城市垃圾焚烧厂基本工艺参数与物料平衡设计Word下载.docx
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前言
城市生活垃圾是指在城市居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的废弃物或丢弃物,是固体废物的一种。
城市生活垃圾具有产量大、增长快、危害重等特点,已经广泛引起人们的普遍关注。
我国目前的城市生活垃圾处理处置技术最常用的为卫生填埋和露天堆放,占总处理量的79.2%,其次为堆肥化,占18.8%,仅2%的生活垃圾采用的处理方式是焚烧技术,见图1。
图1城市生活垃圾处理与处置方式饼状图
垃圾焚烧方法与其它处方法理相比较,能更好地达到垃圾处理无害化、减量化、资源化的目标,且具有占地面积小,运行稳定、卫生、可靠,对周边环境影响小等优点。
城市生活垃圾焚烧技术在美国、日本等发达国家已得到广泛应用,并产生了良好的环保和经济效益。
焚烧垃圾、回收能源的方法是我国处理城市生活垃圾的一个主要发展方向。
第一章概论
1.1城市生活垃圾处理与利用
城市生活垃圾的填埋、堆肥及焚烧三种工艺的简介及优缺点的比较。
1.1.1卫生填埋法
卫生填埋法是国内外应用最为广泛的垃圾处理方法,此方法处理量大,方便易行,但填埋场占用大量的土地资源,不发达国家和发展中国家由于经济落后,大多采用简易填埋法,其产生的垃圾渗滤液对地下水和地表水造成严重的二次污染。
卫生填埋是指能对填埋场气体和渗滤液进行控制的填埋方式,卫生填埋与简易填埋的根本区别主要在于卫生填埋过程中采取了底、侧层防渗与废气收集处理,垃圾表层覆盖压实作业等措施,从而避免了目前采用的简易填埋方式下产生的二次污染。
在我国卫生填埋是垃圾处理必不可少的最终处理手段,也是现阶段我国垃圾处理的主要方式。
卫生填埋优点:
技术成熟,运行管理简单,处理量大,灵活性强,适用范围广,投资及运行费用较低。
卫生填埋缺点:
选址较困难、减容效果差、占地面积大、对周围环境会有一定影响。
1.1.2堆肥与垃圾再生利用
堆肥是使垃圾中的有机质在微生物的作用下进行生物化学反应,最后形成腐殖质,可作肥料或土壤改良剂。
堆肥包括好氧发酵和厌氧发酵两种方式。
一般常用好氧发酵工艺,周期短、无害化效果好。
堆肥法依靠自然界中广泛存在的细菌、放线菌、真菌等微生物,人为地、可控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。
通过堆肥化我们可以把有机物转化为有机肥料,这种有机肥料作为最终产物不仅稳定,而且不危害环境。
堆肥法的优点:
投资较低,技术简单、有机物分解后可作为肥料再利用从而达到资源的循环利用,垃圾减量明显。
堆肥法的缺点:
对垃圾分类要求高、有氧分解过程中产生的臭味会污染环境,堆肥成本过高或质量不佳影响堆肥产品销售。
1.1.3垃圾焚烧法
焚烧法是将垃圾中的可燃成分在高温(800℃~1000℃)条件下经过燃烧反应,可燃成分充分氧化,最终成为无害稳定的灰渣。
焚烧法一般可使垃圾大幅度减容,大大减少了占地并能回收热能用于生活取暖和发电。
焚烧是目前世界上—些经济发达国家广泛采用的一种城市生活垃圾处理技术。
焚烧处理的优点有:
(1)圾焚烧处理后,垃圾中的病原休被彻底消灭,燃烧过程中产生的有毒有害气体和烟尘经处理达标后排放,无害化程度高;
(2)经过焚烧,垃圾中可燃成分被高温分解后一般可减容80%~90%,减容效果好,可节约大量填埋场占地,经分选后的垃圾焚烧效果更好;
(3)垃圾被作为能源来利用,垃圾焚烧所产生的高温烟气,其热能被转变为蒸汽,用来供热及发电,还可回收铁磁性金属等资源,可以充分实现垃圾处理的资源化;
(4)垃圾焚烧厂占地面积小,尾气经净化处理后污染较小,可以靠近市区建厂。
既节约用地又缩短了垃圾的运输距离,对于经济发达的城市,可因地制宜,发展以焚烧、减容为主的综合处理。
(5)焚烧处理可全天候操作,不易受天气影响;
焚烧处理的缺点有:
