生活垃圾处理填埋气燃烧系统设计技术规范

生活垃圾处理填埋气燃烧系统设计技术规范1.1填埋气燃烧系统设计说明鉴于填埋气所能造成的危害，《生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范》（CJJ133-2009）中规定：“填埋场必须设置填埋气体导排设施”，总填埋容量大于100万t时还必须设置气体主动导排处理设施（100万t-250万t）或者配套建设填埋气体利用设施（大于250万t）。控制填埋气排放通常的有效方法是安装填埋气收集系统并且在气体控制系统中安装一套气体处理设备，本文即设计安装一套燃烧设备，此设备的作用便在于将甲烷等挥发性有机化合物和其他有害气体污染物在排放至大气之前处理掉。1.2填埋气量说明1.2.1生活垃圾和填埋气的构成总体来讲，我国城市生活垃圾组分的特点是：垃圾水分含量较高，含水率通常在30％～50％，有机物和包装物的比例较高，占垃圾干重比例的50％以上，灰土含量较低[22]，我国城市垃圾的详细组成分类见表1.1。厌氧降解产生的甲烷气除去溶于渗滤液中及氧化损失的部分之外，一般体积分数占50％左右。填埋气中的组要成分见表1.2，除了表中的三种之外，还有极少量的硫化氢和非甲烷有机质成分。表1.1城市垃圾干重组成成分有机物砖石塑料纸类玻璃织物金属其它比例60.02%12.74%9.51%8.81%2.89%1.94%0.87%1.92%表1.2生活垃圾填埋气组成组成平均浓度/%甲烷（）50二氧化碳（）45氮气（）51.2.3填埋场库容及填埋气量某填埋场占地10公顷，总库容200万，场内总共可接受垃圾260万，符合上述一般城市垃圾组成。用《生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范》（CJJ133-2009）中一阶衰减式计算预测出其峰值产气接近5000，《生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范》（CJJ133-2009）中明确规定“填埋气体主动导排系统的抽气流量应能随填埋气体产气速率的变化而调节气体收集率不得小于60%”，假设该填埋场的气体收集率为65%，则可计算出实际得到燃烧气体的最大流量为3250。1.3燃烧系统填埋气除了甲烷和二氧化碳之外，还含有少量的硫化氢和水分等酸性气体，若不经处理而直接燃烧，则会污染大气，并且长期这样的话还会腐蚀输气管道和其他燃烧设备，因此在气体进入火炬燃烧之前需要进行预处理。填埋气燃烧系统主要包括气体的抽送、脱水净化、燃烧器以及燃烧器的控制，大致的工艺流程为：填埋气→除尘器→鼓风机→汽水分离器（/冷却器）→脱硫塔→阻火器→火炬。某些填埋气的利用上，如提纯发电等，对气体中的颗粒物有更高的要求，通过陶瓷过滤器对其进行更为细致的过滤，但本文将只进行设计火炬燃烧对填埋气的处理，因此对陶瓷过滤器部分不进行分析设计。燃烧系统的工艺流程图见图1.1。图1.1填埋气燃烧系统工艺流程图1.4主要设备设计1.4.1输气管道本文计算的最大产气量为3250（即0.903），即为本次填埋气抽取量的设计值。按照《生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范》（CJJ133-2009）规定，填埋气体输气管道内气体流速宜取5~10m/s，本次设计中填埋气体输气管道内气体流速取。假设输气管道内径为r（半径），则：（1.1）为输气管道数量(该填埋场输气管道数量为5)，则有：经计算得出：因此，填埋场输气管道内径（直径）选为200mm，材质为高密度聚乙烯管（HDPE）。设备输气管道内径选用与填埋场输气管道相同。1.4.2气体过滤器1.4.2.1气体过滤器的简单介绍填埋气体中通常含有固体杂质和水分，对于其他设备的安全运行据具有一定的威胁，因此需要对收集的填埋气进行杂质和水分的去除处理。气体过滤器由壳体、多元滤芯、反冲洗结构、以及其他元件构成，壳体内的隔板将其分为上下两腔，上腔配有多个过滤芯，这样充分利用了过滤空间，下腔安装有反冲洗吸盘，过滤器气体由下腔通过隔板孔进入过滤芯内腔，粒径大于滤芯缝隙的杂质被拦截，净气通过缝隙到达上腔，最后由出气口送出。气体过滤器自动排污，其滤芯采用高强度的楔形滤网，通过压差控制、定时控制自动清洗滤芯。当过滤器内杂质积聚在滤芯表面引起进出口压差增大到设定值时，驱动反冲洗机构排污。气体过滤器的大致结构见图1.2。图1.2气体过滤器大致结构1.4.2.2过滤器选取方法步骤（1）确定进出口通径。