毕业设计垃圾焚烧厂飞灰气力输送系统设计.docx
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毕业设计垃圾焚烧厂飞灰气力输送系统设计
1、前言
快速增长的生活垃圾，给城市环境管理带来了巨大的压力。
而垃圾焚烧发电以其占地面积小，无害化、减量化和资源化效果好等特点，在我国正越来越受到关注。
垃圾焚烧过程中产生的飞灰，也随之而来。
飞灰中含有重金属、二恶英、溶解盐等有毒有害的物质，所以飞灰的无害化处理非常的重要。
飞灰的气力输送能有效地控制其二次污染，密封性好，对人体伤害少。
故飞灰的气力输送系统的设计与应用越来越受到重视。
750t/d垃圾焚烧厂飞灰气力输送系统设计主要是飞灰气力输送装置、工艺、控制等方面的设计研究。
气力输送是一项利用气体能量输送固体颗的先进而有效的技术，迄今已有100多年的发展历史。
在气力输送的发展历史中，尤其是近几十年，气力输送技术有了突飞猛进的进步。
气力输送装置一般由发送器、进料阀、排气阀、自动控制部分及输送管道组成。
气力输送与传统的机械输送方式有着明显的优点：
结构简单、紧凑，工艺布置灵活，便于自动化操作；一次性投资较小，维修保养方便；可将由数点集中的物料送往一处或由一处送往分散的数点，适于长距离输送；整个输送过程完全密闭，不受气候影响，也不污染环境，并无噪音；对于化学性质不稳定的物料，可以使用惰性气体输送；广泛用于石油、化工、医药及建材等工业领域。
国内外应用实践证明一般性情况下气力输送系统的综合经济效益优于机械输送系统。
我国自80年代以来在厂内输送中转站、预拌混凝土搅拌站、粉体（散装水泥、铁矿粉、钛白粉、药粉等）输送专用火车、汽车、船等设备的正压输送、负压抽吸等气力输送系统的应用越来越广泛。
气力输送在垃圾焚烧厂的运用也是随着垃圾焚烧产业的发展而发展的。
近几年来，气力输送在垃圾焚烧厂的运用越来越多，也越来越重要。
近年来垃圾焚烧发电厂生产过程中飞灰、活性炭、消石灰、水泥等原料、副产品的输送越来越多的采用气力输送，因而其输送效率高，利用率高，无二次污染和粉尘分扬，垃圾焚烧发电厂的整体环境得到明显改善。
2、750t/d垃圾焚烧发电厂飞灰气力输送系统总体设计
本课题750t/d垃圾焚烧发电厂飞灰气力输送系统的设计拟采用双套管密相正压气力输送系统。
双套管密相正压气力输送系统是20世纪80年代后期在国外发展起来的一种先进的气力输送技术，广泛应用于电厂飞灰、水泥、石灰石粉、铝粉、石膏粉、煤粉等物料的气力输送行业。
双套管浓相正压气力输送系统的输送机理有别于常规的正压气力输送系统，常规正压气力输送系统为悬浮输送，输送浓度低、高流速、易磨损、易堵管；双套管浓相正压气力输送系统为静压输送，具有灰气比高、出力大、低流速、磨损小等优点，是解决输送高磨损、大出力、密相输送磨损性大的物料（例如锅炉飞灰）的理想方案，代表了当今除灰技术的先进水平。
在通常的运行条件下，系统通过自动调节双套管管实现对大飞灰团的疏松，从而使飞灰稳态输送，并防止了堵管的发生。
本课题设计的飞灰气力输送系统工艺流程大致如下：
垃圾焚烧过程中产生的烟气，经循环流化床半干式烟气处理系统处理，所产生的飞灰及吸附的二恶暎、重金属等有毒有害物质，通过低压脉冲式布袋除尘器进行有效地收集和对除尘。
除尘器灰斗处收集的飞灰（主要是飞灰）经卸料器、螺旋输送机、阀门、管道等输送至发送器（仓泵），再通过对压力的控制实现飞灰在管道中密闭输送，最后输送至飞灰灰库。
其中空气来源为空压站和储气罐，过程采用自动化PLC+PC中央控制。
本课题设计的飞灰气力输送系统综合考虑了气力输送的条件、工作环境、经济性、环保性、维修等方面因素。
气力输送的另外一种方式是吸送式，吸送式有其优点。
