藝流程圖如圖2-2所示。 圖2-2 預處理工段工藝流程圖 2、設備 在預處理工段中，主要的設備有換熱器等，各設備的名稱和型號如表2-2所示。 表2-2 預處理工段各設備名稱及型號 序號 名稱 設備位號 型號規(guī)格 數(shù)量 備注 1 2 3 4 旋風除塵器 換熱器Ⅰ 引風機 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、引風機和旋風除塵器的設計 （一）、引風機的設計選型 1、引風機的工作原理 引風機的結構見圖3-1。煙氣以一個角度進入葉輪，在翼背上產 生一個升力，同時必定在翼腹上產生一個 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動。與此同時， 風機進口處由于差壓的作用，使氣體不斷地吸入 2、引風機的設計選型 在煙道氣的預處理中需要一臺引風機來提供動力。在預處理的工藝中，煙道氣經過旋風除塵器、換熱器Ⅰ、引風機最終到達穩(wěn)壓罐進行儲存。其中在旋風除塵階段的降壓為2750Pa，在冷卻階段氣體流經換熱器降溫，降壓為783.2Pa，加上管道阻力所引起的壓降損失為1800Pa?？紤]抽取煙道氣時負壓降及整個預處理壓降，可取負壓降為1000Pa，則總壓降： 根據(jù)工況要求并考慮加10%的附加值，可知引風機的實際處理量： 則根據(jù)以上參數(shù)查《風機產品樣本》[23]，選取風機型號為：離心式引風機9-26-5No5.6A右90°。參數(shù)見表3-1。 表3-1 離心式引風機的參數(shù) 轉速 全風壓 風壓 軸功率 電動 機型號 電機功率 外型尺寸(長×寬×高) 壓量 2900r/min 9894Pa 9048m3/n 23.47kw Y200L1-2 30kw 823×993×1053 118kg （二）、旋風除塵器的設計選型 1、旋風除塵器的工作原理及特點 (1)、工作原理 旋風除塵器的結構見圖3-2。當含塵氣流以12~25m/s速度由進氣管進入旋風除塵器時，氣流將由直線運動變?yōu)閳A周運動。旋風氣流的絕大部分沿器壁自圓筒體呈螺旋形向下，朝椎體運動。通常稱此為外旋氣流。含塵氣體在旋轉過程中產生離心力，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量和向下的重力沿壁面下落，進入排灰管。旋轉下降的外旋氣流在到達椎體時，因圓錐形的收縮而向除塵器中心考靠攏。根據(jù)“旋轉矩”不變原理，其切向速度不斷提高。當氣流到達椎體下端某一位置時，即以同樣的旋轉方向從旋風除塵器中部，由下而上繼續(xù)做螺旋形流動，即內旋氣流。最后凈化氣經排氣管排出器外。一部分為被捕集的塵粒也由此逸失。 自進氣管流入的另一小部分氣體，則向旋風除塵器頂蓋流動，然后沿排氣管外側向下流動。當?shù)竭_排氣管下端時，即反轉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 旋風除塵器是利用旋轉的含塵氣體所產生的離心力，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 旋風除塵器結構圖 旋風除塵器用于工業(yè)生產以來，已有百余年歷史。對于捕集、分離5~10cm以上的粉塵效率較高，被廣泛地應用于化工、石油、冶金、建筑、礦山、機械、輕紡等工業(yè)部門。 旋風除塵器有以下幾個特點： ① 結構簡單，器身無運動部件，不需特殊的附屬設備，占地面積小，制造、安裝投資較少； ② 操作、維護簡便，壓力損失中等，動力消耗不大，運轉、維護費用較低； 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。對于粉塵的物理性質無特殊要求，同時可根據(jù)化工生產的不同要求，選用不同材料制作，或內襯各種不同的耐磨、耐熱材料，以提高使用壽命。 2、設計選型 (1)、確定設計條件 氣體處理量的確定：由設計任務書Q=5500Nm3/h，將其轉化為工作溫度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)、設備選型 由《除塵設備》[9]查得，B型旋風除塵器采用180°蝸殼進口，入口面積較大，具有較高的處理能力，其處理風量為480~12000m3/h,對于較細粉塵的除塵效率高，且體型較短，因此根據(jù)工藝條件，查《除塵設備》表3-35及表3-36，擬選B-900旋風除塵器。 (3)、確定旋風除塵器參數(shù) B-900旋風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旋風除塵器性能表 型號 進口氣速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旋風除塵器尺寸參數(shù) 型號 a b D0 D1 D2 D3 DE h H-h B-900 576 260 900 540 360 216 378 1190 1206 四、穩(wěn)壓罐的設計 （一）、設計參數(shù) 根據(jù)穩(wěn)壓罐任務要求，確定如下設計參數(shù)： (1) 容積，設計壓力 　　　。 (2) 設計溫度：由于從換熱器Ⅰ出來時介質的溫度為50℃，取設計溫度為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：由于介質氣體腐蝕微弱，查《過程設備設計》[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接形式，局部無損檢測，=0.85。 (6) 負偏差：由《過程設備設計》[14]查得Q235-B在厚度4.5~16mm時，C1=0.3mm。 穩(wěn)壓罐的實際結構圖如圖4-1所示： （二）、計算過程 1、筒體壁厚計算 查JB/T4735-1997[32]，利用內插法得：80℃時，Q235-B許用應力[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)壓罐結構圖 查《過程設備設計》[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，得當公稱直徑為1200mm時，內壓圓筒的最小壁厚為8mm，取實際筒體壁厚為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],選擇標準橢圓形封頭(DN1200mm)。取封頭及筒體焊接方式為雙面焊全焊透對接形式，局部檢測，=0.85，則封頭壁厚： (3-5) 由于是標準橢圓形封頭，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、接管計算 取煙氣進出接管取流速u=16m/s，則接管內徑為： (3-6) 式中：V=2.685kg/s，ρ=1.34 kg/ m3，代入數(shù)據(jù)得： 　　　　 進出口接管規(guī)格采用φ456×8mm，材料為20號不銹鋼管。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)實際排污需要，取φ57×3.5mm，即可滿足要求。 4、接管法蘭計算 查《常用化工單元設備設計》[12]，在公稱壓力為1.0MPa時的管法蘭尺寸，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、人孔及其補強計算 查《化工設備機械基礎》表11-1，選擇材料為20號鋼，根據(jù)筒體公稱直徑Di=1200>1000mm，則應至少設置一個人孔，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，故需補強。 人孔直徑：d=di+2C=450+2×3.3=456.6mm<，滿足等面積法開孔計算適用條件。 由 δ=0.48mm 開孔所需補強面積 　　　 (3-7) 式中 ，δet=δnt-C=6-3.3=2.7mm， 　　 (3-8) 查JB/T4735-1997[32]，利用內插法得80℃時，Q235-B許用應力[σ]t=128.25MPa，暫定厚度為4.5~16mm；20號鋼許用應力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 ﹜ 取小值 內側 ﹜ 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就已經遠大于A，故不再需另行計算A2、A3，且無需另行補強。 6、接管補強計算 （1）、出氣口接管 查《過程設備設計》第三版表4-15，由于不另行補強最大接管外徑為φ89mm