垃圾焚烧发电基础工艺设计参数的计算方法.doc

垃圾焚烧发电工艺设计参数计算方法浙江旺能环境保护股份 作者：周玉彩摘 要：本文介绍了垃圾焚烧发电炉排炉、汽轮机组工艺设计参数计算方法。关键词：参数、垃圾、焚烧 、炉排、汽轮机组。 前 言：生活垃圾焚烧发电应用于环境保护领域，实现城市生活垃圾无害化、减量化、减容化和资源化、智能化处理，达成节能减排之目标。在生活垃圾焚烧发电工艺设计步骤中首优异行垃圾焚烧发电炉排炉工艺设计参数计算，为后续设计提供参数依据。一、生活垃圾焚烧炉排炉工艺设计参数计算1、待处理生活垃圾性质1.1待处理生活垃圾关键组成成份表1：待处理生活垃圾性质生活垃圾含水率(%)含灰率(%)可燃物(%)密度（t/m3）LHV低位热值（kJ/kg）设计值47.421.77 30.930.355800适用范围30-600.30-0.604186-6700表2：待处理生活垃圾可燃物元素分析（应用基）%项目CHONSCI累计含量20.60.9 8.530.10.120.6830.93表3：要求设计关键参数项目垃圾处理量t/d垃圾存放时间d年正常工作时间h烟气停留时s燃烧室出口温度参数100057800028501000 1.2 依据垃圾元素成份计算垃圾低位热值：LHV=81C+246H+26S-26O-6W (Kcal/Kg) =81*20.6+246*0.9+26*0.12-26*0.12-6*47.4=1388(Kcal/Kg)*4.18=5800(KJ/Kg)。1.3依据垃圾元素成份计算垃圾高位热值：HHV=LHV+600*(W+9H)*4.18=1388+600(0.474+9*0.009)*4.18=7193.78(KJ/Kg)。2、处理垃圾规模及能力 焚烧炉3台: 每台炉日处理垃圾350t； 处理垃圾量： 1000t/24h=41.67（t/h）； 炉系数： （8760-8000）/8000=0.095； 实际每小时处理生产能力：41.67*（1+0.095）=45.6（t/h）； 整年处理量： 45.6*8000=36.5*104t；故:每台炉每小时处理垃圾量：350/24*1.05=15.3（t/h）。3、 设计参数计算： 3.1垃圾仓设计和部署已知设计中焚烧炉长度L=75.5米，宽D=18.5米，取垃圾仓内壁和炉长度对齐,T=5d,垃圾堆积密度取0.35t/m3 求：垃圾容积工程公式：V=a*T 式中： V-垃圾仓容积m3；a- 容量系数，通常为1.21.5，考虑到因为垃圾仓存在孔角，吊车性能和翻仓程度和有效量缺点，造成垃圾仓可利用有效容积小于几何容积；T- 存放时间，d；依据经验得出适合燃烧存放天数，它随地域及季节稍有改变； V=a*T=1.2*5*1000/0.35=17142.86（m3 ）。 故：垃圾仓容积设计取18000（m3）。 垃圾仓深度为HmHm=L*D/V=18000/75.5*18.5=12.88（m）。故：垃圾池全封闭结构，长75.5米，宽18.5米，总深度以6米卸料平台为基准负13米。3.2焚烧炉选择和计算（1）焚烧炉加料漏斗焚烧炉加料漏斗挂在加料漏斗层，经过垃圾吊车将间接垃圾供料变为均匀加料，漏斗容积要能满足“1h”内最大焚烧量。垃圾经过竖溜槽送到给料机，垃圾竖溜槽可经过液压传动闸板关闭，竖溜槽尺寸选择要满足溜槽中火焰密封闭合，给料机依据要求向焚烧炉配送垃圾，每台炉安装配合给料机传动用液压汽缸，液压设备由每台炉生产线控制中心控制。 