大气污染控制课程设计.docx
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大气污染控制课程设计
大气污染控制工程
课程设计
设计题目：
垃圾焚烧厂的选址和吸收塔的设计
设计人：
张梦冉
学号：
指导老师：
郝鹏鹏
安全与环境工程学院
2011年2月26日
1绪论：
1.1概述：
垃圾焚烧法确实是一种实践多年的垃圾处理方法。
它比填埋法占地面积少，效率高，曾一度被视为一种“减量快”的好方法，日本和德国等发达国家大力发展。
在日本一哄而起地建起了6000多座垃圾焚烧炉，占据世界垃圾焚烧炉数量的首位，其垃圾焚烧企业也随之发展起来。
与此同时，也吸引了一些发达国家进行效仿。
就这样把垃圾焚烧推向了高潮，此即垃圾焚烧法进入了发展时期。
将垃圾用焚烧法处理后，垃圾能减量化，节省用地，还可以消灭各种病原体，将有毒有害物质转化为无害物。
现代的垃圾焚烧炉皆配有良好的烟尘净化装置，减轻对大气的污染。
但近年来，垃圾焚烧法在国内外开始进入萎缩期。
目前有超过15个国家和地区，通过了对焚烧垃圾的部分禁令。
垃圾焚烧炉距离居民点到底多远，这个问题争论已久，我们国家迟迟定不下来，目前，垃圾焚烧已经引起了群体事件和大量上访和诉讼。
如南京江北垃圾焚烧发电厂项目引发的群体抗议、江苏吴江垃圾发电厂门口的静默抗议、北京董村垃圾焚烧厂抗议事件等。
原来最初我们定的是1000米，因为我以前参加评审的时候，就按照环保局一个技术原则，是一千米，一千米以内不许有住户，我们就按照这个标准来评估的。
后来我们有些地方上管理部门提意见，说这样就不好建了，能不能缩小点儿，在这种情况下，又找了一些单位，有目的的修改了标准，第一次修改到800米，减少了200米，后来说还不行，又找了一家，又缩到700米，最终，最小的数据也就是700米，不敢再减了，为什么呢？
因为700米以内谁都没有把握，现在我们之所以说300米也好，有的算的才100多米，是用物理模型算出我的焚烧炉有多少排放量，有多大的空间，按照这个模式一算，算的再精确也没多少，可能也就一二百米，现在我们有不少文献报道这种计算有误，说二恶英产生的影响、破坏程度比我们计算的数值要大的多，这是有文献报道的，我没做过试验。
这是一个方面。
另外一个方面，最让人难办的是二恶英这个污染物毒性太大，它是一级致癌物，最讨厌的就是它难降解，它的半衰期是14年到273年。
如果到了人体以内就积累，它很容易进入脂肪，你的标准再低，它最后还是致癌的。
所以我们要慎重就在于此。
这个300米，我认为是太冒险，500、600米也是很冒险的，因为现在我们看到的事实是，日本1.2公里以内的癌症相当于外边的两倍，这也是值得参考的，即使我炉子改进了，你不是1.2公里，你再缩也缩不到300米。
缩短距离这个可以理解，管理部门要求距离越小越好选址，因为各地环保部门上下级经常提的意见就是我们选不到合适的地方，特别是大中城市，是不好选，现在就是在这种形势下，我们是不是就没有一个把关的，就到三百米？
再不好选，我们应在别的问题上下工夫，在垃圾的其他的处理办法上下工夫。
垃圾焚烧法一直未能被广大民众接受，其弊病突出表现在其潜伏性污染严重、耗资昂贵、操作复杂和浪费资源等方面。
尽管其污染防治技术在日益改进，但至今尚不成熟，还不能经受住理论和实践的检验。
据多种文献报道，每顿垃圾焚烧后会产生大约5000立方米废气，还会留下原有体积一半左右的灰渣。
垃圾焚烧后只是把部分污染物由固态转化为气态，其重量和总体积不仅未缩小，还会增加。
焚烧炉尾气中排放的上百种主要污染物，组成极为复杂，其中含有许多温室气体和有毒物。
当今最好的焚烧设备，在运转正常的情况下，也会释放出数十种有害物质、仅通过过滤、水洗和吸附法很难全部净化。
尤其是二噁英类污染物，属于公认的一级致癌物，即使是微量也能在体内长期蓄积，它对人体的作用至今无法确定出作用阈值。
焚烧灰烬中的有毒有害物质更多、更难处理。
然而，焚烧给人们造成的假象就在于所转换成的废气被排放到高层大气中远离而去。