(1)焚烧法投资大,占用资金周期长;
(2)焚烧对垃圾的热值有一定要求,一般不低5000kJ/kg,限制了它的应用范围。
(3)焚烧过程中产生的二噁英问题,必须有很大的资金投入才能进行有效处理。
因此,卫生填埋方法适用于选址容易、生活垃圾混装的城市。
堆肥法适用于卫生填埋场地缺乏,城市生活垃圾垃圾分类系统较完善且生活垃圾中可生物降解的有机物含量大于40%的城市。
焚烧处理方法适用于卫生填埋场地缺乏、生活垃圾热值高、经济条件较发达的城市。
1.2设计背景
1.2.1国内垃圾焚烧厂的现状
2009年,我国大陆地区已经运行的垃圾焚烧厂为93座,日处理总规模71,253t,单位厂日处理规模766.16t,实际日处理量55,396t,实际单位厂日处理量595.66t,焚烧设施利用率77.75%。
与欧盟、日本、美国等其他国家的垃圾焚烧厂建设运行情况比,我国单位垃圾焚烧厂处理规模最大,结合历年垃圾处理情况,说明我国垃圾焚烧厂的建设规模趋于大型化。
此外2010年垃圾焚烧厂达到106座,表明我国垃圾焚烧项目正在高速发展中。
从年等效利用时数与焚烧设施利用率看,我国垃圾焚烧厂的运行状况处于偏低水平,表明需进一步提高我国垃圾焚烧厂的运行管理水平。
另一原因是,我国的垃圾焚烧技术是炉排型与流化床型(处理规模占30%以上)焚烧炉技术共同发展。
其中,采用流化床焚烧锅炉的多属于大中型垃圾焚烧厂,但等效利用时数及焚烧设施利用率低于炉排型焚烧炉,需提高其设施的可靠度。
1.2.2国内的垃圾焚烧设备现状
我国炉排型焚烧炉装备国产化的路线图是:
引进—消化—吸收—创新。
至今,国际公认的优秀焚烧技术设备都已引进到我国,各项可靠性指标都较高,对我国垃圾特征的适应性基本良好,但DCS尚不能充分发挥功能。
在消化吸收过程中,引进技术国产化设备的类型有5(已运行)+1(未运行)种,技术原型有MATIN、CITY2000、VONROLL、SIGHERS、WATERLUE及VOLUND。
全面引进技术、结构、制造、组装、调试等的国产化设备运行良好;
但无全面引进的设备需注意防止重大故障发生。
在焚烧设备国产化进程中,炉排片铸造质量与钢结构加工精度达到引进技术的要求甚至高于了引进部件的要求;
设备装配精度仍有进一步提高空间;
液压缸的质量与国际先进水平尚有差距。
我国一些企业自主研发的垃圾焚烧装备主要以小型设备为主,大部分可靠性较低,一些环保不达标的企业已被关停。
1.3设计标准
垃圾焚烧技术应用的首要标准是使垃圾无害化,其次是减量化和资源化。
为达到无害化的目的,在垃圾焚烧厂的设计、施工和运行过程中都必须依据有关法律和标准,严格控制二次污染。
焚烧过程中可能产生的二次污染主要是烟气。
烟气由两部分组成,一部分是颗粒很小的飞灰,如余热锅炉排灰、喷雾反应器排灰、袋式除尘器排灰等。
另一部分是气体污染物,如氯化氢、氮氧化物、二噁英、碳氢化合物等。
飞灰是一类浸取毒性很大的复杂颗粒物,含有重金属和有机物等。
对于这类固体污染物的处理指标,其毒性的浸取实验应符合地表水水质标准。
通常采用的处理方法有安全填埋法、水泥和沥青固化法。
另外一种方式是用水泥适当固化后,在专有的安全填埋场进行填埋,固化标准按接纳固化物的填埋场的要求执行。
飞灰总量约占焚烧垃圾量的3%。
城市生活焚烧厂应严格执行《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》。
⚫生活垃圾焚烧污染控制标准(GB18485-2001)
⚫城市生活垃圾焚烧处理工程项目建设标准(建标[2001]213号)
⚫生活垃圾焚烧处理工程技术规范(CJJ90-2009)
⚫生活垃圾焚烧厂运行维护与安全技术规范(CJJ128-2009)
1.4设计目的
设计背景来源于某市垃圾焚烧发电工程,计划建设2台500t/d垃圾处理能力的机械炉排焚烧炉,配套设置22MW汽轮发电机组。
主要处理江北西部城市生活垃圾,服务区内人口90万人,人均垃圾产生量为1.2kg/d.p,服务区总垃圾量为1000t/d。