料斗容积VDVD=G/24*Kx/L式中： VD-料斗容积（m3）；G- 每台炉日处理垃圾量，（t/h）； Kx-可靠系数，考虑吊车在炉焚烧垃圾速度等原因，通常取1.5；L-垃圾容量，通常0.30.6 （t/m3）取0.45（t/m3）； VD=15.3t/h*1.5/0.45 =51（ m3） 。故：加料漏斗容积按51m3设计而且斗口尺寸应大于吊车抓斗直径1.5倍。 （2）燃烧空气量及一次、二次助燃空气量计算 以单位重量燃烧所需空气量以容积计算 a、理论空气量由公式：L0=(8.89C+26.7H+3.33S-3.33O)*10-2 （Nm3/kg）；把表2待处理垃圾各元素含量值代入上式 ： L0=（8.89*20.6+26.7*0.9+3.33*0.12-3.33*8.53）*10-2=1.8（Nm3/kg ）。 b、实际空气需要量:Ln=N*L0 式中: N-空气过剩系数，确保垃圾空气，通常要求燃烧过程空气过剩系数在1.8左右，本设计中空气过剩系数取1.8；Ln=1.8*1.8=3.24（ Nm3/kg）。 以单位重量燃烧所需空气量以重量计算 a、理论空气量由公式：L0=(11.6C+34.78H+4.35S-4.35O)*10-2 （kg/kg）；把表2待处理垃圾各元素含量值代入上式 ： L0=（11.6*20.6+34.78*0.9+4.35*0.12-4.35*8.53)*10-2 =2.34（kg/kg）。 b、实际空气需要量:Ln=N*L0 式中: N-空气过剩系数，确保垃圾空气，通常要求燃烧过程空气过剩系数在1.8左右，本设计中空气过剩系数取1.8；Ln=2.34*1.8=4.21（kg/kg）。 C、设计焚烧炉每小时燃烧垃圾所需空气总重量为Gw=4.12*15.3*103=63036 (kg/h)。 设计焚烧炉每小时燃烧垃圾所需空气总量为L=G* Ln （Nm3/h）；式中: G- 每台炉日处理垃圾量，（t/h）； Ln-实际空气需要量, （ Nm3/kg）； L=15.3*103* 3.24=49572（Nm3/h）。故：设计焚烧炉每小时燃烧垃圾所需空气量为49572（ Nm3/kg）。设计二次风流量占整个助燃空气量25%，求得二次风助燃空气量L空2=L*2%（Nm3/h）；L空2=L*2%=49572*25%=12393（Nm3/h）；L空1=49572-12393=37179（Nm3/h）。故：设计一次风助燃空气量为37179（Nm3/h），二次风助燃空气量为12393（Nm3/h）。（3）燃烧产物烟气量以单位重量燃烧产生总烟气量以容积计算 焚烧垃圾炉产物生成量及成份是依据燃烧反应物质平衡进行计算，求1kg生活垃圾完全燃烧后产生烟气量LvLv=(m-0.21)L0+1.867C+0.7S+0.8N+11.2H+1.24W+0.62C1 (Nm3/kg)；=(1.8-0.21)*1.8+1.867*0.206+0.7*0.0012+0.8*0.001+11.2*0.009+1.24*0.474+0.62*0.0068(Nm3/kg)；=3.945(Nm3/kg)；a、 空气中含水量=实际空气量*空气中水分含量 =3.24*0.015=0.0486(Nm3/kg)；b、 燃烧干烟气量=总烟气量-空气中含水量-垃圾中含水量-氢燃烧产生水量 =3.945-0.0486-0.474-9*0.009=3.34(Nm3/kg)。 以单位重量燃烧产生总烟气量以重量计算Lw=（m-0.2）L0+3.667C+2S+N+9H+W+1.03CI（kg/kg）； =(1.8-0.2)1.8+3.667*0.206+2*0.0012+0.001+9*0.009+0.474+1.03*0.0068 =4.2（kg/kg）。