垃圾焚烧厂课程设计计算书

一、垃圾贮坑的设计垃圾贮坑主要是为了调节焚烧能力而设置的，同时也起到垃圾均质、减水、维持稳定燃烧、控制二噁英产生的作用。贮坑的容积取决于焚烧设施的设计处理能力、垃圾收集量的日变化量，以及垃圾的单位平均密度。垃圾贮坑的容量应可提供3~5天的最大处理量。1.贮坑容积V=𝛽𝑞𝛿𝜎式中：-存储时间，d；该设计中取3q-最大日处理量，t/d；该设计中取dtq/1000-有效容积系数，在0.8-0.9之间；该设计取9.0-垃圾密度t/𝑚3，该设计取σ=0.35V=𝛽𝑞𝛿𝜎=3×10000.9×0.35𝑚3=9523𝑚32.体积尺寸计算（a×b×c）取a=22m，b=22m，c=20m则𝑉实际=22×22×20𝑚3=9680𝑚39523𝑚3，符合设计要求；3.焚烧阶段各单元设计计算及设备选型（1）燃料贮坑垃圾的可燃烧组分进入燃烧贮坑堆放以便送入焚烧炉中焚烧。设计燃料贮坑容量可接收4天的燃烧垃圾量，生活垃圾的原始堆积密度约为0.35t/𝑚3，，在贮坑堆积压实后其堆积密度将增大到0.8-0.9t/𝑚3（该设计取0.9t/𝑚3）理论燃料贮坑体积V=Atn式中：a-容积系数，一般为1.2-1.5，取a=1.3T-存放时间d，取值4N-日焚烧垃圾容量，𝑚3/𝑑,该设计为N=1000𝑚3/𝑑则：V=aTN=1.3×4×1000=5200𝑚3燃料贮坑尺寸设计：V=a×b×c取a=17m，b=17m，c=18mV=a×b×c=17×17×18=52025200，符合设计要求（2）垃圾抓斗起重机垃圾抓斗起重机是垃圾焚烧厂供料系统的核心设备，担负着给垃圾焚烧炉供料的任务，垃圾抓斗起重机一般采用桥式起重机，安装在垃圾贮坑的上部，在垃圾贮坑上方沿固定轨道行走，抓斗借助卷起装置可以到达垃圾贮坑中的每一个角落完成作业。二、燃烧空气量的计算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。由可燃物完全燃烧默认的元素化学计量反应，即：C氧化为𝐶𝑂2，H氧化为𝐻2𝑂，S氧化为𝑆𝑂2，N还原为𝑁2，Cl与H结合生成HCl，1kg垃圾燃烧所需的理论空气量为：𝐴0=𝜔𝐶12×22.40.21+(𝜔𝐻−𝜔𝐶𝑙35.5)×14×22.40.21−𝜔𝑂32×22.40.21+𝜔𝑆32×22.40.21=8.89×0.1948+26.7×(0.0785−0.010435.5)−3.33×0.1149+3.33×0.0019（𝑚𝑁3/𝑘𝑔）=3.44𝑚𝑁3/𝑘𝑔设空气过剩系数γ=2.55，则实际空气量为：A=2.55×3.44=8.772𝑚𝑁3/𝑘𝑔三、烟气组成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）。𝐺𝐶𝑂2=𝜔𝐶12×22.4=0.1948×22.412=0.403𝑚𝑁3/𝑘𝑔𝐺𝑆𝑂2=𝜔𝑆32×22.4=0.0019×22.432=0.00133𝑚𝑁3/𝑘𝑔𝐺𝑂2=0.21(𝛾−1)𝐴0=0.21(2.55−1)×3.44=1.12𝑚𝑁3/𝑘𝑔𝐺𝑁2=0.79𝛾𝐴0+𝜔𝑁28×22.4=0.79×2.55×3.44+0.0068×22.428=6.935𝑚𝑁3/𝑘𝑔𝐺𝐻2𝑂=[(𝜔𝐻−𝜔𝐶𝑙35.5)12+𝜔𝑊18]×22.4=[(0.0933−0.005535.5)12+0.506118]×22.4=1.673𝑚𝑁3/𝑘𝑔𝐺𝐻𝐶𝑙=𝜔𝐶𝑙36.5×22.4=0.0055×22.436.5=0.0034𝑚𝑁3/𝑘𝑔空气过剩系数γ=2.55时，垃圾燃烧产生的烟气量G=10.14𝑚𝑁3/𝑘𝑔3.2.4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。apyapyairpkdtCtCLntCLnQ00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。pypyairpkdwaCCLntCLnQt00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。工业分析（湿重%）：水分W挥发分V灰分A固定碳FC混合垃圾50.5734.249.665.53元素分析（%）NCHSOCl可燃组分1.6149.9122.130.4524.601.30混合垃圾1.8647.7319.240.4728.152.55可燃组分高位热值:𝐻0=8100(𝜔𝐶100)+34000(𝜔𝑊100−18×𝜔𝑂100)+2500(𝜔𝑆100)=10532.66kcal/kg湿基高位热值:𝐻1=𝐻0×(34.24+5.53)%=4188.84kcal/kg湿基低位热值:𝑄𝑑=𝐻1−600(9×𝜔𝐻100+𝜔𝑇100)=2846.46kcal/kg根据1kcal~4.1858518kJ,𝑄𝑑=11914.86kJ/kg取空气过剩系数2.3，则绝热火焰温度:𝑡𝑎=11914.86+2.55×3.44×1.32×2002.55×3.44×1.23+1.23=1184℃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。