过滤器的进出口通径不应小于其前后端被保护的设备的进出口通径，其进出口通径一般应和设备一致，故此处过滤器的进出口通径取DN200。（2）过滤面积的确定。过滤面积指滤网的有效流通面积，当滤网的钢丝和数目一定时，其可流通面积占滤网面积的百分比是一定的，这个比值称为滤网的有效面积比。滤网的有效流通面积为滤网总面积和有效面积的乘积：（1.2）式中滤网的过滤面积；滤网的有效流通面积；滤网中过滤部分的总面积；滤网的有效面积。过滤面积通常的取值为过滤器公称通径的20倍即：本设计除尘粒径定为2032，即可拦截的粒径为2032，并查得其有效面积为64％，所以滤网总面积为：（3）滤网目数的确定。目数是指每平方英寸面积上面的网孔目数，目数的确定主要是根据滤网所拦截的粒径来选择的，由滤网技术的规格查得拦截粒径为2032的目数为10，滤网丝径为0.508mm。（4）过滤器壳体材质的选用。原则上应选择与工艺管道相同的材质，综合工况也可选择铸铁、碳钢、低合金钢和不锈钢材质的过滤器。本设计将实用和经济等因素考虑进去，拟选用不锈钢材质的过滤器。故本文过滤器设计为拦截粒径2032，滤网总面积0.625，滤网目数为10，滤网丝径0.508mm，壳体选用不锈钢材质。1.4.3脱硫塔1.4.1.1脱硫简介垃圾填埋气中通常含有一定浓度的硫化氢（本设计中假设的浓度小于），硫化氢气体会对气体环境造成危害，以及会将处理设施腐蚀，因此，需要对填埋气体进行脱硫处理，将其除去。通常用的脱硫方法包括干式脱硫法、碱洗脱硫法、水洗脱硫法和生物脱硫法等方法，这四种脱硫方式的比较见表1.3。表1.3四种脱硫方式的对比脱硫方式初始投资运行费用管理维护适用范围干式脱硫低脱硫剂中等脱硫剂更换精细脱硫，碱洗脱硫中高药剂费高自动化丶人工加药工业废水，水洗脱硫高高（主要电力）自动化中水回用或对末端无要求生物脱硫中等低全自动考虑到成本以及使用范围，本设计采用干式脱硫法对填埋气进行脱硫处理。干式脱硫塔主要包括外壳不锈钢结构、填有脱硫剂的反应器和空气供应单元。干式脱硫法的脱硫效率可达90%以上。干式脱硫的原理反应式：1.4.1.2干式脱硫塔设计空速的选择。空速指单位体积脱硫剂每小时能处理的填埋气量的大小，单位为，表达式为：（1.3）式中----沼气空速（）；----沼气小时流量（）；----脱硫剂体积（）。在常温常压下，氧化铁脱硫剂在处理气体中硫化氢浓度小于时，（接触时间，为空速的倒数）为100秒，相当于空速为36。线速的选择。线速是指气体通过脱硫剂床高与接触时间之比：（1.4）式中----线速度（）；----床高（）；----接触时间（）。当用TTL型脱硫剂时，可选线速在10～40。（3）脱硫剂更换时间。一般取脱硫剂的更换时间为6个月，即180d计算。脱硫剂的填装量：（1.5）式中----脱硫剂填装量（）；----脱硫剂使用时间（180）；----脱硫剂饱和硫容（此处取20%）；----填埋气中硫化氢含量（3）；----日处理气量（78000）。带入数据得到脱硫剂填装量为：取堆体密度为0.8，则脱硫剂总体积为：取36，则为100秒，本设计线速度取根据公式得：脱硫塔采取三级串联的方式则每级中脱硫剂的体积为：设脱硫塔直径为D，则：即算出D=2.36m，取D=2.5m。因此，脱硫塔设计为直径2500mm，高度20000mm，三级串联每一级两层，每层高度10000mm，进出口径200mm。1.4.4冷却器填埋气体在产生的过程当中，往往伴随较高含量的水分，加之在有酸性气体的作用下，很容易产生具有强腐蚀性的氢离子，因此而导致设备设施的腐蚀性破坏，为此，必须将填埋气体中存在的水分脱除掉。冷却器能有效的冷却填埋气体，凝结排除填埋气体中含有的大量水分，因此能达到排污目的，防止后道设施被腐蚀。根据气体流量（3250换算单位后取为55），本次设计采用CM-50HB气体冷却器（生产厂家：上海仓茂实业）对填埋气体进行冷却处理，设备的详细规格见表1.4。表1.4冷却器技术参数表型号气体处理量（）气体进出口径直径（mm）高度（mm）压力损失（MPa）CM-50HB55DN12584014350.03由于气体进出口径为DN125，与输气管道不同，所以应该在进出口设置变径接头与输气管道连接。1.4.5鼓风机鼓风机的作用在于对集气系统进行抽气，将气体从集气系统中抽气供给整个燃烧系统。设计鼓风机两台，一备一用。抽气泵的设计额定风量为；进入抽气泵的填埋气体的温度：；流量储备系数：，即最大流量按照设计流量的1.2倍进行计算；（1.6）抽气泵风量计算：计算得出抽气泵风量约为：。