1、1垃圾焚烧发电工艺设计参数的计算方法浙江旺能环保股份有限公司 作者：周玉彩摘 要：本文介绍了垃圾焚烧发电炉排炉、汽轮机组工艺设计的参数计算方法。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，实现城市生活垃圾的无害化、减量化、减容化和资源化、智能化处理，达到节能减排之目的。在生活垃圾焚烧发电工艺设计流程中首先进行垃圾焚烧发电炉排炉工艺设计参数的计算，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的计算1、待处理生活垃圾的性质1.1 待处理生活垃圾主要组成成分表 1：待处理生活垃圾的性质生活垃圾 含水率(%) 含灰率(%) 可燃物(%) 密度
2、（t/m 3） LHV 低位热值（kJ/kg）设计值 47.4 21.77 30.93 0.35 5800适用范围 30-60 0.30-0.60 4186-6700表 2：待处理生活垃圾可燃物的元素分析（应用基）%项目 C H O N S CI 合计含量 20.6 0.9 8.53 0.1 0.12 0.68 30.93表 3：要求设计主要参数项目 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 1000 57 8000 2 85010001.2 根据垃圾元素成分计算垃圾低位热值：LHV=81C+246H+26S-26O-6W (Kcal/Kg)=81*20.
3、6+246*0.9+26*0.12-26*0.12-6*47.4=1388(Kcal/Kg)*4.18=5800(KJ/Kg)。1.3 根据垃圾元素成分计算垃圾高位热值：HHV=LHV+600*(W+9H)*4.18=1388+600(0.474+9*0.009)2*4.18=7193.78(KJ/Kg)。2、处理垃圾的规模及能力焚烧炉 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） ； 全年处理量： 45.6*80
4、00=36.5*10 4t；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 垃圾仓的设计和布置已知设计中焚烧炉长度 L=75.5 米，宽 D=18.5 米，取垃圾仓内壁与炉长度对齐,T=5d,垃圾的堆积密度取 0.35t/m3求：垃圾的容积工程公式：V=a*T 式中： V-垃圾仓容积 m3；a- 容量系数，一般为 1.21.5，考虑到由于垃圾仓存在孔角，吊车性能和翻仓程度以及有效量的缺陷，导致垃圾仓可利用的有效容积小于几何容积；T- 存放时间，d；根据经验得出适合燃烧存放天数，它随地区及季节稍有变化；V=a*T=1.2*5*1000/0.35
5、=17142.86（m 3 ） 。 故：垃圾仓的容积设计取 18000（m 3） 。垃圾仓的深度为 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 焚烧炉的选择与计算（1）焚烧炉的加料漏斗焚烧炉的加料漏斗挂在加料漏斗层，通过垃圾吊车将间接垃圾供料变为均匀加料，漏斗的容积要能满足“1h”内最大焚烧量。垃圾通过竖溜槽送到给料机，垃圾竖溜槽可通过液压传动闸板关闭，竖溜槽的尺寸选择要满足溜槽中火焰密封闭合，给料机根据要求向焚烧炉配送垃圾，每台炉安装配合3给料机传动用液
6、压汽缸，液压设备由每台炉生产线控制中心控制。料斗的容积 VDVD=G/24*Kx/ L式中： V D-料斗的容积（m 3） ；G- 每台炉日处理垃圾的量， （t/h） ；Kx-可靠系数，考虑吊车在炉焚烧垃圾的速度等因素，一般取 1.5； L-垃圾容量，一般 0.30.6 （t/m 3）取 0.45（t/m 3） ； VD=15.3t/h*1.5/0.45 =51（ m 3） 。故：加料漏斗容积按 51m3设计并且斗口尺寸应大于吊车抓斗直径的 1.5 倍。（2）燃烧空气量及一次、二次助燃空气量的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：L 0=(8.89C+26.7H+3.33
7、S-3.33O)*10-2 （Nm 3/kg） ；把表 2 待处理垃圾各元素的含量值代入上式 ：L0=（8.89*20.6+26.7*0.9+3.33*0.12-3.33*8.53）*10 -2=1.8（Nm 3/kg ） 。 b、实际空气需要量:Ln=N*L 0 式中: N-空气过剩系数，确保垃圾空气，一般要求燃烧过程的空气过剩系数在 1.8左右，本设计中空气过剩系数取 1.8；Ln=1.8*1.8=3.24（ Nm 3/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：L 0=(11.6C+34.78H+4.35S-4.35O)*10-2 （kg/kg） ；把表 2 待处理
