120kta硫酸生产线余热电站设计 毕业设计论文(说明书)

'福州大学至诚学院本科生毕业设计（论文）题目：120kt/a硫酸生产线余热电站设计姓名：学号：系别：化学工程系专业：过程装备与控制工程年级：2010级指导教师：2014年5月17日 独创性声明本毕业设计（论文）是我个人在导师指导下完成的。文中引用他人研究成果的部分已在标注中说明；其他同志对本设计（论文）的启发和贡献均已在谢辞中体现；其它内容及成果为本人独立完成。特此声明。论文作者签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解福州大学至诚学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学院有权保留送交论文的印刷本、复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅；学院可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名：指导教师签名：日期： 120kt/a硫酸生产线余热电站设计摘要在我国，硫铁矿资源丰富。通过硫铁矿生产硫酸约占硫酸总量的70%左右。但在硫铁矿制取硫酸工艺中，有大量热能被浪费，白白损失。就硫酸厂而言，硫酸厂的热能利用已经成为衡量硫酸生产水平的重要标志。但是现实中生产硫酸过程中有大量热能未被利用而排放，照成能源的损失。若能利用这部分热能进行余热发电，必能提高企业的能源利用率，降低成产成本，从而获取更大的利润与市场。同时也符合节能减排的号召，为环境、国家以及世界的能源问题做出贡献。本文以120kt/a的硫酸生产线余热电站设计为课题，把硫铁矿制酸生产工艺过程产生的的废热进行利用，用其发电。设计主要内容有：（1）对比强制循环与自然循环优缺点，确定循环方式。再通过烟气的进出口参数以及蒸汽的进出口参数，计算余热锅炉的额定蒸发量，从而为余热锅炉选型。（2）通过汽轮机进出口蒸汽参数，计算汽轮机最大功率，为汽轮机选型。在计算抽汽量，求取汽轮机实际发电量。（3）通过计算排污量，为连续排污扩容器和定期排污扩容器选型。（4）通过计算流量与扬程，给热水循环泵与给水泵选型，并确定台数；为除氧器选型并选择除氧水箱容积。（5）为主蒸汽管与给水管计算管径及壁厚，并为其设计防腐保温方案。关键词：硫酸生产，余热回收，余热发电V 120kt/asulfuricacidwasteheatpowerstationdesignproductionlineAbstractInourcountry,richpyriteresources.Throughtheproductionofsulfuricacidfrompyriteaccountedforabout70%ofthetotalsulfate.Butinthepyritesulfuricacidprocess,therearealotofwasteheat,losing.Sulfuricacidplant,hasbecomeanimportantsymboltomeasuretheleveloftheutilizationofenergyproductionofsulfuricacidsulfuricacidplant.Butinrealitythesulfuricacidproductionprocessinalargenumberofheatenergyisnotbeingusedandemissions,accordingtoenergyloss.Ifyoucanmakeuseofwasteheatpowergenerationofthispartofheat,willbeabletoimprovetheenergyutilizationratio,reducetheproductioncost,soastoobtainprofitsandgreatermarket.Atthesametime,alsoinlinewiththecallofenergy-savingemissionreduction,contributetotheenergyproblemenvironment,countriesandtheworld.Inthispaper,thesulfuricacidproductionlineof120kt/awasteheatpowerstationdesignasthesubject,thewastesulfuricacidproductionprocessgeneratedbyusingthispower.Designofthemaincontent:(1)Comparedtheadvantagesanddisadvantagesofforcedcirculationandnaturalcirculation,determinethecycle.Theimportandexportparametersofgasandsteamparametersofimportandexport,ratedevaporationcalculationofwasteheatboiler,thusforwasteheatboilertypeselection.(2)Theimportandexportofsteamturbineparameters,calculationofsteamturbinemaximumpowerfortheturbinetypeselection.Inthecalculationofsteamturbine,calculatingtheactualpowergeneration.(3)Throughthecalculationofemissions,continuousblowdownandregularblowdownselection.