L型6000m3_h废气焚烧处理装置设计

学生姓名： 学 号： 所在学院： 专 业： 设计题目： L型6000m3/h废气焚烧处理装置设计 指导教师： L型6000m3/h废气焚烧处理装置设计摘要为应对能源紧张问题，国家提出节能减排战略。各种节能技术投入实际应用，但工业生产中的各种可燃废气没得到重视和利用，造成了资源浪费。本文针对国内外有关工业废气排放现状和处理技术进行讨论，探寻较为经济的废气处理方法，介绍相关废气焚烧技术和余热回收方法，同时又能使大学毕业生对废气处理流程设计有一个较为大体的认识。最后,本文还会结合实际设计一台废气焚烧处理装置并详细介绍其设计方案。废气焚烧炉由燃烧室、蒸发器、省煤器、排烟烟囱等构成，将工业废气的化学能转化成热能，实现了能量的回收利用。关键词：废气燃烧 废热利用 余热回收L type 6000 m3 / h waste incineration plant designAbstractTo copy with the problem of shortage of energy ,the national energy conservation and emission reduction strategy is put forward .All kind of energy saving technology are into practical applications ,but during the industrial production ,we did not get enough attention and use of various kinds of combustible gas and caused the waste of resources .In this thesis ,the relevant industrial emissions and processing technology at home and abroad at present are discussed ,and more economic waste gas processing methods are explored ,related waste incineration technology and method of recovery of waste heat are introduced .Through doing this ,we ,the college graduates have a more general cognition for waste gas treatment process design. Moreover,a waste gas incineration device will be designed according to the actual situation in this paper,and the design of it will be introduced concretely. Waste incinerator combustion is consisted of chamber ,evaporator,economizer,smoke chimney,etc. Through the waste incinerator combustion,industrial waste gas of chemical energy is converted into heat energy and realize the recycling of energy.Key word: exhaust gas combustion waste heat utilization waste heat recoveryIII 目录摘要 I第一章 引言31.1 工业废气简介31.2 国内状况简介31.3 国外状况简31.4 废气处理技术41.5 废气焚烧炉51.6 余热回收锅炉61.7 行业展望8第二章 焚烧装置设计计算说明书 92.1 燃烧计算92.2 烟气性质表112.3 蒸发量计算142.4 燃烧室计算152.5 热平衡计算182.6 汽水分配计算192.7 蒸发段热量分配202.8 蒸发段烟道设计222.9 蒸发段结构设计233.0 省煤器设计30第三章 结语38参考文献 39致谢 421第一章 引言1.1 工业废气简介工业废气指企业厂区内燃料燃烧和生产工艺过程中产生的各种排入空气的含有污染物气体的总称1。这些废气有： 硫化氢、氮氧化物、氯化氢、一氧化碳、氢气、水蒸气、碳黑、烃类等。具体说来，汽车、金属及非金属等工业的工序会产生挥发性有机废气；化工生产中尾气排出的二甲苯、酒精、汽油、丙酮等易燃气体等等2 。甚至畜牧业中动物消化过程中的含有甲烷的废气都会加剧温室效应，如何变废为宝，找到高效利用这些废气的方法已经迫在眉睫！1.2 国内状况我国主要能源供应是由煤炭提供的，而煤燃烧过程中必可避免地会产生SO2等废气，虽然目前国家已经有了强制的排放标准，但现实情况不尽如人意。同时化工生产中也会有一定量的有机废气产生，这些废气大多具有量大、浓度低、间歇性、热值低等特点，出于成本的考虑，很多企业直接将这部分废气烧掉，其能量未能利用，造成了浪费。