焚烧厂设计日处理能力1000吨,项目总投资39145万元,其中环保投资3267万元。
本设计的设计任务是完成垃圾焚烧厂焚烧工况设计与物料平衡、热量平衡图计算,并绘制焚烧系统关键设备工艺图。
第二章方案选定
2.1设计原则
2.1.1技术原则
焚烧厂的建设规范,应根据焚烧厂服务范围的垃圾产量、成分特点以及变化趋势等因素综合考虑确定;
并应根据处理规模合理确定生产线数量和单台处理能力。
焚烧厂建设规模分类与生产线数量宜符合表1的规定。
表1建设规范分类与生产线数量
类型
额定日处理能力
(t/d)
生产线条数
(条)
I类
1200以上
3~4
II类
600~1200
2~4
III类
150~600
2~3
IV类
50~150
1~2
注:
①Ⅳ类中1条生产线的生产能力不宜小于50d/t;
②Ⅲ类中1条生产线的生产能力不宜小于75d/t;
③额定日处理能力分类中,Ⅱ、Ⅲ类含上限值,不含下限值。
焚烧厂建设项目由焚烧厂主体工程与设备、配套工程、生产管理与生活服务设施构成。
具体包括下列内容:
一、焚烧厂主体工程与设备主要包括:
(1)受料及供料系统:
包括垃圾计量、卸料、储存、给料等设施;
(2)焚烧系统:
包括垃圾进料、焚烧、燃烧空气、启动点火及辅助燃烧等设
施;
(3)烟气净化系统:
包括有害气体去除、烟尘去除及排放等设施;
(4)余热利用系统:
包括余热锅炉、空气预热器、发电或供热等设施;
(5)灰渣处理系统:
包括炉渣处理系统与飞灰处理系统,炉渣处理系统主要包括出渣、冷却、碎渣、输送、储存和除铁等设施;
飞灰处理系统主要包括飞灰收集、输送、储存等设施;
(6)仪表与自动化控制系统。
二、配套工程主要包括:
总图运输、供配电、给排水、污水处理、消防、通信、暖通空调、机械维修、监测化验、计量、车辆冲洗等设施。
三、生产管理与生活服务设施主要包括:
办公用房、食堂、浴室、值班宿舍、绿化等设施。
焚。
烧炉选择应符合下列要求:
(1)对垃圾特性适应性强,在确定的垃圾特性范围内,保持额定处理能力;
(2)焚烧炉内烟气温度和停留时间应满足国家有关技术标准的规定;
(3)炉渣热灼减率不应大于5%。
2.1.2污染控制项目
焚烧厂必须设置烟气净化系统,烟气净化系统应符合下列要求:
(1)净化后排放的烟气应达到国家现行有关排放标准的规定;
(2)应对烟气中不同污染物采用相应治理措施;
在选择治理方案时应充分考虑垃圾特性和焚烧后各种污染物的物理、化学性质的变化;
(3)袋式除尘器作为烟气净化系统的末端设备,应优先选用,同时应充分注意对滤袋材质的选择;
(4)氯化氢、硫氧化物和氟化氢的去除宜用碱性药剂进行中和反应,并宜优先采用半干法烟气净化工艺;
(5)应采取相应措施,严格控制二噁英类和重金属对环境的污染;
(6)氮氧化物的去除宜采用燃烧方式进行控制,在此基础上再考虑是否设置氮氧化物去除装置;
(7)烟气净化系统与燃烧系统应同步连续运转。
焚烧炉大气污染物排放应达到表2要求。
表2焚烧炉大气污染物排放限值
项目
单位
数值含义
限值
烟尘
mg/m³
测定均值
80
烟气黑度
林格曼黑度.级
测定值
1
一氧化碳
小时均值
150
氮氧化物
400
二氧化硫
260
氯化氢
75
汞
0.2
镉
0.1
铅
1.6
二噁英类
ngTEQ/m³
1.0
①本表规定的各项标准限值,均以标准状态下含11%氧气的干烟气为参考值换算;
②烟气最高黑度时间,在任何1h内累计不得超过5min。
焚烧厂灰渣处理系统应根据炉渣与飞灰的产量、特性、综合利用方式、当地自然条件、运输条件,通过技术经济比较后确定。
焚烧产生的炉渣与飞灰必须分别进行处理与处置。
2.2余热利用
焚烧厂余热利用系统应符合下列要求:
(1)余热利用方式可根据垃圾特性、工程规模及当地具体情况,经过技术经济比较后确定;
(2)利用焚烧垃圾余热发电或供电、供热、供冷联合生产,新建工程的发电机组不宜超过2台(套);
(3)利用焚烧垃圾余热生产饱和蒸汽或热水,除满足工厂自用外,有条件时可直接外供或将蒸汽转换成热水外供。