8、垃圾各元素的含量值代入上式 ：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*L 0 式中: N-空气过剩系数，确保垃圾空气，一般要求燃烧过程的空气过剩系数在 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 （Nm 3/h） ；式中: G- 每台炉日处理垃圾的量， （t/h） ；
9、4Ln-实际空气需要量, （ Nm 3/kg） ；L=15.3*103* 3.24=49572（Nm 3/h） 。故：设计焚烧炉每小时燃烧垃圾所需空气量为 49572（ Nm 3/kg） 。设计二次风流量占整个助燃空气量的 25%，求得二次风助燃空气量 L 空 2=L*2%（Nm 3/h） ；L 空 2=L*2%=49572*25%=12393（Nm 3/h） ；L 空 1=49572-12393=37179（Nm 3/h） 。故：设计一次风助燃空气量为 37179（Nm 3/h） ，二次风助燃空气量为 12393（Nm 3/h） 。（3）燃烧产物的烟气量以单位重量燃烧产生的总烟气量以容积计算
10、焚烧垃圾炉产物的生成量及成分是根据燃烧反应的物质平衡进行计算，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
11、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的总烟气量以重量计算Lw=（m-0.2）L 0+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的排渣量及飞灰量渣量为生活垃圾中灰渣的量和未燃的可燃物的量之和，灰渣的热灼减率为 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
12、垃圾量，15.3t/h；A-垃圾中的渣含量，取 20.5%；ahz=15.3*20.5%/95%=3.3（t/h） 。5故：设计出渣量能力为 3.3t/h。 炉渣贮坑：一般渣库贮坑按 3 天的容量设计,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为处理垃圾量的 0.55%，按 5%的量取， afh=G 垃圾 *5%=0.765 （t/h） 。故：设计每台炉飞灰含量为 0.77 t/h。每小时燃烧产物的烟气量为：m 烟m 烟 =（G 垃圾 +G 空 ）-（a hz+ath）=15.3+63.036-3.3-0.77=7
13、4.266（t/h） 。故：每小时燃烧产物的烟气量为 74.266t/h （标准状态下） 。表 4：物料计算平衡表收入物料 支出物料数值 数值符号 项目t/h %符号 项目t/h %G 垃圾 垃圾量 15.3 19.53 my 排烟量 74.266 94.8G 燃 辅助燃料 0 0 ahz 渣 3.3 4.21G 空 空气 63.036 80.47 afh 飞灰 0.77 0.99G 入 合计 78.336 100 G 出 合计 78.336 100（5）垃圾焚烧炉的能量平衡根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 +
14、Q2 出 + Q3 出 + Q4 出 + Q5 出式中：Q 1 入 -生活垃圾的显热量，Kcal/kg；Q2 入 -预热空气带入的热量，Kcal /kg；Q3 入 -外部热源输入的热量，Kcal/kg；Q4 入 -单位垃圾完全焚烧时所放出的热量，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的物理损失，Kcal/kg； 6Q5 出 -辐射的热损失，Kcal/kg；Q5 出 -不完全燃烧热损失，Kcal/kg；输入热量计算1）进入焚烧炉内的垃圾完
15、全焚烧时所输入的热量进入垃圾炉焚烧的垃圾的总热量为完全燃烧热量与显热量之和；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)预热空气带入的热量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）无外部热源输入的热量Q3 入 =04）单位垃圾完全焚烧时所放出的热量Q4 入 =1388 (Kcal/Kg)；锅炉输入总热量 QIN= Q1 入 +Q2 入 + Q3 入 +Q4 入=18.3+254.