鉴于这种情况，很多国内企业也开始将目光集中于这部分能量的利用，既有经济效益又有社会效益。如四川石油管理局开创的沥青废气燃烧处理技术3。为了利用废气中的低碳链的烃类物质，以及硫杂环化合物和多环芳烃等，他们在沥青熬制系统上安装了一套沥青废气燃烧处理系统，将抽出的沥青废气与天然气混合，送入燃烧炉中燃烧。原理简单可靠，实现了废气利用。1.3 国外状况在日本15，关于VOC的控制，直接燃烧法仅限于火炬系统，催化燃烧法则是被更多选用的处理方法之一。如在某石化公司化工厂，催化燃烧的处理对象为丙烯晴装置吸收塔排放的尾气，其中含有约0.3 % （V/V）的C3H,C3H8,C4H10和1 %（V/V）左右的CO等。使用的催化剂为Pt系催化剂，反应温度为600-700 ，基本保证了完全除去废气中的VOC和其他可燃性物质，并回收热能，副产13 t/h蒸汽。微波催化氧化技术14：微波空气净化技术是由填料吸附- 解吸技术发展而来, 是将传统解吸方式转变为微波解吸, 微波能的应用大大减少了能量的消耗, 并缩短了解吸时间, 而且吸附剂经20 次解吸后基本上保持原有吸附能力。解吸原理都可以用容器加热理论和体积加热理论加以解释。国内外在水处理中均有此方面的成功应用, 而在空气净化中的应用, 国外已有小规模的成功范例, 国内尚处于起步阶段。1.4 处理技术(1)、催化燃烧法4：所谓催化燃烧，通常是采用一种催化剂，低浓度的可燃性气体混合物经过催化层,并在催化剂的表面上燃烧,而催化剂本身却不燃烧。由于可燃性气体的浓度比较低,燃烧时放出的热值也比较低,所以只宜于用来加热热载体,如加热空气、油之类。据哈尔滨绝缘材料厂介绍13: 他们对高温立式浸胶机的混合废气进行催化燃烧, 在生产设备中加一台10千瓦的高压风机, 不用其它燃料, 只是在燃烧炉起动时用50千瓦电热器起动20-30分钟, 混合废气便进入正常催化燃烧。而所产生的热量可代替一套50万千卡/时的联苯锅炉, 其节能效果极为显著(2)、富氧燃烧法5：燃料在空气中和在纯氧中的燃烧速度相差甚大, 如氢气在纯氧中的燃烧速度是在空气中的4.2倍, 天然气则高达10.7倍左右。一般认为, 助燃空气中的氧气含量大于 21 % 所采取的燃烧技术, 简称为富氧燃烧技术。富氧助燃技术具有减少炉 (窑 )排烟的热损失、提高火焰温度、延长炉窑寿命、提高炉 (窑 )产量、缩小设备尺寸、清洁生产、有利于 CO2和 SO2的回收综合利用和封存等优点。富氧燃烧技术分为整体增氧和局部增氧两大类, 前者特点是整个助燃风均用富氧替代, 因而相对而言其投资大、成本高;而后者是局部增氧技术和助燃技术两者的有机结合, 其特点是用于各种窑炉的节能与环保。(3)、高温空气烧法6：该方法的基本思想是让燃料在高温低氧体积浓度气氛中燃烧, 它包含两项基本技术措施。一是采用蓄热式烟气余热回收装置, 将烟气的温度预热到 800 以上, 最大限度地回收高温烟气的显热, 实现余热的极限回收。二是控制燃烧区氧的浓度在 15 %-20 %以内, 达到燃烧过程 NOx的最低排放。(4)、生物净化法7：工业废气的生物法处理是一项新型的大气污染控制技术, 具有工艺设备简单, 能耗低, 运行费用低, 二次污染少等优点, 有着广阔的工业应用前景。生物法处理 NOx的主要机理可归纳为反硝化和硝化两种反应过程. 在反硝化过程中, NOx通过反硝化细菌的同化反硝化 (合成代谢 )还原成有机氮化物, 成为菌体的一部分; 异化反硝化(分解代谢 )最终转化为 N2。1.5 废气焚烧废气焚烧炉分“直燃式”和“蓄热式”。所谓“直燃式”指仅烧掉废气，热量不回收。但绝缘材料行业和覆铜板行业所使用的废气焚烧炉多数都将热量回收。实际上，“直燃式”和“蓄热式”的原理是相同的，其差异只是炉膛中有否蓄热材料的区分。废气焚烧炉由燃烧室、废气预热区、热量回收热交换器、排烟烟囱构成。(1)燃烧室的作用：通过燃烧机的火焰，将含有有机物的废气氧化分解成对环境无害的H2O和C02。(2)废气预热区的作用：将废气先行预热，再进入燃烧室，以提高废气氧化分解效率。为了提高预热效果，有些焚烧炉设计了二个废气交换器，第一个热交换器温度低于第二个热交换器，以更准确控制废气预热温度。当废气预热温度比较高时，废气可以在经第一热交换器以后就进入燃烧室。 “蓄热式”废气焚烧炉和 “直燃式”废气焚烧炉的最大区别是： “直燃式”废气焚烧炉的废气预热是通过热交换器来完成的。 “蓄热式”废气焚烧炉的废气预热是通过蓄热材料 (多数采用“蜂窝陶瓷”) 来完成的，废气的预热温度可以做得比较高。(3)热量回收热交换器作用：它将焚烧产生的热量回收,回送给用热装置 (如上胶机或其它用热装置) 。常用的热介质有空气和油。将新鲜空气(或油) ，经由风机(或泵)送到焚烧炉的热交换器，将空气 (或油) 加热一定温度以后,再送给用热设备。为了有效控制热风的温度，通常在热风管路上加一旁通管路(与新风管路相连),当送出热风温度太高时，旁通管路会自动打开，补入新鲜空气以调节热风温度。当以油为介质时，热油经用热装置以后又回流到焚烧炉的热交换器，使油温维持在工艺要求的温度范围内。为了使热油的温度可控，燃烧室产生的热量分二路，一路直接流向热交换器，一路为旁通通道。