(4)Bycalculatingtheflowandhead,tothehotwatercirculatingpumpandfeedwaterpumpselection,anddeterminethenumberof;forthedeaeratorselectionandchoosethedeaeratorwatertankvolume.(5)Calculatingforthediameterandwallthicknessofmainsteamandwatersupplypipe.Andanti-corrosioninsulationschemedesign.Keywords:sulfuricacidproduction，wasteheatutilization，wasteheatpowergenerationV 目录第1章绪论11.1研究背景11.2研究现状11.3发展趋势11.4研究意义21.5研究内容2第2章硫铁矿制硫酸工艺及余热回收原理32.1硫铁矿制硫酸工艺原理32.2焙烧工艺条件32.3余热回收原理42.3.1焙烧工段余热回收42.3.2转化工段余热回收52.3.3吸收工段余热回收5第3章余热锅炉的计算与选型63.1余热锅炉简介63.2余热锅炉汽水流动方式的选择63.2.1自然循环63.2.2强制循环63.2.3强制循环与自然循环的比较63.2.4余热锅炉流动方式选择83.3余热锅炉选型计算83.3.1原始数据83.3.2余热锅炉系统简图83.3.3余热锅炉状态点参数表93.3.4沸腾炉蒸发量G2计算93.3.5蒸发器蒸发量G1计算93.4余热锅炉的选型113.5余热锅炉数据汇总表11第4章汽轮机的计算与选型124.1汽轮机简介124.2汽轮机选型计算12V 4.2.1原始数据124.2.2汽轮机系统简图124.2.3汽轮机状态点参数表134.2.4汽轮机选型144.2.5汽轮机抽汽量G2计算144.2.6汽轮机实际发电功率P2154.3汽轮机数据汇总表15第5章连续排污扩容器、定期排污扩容器的计算及选择165.1连续排污扩容器计算及选择165.1.1连续排污每kg排污水汽化量Df1计算165.1.2连续排污扩容器汽容积Vv1计算175.1.3连续排污扩容器水容积Vw1计算175.1.4连续排污扩容器总容积V1计算175.1.5连续排污扩容器选择185.2定期排污扩容器185.2.1定期排污每kg排污水汽化量Df2计算185.2.2定期排污扩容器汽容积Vv2计算185.2.3定期排污扩容器水容积Vw2计算195.2.4定期排污扩容器总容积V2计算195.2.5定期排污扩容器选择195.3连续排污、定期排污扩容器汇总表19第6章给水泵、循环热水泵及除氧器的选择206.1给水泵选择206.1.1锅炉给水泵流量Q计算206.1.2锅炉给水泵的扬程H计算206.1.3给水泵的容量及台数选择206.2热水循环水泵选择216.2.1热水循环水泵流量Q计算216.2.2循环热水泵扬程H计算216.2.3循环热水泵的容量及台数选择216.3除氧器的选择216.3.1除氧方式216.3.2除氧器的选择226.3.3除氧水箱的选择22第7章管道系统的确定及防腐保温23V 7.1给水管道的确定237.1.1管内径Di计算237.1.2管子厚度Sc计算247.1.3直管设计厚度Sd和取用厚度247.1.4给水管选型257.2主蒸汽管道的确定257.2.1管内径Di计算257.2.2管子厚度Sc计算257.2.3直管设计厚度Sd和取用厚度267.2.4主蒸汽管选型267.3管道的保温267.3.1管道保温判定277.3.2保温材料277.3.3设备保温结构形式277.3.4保温材料及保温结构形式的选择277.4设备管道的防腐与保温结构的油漆、涂色28第8章设备一览表30结论31参考文献32谢辞33附录134附表1余热锅炉热力计算汇总表35附表2汽轮机热力计算汇总表36附表3连续排污、定期排污扩容器选择37V 第1章绪论1.1研究背景中国是一个能源大国，但同时也是一个耗能大国。能源的浪费严重影响着生产效率，制约着经济的发展。随着“十一五”节能目标的提出，更加充分意识到加强节能工作的重要性和紧迫性。近年来，随着能源价格的上涨和全球的能源告急，发展先进的能源系统以提高效率和降低排放成为一个迫切的需要。能源在一个国家的发展和繁荣过程中扮演着十分重要的角色[1]。因此无论从行业规模、技术专业特性、对我国的能源利用效率的重要性以及为了实现余热发电持续健康发展来看，都应该从行业高度重新认识余热发电，对社会资源进行合理的整合和优化配置。对硫酸余热利用、余热发电进行科学的规划和指导，着力提高余热发电技术水平。目前世界上的硫酸生产制造工艺路线不外乎是：硫铁矿制酸、硫磺制酸，还有利用石膏制酸等。无论哪种制酸工艺，其生产都有大量热释放[2]。等若能充分利用该余热，无论对世界能源、国家发展、企业经济效益、环境保护都有重大意义。1.2研究现状余热发电已在除水泥行业外，在玻璃、钢铁、化工、干熄焦等行业也陆续推广了余热发电技术，涉及的生产线有：玻璃熔窑余热发电、干熄焦余热发电、凝结余热发电、硫酸余热发电、高炉压差发电、伴生可燃性气体发电等等[3]。加上国家政策的大力支持，硫铁矿余热利用正欣荣发展。现在全国不少硫酸厂已安装了余热发电机组。另有相当多的厂家还没有或正准备着手考虑安装余热发电机组[4]。1.3发展趋势在我国，余热发电发展趋势总体来说很不错，原因有四点：（1）中国工业余热资源丰富，余热资源利用提升空间大。目前我国余热资源利用比例低，未来余热资源利用提升空间大。（2）国家政策大力支持和推广余热利用。（3）08年国内余热锅炉企业销售额约34亿元，13年国内余热锅炉市场容量将达280亿元，国际市场约400亿元，市场前景广阔。（4）在目前电力比较紧张的情况下，对于一般硫酸生产厂家来说，利用余热发电对解决本厂用电已成为大势所趋，对缓解电力紧张起着举足轻重的作用。硫酸生产中硫铁矿焙烧过程为放热反应，反应温度高达900℃，生产一吨硫酸可回收热量300万kJ左右，33 可产中压蒸气近一吨[5]。可利用余热能源进行发电，利益相当可观。事实证明，现场废热发电可以大大拓宽硫铁矿制酸装置的收入渠道[6]。