16、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）*（碳不完全燃烧的损失）(Kcal/Kg)；=（1-0.99）*（0
17、.206-0.05）*5700=8.89(Kcal/Kg)；4）焚烧炉渣及飞灰带走的物理损失7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）辐射的热损失一般设计生活垃圾焚烧炉中一般按供入热量的 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热量*炉灰含碳量*垃圾含碳量(Kcal/Kg)；Q6 出 =7700*0.05*0.206=79.31(Kcal/Kg)；合计: Q 出 =Q1 出 + Q2 出 + Q3
18、 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 出数 值 数 值
19、项 目 符号Kcal/Kg %项 目 符 号Kcal/Kg %垃圾燃烧热 Q1 入 1406.3 85 烟道气热损失 Q1 出 266.78 16.06空气带入热 Q2 入 254.34 15 不完全燃烧热损失 Q3 出 8.89 0.535炉渣、飞灰带走的损失Q4 出 19.31 1.162辐射的热损失 Q5 出 33.21 1.999不完全燃烧热损失 Q6 出 79.31 4.775能量净值 Q 1253.14 75.469Q 收入 总计 1660.64 100 Q 支出 总计 1660.64 100（7）蒸汽产气量计算8已知：过热器出口压力 4Mpa,温度 420，焓值 h420=789
20、.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，垃圾单位重量的能量净值 1253.14cal/Kg，求每小时蒸汽产汽量 S (Kg/h)。S=(垃圾单位重量的能量净值*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的垃圾燃烧速度的指标，即单位炉排面积，单位时间内燃烧的垃圾量，kg/(m 2.h)Gf=G/t.A 式中： G
21、f-炉排机械负荷，kg/(m 2.h)；G-垃圾燃烧量 kg/d；t-运行时间，h/d；A-炉排面积，。已知：焚烧炉的处理能力 G=15.3（t/h） ，运行时间 t=24 小时，单台焚烧炉的机械负荷 Gf=150350 kg/(m 2.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。燃烧室热负荷的大小即表示燃烧火焰在燃烧室内的充满程度，燃烧室太小，燃烧室内火焰过于充满，炉温
22、会过高，从而炉壁耐火材料容易损伤，烟气的炉内停留时间也不够，容易引起不完全燃烧，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，也容易使焚烧炉灰渣的热灼量值偏高。连续运行焚烧炉热负荷值一般在 3.36*1056.3*10 5KJ/(m3.h)范围，取 qv=4.4*105 KJ/(m3.h) 。 qv=mQd+CpkLn(ta-t0)/V 式中： m- 单位时间的垃圾燃烧量，kg/d；9Qd-垃圾的平均低位热值，KJ/kg；Cpk- 空气平均定压比热容，KJ/（m 3.） ；Ln-单位质量的垃圾获得
23、的平均燃烧空气量，m 3/kg（标准状态） ；ta-预热空气温度；t0-环境温度，； V- 燃烧容量积，m 3；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/（m 3. ）, qv=4.4*105 KJ/(m3.h),求得燃烧室的容积: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、根据计算得出垃圾炉性能指标及设计参
24、数焚烧炉 3 台日处理垃圾: 1000t ； 年处理垃圾: 45.6*8000=36.5*10 4 t ； 每台炉每小时烧垃圾量: 15.3t/h；焚烧炉燃烧容积： 235m 3；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
25、.0MP a；10锅筒工作压力： 4.4MP a；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（Nm 3/h） ；一次风温度： 250；二次风流量： 12393（Nm 3/h） ；二次风风温度： 230 。三、根据计算得出汽轮发电机组的配套设计参数汽轮机根据蒸汽压力不同设 13 个定压,定量抽汽口,供加热助燃空气和给水加热,以提高整个垃圾焚烧厂的热效率，抽汽用途与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
26、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该垃圾焚烧发电厂的热效率；2424 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 具有两级非调节抽汽的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；11排汽压力 0.007 MPa 。参考文献:1城市生活垃圾焚烧处理技术.北京:中国建筑工业出版社.2004.2CJJ902009.生活垃圾焚烧处理工程技术规范.城市建设研究院.2009.3GB/T187502008.生活垃圾焚烧锅炉及余热锅炉.北京.2009.