（4）生活垃圾焚烧每小时排渣量及飞灰量渣量为生活垃圾中灰渣量和未燃可燃物量之和，灰渣热灼减率为5%，则求每小时排渣量ahzahz=Gr垃圾*A/（100%-5%） t/h；式中 ： Gr垃圾 -每小时焚烧垃圾量，15.3t/h； A-垃圾中渣含量，取20.5%；ahz=15.3*20.5%/95%=3.3（t/h）。故：设计出渣量能力为3.3t/h。 炉渣贮坑：通常渣库贮坑按3天容量设计,Vzk=3.3*24*3*3=712.8（t/3d ）。 故:设计渣贮坑容量为3天贮渣720吨。飞灰含量afh为处理垃圾量0.55%，按5%量取， afh=G垃圾*5%=0.765 （t/h）。故：设计每台炉飞灰含量为0.77 t/h。每小时燃烧产物烟气量为：m烟m烟=（G垃圾+G空）-（ahz+ath）=15.3+63.036-3.3-0.77=74.266（t/h）。故：每小时燃烧产物烟气量为74.266t/h （标准状态下）。表4：物料计算平衡表收入物料支出物料符号项目数值符号项目数值t/h%t/h%G垃圾垃圾量15.319.53my排烟量74.26694.8G燃辅助燃料00ahz渣3.34.21G空空气63.03680.47afh飞灰0.770.99G入累计78.336100G出累计78.336100（5）垃圾焚烧炉能量平衡依据垃圾焚烧炉系统平衡条件，力学第一定律能量守恒定律得：Q1入+Q2入+ Q3入+Q4入=Q1出+ Q2出+ Q3出+ Q4出+ Q5出式中：Q1入-生活垃圾显热量，Kcal/kg；Q2入-预热空气带入热量，Kcal /kg；Q3入-外部热源输入热量，Kcal/kg；Q4入-单位垃圾完全焚烧时所放出热量，Kcal/kg；Q1出-烟道气热损失，KJ/h；Q2出-喷入炉内水蒸气所造成热损失，Kcal/ kg；Q3出-不完全燃烧气体所造成热损失，Kcal/ kg；Q4出-焚烧炉渣及飞灰带走物理损失，Kcal/kg； Q5出-辐射热损失，Kcal/kg；Q5出-不完全燃烧热损失，Kcal/kg；输入热量计算1）进入焚烧炉内垃圾完全焚烧时所输入热量进入垃圾炉焚烧垃圾总热量为完全燃烧热量和显热量之和；Q1入=（单位垃圾量）*（垃圾比热值）*（垃圾进料温度）（Kcal/kg）；=1*0.732*25=18.3 （Kcal/kg）；2)预热空气带入热量Q2入=（实际所需空气量）*（预热空气比热）*（预热空气温度）（Kcal/kg）； =3.24*0.314*250=254.34（Kcal/kg）；3）无外部热源输入热量Q3入=04）单位垃圾完全焚烧时所放出热量Q4入=1388 (Kcal/Kg)； 锅炉输入总热量QIN= Q1入+Q2入+ Q3入+Q4入=18.3+254.34+0+1388=1660.64(Kcal/Kg)。故：输入热量Q入=1660.64(Kcal/Kg)。 输出热量计算1）烟道气热损失烟道气热损失=燃烧干烟气量*烟气平均比热*（炉排烟气出口温度-基准温度）(Kcal/Kg)；Q1出=3.34*0.355*（250-25）=266.78(Kcal/Kg)。故：排烟道气热损失Q1出=266.78(Kcal/Kg)。