垃圾焚烧烟气处理工程加药系统的设计计算

徐 飞，刘亚伟，沈 龙

（安徽盛运环保工程有限公司，合肥 230000）

垃圾焚烧烟气处理工程加药系统的设计计算

徐 飞，刘亚伟，沈 龙

（安徽盛运环保工程有限公司，合肥 230000）

针对垃圾焚烧烟气净化中干法工艺加药系统输送物料的特性，拟定输送型式，设计系统布置示意图及主要部件布置，参照输送量选定固气比、输送风速及输料管路，并根据使用状态包括温度、压力、海拔等条件的变化，结合工程热力学原理及输送设备工作原理，指导垃圾焚烧烟气净化技术中相应设备型号的选择和应用。

稀相气力输送；罗茨风机；风量；风压；功率

环保部制定并会同国家质检总局联合发布新修订的《生活垃圾焚烧污染控制标准》于2014年7月1日起实施，此标准进一步提高了污染控制要求，而仅靠单一烟气处理工艺很难达到排放标准。目前国内生活垃圾焚烧厂采用的主要方式是“半干法 + 干法”或“干法 + 湿法”，其中大多采用的是“半干法 + 干法”工艺（见图1），能将脱酸药剂以及吸收药剂按控制要求稳定有效地喷入系统袋式反应器内，是烟气净化处理的基础工艺。

图1 半干法 + 干法处理工艺

1 物料分析

垃圾焚烧烟气中的酸性污染物含氯化氢、氟化氢、硫氧化物、氮氧化物等，脱酸所用的脱酸药剂包括熟石灰（Ca（OH）2）和碳酸氢钠（NaHCO3）[1]。而对于烟气中的重金属和二英等成分，通过反应助剂或活性炭吸附去除。为提高反应效率和吸附效率、降低药剂的使用量和减少飞灰的产生量，药剂要求采用比表面积大、孔隙率高、含水分低的细粉末，对于此类松散粉状物料和处理工艺，输送型式采用低压压送式稀相气力输送[2]，具体输送系统一般配置如图2所示。

图2 低压压送式气力输送装置

2 初步确定输送参数

2.1 输送量的确定

本文所说的输送量为垃圾焚烧烟气净化药剂实际所需量：

式中：

GS— 实际所需药剂单位时间消耗量，kg/min；

Gd—工艺计算中药剂单位时间消耗量，kg/min；

K1—物料不均匀系数，与工艺过程特点、物料发送机械型式有关，如果物料通过供料器送入输送线，则K1= 1.15～1.2；

K2—考虑远景发展的系数，K2= 1.0～1.25。

2.2 输送风量的计算

气力输送设计中单位时间内输送物料的量与输送所需空气量的比值称为固气比[3]。其是确定输送设备型号和尺寸的原始数据，对整个设备输送的经济性有较大的影响，因此，确定输送风量时首先得考虑固气比预算。

式中：

由式②可知，在物料输送量GS一定的情况下，值越大，越小，可选用较低风量输送设备及管径较小的管道，但在靠动压悬浮输送的状态下，输送管道较易堵塞，增加管道阻力，因此选取合适的固气比至关重要。对于垃圾焚烧厂的中短距离输送，为保证稳定的悬浮流，值在0.5～4之间（实际根据烟气中酸性气体含量在线调节给料量，m值在一定范围波动）。

由②式推倒出单位时间内所需空气体积流量：

式中：

固气比选定不变时，高原地区须保证与标况下相同的空气质量流量，把④式代入③式，换算成相应体积流量。

2.3 输送风速选取

物料在管道中靠气流的动能输送，当固气比很低且输送风速很高时才会出现悬浮流，若输送风速过低，则易形成脉动流，使摩擦阻力增大，且可能引起管道堵塞。反之，当输送风速过高，能耗增加，管道阻力升高并且颗粒对管道及弯头的磨损加剧。对于物料容重为0.8～1.1t/m3，在DN40-DN80管路中物料输送速度在15～18m/s，物料速度在管内较均匀分布。对于细粉料的稀相输送，在进入等速段后，可认为气体速度约等于物料速度。

气力输送过程在垂直上升的管道中，因空气动力与物料浮重处于同一直线上，所以当管道内气流速度Va要大于物料的悬浮速度Vt时才可输送。而在水平管道中，空气流动方向与物料浮重相垂直，使得固体颗粒物在水平管道内的悬浮运动很复杂，目前缺乏定量研究，选择输送风速时悬浮速度只做参考，“经济速度”一般取悬浮速度1.5～2.5倍即能输送。在无经验数据的情况下，输送速度用下式估算，各药剂的主要物理特性及气流输送速度可参见下表。

式中：

—气流输送速度，m/s；

α—被输送物料粒度系数，对于粒径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—物料的特性系数β=（2-5）×10-5，干燥灰状物料可取小值；