当热油温度超过设定值时，过量的热从旁通通道排入烟囱。在设计废气焚烧炉时，最关键是要准确计算生产过程中产生的废气量，和准确计算焚烧炉的废气处理能力。它涉及到生产过程的安全性和焚烧炉的工作效率。焚烧炉的处理能力一定要与生产过程中产生的废气量相匹配，因为过量的废气在焚烧炉中如果来不及燃烧 ，同样会发生爆炸事故。而如果焚烧炉设计过大，造成废气量不足，则将增大燃料的消耗。焚烧炉的废气处理能力与焚烧炉的炉膛容积、炉膛的结构、燃烧机的类型和能力、废气预热区的结构、废气风机的能力 (风速、风量 、管道直径) 、排烟风机的能力 (风速、风量、管道直径和尾气排放烟囱直径) 相关。对于有热量回收要求的焚烧炉，则要准确计算用热设备需求热量 ，计算热交换器的表面积和介质 (空气或热油流速流量 ) 。空气的流速、流量是由送风机的能力和管道直径决定的；热油的流速和流量是由泵的能力和油管直径决定的。1.6 余热锅炉由于余热锅炉具有传热效率高、钢材耗量少、投资省及使用寿命长等优点,使其在冶金行业中越来越被广泛采用。余热锅炉分为立式(垂直烟气通道)余热锅炉和卧式(水平烟气通道)余热锅炉两种。立式余热锅炉起源于欧洲，因欧洲要求占地面积较小，而且对调峰循环运行所产生的热应力敏感度较低; 卧式余热锅炉通常在北美地区应用。随蒸发器设计水平的提高，立式余热锅炉不再需要强制循环泵，和卧式余热锅炉相同，属于完全自然循环。立式和卧式锅炉的效率相同9。锅炉设计和运行过程中应注意一些问题:(1).积灰问题10：余热锅炉上的积灰按其粘结强度可分为松散性积灰和粘结性积灰，松散性积灰的产生仅是一个物理过程，只要保证合适的受热面结构设计尺寸和足够的气流能量并在必要时配合正常的定期吹灰等即可将灰污染程度控制在合理的范围内。但对同时伴有物理化学两种作用的粘结性积灰，由于积灰层强度高，物理方法难以消除，带来的危害性较大，容易造成堵灰。为此，实践中常采用下列方法防止积灰：1)、提高省煤器的进水温度：预先将省煤器进水与蒸汽混合，使省煤器的进水温度达到150 以上，从而达到提高省煤器受热面壁温、防止低温腐蚀和积灰的目的。2)、采用热管技术：减缓和解决低温腐蚀和积灰可以考虑在省煤器的低温段采用热管式省煤器，利用热管特有的管壁温度特性，维持热管的烟气侧（高温部分）管壁温度超过烟气露点温度从而达到防止低温腐蚀和积灰的目的。3)、采用耐腐蚀材料：在省煤器低温段采用防腐材料，例如 ND 钢，这种方法虽可延长省煤器的使用寿命，但不能从根本上解决低温积灰问题。(2).腐蚀问题11：通常人们把锅炉受热管排的腐蚀分为高温腐蚀和低温腐蚀。1)、高温腐蚀指烟气温度大于550 ,管内介质温度高于相应烟气硫酸露点温度而发生的腐蚀。这种腐蚀主要是由于在烟温高于550 时,如果有烟尘粘附于管 壁上,并越来越厚时,烟尘表面温度越来越高,当接近周围烟气温度 (550 ),在Fe2O3的强烈催化作用下,使多孔状烟气中SO2大量转变成S03,待某些部位S03浓度增大,使其露点温度上升产生腐蚀。一般采取防止锅炉受热面积灰,降低烟尘的附着温度的方法来克服。故一般采取安装多台吹灰器等措施。 2）、低温腐蚀指低于硫酸露点温度下的腐蚀。当锅炉运行压力较低,且受热面壁温低于硫酸露点温度时,烟气中的SO3和水蒸汽结合产生硫酸凝结于管壁上,使其受到腐蚀。通常采取提高锅炉运行压力,使管壁温度高于硫酸露点温度等方法。1.7 行业展望国内企业对低浓度VOC废气的处理大都采用落后的热力焚烧炉，由于处理费用偏高，少数企业甚至将未经处理的废气直接排空。近些年，国内一些焚烧炉制造商开始在国内推广RTO系统。但国内现有RTO在技术上与国外有一定差距。蓄热式有机废气焚烧技术在国外已经非常成熟，而国内的研究和应用尚处于起步阶段。蓄热式有机废气焚烧技术在节约能源和减少环境污染等方面有很大优势，尤其适合我国建设节约型社会和实现可持续发展战略的大政方针。研究和开发更有效更经济的蓄热式有机废气焚烧炉将是一项兼具社会效益和经济效益的工作。工业过程产生的可燃废气种类很多，处理技术各有千秋，本课题仅选择采用废气焚烧并余热回收这一资源化处理的方法作为研究对象，力求从最基本的结构入手，了解工艺流程，从而对废气资源化处理技术有一个大体的把握和认识。7南京工业大学本科生毕业设计（论文）第二章 设计计算说明书2.1燃烧计算表序号名称符号单位计算公式或数据来源数值备注11废气量m3/h已知6000.00 2废气温度已知25.00 3 CO百分数已知28.88 4CO2百分数 已知23.98 5H2百分数 已知5.50 6N2百分数 已知35.94 7H20百分数 已知5.70 8给水温度已知20.00 9蒸汽压力Mpa已知1.00 10理论需要干空气量m3/h4911.43 按照空气中氧气成分21计11过量空气系数 选取1.05 1.0512实际供给干空气量 m3/h5157.00 13烟气实际CO2量m3/h3171.60 14烟气实际H2O量m3/h703.24 已考虑水蒸气4.87g/nm3,水蒸气密度取0.80415烟气实际N2量m3/h6230.43 16实际干烟气量m3/h9402.03 17实际烟气量m3/h10105.27 18CO低位热值kJ/m3查取12640.00 