根据质量守恒定律，输入燃烧系统的物料质量等于输出的物料质量。其计算公式如下：出出出出出入入入入5,4,3,2,1,,4,3,21,MMMM+M=M+M+M+M式中，M1,入表示进入生活垃圾焚烧系统的垃圾质量，kg/d；M2,入表示焚烧系统实际空气供给量，kg/d；M3,入表示焚烧系统的用水量，kg/d；M4,入表示投入焚烧系统所有化学试剂质量，kg/d；M1,出焚烧系统排放的干烟气质量，kg/d；M2,出焚烧系统排放的水蒸气质量，kg/d；M3,出焚烧系统排放的干烟气质量，kg/d；M4,出焚烧系统排放的飞灰质量，kg/d；M5,出焚烧系统排放的炉渣质量，kg/d。一般情况下，城市生活垃圾焚烧系统的物料输入量可以简化为生活垃圾量G垃圾（t/h）、供给空气量G空（t/h）两个主要项，而输出量则以干烟气量my（t/h）、飞灰质量afh（t/h）、炉渣ah（t/h）三个主要项，以此进行简化物料平衡计算参数。城市生活垃圾焚烧厂生活垃圾。生活垃圾量：ht/7.41241000G垃圾实际空气量：空空nLG，空为空气相对密度（t/m3）𝐺空气=8.772×1.2×1000÷24=438.6𝑡/℃炉渣质量)1(aLOIAGhz垃圾，A为垃圾中灰分的含量（%），LOI为垃圾的热灼减率（%），本设计中按5.5%含量取值。𝑎℃𝑧=41.7×0.09661−0.055=4.2626𝑡/℃飞灰质量%2a垃圾Gfh，一般飞灰含量为处理垃圾量的0.5~5%，本设计中可按2%取值。𝑎𝑓℃=41.7×0.02=0.834𝑡/℃根据质量平衡可求得生活垃圾焚烧厂的排烟量𝑚𝑦=(𝐺垃圾+𝐺空)−（𝑎℃𝑧+𝑎𝑓℃）𝑚𝑦=(41.7+438.6)−(4.2626+0.834)=475.2𝑡/℃综合以上数据列出物料平衡表（表4）。表4物料平衡表收入项支出项符号项目数值百分比符号项目数值百分比t/h%t/h%G垃圾垃圾量41.78.68my排烟量475.298.9G空气空气438.691.32ahz炉渣量4.26260.9afh飞灰量0.8340.2ΣG合计480.3100ΣG合计480.3100四、焚烧过程的能量平衡一般情况下，城市生活垃圾焚烧系统的热输入项可以简化为生活垃圾燃烧所产生热、助燃空气带入物理热的两个主要项，而热输出项则以烟气带走物理热、产生蒸汽或热水的有效热、炉渣及飞灰带走的物理热和炉体散热四个主要项，以此进行简化热平衡计算参数。供入热和带入热垃圾燃烧热𝑸𝟏入𝑄1入=𝐺垃圾×𝑄𝑑=100024×11914.86×103=4.96×108𝑘J/h生活垃圾发热量𝑄1入（kJ/h）为垃圾的处理量G垃圾（t/h）乘以其低位热值𝑄𝑑（kJ/kg）空气带入的物理热𝑸𝟐入𝑄2入=𝑉𝑘×𝐶𝑝𝑘×𝑡0其中，𝑉𝑘为空气流量，𝑚3/ℎ，𝐶𝑝𝑘为空气平均比热容，kJ/（kg·℃），𝑡0为供入空气的环境温度，取值为20摄氏度。由于以环境温度为基准点，空气带入的物理热为0支出热余热利用有效热𝑸𝟏出余热利用有效热为高温烟气与冷气换热产热或蒸汽的过程的交换热，有效热利用的高低即为热水的吸热量的大小。在焚烧过程中，垃圾中含能可用于供热或发电的实际能量转化率分别为60%~82%和20~27%，考虑到垃圾焚烧的实际情况，设计中垃圾能量利用率选用η=40%，则：𝑄1出=η×𝑄1入=0.4×4.96×108=1.984×108𝑘J/h排烟热损失𝑸𝟐出烟气经过余热利用后，还带有部分物理热随烟气排到大气中，排烟热损失指的即为这一部分的热量，计算如下：𝑄2出=𝑚𝑦×𝐶𝑝𝑦×(𝑡𝑦−𝑡0)=475.2×103×1.23×(430−20)=2.40×108𝑘J/h式中，𝑚𝑦为烟气流量，t/h，通过物料平衡计算得出；𝐶𝑝𝑦为烟气平均比热容，kg/(kg·℃)，近似可取1.23kJ/(kg·℃)；ty为排烟口温度，设定急冷前烟气平均温度为430℃；t0为供入空气的环境温度，t0取值为20℃。不完全燃烧热损失𝑸𝟑出包括气体不完全燃烧热损失和固体不完全燃烧热损失。计算气体不完全热时，忽略H2、CH4的不完全燃烧热损失，只计算烟气中CO不完全燃烧热损失。设计时气体不完全燃烧损失量按供入量的1%取值。计算固体不完全燃烧热损失量时按热供入量的4%取值。𝑄3出=(1%+5%)×𝑄1入=0.06×4.96×108=0.30×108𝑘J/h灰渣、飞灰