许多人并不知道大气层中的污染物能通过对流层底部回旋到各个地区，最集中污染的是一两百米厚的对流层大气，大部分有毒有机物和重金属迟早还会回到人类身边。
此外，焚烧法的巨额耗资和对资源的浪费就更不适合我国和众多发展中国家的国情。
建造一座大中型焚烧炉动辄要10亿人民币，建成投产后的环保的处理成本大约需300元/吨，目前国内一些城市那种几十元焚烧处置一吨生活垃圾的操作方法，是否真是按环保程序处理其本身都是值得怀疑的。
环保的焚烧处理方法一般城市是难以承受的。
其运行中需要频繁更换过滤吸附材料，也花费大量开支，往往会造成操作随意简化的漏洞。
1.2设计资料：
某城市垃圾的组成见表1，这种城市垃圾的热值为2.2kcal/g，密度为0.38t/m3。
拟在城市周边建一座垃圾处理厂，采用焚烧法进行处理，焚烧炉的技术性能指标为：
烟气出口温度≥850℃，烟气停留时间≥2s，焚烧炉渣热灼减率≤5%，空气过剩系数设为120%，日处理量约250t，燃烧过程中C完全燃烧的比率约为99.9%，NOx的排放率约为0.004mol/（100g垃圾），硫氧化物主要以SO2形式生成。
拟采用吸收法来净化烟气中的SO2，吸收液为5%NaOH，操作情况下，气相总传质系数KGa=2.1kmol/（m3·h·kPa），相平衡常数m＝1.9，推荐液气比为Ｌ/Ｇ=2.5~4Ｌ/m3。
烟气经脱硫除尘后经烟囱排放，烟囱高度为45m，直径0.6m，烟气出口速度为10m/s，烟气温度323k。
从该城市规划局获知，该城市地势平坦，四周为分散的村落及树林，共有三处空地可供选择建垃圾处理厂，见图1。
调取该城市环境监测站2009年的大气监测数据：
空气污染指数为81±10，主要污染物为SO2（日均值为0.11±0.03mg/mN3）、NOx（日均值为0.07±0.02mg/mN3）、CO（日均值为6±2mg/mN3）；该城市的风向及风速资料见表2，全年平均气温为17℃，冬季最低温-6℃，夏季最高温31℃，大气稳定度取中性。
要求垃圾焚烧污染物的排放达到国家现行标准；垃圾处理厂投入使用后，该城市的空气质量仍然能够达到国家二级标准。
设计内容包括：
（1）选择厂址；
（2）设计填料塔。
请根据上述内容及要求，编写课程设计报告。
课程设计报告内容应完整，应包括目录、绪论、设计计算、设计工艺简图、设计总结及参考文献，要求12-18页（约4000～8000字）。
表1某城市垃圾组成
成分分析
元素分析
成分
质量分数/%
组成
质量分数/%
金属
8.7
水分
28.36
纸张
44.2
碳
20.45
塑料
1.2
氧
15.20
毛皮，橡胶
1.7
氢
8.45
织物
2.3
硫
0.50
木头
2.5
氮
0.72
食物残渣
16.6
灰分
26.32
玻璃
8.5
园林废物
12.6
其他
1.7
表2某城市的风向及风速
方位
N
NE
E
SE
S
SW
W
NW
风向频率/%
12
15
18
9
13
7
14
12
平均风速/m·s-1
3
4
6
5
5
3
4
3
N
E
A（1500m，3000m）
B（2500m，2000m）
C（3000m，2000m）
图1可供选择的厂址
1.3设计目的：
通过对垃圾焚烧厂的选址并设计尾气吸收装置，以减少垃圾焚烧产生的废气对居民区、大气空气质量的影响。
1.4设计任务：
为处理生活垃圾，需建设垃圾焚烧厂。
选择其选址建厂并设计尾气吸收装置，来减少废气的影响。
2设计方案
2.1场址的确定：
2.1.1考虑因素：
本底浓度：
大气或水体中某物质基本混合均匀后的浓度，也称为背景浓度。
SO2（日均值为0.11±0.03mg/mN3）、NOx（日均值为0.07±0.02mg/mN3）、CO（日均值为2±0.2mg/mN3）
风向风速：
污染物危害的程度和受污染的时间及浓度有关，确定工厂和居民区的相对位置时要考虑风向、风速两个因素。
温度层结：
离地面几百米范围内的大气稳定度对污染物的扩散稀释过程有重要影响，最不利于扩散的是近地层逆温和上部逆温。
选厂址必须注意收集逆温层的强度、厚度、出现频率和持续时间等资料，要特别注意逆温同时出现静风或微风的情况。
地形：
不宜建厂的几种情况：
