垃圾焚燒煙氣處理工程加藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

徐 飛，劉亞偉，沈 龍

（安徽盛運(yùn)環(huán)保工程有限公司，合肥 230000）

垃圾焚燒煙氣處理工程加藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

徐 飛，劉亞偉，沈 龍

（安徽盛運(yùn)環(huán)保工程有限公司，合肥 230000）

針對(duì)垃圾焚燒煙氣凈化中干法工藝加藥系統(tǒng)輸送物料的特性，擬定輸送型式，設(shè)計(jì)系統(tǒng)布置示意圖及主要部件布置，參照輸送量選定固氣比、輸送風(fēng)速及輸料管路，并根據(jù)使用狀態(tài)包括溫度、壓力、海拔等條件的變化，結(jié)合工程熱力學(xué)原理及輸送設(shè)備工作原理，指導(dǎo)垃圾焚燒煙氣凈化技術(shù)中相應(yīng)設(shè)備型號(hào)的選擇和應(yīng)用。

稀相氣力輸送；羅茨風(fēng)機(jī)；風(fēng)量；風(fēng)壓；功率

環(huán)保部制定并會(huì)同國(guó)家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布新修訂的《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》于2014年7月1日起實(shí)施，此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提高了污染控制要求，而僅靠單一煙氣處理工藝很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)生活垃圾焚燒廠采用的主要方式是“半干法 + 干法”或“干法 + 濕法”，其中大多采用的是“半干法 + 干法”工藝（見圖1），能將脫酸藥劑以及吸收藥劑按控制要求穩(wěn)定有效地噴入系統(tǒng)袋式反應(yīng)器內(nèi)，是煙氣凈化處理的基礎(chǔ)工藝。

圖1 半干法 + 干法處理工藝

1 物料分析

垃圾焚燒煙氣中的酸性污染物含氯化氫、氟化氫、硫氧化物、氮氧化物等，脫酸所用的脫酸藥劑包括熟石灰（Ca（OH）2）和碳酸氫鈉（NaHCO3）[1]。而對(duì)于煙氣中的重金屬和二英等成分，通過反應(yīng)助劑或活性炭吸附去除。為提高反應(yīng)效率和吸附效率、降低藥劑的使用量和減少飛灰的產(chǎn)生量，藥劑要求采用比表面積大、孔隙率高、含水分低的細(xì)粉末，對(duì)于此類松散粉狀物料和處理工藝，輸送型式采用低壓壓送式稀相氣力輸送[2]，具體輸送系統(tǒng)一般配置如圖2所示。

圖2 低壓壓送式氣力輸送裝置

2 初步確定輸送參數(shù)

2.1 輸送量的確定

本文所說的輸送量為垃圾焚燒煙氣凈化藥劑實(shí)際所需量：

式中：

GS— 實(shí)際所需藥劑單位時(shí)間消耗量，kg/min；

Gd—工藝計(jì)算中藥劑單位時(shí)間消耗量，kg/min；

K1—物料不均勻系數(shù)，與工藝過程特點(diǎn)、物料發(fā)送機(jī)械型式有關(guān)，如果物料通過供料器送入輸送線，則K1= 1.15～1.2；

K2—考慮遠(yuǎn)景發(fā)展的系數(shù)，K2= 1.0～1.25。

2.2 輸送風(fēng)量的計(jì)算

氣力輸送設(shè)計(jì)中單位時(shí)間內(nèi)輸送物料的量與輸送所需空氣量的比值稱為固氣比[3]。其是確定輸送設(shè)備型號(hào)和尺寸的原始數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)設(shè)備輸送的經(jīng)濟(jì)性有較大的影響，因此，確定輸送風(fēng)量時(shí)首先得考慮固氣比預(yù)算。

式中：

由式②可知，在物料輸送量GS一定的情況下，值越大，越小，可選用較低風(fēng)量輸送設(shè)備及管徑較小的管道，但在靠動(dòng)壓懸浮輸送的狀態(tài)下，輸送管道較易堵塞，增加管道阻力，因此選取合適的固氣比至關(guān)重要。對(duì)于垃圾焚燒廠的中短距離輸送，為保證穩(wěn)定的懸浮流，值在0.5～4之間（實(shí)際根據(jù)煙氣中酸性氣體含量在線調(diào)節(jié)給料量，m值在一定范圍波動(dòng)）。