19H2低位热值kJ/ m3查取10805.00 20废气低位热值kJ/ m34244.71 21燃烧器功率kW7074.51 22实际O2量m3/h51.57 不考虑 23烟气CO2份额0.313856 24烟气N2份额0.616553 25烟气H2O份额0.069591 合计1.00 2.2烟气焓温表CO2温度压力密度焓定压比热导热系数动力粘度普朗特数(K)(MPa)(kg/m3)(kJ/kg)(kJ/kg-K)(mW/m-K)(Pa-s)2740.11.9446485.590.8275414.7390.0000137520.772143230.11.645527.290.8743218.6720.0000161270.755153730.11.4224572.140.9191922.8620.0000184680.742524230.11.2532619.140.9600127.0810.0000207210.734544730.11.1201668.080.9969531.2610.0000228850.729835230.11.0127718.781.030435.3730.0000249620.727155730.10.92409771.071.060939.4090.0000269550.725666230.10.84979824.821.088743.3640.000028870.724816730.10.78656879.91.114147.2380.0000307110.72437230.10.73211936.21.137351.030.0000324830.723937730.10.68471993.61.158554.740.0000341910.723618230.10.6430810521.177958.3690.000035840.723268730.10.606231111.41.195761.9170.0000374330.722889230.10.573371171.61.211965.3840.0000389760.722459730.10.54391232.51.226868.7730.0000404720.7219610230.10.517311294.21.240472.0860.0000419250.7214310730.10.49321356.61.252975.3240.0000433370.7208711230.10.471231419.51.264478.4890.0000447120.7202911730.10.4511414831.27581.5850.0000460520.7196812230.10.432715471.284784.6140.0000473610.7190812730.10.41571611.41.293687.5780.000048640.7184813230.10.39991676.31.301990.480.0000498920.7178913730.10.385431741.61.309593.320.0000511190.7173214230.10.371881807.31.316696.1090.0000523230.7167714730.10.359261873.31.323298.8410.0000535050.7162515230.10.347471939.61.3292101.520.0000546670.7157715730.10.336422006.21.3349104.150.000055810.71533N2密度焓定压比热导热系数动力粘度普朗特数(kg/m3)(kJ/kg)(kJ/kg-K)(mW/m-K)(Pa-s)1.2302284.121.041424.0640.0000166690.721381.0431335.151.041627.6050.0000189330.714360.90309387.261.043331.0280.0000210950.709290.79625439.511.046934.2870.0000231310.706230.71204491.981.052537.4080.000025060.705090.64395544.791.060240.4110.0000268980.705660.58775598.031.069543.3120.0000286560.707630.54058651.771.080246.1240.0000303460.710670.50042706.061.091648.8580.0000319760.714440.46582760.941.103651.5240.0000335510.718650.43569816.421.115854.130.0000350790.723080.40922872.511.127856.6820.0000365650.727530.38579929.21.139559.1860.0000380130.731890.3649986.461.150961.6470.0000394260.736050.346151044.31.161864.070.0000408