1.4研究意义在我国，硫铁矿储量大、分布广，硫铁矿制酸是国内工业制酸的主要方法，生产硫酸约占硫酸总量的70%左右。硫铁矿制酸的余热回收硫铁矿制酸在沸腾焙烧过程中有大量反应余热可资利用，必须在焙烧炉内设置冷却管将焙烧过程中释放的部分热量移走，以保证反应在最佳温度下进行。因此采用的焙烧炉生产过程中回收热能资源充足。余热回收利用的好，可降低生产成本，提高产品市场竞争力。1.5研究内容利用焙烧炉出口~920℃的余热资源，配套1台余热锅炉和1台汽轮发电机组，以达到最大化利用热能资源，降低生产成本。（1）硫铁矿生产硫酸工艺及余热回收原理。（2）余热锅炉热力计算及选型。（3）汽轮机热力计算及选型。（4）连续排污、定期排污热扩容器容量选择。（5）给水泵、循环热水泵选型及除氧器的选择。（6）管道系统确定及防腐及保温。33 第2章硫铁矿制硫酸工艺及余热回收原理2.1硫铁矿制硫酸工艺原理硫铁矿在沸腾炉内焙烧，产生SO2的炉气，该炉气经过净化再利用高浓度的H2SO4进行干燥，干燥后的SO2与O2在催化剂作用下进行转化，生成SO3气体，SO3气体在吸收塔中被循环喷淋的浓硫酸吸收而生成硫酸，而炉气中为转换的SO2经尾气吸收处理，达标后排放。硫铁矿制硫酸工艺原理如图2-1所示。主要化学反应：4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2+3413.08kJ/（g·mol）故每摩尔SO2生成时放热为△H=-426.63kJ/g·mol（SO2），加上氧化SO2、吸收SO3、稀释等的放热，每生产1t硫酸，总共放热为6.78×106kJ/t（H2SO4）[7]。图2-1硫铁矿制硫酸工艺原理图2.2焙烧工艺条件焙烧过程中，温度高有利于硫铁矿的分解，但受到烧渣熔点的限制，为了避免温度过烧渣熔结，一般都需要从沸腾床移走热量。为了获得高的硫烧出率，并提供优质的炉气，操作时控制炉温850~950℃，炉气含SO210%~14%之间，陆地压力8.82~11.76kPa（900~1200mmH2O），这三项指标是相互联系的，其中炉温控制对保证生产正常进行尤为重要。33 影响沸腾炉焙烧温度变化的主要因素是投矿量、矿料的含硫量及水分，以及空气加入量。生产上为了保持炉温稳定，通常需要作到三个稳定，即稳定空气量、矿石组成和投矿量。在炉内焙烧热量极不平衡的情况下，可用增减炉内的冷却元件数量的装置来控制炉床温度。有些矿料含硫量太低，炉温低的无法维持，可采用出口炉气与入炉空气换热方式来提高炉温。炉底压力波动，会直接影响进入炉内的空气量，随后炉温也会波动，一般用连续均匀排渣来控制炉底压力稳定[8]。2.3余热回收原理硫铁矿制酸工艺中，除净化过程外，焙烧、转化、吸收三个过程都释放热量。习惯上把焙烧过程800~1000℃的余热称作高温位余热；转化过程500℃左右的余热称作中温位余热；干吸过程100℃以下的余热称作低温位余热[9]。2.3.1焙烧工段余热回收沸腾焙烧工段是硫铁矿制酸工艺第一步，是获取SO2烟气的重要步骤，沸腾焙烧炉在产生过程中，炉膛内最高达到1000℃左右，同时排出大量高温含尘烟气，烟气温度在850~950℃。该工段余热分3部分加以回收[10]：（1）焙烧炉的移出热量。硫铁矿制酸中，沸腾了内温度一般控制在950~1000℃。由于硫铁矿的燃烧是一个强烈的放热反应，为了维持这一温度，必须从炉内导出多余热量。焙烧炉热量回收系统如图2-2所示。图2-2焙烧炉热量回收系统图（2）设置余热锅炉。利用焙烧排出的高温烟气通过余热锅炉产生蒸汽。沸腾焙烧炉排出的烟气流经余热锅炉的辐射段和对流段，与锅炉四周的水冷壁及对流管束进行热交换，产生的饱和蒸汽在流经过热器，加热成过热蒸汽，蒸汽可用于发电或者生产、生活。焙烧炉余热锅炉热量回收系统如图2-3所示。33 图2-3焙烧炉余热锅炉热量回收系统（3）高温炉渣。我国硫铁矿品位普遍较低，相应排出渣尘量较大，带走的热量也较多，目前国内焙烧炉排出的溢流渣和低渣大都用滚筒冷渣机进行冷却，这种技术比较成熟，回收余热同时，消耗很少的水、电[11]。2.3.2转化工段余热回收经干燥塔干燥后烟气通过SO2鼓风机送往转化工段。在转化工段SO2经氧化变成SO3，同时放出大量的反应热，是很好的中温热源。（1）转化工段热量回收系统如图3-3所示。图2-4转化工段热量回收系统图（2）热量回收方式。焙烧炉余热锅炉出口的烟气经过收尘、净化、干吸后进入转化工段，一次转化后的烟气温度约在290~300℃，需要冷却到一定的温度才能进入冷却塔。可以用热管省煤器，既可以回收转化余热，加热余热锅炉给水，同时又能冷却烟气温度，再送入吸收塔，进行下一个工段。2.3.3吸收工段余热回收浓硫酸吸收工段产生的热量回收是世界性技术难题，主要浓硫酸通常具有强烈的腐蚀性。所以要做成既耐腐蚀又有良好低温传热性能的换热设备，技术难度很大。在此不予讨论。33 第3章余热锅炉的计算与选型3.1余热锅炉简介废热锅炉系指那些利用工业过程中的余热以产生蒸汽的锅炉，其主要设备为锅炉本体和汽包，辅助设备有给水预热器、过热器等。在过去，工业过程中许多余热是未加以充分利用即行浪费掉的。随着工业的发展和能源供求的紧张，工程技术人员对于这些过去废弃不用的余热加以重视，利用它来产生压力蒸汽，以此作为供热、供气、供电和动力的辅助能源，借以提高热能的总利用率，降低燃料消耗指标，降低电耗，以获取经济效益。所以人们把这称为“废热回收”。把用这种热量产生蒸汽的设备称为“废热锅炉”。也有人把这类锅炉称为“余热锅炉”。3.2余热锅炉汽水流动方式的选择3.2.1自然循环自然循环的汽水介质，是依靠水与汽的混合物的密度差而循环流动的。密度差越大，循环流动的工况越好。中、低压废热锅炉的水与汽水混合物的密度差较大，自然循环就较安全可靠，故废热锅炉多采用此种循环。不过蒸汽压力和汽量很大时，锅炉的汽包壳体需要很厚，体积庞大，制造、运输、安装、布置和检修都比较困难。3.2.2强制循环强制循环废热锅炉的汽水流动，主要依靠系统中泵的机械作用来维持所需的推动压力，它可以用于蒸汽压力达20MPa的锅炉。如果压力再高，汽包中的汽水分离困难。