（1）山谷较深，山谷走向与盛行风向交角为45～135；
（2）烟囱有效高度不可能超过下坡风厚度和背风坡湍流区高度的地方；（3）谷地四周山坡上有居民区及农田，烟囱有效高度不能超过山的高度时；（4）高山围绕的深谷地；（5）烟流虽能越过山头，仍会在背风面造成污染时；（6）海陆风较稳定的大型水域与山地交界的背山地段。
2.1.2厂址的选择：
根据选址需要考虑的因素逐点考虑，首先进行初选，根据当地风向风速情况计算污染系数。
方向
风向频率
平均风速
污染系数
N
12
3
4
NE
15
4
3.75
E
18
6
3
SE
9
5
1.8
S
13
5
2.6
SW
7
3
2.33
W
14
4
3.5
NW
12
3
4
根据表格所计算的污染系数及相对污染系数和根据跟风向污染系数所画的污染系数玫瑰图，初步选定C点为厂址地点。
根据公式计算污染物浓度，公式如下：
以1kg垃圾为例计算燃烧产物组成及浓度，根据题目所列数据可知：
组成
质量分数%
摩尔数mol
耗氧量mol
产物
产物总量mol
体积m³
水分
28.36
15.76
水分
15.76
0.35
碳（完全燃烧）
20.43
17.03
17.3
二氧化碳
17.03
0.38
碳（不完全燃烧）
0.02
0.01
0.005
一氧化碳
0.01
0.00022
氢
8.45
84.5
21.125
水分
42.25
0.95
硫
0.5
0.16
0.16
二氧化硫
0.16
0.0036
氮
0.72
0.51
氮氧化物
0.04
0.0009
氧
15.2
9.5
-4.75
灰分
26.32
总计
100
33.61
求出理论空气量：
总需氧量：
33.61mol/kg
理论空气量：
33.61×4.78×22.4÷1000=3.60mN3/kg
干烟气组成为：
二氧化碳：
17.03mol、一氧化碳：
0.01mol、二氧化硫：
0.16mol、氮氧化物：
0.04mol、氮气：
128.8mol
空气过剩系数为：
120%，则干烟气为：
178mol
根据烟囱的基本数据可计算出烟气的排出流量为
V=3.14×0.6×0.6×10/4=2.826（立方米每秒），则有源强Q为：
一氧化碳源强：
0.01/178×2.826×1000/22.4×28=0.198g/s
氮氧化物源强：
0.04/178×2.826×1000/22.4×46=1.304g/s
二氧化硫源强：
0.16/178×2.826×1000/22.4×64=7.258g/s
C点：
以C点为原点建立坐标系，东南方向为x轴，东北方向为y轴，垂直方向为z轴。
则x=3.53kmy=0.71kmz=0
根据如下两图求解
，
，大气稳定度为中性，
=190m，
=75m
计算有效源高H：
H=△H+HS，烟气抬升高度用holland公式计算：
其中vs=10m/s，D=0.6m，Ts=323K，Ta=31℃。
根据中性层结下对数律风速廓线模式
，其中u*=5m/s，k=0.4，Z=45m，该城市地势平坦，四周为分散的村落及树林所以Z0=0.3m，经过计算△H=0.15m，H=45.15m。
根据公式计算污染物浓度：
则c（一氧化碳）=5.5×10-8mg/mN3，c（二氧化氮）=3.6×10-7mg/mN3，c（二氧化硫）=2.01×10-6mg/mN3。
由于工厂所排废气污染物浓度相较本底浓度而言，影响较小，所以对城市空气不会产生太大影响。
根据环境空气质量标准GB3095-1996中二级空气所要求的污染物要求限值，C点建厂在城市本底浓度基础之上，虽会影响空气质量，仍可以达到二级空气质量标准。
所以，可以在C点建厂。
2.2填料塔的设计：
2.2.1垃圾焚烧后的污染物浓度计算：
以1kg垃圾为例计算燃烧产物组成及浓度，根据题目所列数据可知：
组成
质量分数%
摩尔数mol
耗氧量mol
产物
产物总量mol
体积m³
水分
28.36
15.76
水分
15.76
0.35
碳（完全燃烧）
20.43
17.03
17.3
二氧化碳
17.03
0.38
碳（不完全燃烧）
0.02
0.01