但飞灰的气力输送由于其特性而选择压送式，压送式系统技术成熟、工程实践多、输送效率高、不会受输送条件变化而影响等因素。
全厂共3条飞灰气力输送系统，系统之间单独供气、单独控制、单独输灰，相互独立，有效保证系统的运行相互不受影响。
本飞灰气力输送系统设计：
加料时间34分钟，飞灰输送时间为5分钟，清灰和其他时间为6分钟，单发送器（仓泵），非连续输送。
此飞灰气力输送系统包括：
发送器（仓泵）、进料阀、平衡阀、出料阀、进气阀组、储气罐、双套管、附件等组成。
2.1、输送类型选择
本课题设计的飞灰气力输送系统是将垃圾焚烧烟气净化后的飞灰从收尘器的灰斗输送至灰库。
气力输送系统包括较常用的吸送式气力输送装置、压送式气力输送装置、混合式气力输送装置几种类型，也包括特种气力输送如空气槽、集装容器气力输送、铅垂提升气力输送等。
因为飞灰的有毒有害性，国家环保部门规定飞灰的运输应密封，无二次污染，故本设计不易采用机械输送，机械输送过程中，飞灰易飞扬，机械输送密封性也不强，功率消耗，机械磨损亦严重。
机械输送设备比较适宜短距离，大输送量设备。
机件局部磨损严重，维修工作量大，广泛用于煤矿、冶炼厂、燃煤电厂及集中供热锅炉房工程当中。
吸送式气力输送系统，是通过气力可以把物料从某处吸聚输送到料仓，可以提升较小的高度和输送较短的距离，该系统有如下特点，输送装置处于负压状态，物料和粉尘不会外溢飞扬，适于将物料向一处集中输送，适用于堆积面广或存放在深处的物料的输送。
喂料方式简单，但输送量、输送距离有一定限制，
在现有的技术条件下，利用正压飞灰气力输送与用机械输送相比，具有以下优越性:
a）输送效率高；
b）整个输送过程完全密闭，受气候环境条件的影响小，不仅改善了工作条件，而且被输送的物料不致吸湿、污损和混入其他杂质，从而保证了被输送物料的质量；
c）在输送过程中可同时进行混合、分级、粉碎、烘干、造粒等，有可进行某些化学反应；
d）对不稳定的化学物品可用惰性气体输送，安全可靠；
e）设备简单机构紧凑，工艺布置灵活，占用面积小，选择布置输送线路容易；
f）易于对整个系统实现控制和自动化。
本课题选用双套管浓相正压气力输送系统。
本课题设计的飞灰气力输送系统综合考虑了气力输送的条件、工作环境、经济性、环保性、维修等方面因素。
飞灰的气力输送由于其特性而选择压送式，压送式系统技术成熟、工程实践多、输送效率高、不会受输送条件变化而影响等因素。
2.2.1、双套管浓相正压气力输送系统工作原理
双套管浓相正压气力输送系统最大的结构特点在于其输灰管道，其特点为在双套管母管内安装了子管，内助子管内每隔一段距离都有特别设计的开口，每个开口中央装有截流孔板。
通过输送管道的自动调节实现飞灰的紊流状态输送。
输送空气同时通过双套管母管和内助子管，流入内助推管的空气在特别设计的开口的作用下，在双套管母内的飞灰尽量形成紊流，使飞灰和空气连续地充分地流化、混合，且飞灰积聚并分割成料段，其主要原理如下：
正常输送状态下，
随着输送管道距离的增长，
物料紊流流动状态被破坏，
并积聚于管道底面，双套管母
管因物料发生积聚而趋于堵管，
局部压阻增加，产生局部高气压，
使得旁路进入双套管内助子管的空
气流量增加，在飞灰堆前后开口处，图2-1：
双套管内部结构图
形成更强的紊流，从而疏松堆积的飞灰堆，消除堵塞。
这样料段不断分割、移动、吹散，将物料不断向前输送。
双套管浓相正压气力输送系统的输送机理基于一个非常简单的物理原理实现：
空气将向阻力最小的方向流动。
高速磨损是气力输送较难解决的一个难题。