这种形式，由于回路中有功率较大的泵，动力消耗较大，并且增加维修工作，故压力在16MPa以上一般不采用此种循环。3.2.3强制循环与自然循环的比较强制锅炉与自然循环的比较如表3-1所示。33 3-1强制循环与自然循环的比较表序号自然循环强制循环1难以采用强力振动或振打清灰装置，也不能采用蒸汽或空气吹灰。可采用振动或振打等有效地除灰方式。2靠水汽重力差循环，受热面不能做成屏式或蛇管式，现场安装焊接工作量大，难以保证安装质量。并且检修不方便。可采用屏式或蛇管式受热面，布置灵活，受热膨胀性好，可根据需要方便选择汽包位置和标高。安装检修较方便。3管径一般不可太小，否则影响水循环。因受热面不能有拐弯死角，所以外形庞大，占地面积大，金属消耗量大。可采用较小管径，传热效果好，金属耗量仅为自然循环锅炉的2/3作用，占地面积一般较小。4投资比强制循环多40%。投资相对较少。5无循环泵，操作简单。有循环泵，多耗电。要注意平时维护检查。6出现电源故障时比较安全。停电时需要采取保护措施来保证安全。7循环可靠性较差，如受热面布置不当，或烟温、烟气量变动时，局部地方可能无水循环而过热爆管。任何条件下均可维持可靠的汽水循环。8当硫酸生产规模较大时，在沸腾炉内将没有足够面积布置自然循环受热面，加上体积庞大，故大型化有一定困难。可大型化。9穿墙管束多，影响气密性能，维修、保养不便。穿墙管束少，气密性好。10开停车升温和降温速度较慢。靠循环泵强制炉水循环，热均匀性好，对热负荷变化的适应性强，传热效率高，可迅速升温、降温，适合硫酸系统频繁开停车要求。33 3.2.4余热锅炉流动方式选择参考表3-1，结合两者优缺点，选择强制循环的余热锅炉。3.3余热锅炉选型计算3.3.1原始数据烟气进口温度：920℃烟气出口温度：~400℃烟气量：38000Nm3/h沸腾炉总焓：10786728kJ/kg锅炉进口烟气成分（按体积百分比）：SO2=9.62%SO3=0.089%O2=4.176%N2=77.927%H2O=8.128%烟气进口含尘量：310g/Nm3（标况）给水参数：104℃，6MPa过热器出口参数：450℃，3.82MPa.g3.3.2余热锅炉系统简图余热锅炉系统简图如图4-1所示。图3-1余热锅炉系统简图33 3.3.3余热锅炉状态点参数表查《水和水蒸气热力性质图标》，可得表3-2：表3-2汽轮机状态参数表状态点1234567温度（℃）450253253104920?400压力（MPa）3.824.24.26水汽焓（kJ/kg）334528102810440烟气比热（kJ/m3•℃）1.497?1.4123.3.4沸腾炉蒸发量G2计算根据沸腾炉热平衡方程可得：（3-1）式中：H——沸腾炉总焓，10786728kJ/kg；h2——汽包内饱和蒸汽焓，2810kJ/kg；h4——锅炉给水焓，440kJ/kg。解得：==4476kJ/kg3.3.5蒸发器蒸发量G1计算（1）假设G1=12500kg/h根据余热锅炉过热器热平衡方程可得：（3-2）式中：G——锅炉总蒸发量，G=G1+G2=12500+4476=16976，kg/h；h1——过热器出口焓，3345kJ/kg；h2——汽包内饱和蒸汽焓，2810kJ/kg；η损——锅炉散热损失，η损=1%；33 V——烟气量，38000Nm3/h；t5——过热器出口温度，920℃；t6——过热器出口温度，℃；Cp5——过热器进口烟气平均定压比热，1.4794kJ/(m3•℃)；Cp6——过热器出口烟气平均定压比热，kJ/(m3•℃)。解得：（2）用试差法计算t6、Cp6试差法步骤见附录1。解得：t6=771℃Cp6=1.4704kJ/(m3•℃)（3）根据余热锅炉蒸发器热平衡方程可得：（3-3）式中：γ——4.2MPa，253℃水的气化潜热，γ=1698.1kJ/kg；G1——蒸发器蒸发量，12500kg/h；t6——蒸发器进口温度，771℃；t"7——实际蒸发器出口温度，℃；Cp6——蒸发器进口烟气平均定压比热，1.4704kJ/(m3•℃)；Cp7——蒸发器出口烟气平均定压比热，kJ/(m3•℃)。解得：（4）用试差法计算t"7、Cp"7（方法同上）解得：t"7=405℃Cp"7=1.4127kJ/(m3•℃)（5）比较t"7和t7，直到得出t"7≈t7，则结果符合给定烟气出口要求，假设蒸发器蒸发量G1成立。33 如若t"7≠t7，则需重新假设蒸发器蒸发量G1再进行计算，直至t"7≈t7为止。3.4余热锅炉的选型余热锅炉蒸发量G=G1+G2=12500+4476=16976kg/h考虑到汽包3%排污，实际蒸发量G=16976×(1-3%)=16467kg/h所以，选择额定蒸发量为17t的余热锅炉锅炉。查《余热锅炉命名规则》[12]，选择强制余热锅炉型号为：QCF38/920-17-3.82/450。式中：Q——余热载体是气体；C——含尘类；F——腐蚀类；38——烟气流量，38000m3/h；920——烟气温度，℃；17——锅炉额定蒸发量，t/h；3.82——额定压力，MPa.g；450——额定蒸汽温度，℃。3.5余热锅炉数据汇总表余热锅炉数据汇总表详见附表1。33 第4章汽轮机的计算与选型4.1汽轮机简介汽轮机，又名“蒸汽透平”，是以蒸汽为工质，将热能转变为机械能的高速旋转式原动机。主要作用发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨行。还可以利用汽轮机的排气或者中间抽气。汽轮机是一种蒸汽能量转换的装置。汽轮机的工作原理：具有一定压力和温度的蒸汽，在特殊形状的喷嘴中把蒸汽的热能转化成动能，获得很高速度的蒸汽，作用在转子的叶片上，蒸汽的动能转换为旋转的机械能。凝汽式汽轮机的工作性能取决于蒸汽的压力、温度、流量和排汽压力。4.2汽轮机选型计算4.2.1原始数据额定进汽温度：435℃额定进汽压力：3.43MPa.a额定进气量：17t/h锅炉给水参数：104℃，6MPa补水参数：20℃(饱和水)汽轮机排汽压力：0.0075MPa.a汽轮机排汽干度：93%4.2.2汽轮机系统简图汽轮机热力系统简图如图4-1所示。