0.005
一氧化碳
0.01
0.00022
氢
8.45
84.5
21.125
水分
42.25
0.95
硫
0.5
0.16
0.16
二氧化硫
0.16
0.0036
氮
0.72
0.51
氮氧化物
0.04
0.0009
氧
15.2
9.5
-4.75
灰分
26.32
总计
100
33.61
根据烟囱的基本数据可计算出烟气的排出流量为
Q=3.14×0.6×0.6×10/4=2.826（立方米每秒），则每秒排出烟气体积V=2.826mN3
一氧化碳源强：
0.01/178×2.826×1000/22.4×28/2.826=0.070g/mN3=70mg/mN3
氮氧化物源强：
0.04/178×2.826×1000/22.4×30/2.826=0.0.300g/mN3=300mg/mN3
二氧化硫源强：
0.16/178×2.826×1000/22.4×64/2.826=2.568g/mN3=2568mg/mN3
根据《生活垃圾焚烧污染控制标准》相关规定，该工厂所排烟气中二氧化硫含量超标，需要建造尾气吸收装置，对所排烟气进行处理。
采用吸收法工艺处理，所以建设一座吸收塔。
2.2.2选择填料：
填料可为气液两相提供良好的传质条件。
选用的填料应满足以下基本要求：
①具有较大的比表面积和良好的润湿性；②有较大高的孔隙率（多在0.5～0.6）；③ 对气流的租赁较小；④ 填料尺寸要适当，通常不应大于塔径的1/10～1/8；⑤ 耐腐蚀、机械强度大、造价低、堆积密度小、稳定好等。
本次设计采用75×45×5规格陶瓷鲍尔环填料（乱堆），填料参数为：
填料因子Φ=122m-1,比表面积at=103m2/m3。
陶瓷鲍尔环填料是在陶瓷拉西环的基础上开发的一种高径相等的开孔环型填料，每层窗孔有5个舌叶，每个舌叶内弯指向环心，上下两层窗孔的位置相反错开，一般开孔面积约占环壁总面积的30%左右，使得填料塔内的气体和液体能够从窗孔自由通过，改善了气液分布，充分利用了环的内表面。
陶瓷鲍尔环具有优异的耐酸耐热性能，能耐除氢氟酸以外的各种无机酸、有机酸及有机溶剂腐蚀，可在各种高温场合使用，应用范围十分广泛，可用于化工、冶金、煤气、环保等行业的干燥塔、吸收塔、冷却塔、洗涤塔、再生塔等。
2.2.3计算塔径：
（1）计算泛点气速uf
利用埃克特关联图计算泛点气速，埃克特通用关联式如下：
其中平均气体密度取1.34g/L，清水密度为1000g/L。
3.5×18/29=2.17，所以，
=0.079，查埃克特关联图可知，
=0.17
吸收液温度为20℃，
＝1mPa·s，
＝1，F=122
经计算uf=3.19m/s，取空塔气速为80%泛点气速，则u=0.8×3.11=2.55m/s。
（2）计算塔径
根据前面算计算的内容，垃圾焚烧之后产生干烟气约为178mol/kg垃圾，日处理量为250t，垃圾焚烧量单位换算：
250×1000/24/60/60=2.89kg/s
烟气体积流量约为：
2.89×178×22.4/1000×323/273.15=13.6mN3/s
根据公式：
2.606m，根据标准吸收塔径圆调整为2.6m
则实际空塔气速为u=2.56m/s。
校核填料直径与塔体直径的比：
75/2600=0.028
所以，符合要求。
校核填料塔的喷淋密度（单位时间单位塔截面积上喷淋的液体体积）
当填料d≤75mm时，填料的最小润湿率（MWR）为0.08m3/（m·h），最小喷淋量为
L喷min＝（MWR）at＝0.08×103＝8.24m3/（m2·h）
LV＝2.89×178×3×18×3600/（1000×1000）＝100.0m3/h
L喷＝LV/（π×D2/4）＝18.8m3/（m2·h）>L喷min，符合要求。
（3）计算填料层高度
操作情况下，气相总传质系数KGa=2.1kmol/（m3·h·kPa），相平衡常数m＝1.9
气相传质单元高度
经计算G=1854kmol/h，P＝101.325Kpa，D前面已求出，经计算HOG＝1.42m
传质单元数
其中吸收因子
，计算出A＝3.5/1.9=1.84