由于气固两相流的特殊性，常规的系统计算流速是以空气流速为依据，而无法真正确定物料的流动速度，但从系统输送机理可判断其物料的运动速度，常规的正压输送系统是悬浮输送机理，物料悬浮于压缩空气中运动，物料运动阻力较小，因此其运动速度接近气体运动速度；而双套管系统是静压输送机理，物料是以半栓塞状运动，且上部又有双套管内管分流气流，因此物料的运动速度大大低于气体运动速度，与常规正压输送系统相比，即使是同样的系统计算流速，其物料的流速也远低于常规正压输送系统。
众所周知，物料对其他物体的磨损速度与该物料的运动速度的三次方成正比，双套管-低速密相输送系统同常规系统相比，物料的输送真正运行在低速状态下，因此对管道和弯头的磨损可以降到最低。
2.2.2、双套管浓相正压气力输送系统特点
★系统运行可靠，不堵管：
采用了独特的双套管管输送技术使输送管道具有自行稳定/调节功能，输送气体在双套管管内产生自调节有序的紊流，尤其在输送过程中，对有堵塞趋向的部位，这种紊流将自动加强，以消除堵塞，提高了系统运行的安全可靠性；在试运行期间，
图2-2：
双套管外形图输灰时发生空压机故障没有启动备用机而输送中止的情况，重新启动空压机对管道吹堵，全部输灰管道不到10分钟吹通，然后进行正常输送。
★能耗小：
双套管浓相正压输送系统的输送灰气比高，其输送浓度可达常规正压输送系统的一倍以上，有效的降低空压机及后处理设备以及库定布袋除尘器的容量，大大降低系统的能耗及运行费用，因此其运行成本远远低于常规的输送系统；
★长距离、大出力；
双套管系统的特点决定了该系统适合长距离输送，其输送几何距离最长可达到2000米以上，出力达到200t/h以上；
★低流速、低磨损、维护工作量小；
由于输送系统的物料输送速度较低（始端低于4m/s，末端10-13m/s）、工作压力低（约1.5-2.8Kg/cm2）、高灰气比（可达30-50kg灰/kg气），降低了管道及阀门等设备的磨损（磨损速度与物料流动速度的三次方成正比），因此系统非常耐用，维护工作量小；
★先进的专用阀门；
进料阀采用金属双闸板阀，该阀门耐磨，可自检测泄漏；单元出料阀采用双面密封的耐磨阀，有效地隔断正反向的压力，确保系统长时间无故障运行；
★合理的消缺手段；
当飞灰混有螺丝、螺母等金属异物，掉落到干灰发送器后自动沉淀在专门设计的沉物箱（出料三通）内，用户只需定期人工清理即可，这样就使系统的运行更加安全；
★优化的系统配置；
在输送支管上最多可同时挂8台干灰发送器，输送时一次性同时送完，之后马上可输送另一条支管，这样减少了输送空压机的无负荷运行时间，从而提高了输送空压机的效率每条输送支管上只设一只出料阀，极大地减少了出料阀数量，进一步保证了系统的正常运行，管道数量最少，可能泄漏点最少，阀门、设备和系统的工作频率最小，系统操作简单。
★智能控制；
采用PLC+PC控制，系统的控制方式为监控输送空气的工作压力。
系统可节省绝大部分的料位计、平衡阀、压力容器的加热器、保温等设备，进一步减少系统所需的设备投资和能源消耗，并使系统更加可靠、易维护。
2.3、输送工艺流程和运行过程
2.3.1、输送工艺流程
灰斗下平衡平衡阀开→灰斗下进料阀开→单元干灰发送器进料→干灰发送器料满发讯或控制时间到→灰斗下进料关→灰斗下平衡阀关→单元进气阀开→单元出料阀门开→助推器主进气阀开→输灰管送料→灰库→余气排入大气
2.3.2、运行过程
A、系统处于进料状态，这时进料阀、平衡阀打开，进气阀和出料阀关闭，飞灰在重力作用下进入干灰发送器内。
B、当一个或多个干灰发送器内高料位计发讯或达到设定的装料时间，进料阀和平衡阀关闭。
C、依次打开进气阀、出料阀、助推器。
图2-3：
运行过程
D、当管道输送压力低至设定值，助推器、进气阀、出料阀关闭，经过一个时间延迟，循环复位，等待下一个循环开始。
2.3.3、系统联锁
压缩空气源工作正常、投入准备工作正常，系统才能投入运行。
干灰发送器平衡阀开，进料阀开。
