生活垃圾焚烧系统旋风分离器及烟气系统的设计方案

生活垃圾焚烧系统旋风分离器及烟气系统的设计方案1.1旋风分离器的简介旋风除尘器也称作离心力除尘器，是利用旋转的含尘气体所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出来的一种干式气-固分离装置。如图1.1所示，旋风除尘器一般由进气口、圆筒体、圆锥体、顶盖、排气管及排灰口等组成。当含尘气流由进气口进入除尘器后，绝大部分沿器壁以较高的速度（15～20m/s）自圆筒体呈螺旋形向下运动，同时有少量气体沿径向运动到中心区域，向下的旋转气流称为外旋流（或外涡旋）。在旋转过程中产生离心力将密度大于气体的尘粒甩向器壁，尘粒一旦与器壁接触，便失去其惯性而靠入口速度的动量和向下的重力沿壁面下滑，直至从排灰口排出。外旋气流在到锥体时，因圆锥形的收缩而向除尘器中心靠拢，根据“旋转矩”不变原理，其切向速度不断提高；当气流达到锥体下端某一位置时，即以同样的旋转方向折转沿除尘器的中心轴线由下向上继续做螺旋运动，形成内旋流（或内涡旋），最后净化气经排气管排出除尘器外[8]。图1.1旋风除尘器的一般结构组成示意图1.2旋风分离器结构的设计循环流化床的旋风分离器由于850～950℃的高温，不能采用金属结构；由于铺设耐火材料，筒体直径不能太小；由于磨损和支撑问题，排气管的长度较短；由于要布置返料装置，圆形筒体的长度也较短。正因为这样的一些特点，需采用高温旋风分离器，其设计参数如图1.2所示，且其设计比例与工业旋风分离器的尺寸比例有所不同，高温旋风分离器的设计计算如下[12,15]。图1.2旋风分离器结构尺寸1.2.1入口风速确定入口风速一般取18～35m/s。本设计中取入口风速为25m/s。1.2.2旋风筒直径的计算(5-1)(5-2)(5-3)式中：——旋风筒直径，m；——气体流量，；N——分离器的个数；——进口高度，m；b——进口宽度，m；——进口速度，。在本设计中，烟气温度为850℃，烟气流量取100，气固混合物浓度为10，循环物料的含碳量为1.5%，碳密度为1300，灰粒密度为2400，且=0.5，=0.25，故：m根据工业旋风分离器的设计经验，如表1.1所示，取高温旋风分离器的尺寸比例如下，并计算如下。mmmmmmm表1.1商用高温旋风分离器的比例尺寸序号半椎角/10.750.7250.470.61.753.90.14611.6°1.4620.830.330.450.6261.081.80.5218.7°7.730.812.794.341.841.012.371.91.2.3导流片结构旋风除尘器内导流片的常用结构有螺旋型和花瓣型如图1.3所示：螺旋型导流片阻力较低，不易被堵塞，除尘效率则较花瓣型导流片低。花瓣型导流片虽有较高的除尘效率，但容易堵塞。导流片和旋风子的倾角采用25°或30°。倾角25°有利于提高除尘效率，但是，压力损失要比倾角为30°的大。本设计选择倾角为25°的螺旋型导流片。图1.3旋风除尘器的导流片结构1.2.4离心力沉降速度计算(5-4)式中：——离心力的沉降速度，；——气体动力黏度，；——重力加速度，；——固体颗粒的密度，；——气体密度，b——旋风分离器的进口宽度，m；——旋风筒直径，m；——进口速度，。离心力的沉降速度用于校核进口速度。其中：，，，。m/s入口速度小于沉降速度，入口速度选取合理。1.2.5气流旋转圈数气流旋转圈数按图1.4选取，。图1.4气体的旋转圈数和进口速度的关系1.2.6理论切割直径(5-5)对灰粒：炭粒的切割直径为：1.2.7理论分级分离效率理论分级分离效率与粒径的关系如图1.5所示，固粒浓度对分级效率的修正如图5-6所示，分离效率见表1.2。图1.5粒径与分级效率的关系图1.6固粒浓度对分级效率的修正表1.2(a)分离效率计算（灰）（按浓度修正）0.027.50.190.100.100.0020.06120.300.220.700.0420.05170.430.340.930.04650.10260.660.510.960.0960.10471.190.700.9850.09850.05721.830.820.990.04950.501122.840.870.9920.4960.121704.310.950.9950.1194合计0.95表1.2(b)炭的分离效率计算（灰）（按浓度修正）0.05120.220.160.160.0080.05200.370.290.800.040.05320.600.480.950.04750.30591.100.670.9850.29550.201031.930.890.9930.19860.203807.101.001.000.200.15110020.561.001.000.15合计0.94进入旋风分离器的灰量为：飞灰量：循环灰含碳量为：飞灰含碳为：飞灰含碳率为：1.2.8旋风分离器的压降计算(5-6)(5-7)式中：——阻力系数；——旋风分离器的压力损失，Pa；——气体进口速度，。