入塔气体中污染物SO2的体积含量为y1＝0.16/178=8.9×10-4
出塔气体要求达到国家标准即260mg/m3N，即换算成体积含量为y2=9.1×10-5
填料塔液相进口处浓度为x2＝0
计算出NOG=3.53
因此，h计算＝HOGNOG=1.42×3.53=5.0126m
由于计算传质单元数时依据的相平衡数据会有偏差，传质动力学参数HOG的计算会有偏差，实际塔内液、气两相流体不可能达到实验条件下的良好分布，以及考虑到为适应操作条件波动留有调节控制的余地，因此，应对填料层高度的理论计算值进行修正：
h实际＝（1.3～1.5）h计算
本设计取h实际＝1.35h计算≈6.8m
（4）计算压力降
在实际空塔气速下：
0.109
查埃克特通用关联图知：
由于前面已计算出横坐标为0.079，可知△p/z＝1177Pa/m
填料塔床层压降：
△p＝7861Pa
2.2.4填料塔总体结构简图：
1——塔体；2——液体分布器；3——填料压板；4——填料；
5——液体再分布装置；6——填料支撑板
2.3垃圾焚烧厂烟气处理工艺：
对整个垃圾焚烧厂烟气处理工艺进行简述：
从垃圾焚烧炉尾部排出烟气首先通过机械除尘器，除去烟气中大部分的烟尘颗粒，降低烟气中的粉尘浓度，以利于提高吸收剂的利用率。
多流体碱雾发生器烟气脱硫（酸）方法是一种简易、紧凑、高效的半干法烟气脱硫（酸）方法，它能够有效克服或避免常规半干法烟气脱硫（酸）方法复杂的浆液制备系统和雾化喷嘴堵塞与磨损等一系列问题，而且能够大幅度提高脱硫（酸）吸收剂颗粒与雾化水滴的碰撞活化效率和脱硫（酸）吸收剂的反应活性以及脱硫（酸）效率，大大减小净化吸收塔的体积。
该烟气处理系统工艺基本原理如下：
根据锅炉烟道尺寸和烟气量设置多个前置碱雾发生器，在其中通过双流体喷嘴雾化的水滴与脱硫（酸）吸收剂颗粒在较高的浓度下碰撞活化，完成湿式脱硫（酸）剂碱雾的在线制备；然后，在线制备的湿式脱硫（酸）剂碱雾连续均匀地混合入具有一定停留时间的锅炉烟道烟气中，在烟道内完成快速脱硫（酸）反应，脱除烟气中的二氧化硫等酸性气体。
干法反应塔出来的烟气最后通过布袋除尘器，根据GB18485-2001《生活垃圾焚烧污染控制标准》生活垃圾焚烧尾部除尘装置必须采用布袋除尘器，其净化效率不受颗粒物比电阻的影响，可以对烟气中亚微米级的固体粒子高效净化，同时添加活性炭还可捕集烟气中二恶英、重金属等有毒物质。
工艺简图：
机械除尘器
填料塔
布袋除尘器
3设计总结：
垃圾焚烧厂的选址和烟气处理课程设计，锻炼了我综合运用所学知识的能力，让我重新温习了《化工原理》《大气污染与控制工程》的知识，让我体会到了学以致用的成就感。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，遇到了过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处：
1.对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
2.我平时不注重理论与实际的结合，学习与完成作业都只为了完成期末考试和拿到学分，使得自己养成畏难情绪，这是我最大问题，应该在今后的学习和工作中克服。
3.计算过程当中不够全神贯注，总会犯粗心的错误，导致多次重算，十分费时费力且及其打击信心，课程设计告诉我：
耐心，信心，静心，在工作中极为重要。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识的问题，最后在老师和同学的帮助下游逆而解。
同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！
4参考文献：
1.《化工原理（第二版）》
2.《生活垃圾焚烧污染控制标准》
3.《化工设备设计全书塔设备设计》
4.《环境空气质量标准GB3095-1996》
5.《实用环境工程手册（大气污染控制工程）》
6.《垃圾燃烧烟气处理技术》冯广锦
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