布袋除尘器螺旋输送机开启，锁气器开启。
单元干灰发送器料满发讯或控制时间到，布袋除尘器的锁气器停止，螺旋输送机停止，干灰发送器平衡阀关，进料阀关。
单元干灰发送器平衡阀关，进料阀关，进气阀开，出料阀开，单元助推器开。
单元输送压力低位发讯，干灰发送器进气阀关，出料阀关，单元助推器进气阀关。
单元助推器进气阀关，单元出料阀关。
2.3.4、输送系统平衡计算
参照启东垃圾焚烧发电厂的实际运行情况，确定本设计系统平衡计算：
每台布袋除尘器的灰的出力为280kg/h，布袋除尘器每3小时振打一次，通过螺旋输送机送给干灰发送器。
在3台布袋除尘器的螺旋输送机下各设一台1.5m3干灰发送器，每台干灰发送器各成一个单元，共3个单元，每个单元配置一根DN100的输灰母管（双套管）。
各单元单独输灰，不互相影响。
每台干灰发送器的出力为12240kg/h，每台干灰发送器的单次加料容量1020kg,约3.6小时工作一次。
系统三台炉出力总为840kg/h。
每台干灰发送器（仓泵）加料时间34分钟，飞灰输送时间为5分钟，清灰和其他时间为6分钟，单发送器（仓泵）非连续输送，输送一次45分钟。
星型卸灰阀的通过能力即生产能力为1.776t/h，故星型卸灰阀的加料时间（一次气力输送，加满仓泵的85%）为34分钟左右。
2.4、系统设计计算
2.4.1设计数据
飞灰粒径：
44～74μm
飞灰的粒度：
0.015mm
飞灰真密度：
2.0g/cm3
飞灰堆积密度：
0.8g/cm3
飞灰产生量：
3×280kg/h
飞灰输送水平距离：
5m、15m、35m
飞灰提升高度：
20m
空气温度：
t=20°
飞灰温度：
tL=20°
当地大气压力：
B=756毫米汞柱（103kPa）
2.4.2、设计计算
1、管路共有直角弯管3个；
3条线水平输送距离分别为：
35m、
20m、5m，提升高度为20m。
2、当量长度L计算
为了简化压力损失计算，把输送管道的垂直段、倾斜段、管件等折算为水平直管的当量长度。
按弯管的曲率半径与管道直径之比为10,则一个弯管的当量长度为14m，各类阀门及附件的当量长度约计5m，垂直管的当量长度是其高度的1.3倍。
L=35+14×3+1.3×20+5=108m计110m。
表2-190°弯管当量长度
90°弯管
曲率半径与管道直径之比
当量长度（m）
6
7～10
8
9～13
10
12～16
12
14～17
3、质量浓度m计算
根据图2-4的实验曲线，从输送管道的当量长度查出管道中的料、气混合物的质量浓度m=35kg料/kg气。
图2-5质量浓度m与当量输送长度L的关系。
1--湿度较大、磨蚀性强的真密度在1.8～2.5t/m3的物料。
2--干燥、松散性良好的真密度在1.5～3.2t/m3的物料。
4、仓泵计算
选用下引式仓泵，有效容积1.5m3,时间t取=5min（不包括加料时间和吹灰时间），加料为有效容积的85%。
仓泵出力即仓泵在连续工作假设条件下的输送能力。
G=
=12240kg/h
-----------飞灰的堆积密度，800g/m3,堆积密度指在堆积状态下单位体积粉尘质量；真密度是指在密实条件下单位体积粉尘质量。
5、平均理论空气耗气量（仓泵）
G'=G/m=12240/35=349.7kg/h（空气）
=349.7/1.2/60
=4.857m3/min。
6、输送速度计算
1）计算初速公式如下:
=1.28
5.33
=0.076m/s
式中:
—要求输送管道内的初速，（m/s）;
K—经验系数，输送飞灰时可取K=1.28;
dmax—最大颗粒直径，m，一般可取dmax=0.000074;
—固体物料重度，（kg/m'），对飞灰可取
=2000;
.—空气重度，（kg/m3），一般可取y,=1200.