33 图4-1汽轮机热力系统简图4.2.3汽轮机状态点参数表查《水和水蒸气热力性质图标》，可得表4-1：表4-1汽轮机状态参数表状态点123456温度（℃）4354040？20104压力（MPa）3.430.00750.0075？0.00236水汽焓（kJ/kg）33052406状态点2为气液混合物，且已知干度为93%，所以h2=0.93×h2汽+0.07×h2液=0.93×2574+0.07×169=2406kJ/kg式中：h2汽——汽轮机出口饱和汽焓，2574kJ/kg；h2液——汽轮机出口饱和液焓，169kJ/kg；h2——汽轮机出口焓，kJ/kg。169？8444033 4.2.4汽轮机选型（1）汽轮机最大发电量P1计算：（4-1）式中：ηm——汽轮机机械效率，汽轮机额定功率在750~6000kW取ηm=0.97；ηg——发电机效率，汽轮机额定功率在750~6000kW取ηg=0.95；G——锅炉额定蒸发量，17000kg/h；h1——汽轮机蒸汽进口焓，3305kJ/kg；h2——汽轮机出口焓，2406kJ/kg。解得：P1=0.97×0.95×17000×(3305-2406)=3914kW（2）汽轮机选型查《中小型热电联产工程设计手册》[13]，选择汽轮机型号为：N4.5-3.43-1其中：N——凝汽式汽轮机；4.5——额定功率4500kW；3.43——初压，MPa.a；1——变型设计次数。（3）抽汽参数的确定：查出型号后可确定抽汽参数：一级抽汽压力0.49MPa，抽汽温度为235℃。4.2.5汽轮机抽汽量G2计算（1）根据除氧器热平衡方程：(4-2)式中：G1——补充水量，G1=17000×3%=510kg/h；G2——抽汽量，kg/h；G——锅炉给水量，G=17000+510=17510kg/h；h3——凝汽器出口饱和水焓，169kJ/kg；h4——汽轮机抽汽焓，2908kJ/kg；h5——补水焓，84kJ/kg；h6——锅炉给水焓，440kJ/kg。解得：33 G2=(Gh6-G1h5-17000h3)/(h4-h3)=(17510×440-510×84-17000×169)/(2908-169)=1752kg/h4.2.6汽轮机实际发电功率P2（4-3）式中：ηm——汽轮机机械效率，汽轮机额定功率在750~6000kW取ηm=0.97；ηg——发电机效率，汽轮机额定功率在750~6000kW取ηg=0.95；G2——抽汽量，1752kg/h；h1——汽轮机蒸汽进口焓，3305kJ/kg；h2——汽轮机出口焓，2406kJ/kg；h4——汽轮机抽汽焓，2908kJ/kg。解得：=3689kW4.3汽轮机数据汇总表汽轮机数据汇总表详见附表2。33 第5章连续排污扩容器、定期排污扩容器的计算及选择为了控制锅炉锅水的水质符合规定的标准，使炉水中杂质保持在一定限度以内，需要从锅炉中不断地排除含盐、碱量较大的炉水和沉积的水渣、污泥、松散状的沉淀物，这个过程就是锅炉排污。 排污方式：锅炉排污分连续排污和定期排污两种。连续排污又称表面排污，要求连续不断地从炉水盐碱浓度最高部位排出部分炉水，以减少炉水中含盐、碱量，含硅酸量及处于悬浮状态的渣滓物含量。定期排污主要排除炉内水渣及泥污等沉积物，所以其排污口多设置在锅筒的下部及联箱底部。定期排污操作过程时间短暂，应当选择在锅炉高水位、低负荷或压火状态时进行排污。在小型锅炉上，通常只装设定期排污。5.1连续排污扩容器计算及选择连续排污扩容器用于锅炉连续排污系统，及将锅炉连续排污水经节流后送入排污扩容器内进行扩容蒸发，扩容后的蒸汽回收到热力系统中去。为了稳定扩容器的压力，一般将这部分蒸汽引至除氧器。通常中压锅炉配用工作压力为0.15MPa的一级连续排污扩容器系统。5.1.1连续排污每kg排污水汽化量Df1计算（5-1）式中：hd——汽包压力（4.2MPa）下饱和水焓，查表hd=1101kJ/kg；η——汽包到扩容器间管道散热系数，η=0.98；hs——扩容器压力下饱和水焓，查表hs=467kJ/kg；x——扩容器蒸汽干度（x：0.97~0.98），取x=0.97；γ——扩容器压力下汽化潜热，查表γ=2226kJ/kg。解得：=0.283kg/kg33 5.1.2连续排污扩容器汽容积Vv1计算（5-2）式中：Dbl——连续排污水量，Dbl=17000×3%=510kg/h排污率为3%。；υ"——扩容器压力下蒸汽比容，查表υ"=1.1593m3/kg；R1——连续排污扩容器单位容积允许极限强度（R1：800~1000），取R1=900m3/(m3h)；Df1——连续排污每kg排污水汽化量，0.283kg/kg。解得：5.1.3连续排污扩容器水容积Vw1计算Vw1=(20%~30%)Vv1（5-3）式中：Vv1——连续排污扩容器汽容积，0.186m3。解得：Vw1=0.25×0.186=0.047m35.1.4连续排污扩容器总容积V1计算V1=Vv1+Vw1(5-4)式中：Vv1——连续排污扩容器汽容积，0.186m3；Vw1——连续排污扩容器水容积，0.047m3。解得：V1=0.186+0.047=0.233m333 5.1.5连续排污扩容器选择查《中小型热电联产工程设计手册》，中压锅炉(3.82MPa，450℃)选择扩容器容积为0.75m3。5.2定期排污扩容器定期排污扩容器用于锅炉定期排污系统。因为定期排污时间间隔较长，排放水量少，且沉淀物多，定期排污水量一般不再利用。锅炉定期排污率一般取为锅炉蒸发量的0.1%~0.5%或者更多一些。定期排污每次排放时间应该很短，一般不超过0.5~1min。5.2.1定期排污每kg排污水汽化量Df2计算（5-5）式中：hd——汽包压力（4.2MPa）下饱和水焓，查表hd=1101kJ/kg；η——汽包到扩容器间管道散热系数，η=0.98；hs——扩容器压力下饱和水焓，查表hs=467kJ/kg；x——扩容器蒸汽干度（x：0.97~0.98），取x=0.97；γ——扩容器压力下汽化潜热，查表γ=2226kJ/kg。