2）喷入炉内水蒸气所造成热损失无喷入炉内水蒸气Q2出=0；3） 不完全燃烧气体所造成热损失Q3出=（1-燃烧效率）*（垃圾含碳量-炉灰含碳量）*（碳不完全燃烧损失）(Kcal/Kg)； =（1-0.99）*（0.206-0.05）*5700=8.89(Kcal/Kg)；4） 焚烧炉渣及飞灰带走物理损失炉灰残留热量=灰分含量*灰分比热*（灰分温度-基准温度）(Kcal/Kg)；Q4出=0.206*0.25*（400-25）=19.31(Kcal/Kg)；5）辐射热损失通常设计生活垃圾焚烧炉中通常按供入热量2%考虑；Q5出=1660.648*0.02=33.21(Kcal/Kg)；6)不完全燃烧热损失垃圾内碳完全燃烧发烧量*炉灰含碳量*垃圾含碳量(Kcal/Kg)； Q6出=7700*0.05*0.206=79.31(Kcal/Kg)；累计: Q出 =Q1出+ Q2出+ Q3出+ Q4出+ Q5出+ Q6出=266.78+0+8.89+19.31+33.21+79.31=407.5(Kcal/Kg)。故：总损失热能量为407.5 (Kcal/Kg)。Q总热量净值=锅炉输入总热量QIN-总损失热能量Q出 (Kcal/Kg)；=1660.64-407.5=1253.14(Kcal/Kg)。（6）锅炉热效率：有效 =1-Q出 /(LHV+ Q1入+ Q2入）*100%=1-407.5/(1388+18.3+254.34）*100%=75.5%65%（符合要求）。表5：机械炉排炉生活垃圾焚烧炉热平衡表收 入支 出项 目符号数 值项 目符 号数 值Kcal/Kg%Kcal/Kg%垃圾燃烧热Q1入1406.385烟道气热损失Q1出266.7816.06空气带入热Q2入254.3415不完全燃烧热损失Q3出8.890.535炉渣、飞灰带走损失Q4出19.311.162辐射热损失Q5出 33.211.999不完全燃烧热损失Q6出 79.314.775能量净值Q1253.1475.469Q收入总计 1660.64100Q支出总计 1660.64100（7）蒸汽产气量计算 已知：过热器出口压力4Mpa,温度420，焓值h420=789.6Kcal/Kg,集汽联箱入口给水温度150，焓值h150=150Kcal/Kg,；每小时垃圾焚烧量为15300 Kg/h，垃圾单位重量能量净值1253.14cal/Kg，求每小时蒸汽产汽量S (Kg/h)。 S=(垃圾单位重量能量净值*每小时垃圾焚烧量)/（焓降差值h420- h150） =（1253.14*15300）/（789.6-150）=29981.3（Kg/h）故：锅炉额定连续蒸汽蒸发量按30 t/h设计。（8）炉排机械负荷 护排机械负荷是表示单位炉排面积垃圾燃烧速度指标，即单位炉排面积，单位时间内燃烧垃圾量，kg/(m2.h)Gf=G/t.A 式中： Gf-炉排机械负荷，kg/(m2.h)；G-垃圾燃烧量kg/d；t-运行时间，h/d；A-炉排面积，。 已知：焚烧炉处理能力G=15.3（t/h），运行时间t=二十四小时，单台焚烧炉机械负荷Gf=150350 kg/(m2.h)，取185 kg/(m2.h)，求：单台焚烧炉排面积:AA=G/t.Gf=15.3*103/185=82.7()。故：焚烧炉炉排面积按82.7平方米设计。（9）燃烧室热负荷qv 燃烧室热负荷是衡量单位时间内单位容积所承受热量指标，燃烧容积为一、二次燃烧室之和。燃烧室热负荷大小即表示燃烧火焰在燃烧室内充满程度，燃烧室太小，燃烧室内火焰过于充满，炉温会过高，从而炉壁耐火材料轻易损伤，烟气炉内停留时间也不够，轻易引发不完全燃烧，严重时会造成一氧化碳，在后续烟道中再燃烧，炉壁和炉排上也易熔融结块；燃烧室过大时，热负荷偏小，炉壁过大，炉温偏低，炉内火焰充满不足，燃烧不稳定，也轻易使焚烧炉灰渣热灼量值偏高。