由②式推倒出單位時(shí)間內(nèi)所需空氣體積流量：

式中：

固氣比選定不變時(shí)，高原地區(qū)須保證與標(biāo)況下相同的空氣質(zhì)量流量，把④式代入③式，換算成相應(yīng)體積流量。

2.3 輸送風(fēng)速選取

物料在管道中靠氣流的動(dòng)能輸送，當(dāng)固氣比很低且輸送風(fēng)速很高時(shí)才會(huì)出現(xiàn)懸浮流，若輸送風(fēng)速過低，則易形成脈動(dòng)流，使摩擦阻力增大，且可能引起管道堵塞。反之，當(dāng)輸送風(fēng)速過高，能耗增加，管道阻力升高并且顆粒對(duì)管道及彎頭的磨損加劇。對(duì)于物料容重為0.8～1.1t/m3，在DN40-DN80管路中物料輸送速度在15～18m/s，物料速度在管內(nèi)較均勻分布。對(duì)于細(xì)粉料的稀相輸送，在進(jìn)入等速段后，可認(rèn)為氣體速度約等于物料速度。

氣力輸送過程在垂直上升的管道中，因空氣動(dòng)力與物料浮重處于同一直線上，所以當(dāng)管道內(nèi)氣流速度Va要大于物料的懸浮速度Vt時(shí)才可輸送。而在水平管道中，空氣流動(dòng)方向與物料浮重相垂直，使得固體顆粒物在水平管道內(nèi)的懸浮運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，目前缺乏定量研究，選擇輸送風(fēng)速時(shí)懸浮速度只做參考，“經(jīng)濟(jì)速度”一般取懸浮速度1.5～2.5倍即能輸送。在無(wú)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，輸送速度用下式估算，各藥劑的主要物理特性及氣流輸送速度可參見下表。

式中：

—?dú)饬鬏斔退俣龋琺/s；

α—被輸送物料粒度系數(shù)，對(duì)于粒徑0～1mm取值10；

ρm—物料的松散密度，t/m3；

g —重力加速度，9.81m/s2；

β—物料的特性系數(shù)β=（2-5）×10-5，干燥灰狀物料可取小值；

L — 輸送距離，m。

當(dāng)L≤100m，上式βL很小，可忽略不計(jì)。

2.4 管徑選擇

各藥劑的主要物理特性及氣流輸送速度表

式中：D — 輸送管內(nèi)徑,m。

輸送管道采用國(guó)標(biāo)低壓流體輸送焊接管，為降低壓損及管道堵塞，計(jì)算所得管徑根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選用大一號(hào)（或二號(hào)）規(guī)格尺寸，當(dāng)內(nèi)徑尺寸選定后，重新計(jì)算輸送風(fēng)速，驗(yàn)證氣流速度。

2.5 輸送壓力損失

輸送系統(tǒng)壓力損失主要是由過濾器、消音器、閥門、加速器、管道、彎頭、進(jìn)出氣口等產(chǎn)生。

2.5.1 理想氣體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓損 ，Pa

式中：

2.5.2 固氣兩相流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦壓損 ，Pa

式中：

由垂直向水平方向90°彎頭，彎管出口速度比進(jìn)口處減少1/5～1/3，由水平向垂直方向90°彎頭，彎管出口速度比進(jìn)口減少1/2.5～1/2；輸送過程盡量減少?gòu)濐^，以免降速后彎頭處存料堵塞。

式中：

對(duì)于細(xì)粉料的稀相輸送，在進(jìn)入等速段后，可認(rèn)為氣體速度約等于物料速度≈。

噴射式供料器出口風(fēng)速達(dá)到100～340m/s，純空氣壓力損失約1000Pa；在風(fēng)速為25m/s時(shí)，消聲器的經(jīng)驗(yàn)壓降為500～1000Pa，空氣過濾器壓降為500Pa；進(jìn)氣管壓損250Pa；

綜上所述，輸送過程總壓力損失：

以上計(jì)算結(jié)果作為選擇氣源參數(shù)的依據(jù)。

3 確定設(shè)備型號(hào)