2.3烟气净化工艺生活垃圾焚烧厂的烟气净化系统主要可分为干法、半干法和湿法3种,以下建议可供设计时参考:
(1)湿法和半干法对污染物的去除效率高于干法;
(2)湿法效果可靠,但需设废水处理系统,工程投资及运行费用较高;
(3)半干法设计简单,工程投资较低,但对管理的要求较高;
(4)干法操作简单,工程投资及运行费用均较低。
本设计方案推荐采用半干法工艺。
第三章设计计算
3.1城市生活垃圾成分分析
⚫垃圾组分分析(湿重%)
厨余
纸张
果皮
塑料
动物性成分
橡胶皮革
12.93
5.81
3.83
11.50
3.35
0.00
纺纤
草木
煤炭
玻璃
金属
陶瓷砖瓦
16.53
38.74
4.31
0.30
2.69
⚫工业分析(湿重%)
水分W
挥发分V
灰分A
固定碳FC
混合垃圾
50.57
34.24
9.66
5.53
可燃组分
50.61
36.68
7.23
5.48
⚫元素分析(%)
N
C
H
S
O
Cl
0.76
19.48
7.85
0.19
11.49
1.04
0.68
21.59
9.33
10.37
0.55
⚫热值分析(kJ/kg)
高位发热量
低位发热值
7300
5647
8850
6470
⚫其它设计参数(kJ/kg)
垃圾密度
热灼减率
空气过剩系数n
t/m3
%
\
设计值
0.35
5.5
1.4~1.9
3.2燃烧空气的计算
3.2.1理论空气需要量
就生活垃圾的燃烧而言,可以把生活垃圾看成是由C、H、N、S、Cl、O元素和灰分(矿物质)共同组成的一种固体燃料,生活垃圾的焚烧过程,实质上就是垃圾中这些元素发生剧烈的氧化反应的过程,它首先产生大量的热量和燃烧产物(CO2和H2O等),其次是污染物如SO2和HCl等。
根据生活垃圾应用基的质量分数:
(C)+(H)+(O)+(N)+(S)+(Cl)+(A)+(W)=100%
按化学反应完全燃烧方程式,其中:
碳燃烧时为
C+O=CO
氢燃烧时为
2H+O=2HO
硫燃烧时为
S+O=SO
氯反应时为
Cl+H=2HCl
由此可得,1kg垃圾完全燃烧时所需要的氧气量(质量)为
1.866(C)+5.56(H)+0.7(S)-0.7(O)-0.158(Cl)
100
m3/kg
所以
L0,O2
1.86619.48+5.567.85+0.70.19-0.711.49-0.1581.04
=0.7192m3/kg
空气中氧气的体积含量为21%,所以1kg生活垃圾完全燃烧所需的理论空气量为
L0,O2
0.21
将垃圾元素分析数据代入上式中,即可得每kg垃圾所需的理论空气量L0。
0.07.12912=3.4248m3/kg
3.2.2实际空气需要量
为了保证垃圾中可燃成分完全燃烧,实际供入焚烧炉内的空气量一定要大于理论空气量。
实际消耗量为:
Ln=nL0
式中n为空气消耗系数,当n>
1时,称为空气过剩系数。
在炉排型垃圾焚烧炉的垃圾焚烧过程中,烟气含氧量通常控制在6%~10%,最大到12%,过量空气系数为1.4~1.9,最大到2.3。
针对低热值垃圾,对传统的焚烧炉,烟气含氧量一般取8%~11%,对低氧燃烧的焚烧炉,烟气含氧量一般取5%~6%,表3给出了烟气含氧量与过量空气系数的对应关系。
表3含氧量与空气过剩系统的对应关系
O2
5
6
7
8
9
10
11
12
13
n
1.3125
1.400
1.500
1.6154
1.7500
1.9091
2.1000
2.3333
2.6250
设计中,则实际空气消耗量计算值为Ln。
烟气含氧量为7%,空气过剩系数n=1.500,则实际消耗空气量为:
L=nL=3.42481.5=5.1372m3/kg
3.2.3燃烧产物的烟气量
垃圾燃烧产物的生成量及成分是根据燃烧反应的物质平衡进行计算的。
垃圾完全燃烧后生成烟气的主要成分是CO2、SO2、H2O、N2和O2,其中O2是当n>
1时才会有的。
而其他成为所占容积比例很小,量级在10-2以下,故计算烟气量时忽略不计。
当n≠1时,称实际烟气量(Vn);