2）输送管道末速度计算公式如下:
=
=
=10m/s
式中:
输送管道内的末速度，（m/s）;
G—输送量，（t/h）;
—固体物料重度，（kg/m'），对飞灰可取
=2000;
G'—压缩空气消耗量，m3/min;
D—输送管径，（m）,
3）平均风速计算
V=
=5.038m/s
7、输送管道直径D
D=
=0.143m
式中G'为空气耗气量，4.857/60=0.081m3/s。
由于仓泵的不连续运转，飞灰量输送量的不连续，故所得管道直径为理论最小值。
输送管道根据实际运行及经验（启东垃圾焚烧发电厂数据）选取管道DN100（公称直径）即标准管径φ108×5（长5m，壁厚4mm）无缝钢管，采用法兰连接。
8、系统压力损失计算
①给料装置的压力损失ΔHg
采用经验值ΔHg=1kg/cm2（100kPa）。
②物料起始压力损失ΔHg1
ΔHg1=βm
=0.85×35×
=544.58（毫米水柱）=5.45kPa
式中β=0.65～0.85，m=35kg料/kg气。
③物料提升的压力损失ΔHgt
ΔHgt=
=
=840.6（毫米水柱）
=8.4kPa
式中h-----垂直管道的几何长度即提升高度；
α-----倾斜管道与水平面的夹角，度。
④输送管道的摩擦压力损失ΔHM
ΔHM=ΔH（M）（1+Km）
式中ΔH（M）-------------管道的摩擦压力损失，
ΔH（M）=
；
L-----------------------管道当量长度，110m；
V-----------------------管道内气流速度，5.038m/s；
g----------------------重力加速度，9.81m/s；
-------------------计算管段终端压力，对压送式系统
为已知，
=B（当地大气压力）；
K------------------------试验系数，一般给出的K值为0.3～0.4；
λ-----------------------管道沿程摩擦阻力系数,λ=0.02751；
m-----------------------质量浓度m=35kg料/kg气。
ΔHM=（
）（1+Km）
=（
）（1+0.35×35）
=3153.22（毫米水柱）
=31.5kPa。
⑤弯管的压力损失ΔHw
ΔHw=1.4mVn=1.4×35×5.038×3
=2543（毫米水柱）=25.43kPa。
⑥供气管道压力损失G
供气管道压力损失G取50kPa。
⑦其他压力损失M
其他压力损失M取100kPa。
⑧系统总压力损失H
H=η（ΔHg+ΔHg1+ΔHgt+ΔHM+ΔHw+G+M）
=1.2×（100+5.45+8.4+31.5+25.43+50+100）
=1.2×320.78
=384.936kPa计385kPa。
式中η-----------------------安全系数，η=1.1～1.2。
9、系统压力计算
P1=P2+H=100+385=485kPa计0.5MPa。
式中P1为管道起点处压力；
P2为管道终点处压力，对于压输式气力输送系统P2=0.1MPa。
（以上计算是以最远距离仓泵数据计算，其他两条线依次类推，不作详解。
）
结论：
根据启东垃圾焚烧发电厂的实际运行情况，接入除灰系统的空气母管压力不得低于0.48MPa，如果低于该值，除灰系统不能投入自动运行状态。
除灰系统采用憋压输送，系统输送过程中，打开单元进气阀，仓泵憋压至0.19MPa后开启出料阀；除灰系统副混开启压力0.28MPa，堵管报警压力0.35MPa。
3、星型卸灰阀
3.1、星型卸灰阀的简介
在气力输送系统中，常利用星型卸灰阀来排卸物料和灰尘，并且在排卸过程中阻止外界空气进入气力输送系统，同时星型卸灰阀还可以用来计量和配料。
图3-1：
星型卸灰阀二维图
●星型卸灰阀特点：
①采用特殊的结构可起到锁气的作用。
②进出口可为圆形及方形，方便联接。
③多种动力配置可减少空间。