3.1 所需風(fēng)量

因管道系統(tǒng)和設(shè)備有一定的泄漏量，考慮裕量30%～50%，所需風(fēng)量：

3.2 所需風(fēng)壓

根據(jù)輸送總壓力損失計(jì)算結(jié)果，考慮計(jì)算誤差10%～30%，所需壓力：

3.3 所需電機(jī)功率

式中：

低壓壓送式輸送氣源常用設(shè)備是羅茨風(fēng)機(jī)（或其他氣源），根據(jù)以上參數(shù)和風(fēng)機(jī)產(chǎn)品目錄選擇合適風(fēng)機(jī)型號(hào)。需要說明的是：因風(fēng)機(jī)本身存在一定內(nèi)泄量（與壓縮比存在一定關(guān)系[5]），高海拔下為滿足風(fēng)量時(shí)，同一轉(zhuǎn)速，風(fēng)壓和軸功率會(huì)降低，選擇風(fēng)壓和功率時(shí)應(yīng)計(jì)算修訂值，根據(jù)修訂后參數(shù)確定。

4 管路系統(tǒng)

4.1 管道材料

根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、使用溫度以及經(jīng)濟(jì)性，輸送金屬管道采用低壓流體輸送用焊接鋼管，常用材質(zhì)Q235A，公稱直徑和壁厚符合現(xiàn)行GB/T3091-2008中的規(guī)格（考慮磨損腐蝕余量可選用加厚鋼管）。對(duì)于非金屬管道，耐磨性能高、強(qiáng)度高、彈性好的聚氨酯管以及鋼襯復(fù)合管等也有較多應(yīng)用。

4.2 管道布置

管道布置設(shè)計(jì)必須符合管道儀表流程圖（PID）的設(shè)計(jì)要求，做到安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，并滿足施工、操作、維修等方面的要求。具體管道布置要求應(yīng)符合《化工裝置設(shè)備布置設(shè)計(jì)工程規(guī)定》（HG20546.2）或者《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50316-2000）的有關(guān)規(guī)定。

4.3 管道保溫

有關(guān)管道保溫的設(shè)計(jì)計(jì)算、材料選擇及結(jié)構(gòu)要求等可按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《設(shè)備與管道保溫技術(shù)通則》（GB/ T4272），《設(shè)備及管道保溫設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（GB/T8175），《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50264）進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)采用伴熱管時(shí)，流體或管道材料不允許產(chǎn)生局部過熱，在伴熱管與被伴熱管之間應(yīng)采用隔熱件隔開。隔熱結(jié)構(gòu)的外保護(hù)層應(yīng)能有效地防止雨水進(jìn)入隔熱層內(nèi)。

4.4 管道防銹及涂漆

地上管道的外表面防銹 一般采用涂漆，涂層類別應(yīng)能耐環(huán)境大氣的腐蝕。涂層的底漆與面漆應(yīng)配套使用外有隔熱層的管道一般只涂底漆。涂漆前管道外表面的清理 應(yīng)符合涂料產(chǎn)品的相應(yīng)要求當(dāng)有特殊的要求時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)文件中規(guī)定。涂漆顏色及標(biāo)志可按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)管路的基本識(shí)別色和識(shí)別符號(hào)》（GB7231）和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，補(bǔ)充要求應(yīng)在工程設(shè)計(jì)文件中規(guī)定。

5 結(jié)論

氣力輸送物料顆粒越細(xì)越易結(jié)塊，對(duì)于含水分＞6%時(shí)更容易黏附和搭橋，通常顆粒較大且粒度分布較均勻的物料有利于流動(dòng)，垃圾焚燒尾氣凈化多采用細(xì)粉料（粒徑10～100μm）甚至超細(xì)粉料（粒徑小于10μm）極易堵塞。為保證穩(wěn)定懸浮流，應(yīng)采用高輸送風(fēng)速和低固氣比。

[1]孫向軍，陳德珍.垃圾焚燒廠干法脫酸藥劑的比較研究[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2011，19（6）.

[2]周國(guó)慶，辛田.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)：上冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3]黃學(xué)群.運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)：下冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[4]嚴(yán)家騤.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]蔡華鋒，楊清峰，高敏.高海拔下羅茨風(fēng)機(jī)參數(shù)的修正[J].水泥CEMENT，2010，12（4）.

[6]GB50264-2013，工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]GB50316-2000，工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Designing Calculation of Dosing System for Flue Gas Treatment Engineering of Refuse Incineration

XU Fei, LIU Ya-wei, SHEN Long

X52

A

1006-5377（2015）10-0038-04