当n=1时,称理论烟气量(V0)。
实际燃烧烟气量Vn为
Vn=VCO+VSO+VHO+VN+VO+VHClm3/kg
式中VCO,VSO,VHO,VN,VO,VHCl分别是燃烧产物中所包含的CO2、SO2、H2O、
N2、O2和HCl的数量。
其中
V=0.01867C
VSO=0.007S
V=0.106(H)+0.0124(W)+0.00161gL
V=0.008(N)+0.79L
VO=0.21(Ln-L0)
V=0.006(Cl)
故生活垃圾在n>
1时,完全燃烧后的实际烟气量为
V=0.01867(C)+0.007(S)+0.106(H)+0.0124(W)+0.006(Cl)+0.008(N)+(0.00161gn+n-0.21)Lm3/kg
按我国锅炉计算标准,干空气的含湿量g=10g/kg;
将空气过剩系数n代入上式,可得垃圾燃烧产生的烟气量Vn。
V=0.0186719.48+0.0070.19+0.1067.85+0.012450.57+0.0061.04+0.0080.78+(0.00161101.5+1.5-0.21)3.4248=6.2627m3/kg
3.2.4绝热火焰温度的计算
实现垃圾持续、稳定焚烧的基本特征参数是生活垃圾的“垃圾临界热值”,即在无辅助燃料的条件下,实现垃圾持续、稳定燃烧的下限垃圾低位热值(Qd)。
世界银行关于采用焚烧技术处理垃圾垃圾的投资决策指导意见认为,垃圾年平均低位热值至少应达到7000kJ/kg(1672kcal/kg),且任何季节不低于6000kJ/kg(1433kcal/kg),否则热能回收量少,需要高额的外加燃料才能维持运行,当低位热值从9000kJ/kg降低至6000kJ/kg时,垃圾处理费增加30%.
垃圾燃烧温度的特征参数是“绝热火焰温度”ta,指的是焚烧释放的全部热量加热焚烧产物所能达到的温度,对于一定的生活垃圾,生活垃圾的绝热火焰温度随着空气过剩系数的增加而明显降低,随着空气预热温度的上升而迅速升高。
绝热火焰温度的计算有精确法和近似计算法两种。
由于生活垃圾的成分和热值波动性比性能稳定的煤、油和燃气要大得多,精确计算过于繁琐,工程上可采用近似加以计算。
以1kg生活垃圾为基准,根据热平衡可用下式计算绝热火焰温度。
Qd+nL0Cpktair=nL0Cpyta+Cpyta
式中,Qd为生活垃圾低位热值,kJ/kg;
n为空气过剩系数;
L0为垃圾理论空气需要量,m3/kg;
Cpk为空气平均比热容,1.32kJ/(kg·
℃);
Cpy为烟气平均比热容,kg/(kg·
℃),近似可取1.23kJ/(kg·
ta为绝热火焰温度,℃;
tair为空气预热温度,℃。
则ta由下式可计算得出。
ta
Qdw+nL0Cpktair
nL0Cpy+Cpy
所以,根据生活垃圾低位热值Qdw,空气过剩系数n和空气预热温度tair等
参数就可以由上式求出生活垃圾的绝热火焰温度ta。
6470+1.61544.051.32200
t==884℃
a1.61544.051.23+1.23
日本田贺博士根据热平衡原理,提出燃烧温度模型:
(0.239Q+6W)-5.898W+0.8tn(1-W/100)
0.847n(1-W/100)+0.491W/100
式中,Qd为垃圾低位热值,kJ/kg;
W为垃圾含水量,%,用百分数表示;
tair为空气预热温度,℃,设计值为200℃;
n空气过剩系数。
(0.2396470+60.5061)-5.8980.5061+0.82001.6154(1-0.5061)
t==1812℃
a0.8471.6154(1-0.5061)+0.4910.5061
3.2.5焚烧过程的物质平衡计算城市生活垃圾焚烧工厂的物料平衡是根据生活垃圾特性、焚烧炉型、余热利用方式、环境保护标准等设计条件来计算。
计算的基础是理论上的生活垃圾燃烧、烟气处理和水处理的方式、化学反应式、过量空气系数、投入的化学药品量等。
下图为生活垃圾焚烧系统物料的输入与输出概念图。
根据质量