固体废弃物处理与处置课程设计.doc
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城市垃圾焚烧厂
基本工艺参数与物料平衡设计
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二0一三年月日
前言
固体废物，是指在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固态、半固态和置于容器中的气态物品、物质以及法律、行政法规规定纳入固体废物管理的物品、物质。
固体废物产生于人类的生活活动和生产活动的许多环节，其具有时间和空间的相对性，产生量大、种类繁多、性质复杂、来源分布广泛，还能导致环境污染造成危害。
固体废物的污染危害，主要表现在以下三个方面：
（1）土地环境的影响。
固体废物露天堆存,不但占用大量土地，而且其含有的有毒有害成分也会渗入到土壤之中，使土壤碱化、酸化、毒化，破坏土壤中微生物的生存条件，影响动植物生长发育。
工业固体废物，特别是有害固体废物，经过风化、雨淋，产生高温、毒水或其他反应，能杀伤土壤中的微生物和动物，降低土壤微生物的活动，并能改变土壤的成分和结构，使土壤被污染。
许多有毒有害成分还会经过动植物进入人的食物链，危害人体健康。
（2）水环境的影响。
大量固体废物排放到江河湖海会造成淤积，从而阻塞河道、侵蚀农田、危害水利工程，同时固体废物与雨水、地表水接触后，废物中的有毒有害成分必然被浸滤出来，从而使水体发生酸性、碱性、富营养化、矿化、悬浮物增加，甚至毒化等变化，危害生物和人体健康。
（3）大气环境的影响。
固体废物的细粒、粉末被风吹起，增加了大气中的粉尘含量，加重了大气的粉尘污染。
一些有机固体废物在适宜的温度和湿度下被微生物分解，还能释放出有害气体、产生毒气或恶臭，造成地区性空气污染。
我国由于人口数量大，经济发展长期采用以大量消耗原料、能源和粗放经营的模式，生产工艺、技术和设备落后，未能充分得到利用的资源、能源和原材料大多以固体废物的形式产生，其产生量不仅巨大，而且大部分只是简单地堆放在环境中。
目前，对于固体废物的处理方法有物理处理、化学处理、生物处理，并且，物理处理中的焚烧处理，因其具有减量化效果显著、无害化程度彻底等优点，早已成为城市生活垃圾和危险废物处理的基本方法，同时在对其他固体废物的处理中，也得到了越来越广泛的应用。
目录
前言…………………………………………………………………………………1
一、设计背景资料…………………………………………………………………3
1、课程设计的题目……………………………………………………………3
2、课程设计的目的……………………………………………………………3
3、主要设计参数………………………………………………………………3
4、设计要点……………………………………………………………………4
5、设计依据……………………………………………………………………4
二、设计计算………………………………………………………………………4
1、燃烧空气的计算……………………………………………………………4
2.1.1理论空气需要量……………………………………………………4
2.1.2实际空气需要量……………………………………………………5
2.1.3燃烧产物的烟气量…………………………………………………6
2、绝热火焰温度的计算………………………………………………………6
3、燃烧过程中的物质衡算……………………………………………………7
4、燃烧过程的能量平衡………………………………………………………10
2.4.1供入热和带入热……………………………………………………10
2.4.2支出热………………………………………………………………10
5、焚烧炉炉型选择……………………………………………………………13
三、结论及建议……………………………………………………………………13
四、设计小结………………………………………………………………………14
五、参考文献………………………………………………………………………14
六、图纸
附图一
附图二
一、设计背景资料
1、课程设计的题目
城市垃圾焚烧厂基本工艺参数与物料平衡设计
2、课程设计的目的
课程设计是按教学计划所规定的课程学习结束后的实践性教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用所学理论知识、独立分析和解决工程实际问题的能力，在工程实施的基本训练中进一步消化和巩固固体废物处理与处置课程所学内容，并使所学的知识系统化，掌握调查研究、查阅文献、进行生活垃圾焚烧工程系统设计方案的方法，提高使用技术资料、认识及遵守国家工程标准、规范和规定、进行设计计算、绘制工程图、编写设计说明书的能力。
3、主要设计参数
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。
主要设计参数如下：
表1、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
12.83
5.31
3.83
11.50
3.05
0.00
纺纤
草木
煤炭
玻璃
金属
陶瓷砖瓦
16.63
38.74
4.61
0.00
0.60
2.69
表2、工业分析（湿重%）
项目
水分W
挥发分V
灰分A
固定碳FC
混合垃圾
50.24
34.57
8.46
6.73
可燃组分
50.45
35.28
8.43
5.84
表3、元素分析（%）
项目
N
C
H
S
O
Cl
混合垃圾
0.78
19.28
7.95
0.18
11.25
1.14
可燃组分
0.71
21.33
9.35
0.22
10.33
0.65
表4、热值分析（kJ/kg）
项目
高位发热量
低位发热值
混合垃圾
7350
5640
可燃组分
8820
6460
表5、其它设计参数（kJ/kg）
项目
垃圾密度
热灼减率
空气过剩系数n
单位
t/m3
%
\
设计值
0.35
5.5
1.4～1.9
4、设计要点
Ø燃烧空气的计算
Ø物料平衡计算
Ø能量平衡计算
Ø焚烧系统与设备选型分析
5、设计依据
Ø生活垃圾焚烧污染控制标准（GB18485-2001）
Ø城市生活垃圾焚烧处理工程项目建设标准（建标[2001]213号）
Ø生活垃圾焚烧处理工程技术规范（CJJ90-2009）
Ø生活垃圾焚烧厂运行维护与安全技术规范（CJJ128-2009）
二、设计计算
1、燃烧空气的计算
2.1.1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。
计算公式如下：
式中，为燃烧理论氧气量，；为燃烧理论空气量，；、、、、分别为C、H、S、O、Cl元素在可燃垃圾中的质量分数。
根据表3的元素分析，以1kg垃圾为基准，代入数据，计算如下：
理论氧气量：
理论空气量：
2.1.2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：
式中n为空气消耗系数，当时，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%，下表给出了烟气含氧量与过量空气系数的对应关系。
表6、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
本设计，取空气过剩系数n=1.500，同样以1kg垃圾为基准，则实际空气需要量为：
2.1.3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。
而其它成分所占比例很小，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）。
实际燃烧烟气量为
式中，，，，，分别是燃烧产物中所包含的、、、、、的量。
其中
按我国锅炉计算标准，干空气的含湿量，故生活垃圾在时，以1kg垃圾为基准，代入数据得，完全燃烧后的实际烟气量为
2、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：
式中，为生活垃圾低位热值，；n为空气过剩系数；为垃圾理论空气需要量，；为空气平均比热容，取1.32；为烟气平均比热容，近似可取1.23；为绝热火焰温度，；为空气预热温度，，本设计取为200。
则由下式可计算得出：
所以，根据生活垃圾低位热值，空气过剩系数n和空气预热温度等参数就可以由上式求出生活垃圾的绝热火焰温度。
代入数据计算得：
日本田贺博士根据热平衡原理，提出燃烧温度模型：
式中，为垃圾低位热值，；为垃圾含水量，%；为空气预热温度，；n空气过剩系数。
代入数据计算得：
3、燃烧过程中的物质衡算
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。
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