L — 输送距离，m。

当L≤100m，上式βL很小，可忽略不计。

2.4 管径选择

各药剂的主要物理特性及气流输送速度表

式中：D — 输送管内径,m。

输送管道采用国标低压流体输送焊接管，为降低压损及管道堵塞，计算所得管径根据国家标准选用大一号（或二号）规格尺寸，当内径尺寸选定后，重新计算输送风速，验证气流速度。

2.5 输送压力损失

输送系统压力损失主要是由过滤器、消音器、阀门、加速器、管道、弯头、进出气口等产生。

2.5.1 理想气体运动产生的压损 ，Pa

式中：

2.5.2 固气两相流运动产生的摩擦压损 ，Pa

式中：

由垂直向水平方向90°弯头，弯管出口速度比进口处减少1/5～1/3，由水平向垂直方向90°弯头，弯管出口速度比进口减少1/2.5～1/2；输送过程尽量减少弯头，以免降速后弯头处存料堵塞。

式中：

对于细粉料的稀相输送，在进入等速段后，可认为气体速度约等于物料速度≈。

喷射式供料器出口风速达到100～340m/s，纯空气压力损失约1000Pa；在风速为25m/s时，消声器的经验压降为500～1000Pa，空气过滤器压降为500Pa；进气管压损250Pa；

综上所述，输送过程总压力损失：

以上计算结果作为选择气源参数的依据。

3 确定设备型号

3.1 所需风量

因管道系统和设备有一定的泄漏量，考虑裕量30%～50%，所需风量：

3.2 所需风压

根据输送总压力损失计算结果，考虑计算误差10%～30%，所需压力：

3.3 所需电机功率

式中：

低压压送式输送气源常用设备是罗茨风机（或其他气源），根据以上参数和风机产品目录选择合适风机型号。需要说明的是：因风机本身存在一定内泄量（与压缩比存在一定关系[5]），高海拔下为满足风量时，同一转速，风压和轴功率会降低，选择风压和功率时应计算修订值，根据修订后参数确定。

4 管路系统

4.1 管道材料

根据设计压力、使用温度以及经济性，输送金属管道采用低压流体输送用焊接钢管，常用材质Q235A，公称直径和壁厚符合现行GB/T3091-2008中的规格（考虑磨损腐蚀余量可选用加厚钢管）。对于非金属管道，耐磨性能高、强度高、弹性好的聚氨酯管以及钢衬复合管等也有较多应用。

4.2 管道布置

管道布置设计必须符合管道仪表流程图（PID）的设计要求，做到安全可靠，经济合理，并满足施工、操作、维修等方面的要求。具体管道布置要求应符合《化工装置设备布置设计工程规定》（HG20546.2）或者《工业金属管道设计规范》（GB50316-2000）的有关规定。

4.3 管道保温

有关管道保温的设计计算、材料选择及结构要求等可按现行国家标准《设备与管道保温技术通则》（GB/ T4272），《设备及管道保温设计导则》（GB/T8175），《工业设备及管道绝热工程设计规范》（GB50264）进行设计。当采用伴热管时，流体或管道材料不允许产生局部过热，在伴热管与被伴热管之间应采用隔热件隔开。隔热结构的外保护层应能有效地防止雨水进入隔热层内。

4.4 管道防锈及涂漆

地上管道的外表面防锈 一般采用涂漆，涂层类别应能耐环境大气的腐蚀。涂层的底漆与面漆应配套使用外有隔热层的管道一般只涂底漆。涂漆前管道外表面的清理 应符合涂料产品的相应要求当有特殊的要求时，应在设计文件中规定。涂漆颜色及标志可按现行国家标准《工业管路的基本识别色和识别符号》（GB7231）和有关标准执行，补充要求应在工程设计文件中规定。

5 结论

气力输送物料颗粒越细越易结块，对于含水分＞6%时更容易黏附和搭桥，通常颗粒较大且粒度分布较均匀的物料有利于流动，垃圾焚烧尾气净化多采用细粉料（粒径10～100μm）甚至超细粉料（粒径小于10μm）极易堵塞。为保证稳定悬浮流，应采用高输送风速和低固气比。

[1]孙向军，陈德珍.垃圾焚烧厂干法脱酸药剂的比较研究[J].环境卫生工程，2011，19（6）.

[2]周国庆，辛田.化工工艺设计手册：上册[M].北京：化学工业出版社，2009.

[3]黄学群.运输机械设计选用手册：下册[M].北京：化学工业出版社，2011.

[4]严家騤.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]蔡华锋，杨清峰，高敏.高海拔下罗茨风机参数的修正[J].水泥CEMENT，2010，12（4）.

[6]GB50264-2013，工业设备及管道绝热工程设计规范[S].

[7]GB50316-2000，工业金属管道设计规范[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