解得：=0.283kg/kg5.2.2定期排污扩容器汽容积Vv2计算（5-6）式中：Dpb——定期排污水量，Dpb=17000×0.2%×60=2040kg/h定期排污率为0.2%，排污时间定为1min。；υ"——扩容器压力下蒸汽比容，查表υ"=1.1593m3/kg；R2——连续排污扩容器单位容积允许极限强度，R2=2000m3/(m3h)。Df2——连续排污每kg排污水汽化量，0.283kg/kg。解得：33 =0.335m35.2.3定期排污扩容器水容积Vw2计算Vw2=（20%~30%）Vv2（5-7）式中：Vv2——连续排污扩容器汽容积，0.335m3。解得：Vw2=0.25×0.335=0.084m35.2.4定期排污扩容器总容积V2计算V2=Vv2+Vw2（5-8）式中：Vv2——连续排污扩容器汽容积，0.335m3；Vw2——连续排污扩容器水容积，0.084m3。解得：V2=0.335+0.084=0.4195.2.5定期排污扩容器选择考虑到锅炉紧急放水，V取1m35.3连续排污、定期排污扩容器汇总表连续排污、定期排污扩容器汇总表详见附表3。33 第6章给水泵、循环热水泵及除氧器的选择6.1给水泵选择6.1.1锅炉给水泵流量Q计算Q=K(Q1+Q2)(6-1)式中：Q1——所供锅炉额定出力时总给水量，m3/hG为锅炉给水量，为17510kg/h；ρ为104℃，6MPa时水的密度，955kg/m3。；Q1=G/ρ=17510/955=18.4m3/hQ2——其他用水量，如减温器等用水，0m3/h；K——附加系统（K：1.1~1.2）,取K=1.2。注：①解得：Q=1.2×(18.4+0)=22.8m3/h6.1.2锅炉给水泵的扬程H计算H=H1+H2+H3+H4(6-2)式中：H1——锅炉在设计的使用压力下安全阀的开启压力，m；H2——省煤器和给水管路系统的阻力，m；H3——给水系统的最高与最低水位差，m；H4——附加扬程，m；解得：H=600m6.1.3给水泵的容量及台数选择(1)发电厂应设置1台备用水泵。(2)给水泵的总容量及台数，应保证在任何一台给水泵停用时，其余给水泵的总出力，仍能满足所连接系统的全部锅炉额定蒸发量的110%。(3)每台给水泵的容量，宜按其对应的锅炉额定蒸发量的110%给水量选择(4)综上查《工业锅炉房实用设计手册》[14]，给水泵型号为DG25-50×11，2台。33 6.2热水循环水泵选择6.2.1热水循环水泵流量Q计算(6-3)式中：Q1——在蒸发器中的蒸发量，m3/hG1为进入蒸发器的流量，12500kg/h；ρ为253℃时饱和水的密度，794kg/m3。；Q1=G1/ρ=12500/794=15.74m3/hK——循环倍率，取15。解得：Q=15×15.74=236.1m3/h6.2.2循环热水泵扬程H计算H=H1+H2+H3+H4(6-4)式中：H1——锅炉在设计的使用压力下安全阀的开启压力，m；H2——省煤器和给水管路系统的阻力，m；H3——给水系统的最高与最低水位差，m；H4——附加扬程，m；解得：H=37m6.2.3循环热水泵的容量及台数选择查《工业锅炉房实用设计手册》，循环热水泵型号为200R-45A，2台。6.3除氧器的选择6.3.1除氧方式（1）热力除氧用加热的方法除氧的设备称为热力除氧器。工作蒸汽压力为0.02MPa(水温104℃)称为低压热力除氧器；工作压力为≧0.32MPa（水温≥145℃33 ）称为低压除氧器。按水的加热方式，分为溅盘式和喷雾式或者喷雾填料式两种。喷雾式热力除氧器又有部分补给水（设计中考虑到一部分是凝结水）和全补给水两种。喷雾式热力除氧器具有体积小、重量轻、除氧效果好和对积水温度要求低的优点，已经被广泛采用。低、中压锅炉一般采用低压喷雾热力除氧器。（2）真空除氧真空除氧是低温水（20~60℃）除氧，与热力除氧相比具有蒸汽用量少或者不用蒸汽的特点。常用真空除氧系统有蒸汽喷射和水喷射两种。（3）解析出氧解吸除氧是基于亨利定律，将无氧的气体与待除氧的给水强烈混合，使溶解在水中的氧气析出至气体中去，从而使锅炉给水达到水质标准的要求。含氧气体在反应器类燃烧反应成无氧气体循环使用。（4）化学药剂除氧化学药剂除氧，就是向锅炉给水或者热水锅炉补充水(含溶解氧)中投加某种还原剂使之与O2作用，以达到除氧的目的。工业锅炉房常用亚硫酸钠药剂除氧。加亚硫酸钠除氧，设备简单、操作方便，除氧效果好。但是对于含氧量高的水，药剂消耗量大，从而导致费用高，并且使给水的含盐量增加。6.3.2除氧器的选择综上，选择工作蒸汽压力为0.02MPa(水温104℃)的低压喷雾式热力除氧器。6.3.3除氧水箱的选择（1）给水箱的总容量，对于35t/h及以下的锅炉，宜为20~30min全部锅炉额定蒸发量时的给水消耗量。（2）对65t/h及以上的锅炉，宜为10~15min全部锅炉额定蒸发量时的给水消耗量。则除氧水箱容积为：（6-5）式中：G——锅炉额定蒸发量时的给水消耗量，17.51t/h。解得：t=0.5×17.51=9t综上所述，选择10t的除氧器水箱。33 第7章管道系统的确定及防腐保温一般在热电厂管道设计中，都是在推荐流速范围内选择适当的介质流速，经过水力计算求出管径，再根据介质的的参数和管材的特性通过强度计算求其管壁厚度，最后再选择管道和确定其有关具体数值。热电厂的管道费用，在基建总投资中占有较大的比例，必须正确选择管径及壁厚，达到节约投资以及保障安全运行的目的。管数不变减少管道的直径，可以降低投资，但是会增加输送介质过程中的能量损失，增加运行费用，所以管径的选择应该通过全面的技术经济分析、比较才能确定。7.1给水管道的确定7.1.1管内径Di计算（1）单向流体管径，根据选定的推荐介质流速按下式计算：（7-1）式中：Di——管子内径，mm；G——介质质量流量，17.51t/h；υ——介质比容，0.001044m3/kg查得104℃，6MPa水比容为0.001044m3/kg。；ω——介质流速，2m/s根据推荐管道介质流速表，高压给水管道推荐流速2~6m/s。。