④通过调速装置使物料流量得到更为准确的控制。
●影响星型卸灰阀工作性能主要因素：
①漏气：
由于卸灰阀的进料侧和排料侧存在压力差，通过间隙泄漏和叶轮格室带进的上升高压气流，会阻碍物料顺利进入卸灰阀格式，因而导致卸灰阀的填充系数和生产能力减少，同时加速卸灰阀内部部件磨损。
方向气流进卸灰阀大量漏气，还会使仓泵压力降低，输送条件恶化和生产率降低。
漏气时影响卸灰阀和气力输送系统工作性能的首要问题。
②转速：
在低速时，叶轮格室有充分的时间从料口进料，此时，生产能力随转速成正比例增大。
当转速增大到一定范围后，如果转速继续增大，则由于物料的冲击反弹作用加剧，使物料的进料速度降低，生产能力反而下降。
通常卸灰阀转速在15～50r/min选取。
③进料口宽度:
在规定的叶轮转速下，进入卸灰阀的物料数量，与进料速度和进料断面有关。
而当进料速度和进料口的长度给定后，卸灰阀的通过能力和叶轮格室的充填系数，就只有与进料口宽度有关了。
在符合结构气密要求的情况下，随着宽度增大，其通过能力和充填系数也会相应增大和提高。
卸灰进料口的最小断面积，应保证物料能自由降落，一般应比输料管断面积大2至4倍。
④叶片数量、形状，进料角度，物料特性，排料口等其他因素影响着卸灰阀的工作性能。
本课题的设计是在仓泵的进料端采用星型卸灰阀来输送飞灰，主要是阻止仓泵空气的回流、快速密封加料，减少系统的漏气量，保证系统压力恒定等。
当星型卸灰阀内翻斗由电动机、减速机驱动时在壳体内旋转，从螺旋输送机的下料口落下的飞灰便由进料口进入翻斗格室，并随着翻斗的转动而送至卸料口排出。
由于翻斗与壳体间的紧密配合，气密性较好，在卸料的过程的同时又能起减少漏气的作用，故在气力输送系统中，也称为锁气器、闭锁器等。
3.2、星型卸灰阀结构设计
①采用卧轴式的传动方式，电动机、减速机、卸灰阀翻斗在同轴传动布置。
摆线针轮减速是一种采用摆线针齿啮合行星传动原理的减速机构。
其主要特点是传动比大，传动平稳、可靠；结构紧凑、体积小、重量轻。
ZWD0.8-4-1/59
摆线针轮减速功率：
0.8KW，卧式直联型。
电动机选型：
1HP-A,1HP机磁直流电机。
转速：
1750r/min,功率：
750W
联轴器选型：
HL4，HL型弹性套柱销联轴器。
公称转矩：
250Tn/N.m,
许用转速：
3800r/min。
②翻斗内设有六片叶轮，即能保证输送速度，又能有效锁气。
叶片厚度6mm，长度340mm,宽度170mm。
叶轮焊接在一侧的挡板，挡板为φ355×8，挡板中间为一轴套外径φ54mm，内径40mm,长度348mm。
进出料口中心偏距190mm，进料口为410×410mm，出料口410×240mm。
③为防止由卸灰阀轴孔处漏入外部空气或漏出灰，在机壳的轴孔处配有防尘密封圈和压盖。
④转子两端与箱体内壁的间隙不超过0.3mm至0.4mm.转子叶片的顶部装有可拆卸的端部压板和密封条（橡胶），转动时密封条与机壳内壁之间以摩擦状态接触，以防漏气。
由于密封条需耐磨，不易损坏，因此选用耐磨的橡胶、聚四氟乙烯等材料。
密封条应紧贴机壳内壁，但也不得过紧，以空载时能用手盘动为宜，否则，摩擦增大，易使电机过载或出现转子不动的现象。
⑤星型卸灰阀结构应密封，不得漏气和漏灰。
可进行气密性试验，方法是从其出料口通入40kPa的压缩空气，如果5min内压降不超过50%，即可认为星型卸灰阀的密封性良好。
3.3、卸灰阀主轴强度校核
3.3.1选择轴的材料
选择轴的材料为45钢，经调质处理，硬度为217～255HBS。
由参考资料查得对称循环弯曲需用应力[σ-1]＝180（MPa）。
3.3.2轴径的初步估算
由减速机型号得到减速机转速为29r/min；
由参考资料查到公式，
式中C——由轴的材料和承载情况确定的常数.
P——轴所传递的功率，KW；0.8kw.
N——轴的转速，r/min；
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