因考虑到气体实际产量通常比计算产量偏低，所以此处计算将其取值为，即。抽气泵风压计算：抽气泵的最小风压：应至少满足填埋气体输气管道阻力损失和勇气设施进气压的需要。填埋气体输气管路单位长度摩擦阻力损失计算公式：（1.7）式中：----输气管道摩擦阻力损失，；----输气管道的计算长度，，此处计算为每根长300；----输气管道的摩擦阻力系数，取0.04；----填埋气体的密度，，取1.22；----输气管道的计算流量，，，取；----管道内径，，200；----填埋气体的实际温度，，取40；----标准状态下的温度，取273K。依上式，按照每根管道长300m，计算出每根的摩擦阻力损失为：得出：则五根输气管道的总摩擦阻力损失为：实际上，填埋气气体管道阻力损失包括沿程管道阻力损失和局部阻力损失之和，局部阻力损失大概为沿程阻力损失的5%~10%。本文涉及采取8%计算，约为0.884。因此，填埋气体管路阻力损失为。为了保证垃圾堆体产生的填埋气体能进入到气井，气井中通常会保持20的负压。因此，输气系统的总压力为：风压储备系数：标准大气压下填埋气体的密度：抽气泵的风压计算：（1.8）最终计算得出：因此，本文设计的鼓风机参数为：风量，风压（高压）。根据风量和风压，本设计拟选用XYR250型号的罗茨鼓风机（生产厂家：诸城市旭阳机械有限公司）。罗茨风机技术参数及型号见表1.5。表1.5罗茨风机技术参数及型号风机型号风量（）风压（kPa）转速（r/min）XYR25077.944.112501.4.6阻火器阻火器的作用是防止因明火沿可燃气体管道流窜而引起爆炸。它是应用火焰通过导热体的狭小孔隙时，由于热量损失而熄灭的原理设计制造的。阻火器主要由壳体和滤芯两部分组成，壳体应具有足够的强度，以承受爆炸产生的冲击压力，滤芯是阻止火焰传播的主要构件，常用的有金属网滤芯和波纹型滤芯。金属网滤芯用直径0.23~0.315mm的不锈钢或铜网多层重叠而成。波纹型滤芯用不锈钢、铜镍合金、铝或铝合金支撑。阻火器的性能要求主要有三个方面，一是阻爆性能合格，连续13次阻爆性能试验每次均能阻火，二是耐烧性能合格，耐烧试验1小时五回火现象，三是壳体水压试验合格。其他性能还应有结构合理、重量轻、耐腐蚀、易检修、安装方便等。根据MESG值选取阻火元件：在必定条件下(0.1MPa,20℃)刚好能够使火焰熄灭的通道尺寸定义为“最大实验安全间隙”(MESG,MaximumExperimentalSafeGap)。阻火元件的通道尺寸是决定阻火器性能的关键因素,不同气体具有不同的MESG值。因此,在挑选阻火器时,应根据可燃气体的组成确定其MESG值。在详细挑选时,又根据MESG值将气体划分为几个等级。世界上经常采用两类方法。一是美国全国电气协会(NEC)的分类法,它根据气体的MESG值将气体分为四个等级(A,B,C,D)；另一类是世界电工协会(IEC)的方法,它也将气体分为四个等级(IIC,IIB,IIA及I)。两种规范划分的各类气体的MESG值及测试气体见表1.6。表1.6两种MESG分类标准NECIECMESG/mm测试气体AIIC0.25乙炔BIIC0.28氢气CIIB0.65乙烯DIIA0.90丙烯/I1.12甲烷由图中可以看出甲烷的MESG值为1.22mm，据此则可以选择相应的阻火元件。阻火器型号的选取：本文设计的阻火器型号选取耐烧型法兰连接型的，设计安装位置在气体进入火炬燃烧之前的排气口，法兰连接是按照管道内径规格命名的，分别有DN15、DN20、DN25、DN40、DN50、DN80、DN100、DN150、DN200、DN250等几种规格，因输气管道直径为200mm，因此本设计阻火器型号选取DN200的。根据需要，本设计采用GZW-200型号的管端防爆型阻火器（生产厂家：上海电力阀门制造有限公司），其参数型号见表1.7。表1.7GZW-200型管端阻火器技术参数型口管道阻火器外形尺寸（mm）螺栓号径KDDLL数量螺纹GZW-200DN20029534052042012M201.4.7火炬可用于填埋气体氧化的火炬设备有两种，一是封闭式火炬，填埋气体在封闭式火炬中的燃烧是在一个温度控制仓中进行的，这种火炬对于甲烷是有很高的处理效率的可以达到99%，同时也能处理掉填埋气体中的有害气体污染物；二是传统开放式火炬系统，也叫烛台式火炬，这种火炬结构比较简单，价格也比较便宜，但是其缺点也是很明显的，它的燃烧效率比封闭式火炬低很多，大概只有50%左右。两种火炬相比的不同之处主要是，前者用“PCV/P