解得：=57mm（2）考虑到管径和管壁厚度的偏差，计算时考虑10%裕量，所以：Di实际=（1+10%）Di=1.1×57=63mm33 7.1.2管子厚度Sc计算直管计算厚度：（7-2）式中：p——设计压力，6MPa；D0——管子外径，D0=76mm查《中小型热电联产工程手册》Di=63mm时，D0取76mm。；[σ]t——在设计温度下材料的许用应力，125MPa钢管材料20/3087-2008，当t=250℃，许用压力为125MPa。；η——许用应力修正数值，对于无缝钢管，η=1.0；Y——温度对计算管子壁厚的公式的修正系数，查《中小型热电联产工程设计手册》可得Y=0.4。解得：=1.8mm7.1.3直管设计厚度Sd和取用厚度直管设计厚度按公式可得：Sd=Sc+C=Sc+C1+C2(7-3)式中：Sc——直管设计厚度，mm；C——厚度附加量之和，mm；C1——厚度减薄附加量，包括加工、开槽和螺纹深度以及材料厚度负偏差，取C1=1mm；C2——考虑腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度，C2取1mm对于一般蒸汽管道和水管道，可以不考虑腐蚀和磨损的影响。。解得：Sd=1.8+1+1=3.8mm查《化工设备机械基础》[15]，取标准4.5mm。33 7.1.4给水管选型查《中小型热电联产工程设计手册》，选择型号为：Φ76×4.5。7.2主蒸汽管道的确定7.2.1管内径Di计算（1）单向流体管径，根据选定的推荐介质流速按下式计算：（7-4）式中：Di——管子内径，mm；G——介质质量流量，17t/h；υ——介质比容，0.082m3/kg查得450℃，3.82MPa过热汽比容为0.082m3/kg。；ω——介质流速，40m/s根据推荐管道介质流速表，高压给水管道推荐流速40~60m/s。。解得：=111mm（2）考虑到管径和管壁厚度的偏差，计算时考虑10%裕量，所以：Di实际=（1+10%）Di=1.1×111=122mm7.2.2管子厚度Sc计算直管计算厚度：（7-5）式中：p——设计压力，3.82MPa；D0——管子内径，D0=133mm查《中小型热电联产工程手册》Di=122mm时，D0取133。；33 [σ]t——在设计温度下材料的许用应力，128MPa钢管材料12Cr1MoVG钢，当t=450℃，许用压力为128MPa。；η——许用应力修正数值，对于无缝钢管，η=1.0；Y——温度对计算管子壁厚的公式的修正系数，查《中小型热电联产工程设计手册》可得Y=0.4。解得：=2mm7.2.3直管设计厚度Sd和取用厚度直管设计厚度按公式可得：Sd=Sc+C=Sc+C1+C2(7-6)式中：Sc——直管设计厚度，mm；C——厚度附加量之和，mm；C1——厚度减薄附加量，包括加工、开槽和螺纹深度以及材料厚度负偏差，取C1=1mm；C2——考虑腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度，C2取1mm对于一般蒸汽管道和水管道，可以不考虑腐蚀和磨损的影响。。解得：Sd=2+1+1=4mm查《化工设备机械基础》，取标准6mm。7.2.4主蒸汽管选型查《中小型热电联产工程设计手册》，选择型号为：Φ133×6。7.3管道的保温33 管道的种类很多，按其介质的输送，可以将管道分为：热水管道、蒸汽管道、制冷与空调管道。当管道输送热载体时，管道内流体温度高于环境温度，流体会经管道表面散热从而造成损失。为了提高能量利用效率，减少能量损失，管道的保温势在必行。7.3.1管道保温判定具有下列情况之一的设备、管道及其附件，都必须进行保温[16]：（1）输送热媒。输送热载体、外表面温度高于323k（50℃），且经常需要操作、维修时，均应进行保温。（2）输送冷媒。输送冷载体、外表面温度低于或接近于环境温度时，为防止管道表面结霜、减少冷凉损失，需进行保温处理。（3）特殊的工艺与安全要求。需要控制介质在输送过程中的温度、压力，以满足工艺要求或为了防堵、防冻、防烫伤或防结露等特殊要求，必须从工艺角度进行保温（冷）设计与施工。7.3.2保温材料选用保温（冷）材料应按优质、廉价、满足工艺要求、敷设方便、就地取材等原则。常见的保温材料有岩棉制品、石棉制品、矿渣制品、玻璃纤维制品、硅酸钙制品、硬质泡沫塑料制品和膨胀珍珠岩制品。选择合适的保温材料，除了考虑到体积密度、导热率、化学稳定性、价格、使用温度以及是否加工方便、施工简便、可重复利用，还需要根据实际安置条件，看其是否符合工作环境要求、人员健康及舒适要求等考虑因素，进行最合适的选型。7.3.3设备保温结构形式（1）涂膜结构：当设备外表面积比较高大，而保温层较厚时，应焊承重支承板。丝网及保护层。（2）绑扎结构：绑扎结构是设备保温中最常见的一种形式，当遇有平壁设备、立式圆形、卧室圆形以及各种异形设备，其外表面允许焊保温钩钉时，可选用此种保温结构。（3）当设备外表面不允许焊保温钩钉或者支承板时，采用捆扎保温结构。7.3.4保温材料及保温结构形式的选择（1）给水管、主蒸汽管保温材料选择给水管、主蒸汽管输送热媒，外表面温度高于50℃，需要进行保温。鉴于泡沫石棉制品保温材料体密度小、导热率低、制造工艺简单、施工方便的、可任意裁剪、依形包扎、重复使用、不老化、无粉尘、不刺激皮肤、在运输、施工中消耗最小、比较经济等优点，所以选其为保温材料。33 （1）给水管、主蒸汽管保温结构的选择采用捆扎保温结构，保温层采用镀锌铁丝双股捆扎，捆扎件规格为Φ0.8~Φ1镀锌铁丝。金属保护层采用0.35~1mm厚度的镀锌铁皮。7.4设备管道的防腐与保温结构的油漆、涂色（1）涂色一般规定设备、管道及保温层外表面应进行涂色处理，涂色标记一般按表7-1进行。在管道外表面应有表示介质流动方向的箭头，当介质向两个方向流动时，应标出相反方向的箭头。表7-1常用管道涂色标记管道名称颜色底色色环过热蒸汽管饱和蒸汽管排气管红红红黄黑锅炉排污管锅炉给水管黑绿输水管绿黑凝结水管软化（补给）水管生水管绿绿绿红白黄热水管绿蓝压缩空气管油管蓝橙黄原煤管煤粉管亮灰亮灰黑冷风道热风道蓝蓝黄烟管暗灰（2）常用的防腐油漆及涂料常见的防腐油漆有：GZ-1高光冷瓷（高级聚氨酯磁漆）、GZ-5高光冷瓷（高级聚氨酯磁漆）、RB02-53丙烯酸面漆、GZ2（8710）新型高分子防腐材料、GZ-3（“屏障”33 C型）防腐涂料、CZ-4耐高温防腐涂料、GZ-6环氧煤沥青防腐材料。