090.739970.329241102.61.172166.4580.0000421630.74360.31391161.51.181868.8140.0000434920.746920.299921220.81.19171.1420.0000447970.749940.287141280.61.199673.4450.0000460810.752670.275411340.81.207775.7240.0000473460.75510.264591401.31.215377.9820.0000485930.757260.254591462.31.222380.2210.0000498230.759170.245331523.61.22982.44120.0000510390.760830.236711585.21.235184.6470.000052240.762280.228671647.11.240986.8380.0000534290.763520.221171709.21.246489.0150.0000546060.764580.214141771.71.251491.180.0000557720.76547H2O密度焓定压比热导热系数动力粘度普朗特数(kg/m3)(kJ/kg)(kJ/kg-K)(mW/m-K)(Pa-s)999.893.6454.2166562.690.001739813.037988.1208.794.1813643.420.000548233.56270.589932675.52.077325.0690.0000122651.01630.516552776.31.984728.8430.0000141770.975540.460462875.21.975433.270.0000161710.960120.415722974.21.989338.1590.0000182140.949510.379053074.22.012343.4070.0000202840.940350.34843175.52.039848.950.0000223650.931960.322373278.32.069854.7430.0000244440.924210.299983382.52.101460.7540.0000265150.917110.280523488.42.134366.960.0000285690.910620.2634335962.168273.340.0000306020.904710.248313705.22.202879.8760.0000326110.899330.234843816.32.237886.5540.0000345940.89440.2227539292.27393.3610.0000365490.889840.211854043.62.3083100.280.0000384740.885590.201974159.92.3433107.310.0000403710.881560.192974277.92.378114.440.0000422370.877680.184744397.62.4121121.650.0000440740.873910.177184519.12.4455128.940.0000458820.870180.170224642.22.4781136.310.000047660.866470.163784766.92.5099143.740.000049410.862740.157824893.22.5406151.240.0000511320.858980.152275050.92.5704158.790.0000528270.855170.14715150.22.5992166.380.0000544950.85130.142275280.82.6269174.030.0000561370.847380.137755412.92.6535181.710.0000577550.84339烟气温度压力密度焓定压比热导热系数动力粘度普朗特数(K)(MPa)(kg/m3)(kJ/kg)(kJ/kg-K)(mW/m-K)(Pa-s)2740.11.423456.180.9815640.952368.22E-051.9700784823230.11.2057504.781.002347.651943.824E-050.8044322793730.11.0434555.421.023127.308551.963E-050.735448774230.10.91976607.081.043430.997622.175E-050.7322695844730.10.82235659.751.063234.621632.379E-050.7304588685230.10.74363713.41.082838.171492.573E-050.7300013555730.10.67868768.021.101941.648312.76E-050.7303501646230.10.62417823.591.120745.054432.941E-050.7314598716730.10.57778