当切向进风时，K=16，a=2.83，b=1.625，m，，，则：(Pa)1.3旋风分离器耐火材料的铺设旋风分离器的工作条件是非常恶劣的，既要承受大量的高温粒子的冲击磨损，又要承受运行时的温度变化和本体的振动等。因此，旋风分离器中耐火材料的铺设必须要解决磨损、黏结性和热膨胀冷缩等三个问题。高温旋风分离器制作的初始阶段，设计上是采用了与石油化工行业相同的做法，用耐火水泥做粘接材料，用不锈钢锚或销钉固定两层耐火保温材料在钢外壳上。耐火材料的工作坚硬耐磨，一般150～200mm厚，柔软的绝热层位于钢外壳和工作层之间，金属锚的长度一般为200～250mm，金属锚的间距一般为耐火工作层厚度的1.5～2倍。本设计中旋风分离器采用膜式水冷壁结构，需要耐火层的厚度较薄，一般为40～150mm，故取100mm厚的耐火层[12]。1.4烟气净化工艺选择烟气净化工艺主要是去除烟气中的固体颗粒、烟尘、硫氧化物、氮氧化物、氯化氢等有害物质，以达到烟气排放标准，减少环境污染。焚烧废物中的有毒有害气体（氯化氢、硫氧化物、氮氧化物、重金属及二噁英等），去除这些物质的方法及工艺比较复杂，因此，垃圾焚烧厂所应用的烟气净化工艺都是根据这些污染物的净化原理去除。焚烧厂的烟气污染控制设备和处理流程可分为干式、半干式或湿式三类。本设计中采用半干式净化工艺。半干式洗气是使废气中的污染物与碱液进行反应，形成固态物质被去除的一种方法。半干式装置一般设置在除尘器之前，无需废水处理设施，但要充分考虑固态物质的干燥问题，防止固态物质收集时发生堵塞与黏附。半干法净化工艺的组合形式一般为喷雾干燥吸收塔+除尘器，石灰经过磨碎后形成粉末状吸收剂，加入一定量的水形成石灰浆液。讲也随后被高速转盘雾化器或空气物化喷嘴雾化，雾滴在喷雾干燥吸收反应塔内与热烟气相接触，雾化的细颗粒在完成对气态污染物净化的同时经历着以下三种传质传热反应过程：(1)酸性气体从气相向雾滴表面的传质；(2)酸与液滴上的Ca(OH)2反应；(3)雾滴上水的蒸发。在该过程中，雾滴表面气液界面的化学反应速度极快，因此HCl、HF和的净化效率主要取决于：(1)HCl、HF和SO2的气膜传质速率；(2)酸性气体通过不断增加的反应生成物层的扩散速率。随后，浆液中的水分在高温作用下蒸发，残余物则以干态的形式从反应器底部排出。携带有大量颗粒物的烟气从反应器排出后进入静电除尘器，净化后的烟气从烟囱排入大气。除尘器捕获的颗粒物作为最终的固态废物排出。为确保污染物的有效净化，烟气在反应塔中的停留时间不小于12s。为了节约吸收剂的用量，反应器底部排出的残余物可返回系统内部循环使用，表1.3为半干法净化工艺对PCDDs/PCDFs的去除效率的比较[4]。表1.3半干法净化工艺对PCDDs/PCDFs的去除效率污染物种类不同工艺组合的去除效率半干法+静电除尘器半干法+袋式除尘器（高温）半干法+袋式除尘器（低温）PCDDs＜52＞97TCDD4875＞99.6Penta-CDD5193＞99.5Hexa-CDD7382＞99.6Hepta-CDD83NA＞99.8OCDD89PCDFsTCDF8598＞99.4Penta-CDF8488＞99.6Hexa-CD8286＞99.7Hepta-CDF8392＞99.8OCDF85NA＞99.81.5垃圾焚烧烟气排放标准生活垃圾焚烧烟气净化之后，其中人含有少量的污染物从烟囱排入大气，这部分污染物的排放必须要达到国家规定的排放标准，也就是说，排放烟气中各种污染物的浓度和排气量要小于排放标准中的规定限值。焚烧烟气污染物的排放标准为清洁的处理生活垃圾、防止二次污染提供了技术依据。2007年10月31日国家环保局颁布了《生活垃圾焚烧污染控制标准》（DB11/502—2008）,其中规定了生活垃圾焚烧大气排放的限值，见表1.4。表1.4