常见的防腐涂料有：RB802丙烯酸外墙涂料、B-28丙烯酸高级保护涂料、Aqua-11高烯酸水涂料。33 第8章设备一览表序号设备名称就技术特性及详细规格型号数量1余热锅炉额定主蒸汽压力：3.82MPa（g），额定主蒸汽温度：450℃QCF38-920-17-3.82-4501额定主蒸汽流量：17t/h锅炉入口废气量：38000Nm3/h锅炉入口费汽温度：920℃，锅炉出口废气温度：400±20℃2锅炉给水泵Q=25m3/h，p=600mDG25-50×112配用电机N=55kW，380V，IP54，n=2950r/min23连续排污扩容器容积：0.75m3，工作压力：0.15MPa，工作温度：220℃14定期排污扩容器容积：1m3，工作压力：0.15MPa，工作温度：200℃15除氧器容积：20t/h，工作压力：0.02MPa，工作温度：104℃16除氧器水箱V=10m317加药装置磷酸三钠溶液箱V=1m3，搅拌电机N=1.1kW2加药泵Q=60l/h，p=8MPaJ-Z60/8B-Ⅳ4配用电机N=1.1kW，n=102次/minY90L-4B548热水循环泵Q=254m3/h200RⅡ-45A2配用电机N=45kW，380V，IP54，n=2950r/min233 结论在硫酸生产过程中有一系列的放热反应，产生大量的余热。为了充分利用能量，不能仅满足于将余热作为热源，而要根据能量的数量和质量，充分地、合理地加以利用，既能用以作功或发电，又可作为热源，从而使工艺系统和动力系统密切地结合起来，以形成工艺一动力综合体系。企业利用成熟的余热发电技术，既有利于减轻电力支撑经济和社会发展所面临的巨大压力，又有利于降低经济生产成本和提高经济竞争力。通过此次设计，计算得出以下结论：（1）通过假定蒸发器流量的方法，计算出余热锅炉额定蒸发量为17t/h，排烟出口温度为405℃。从而确定余热锅炉型号为QCF38/920-17-3.82/450。（2）判断无热用户，确定汽轮机为凝汽式汽轮机。通过计算汽轮机最大发电量，求得最大发电量为3914kW•h，结合蒸汽进口参数，选择凝汽式汽轮机型号为N4.5-3.43-1。选型后，可以查出抽汽参数为：一级抽汽压力0.49MPa，抽汽温度为235℃，通过计算除氧器热平衡方程，求出抽汽量为1752kg/h。最后计算实际发电量为3689kW。（3）计算得出连续排污扩容器容积为0.233m3，取标准后为0.324m3。计算得出定期排污扩容器为0.419m3，考虑到紧急放水，取1m3。（4）计算出给水泵给水流量为22.8m3/h，给水泵扬程为600m，从而为给水泵选择型号为DG25-50×11。计算热水循环泵流量为236.1m3/h，循环泵扬程为37m，从而为热水循环泵选择型号为200R-45A。因考泵需要备用因素，所以给水泵和循环热水泵各两台。除氧方式选择低压喷雾式热力除氧器，除氧水箱容积为10t。（5）计算得出给水管型号为Φ76×4.5，主蒸汽管型号为Φ133×6。保温材料为泡沫石棉制品保温材料，保温结构采用捆扎保温结构，保温层采用镀锌铁丝双股捆扎，捆扎件规格为Φ0.8~Φ1镀锌铁丝，金属保护层采用0.35~1mm厚度的镀锌铁皮。33 参考文献[1]C．J．Butcher，B．V．Reddy．Secondlawanalysisofawasteheatrecoverybasedpowergenerationsystem[J]．ScienceDirect，2006，15（50）：16－17．[2]蔡勤．综合利用硫酸生产余热发电大有可为[J]．能源研究与利用，1997，5（05）：36－37．[3]陆秉权，刘桂林．中国余热发电行业的现状和发展趋势分析（上）[J]．中国建材，2010，10（11）：98－101．[4]王文．谈谈硫酸生产余热发电的配电问题[J]．硫酸工业，1991，20（02）：27－29．[5]邓小松．硫酸余热发电[J]．现代节能，1992，19（01）：63－64．[6]W．V．Mutler．G．Warren．Burningpyritescomparedtosulphur[J]．SNC—LavalinFenc，2009，30（06）：14－18．[7]古大田，方子风．废热锅炉[M]．化学工业出版社，2002．[8]陈五平．硫酸与硝酸[M]．化学工业出版社，1989．[9]韩智中．硫酸生产余热利用与节能[J]．硫酸工业，1988，10（01）：11－15．[10]谈河君，宋冬根，胡继光．硫铁矿制酸中的余热回收[J]．有色冶金设计与研究，2009，30（3）：22－23．[11]黄黎明，葛青竹．略谈硫酸生产线的余热利用[J]．山西化工，2000，5（06）：38－39．[12]国家机械工业局．JB/T9560-1999．余热锅炉命名规则[S]．机械工业出版社，1999-8-16．[13]《中小型热电联产工程设计手册》编写组．中小型热电联产工程设计手册[M]．中国电力出版社，2006．[14]机械电子工业部设计研究院．工业锅炉房实用设计手册[M]．机械工业出版社，1991．[15]刁玉玮，王立业，喻健良．化工设备机械基础[M]．大连理工大学出版社，2006．[16]《热能工程设计手册》编写委员会．热能工程设计手册[M]．化学工业出版社，1998．33 谢辞在本文即将结束之际，我由衷的感谢导师毛奇洲高级工程师和黄德赋老师。在本论文写作过程中，我的导师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲到一遍又一遍的指出论文中中的具体问题，严格把关，循循善诱，再次我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师和同学朋友。33 附录11.用试差法计算t6、Cp6（1）假设Cp6=1.45,(1.4116