连续运行焚烧炉热负荷值通常在3.36*1056.3*105KJ/(m3.h)范围，取qv=4.4*105 KJ/(m3.h) 。 qv=mQd+CpkLn(ta-t0)/V 式中： m- 单位时间垃圾燃烧量，kg/d；Qd-垃圾平均低位热值，KJ/kg；Cpk- 空气平均定压比热容，KJ/（m3.）；Ln-单位质量垃圾取得平均燃烧空气量，m3/kg（标准状态）；ta-预热空气温度；t0-环境温度，； V- 燃烧容量积，m3；已知：焚烧炉单台处理能力m=15.3t/h=1.53*104kg/h, Qd=5800KJ/kg, t0=20, ta=250, Ln=3.16 m3/kg, Cpk=1.30 KJ/（m3.）, qv=4.4*105 KJ/(m3.h),求得燃烧室容积:VV= mQd+CpkLn(ta-t0)/ qv=1.53*1045800+1.3*3.16（250-20）/4.4*105=234.5m3。 故：焚烧炉燃烧容积按235立方米设计。二、依据计算得出垃圾炉性能指标及设计参数 焚烧炉 3台日处理垃圾: 1000t ； 年处理垃圾: 45.6*8000=36.5*104 t ； 每台炉每小时烧垃圾量: 15.3t/h； 焚烧炉燃烧容积： 235m3； 焚烧炉排面积: 82.7； 烘干区、燃烬区垃圾厚度: 0.30.5m; 燃烧区料层厚: 0.50.8m;炉渣热灼减率 : 5%；烟气在炉膛内二次燃烧室温度: 850；烟气在炉膛内二次燃烧室停留时间：2秒 ； 设计垃圾热值LHV: 1388Kcal/kg(5800 kJ/kg)；余热锅炉: 3套；余热锅炉过热汽蒸发量: 30t/h.台，（30*3=90 t/h）；余热锅炉过热汽温度: 400；余热锅炉蒸汽压力: 4.0MPa；锅筒工作压力： 4.4MPa；锅炉给水温度: 150；焚烧炉及余热锅炉热效率: 75.5%；年运行小时： 8000h；一次风流量： 37179（Nm3/h）；一次风温度： 250；二次风流量： 12393（Nm3/h）；二次风风温度： 230 。三、依据计算得出汽轮发电机组配套设计参数汽轮机依据蒸汽压力不一样设13个定压,定量抽汽口,供加热助燃空气和给水加热,以提升整个垃圾焚烧厂热效率，抽汽用途和发电系统无关故设计为纯冷凝式汽轮机组。1、设计点电功率（Ps）公式 Ps=(Qs*Gr*1000*0.22)/（24*3600）(kW)；式中： Qs入炉垃圾按高位热值设计值，kJ/,7193.8 kJ/； Gr垃圾焚烧发电厂日处理入炉垃圾量，1000t/d,（1000*1000/d）； 0.22该垃圾焚烧发电厂热效率； 24二十四小时； 设计点电功率（Ps） Ps=(7193.8*1000*1000*0.22)/（24*3600）=18317.55kW。故：设计2套*9MW机组=18000kW。额定功率9MW含有两级非调整抽汽凝汽式汽轮发电机组。 2、汽轮机组设计参数 汽轮机组设计 2套；额定进汽压力 3.85MPa；额定进汽温度 390；汽轮机进汽量 45 t/h.台；（45*2=90 t/h，炉产量=汽轮机组进气量）；一级非调抽汽量 4.3 t/h 、 压力1.2MPa 、 温度260；二级非调抽汽量 4.3 t/h 、 压力0.5MPa 、 温度184；排汽压力 0.007 MPa 。参考文件:1城市生活垃圾焚烧处理技术.北京:中国建筑工业出版社.2CJJ90.生活垃圾焚烧处理工程技术规范.城市建设研究院.3GB/T18750.生活垃圾焚烧锅炉及余热锅炉.北京.