880.081.138948.393983.114E-050.73293387230.10.53781937.471.156551.670633.282E-050.7346292867730.10.50301995.721.173454.887763.445E-050.7364219538230.10.472451054.81.189458.04823.602E-050.7381313438730.10.445391114.71.204761.154443.756E-050.7398250069230.10.421261175.31.21964.208623.905E-050.7412977629730.10.399611236.51.232667.214184.05E-050.74270411310230.10.380081298.51.245370.172924.192E-050.74389029910730.10.362371361.11.257273.086834.33E-050.74490641811230.10.346241424.21.268475.958484.466E-050.74578414711730.10.331481487.91.278878.79044.599E-050.74644988512230.10.317931552.11.288681.583984.73E-050.74702422412730.10.305451616.71.297784.341684.858E-050.74741546413230.10.29391681.81.306287.065074.984E-050.74767530513730.10.28321747.31.314289.754645.108E-050.74787333614230.10.273251813.21.321792.416685.23E-050.74794439814730.10.263981879.51.328795.048015.35E-050.74792874215230.10.255321946.11.335397.651555.469E-050.74785716215730.10.247220131.3414100.22895.587E-050.7476626942.3蒸发量计算表名称符号单位计算公式或数据来源数值给水压力MPa已知1.20 给水温度已知20.00 给水密度 kg/ m3查表998.74 给水焓kJ/kg查表84.41 饱和压力Mpa已知1.10 饱和温度已知184.00 饱和水密度kg/ m3查表882.62 饱和蒸汽密度kg/ m3查表5.64 饱和水焓kJ/kg查表781.03 饱和蒸汽焓kJ/kg查表2780.60 蒸发潜热kJ/kg1999.57 液态水段焓升kJ/kg696.62 估计蒸发量t/h9.4460256082.4燃烧室计算表名称符号单位计算公式或数据来源数值备注1燃烧室入口能量kW7074.511667修正系数0.85入口条件下烟气密度kg/ m3查表1.423燃烧室出口烟气质量流量kg/h 14379.79502燃烧室出口烟气焓kJ/kg1771.113008燃烧室理论燃烧温度查表 1118.18实际燃烧温度950.453实际烟气焓kJ/kg查表1552燃烧室出口烟气密度kg/ m3查表0.31793假设烟气流速m/s假设6燃烧室截面积M22.093955433燃烧室截面热负荷kW/m23384.8081823.3848推荐燃烧室容积热负荷kW/ m3400参照天然气燃烧室高度m8.4620204543.02215燃烧室边长m 1.445710058散热面积m248.93451233燃烧室炉墙结构混凝土框架炉墙耐火材料SD-18S耐火层厚度mm60耐火材料导热系数W/m-0.4最高耐温1600 隔热材料SD-16C隔热材料导热率W/m-0.25隔热材料厚度mm200保温材料岩棉板最高耐温800保温材料导热系数W/m-0.044保温材料厚度mm80外壁对流换热系数W/m2-11.63大气温度25热流密度W/m2324.2463436外墙温度52.88016712散热功率kW15.85213775散热系数 0.22407395序号符号单位计算公式或数据来源数值备注燃烧室高度m 选取8.58.446燃烧室边长1m 选取1.51.447燃烧室边长2m 选取1.5燃烧室截面积m22.252.09烟气流速m/s5.583881154烟气停留时间s1.522238702燃烧室截面热负荷mW/m23.144227407燃烧室容积热负荷kW/m3369.90910682.5热平衡计算表名称符号单位计算公式或数据来源数值备注1燃烧室出口烟气焓kJ/kgHSJ1552.00 输入能量kW 已知7074.51 排烟温度 假定200.00 排烟密度 kg/ m3 查表0.82 排烟焓 kJ/ m3 查表542.55 659.75环境温度 已知25.00 排烟损失 34.96散热损失 估计3.00 锅炉总损失 37.96锅炉热效率 62.04保热系数 0.95 实际利用能量 kW 3846.17 锅炉实际负荷t/h4.942.6汽水分配表 单