水泥窑课程设

内蒙古工业大学生态修复工程课程设计学校代码：10128学 号： 6课程设计说明书题 目：日产2300T水泥窑协同处置修复重金属污染土壤设计学生姓名：于常李学 院：能源与动力工程学院班 级：环科14指导教师：常英 2017年7月12日摘要此次课程设计题目为：日产2300T水泥窑协同处置修复重金属污染土壤设计，利用水泥生产线协同处理重金属污染土壤，实现对污染土壤的无害化、减量化处置。本设计采用回转窑综合处理重金属污染土壤，结合水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范(HJ662-2013)进行设计，土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性，且具有移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解的特点，经水、植物等介质后最终将影响人类健康。水泥窑协同处置指将满足或经过预处理后满足入窑要求的污染土壤投入水泥窑；本设计共进行设计计算污染土壤的贮存、预处理单元及水泥窑污染土壤进料量，确定主要气体污染物，选择确定适宜的除尘装置，确定污染土壤修复周期和绘制工艺流程图、平面布置图、贮存单元、预处理单元及水泥窑示意图、除尘器示意图，两部分内容。关键词：回转窑 重金属污染土壤 协同处理AbstractThe curriculum design topic is: the nissan 2300 t cement kiln for coordination repair design, heavy metal polluted soil using coordination treatment of heavy metal contaminated soil cement production line, realize harmless, decrement disposal of contaminated soil.This design USES the comprehensive treatment of heavy metal contaminated soil rotary kiln, the cement kiln coordinated treatment of solid waste environmental protection design specification (HJ662-2013), the soil heavy metal pollution has concealment, long-term and irreversible, and it has poor mobility, long residence time, cannot be the characteristics of the microbial degradation, after water, plants and other medium will ultimately affect human health.Cement kiln for coordination refers to meet or meet the demands of the kiln after pretreatment of contaminated soil in cement kiln;This design to carry on the design calculation of the contaminated soil storage, pretreatment unit and contaminated soil cement kiln feed rate, determine the major gas pollutants, choosing appropriate dust removal device, cycle to determine soil bioremediation and draw process flow diagram, layout, storage unit, pretreatment unit and cement kiln schematic diagrams, filter, two parts content.Keywords: Rotary kiln Heavy metals pollute the soil The collaborative process目录目录4第一章 绪论1第二章 水泥窑协同处置重金属污染土壤技术现状22.1原理22.2系统构成和主要设备22.3国外应用情况22.4水泥窑协同处置的优势3第三章 工艺工程设计43.1污染土壤进场前准备工作43.2污染土壤元素组分测定43.3污染土壤堆场设计计算53.4预处理单元设计53.4.1破碎机选型53.4.2生料磨选型73.5水泥窑选型73.6设计计算73.6.1固体废物、常规燃料、常规原料的投加量73.6.2污染土壤修复周期93.7水泥窑炉污染物排放及控制9第四章 结论11参考文献12第一章 绪论水泥是建筑工业三大基本材料之一，可广泛用于民用、工业、农业、水利、交通和军事等工程。他是国民经济建设中不可缺少的建筑材料。新型干法水泥生产技术的出现，彻底改变了水泥生产技术的格局和发展进程，它采用现代化新型水泥生产工艺和装备，逐步取代了立窑生产技术、湿法窑生产技术、干法中孔窑生产技术以及半干法生产技术，从而把水泥工业生产推向一个新的阶段。经过多年的发展，我国水泥工业发展取得了很大成绩，产量已多年位居世界第一，保障了国民经济发展的需要。同时水泥窑协同处置固体废物、水泥窑协同处置污泥、水泥窑协同处置重金属污染土壤等也工艺也日渐成熟，随着我国城市化进程的发展，各大中城市对城市功能重新科学规划，将市区的工业企业迁至位于城市远郊的工业园区，而原厂区则用于房地产开发。这些工业企业一般建厂时间较长，建厂初期由于国家的法律法规要求较低，再加上当时企业管理跟不上，跑冒滴漏等污染现象司空见惯，按照国家规定，工业用地转为居民用地时，需要对原场地进行环境评价，受到污染的土壤要进行治理，达到要求后方可使用。水泥窑协同处置工艺作为“资源化、无害化”处置污染土壤的典范得到越来越多的应用。水泥窑协同处置污染土壤关键的问题是消除或降低污染土壤中有害成分对系统的影响，由于本处置生产线没有旁路放风，所以只能通过加强结皮清理和缩短定检周期来实现；另外，在生料配料时使用氯、碱等有害成分低的原材料也是保持系统稳定的一项重要措施。本项目处置过程中的烟气排放及周边大气污染物经第三方检测机构检测，排放数据符合相关标准要求。第二章 水泥窑协同处置重金属污染土壤技术现状2.1原理利用水泥回转窑内的高温、气体长时间停留、热容量大、热稳定性好、碱性环境、无废渣排放等特点，在生产水泥熟料的同时，焚烧固化处理污染土壤。有机物污染土壤从窑尾烟气室进入水泥回转窑，窑内气相温度最高可达1800，物料温度约为1450，在水泥窑的高温条件下，污染土壤中的有机污染物转化为无机化合物，高温气流与高细度、高浓度、高吸附性、高均匀性分布的碱性物料(CaO、CaCO3等)充分接触，有效地抑制酸性物质的排放，使得硫和氯等转化成无机盐类固定下来;重金属污染土壤从生料配料系统进入水泥窑，使重金属固定在水泥熟料中。2.2系统构成和主要设备水泥窑协同处置的土壤修复技术包括污染土壤贮存、预处理、投加、焚烧和尾气处理等过程。在原有的水泥生产线基础上，需要对投料口进行改造，还需要必要的投料装置、预处理设施、符合要求的贮存设施和实验室分析能力。水泥窑协同处置主要由土壤预处理系统、上料系统、水泥回转窑及配套系统、监测系统组成。土壤预处理系统在密闭环境内进行，主要包括密闭贮存设施(如充气大棚)，筛分设施(筛分机)，尾气处理系统(如活性炭吸附系统等)，预处理系统产生的尾气经过尾气处理系统后达标排放。上料系统主要包括存料斗、板式喂料机、皮带计量秤、提升机，整个上料过程处于密闭环境中，避免上料过程中污染物和粉尘散发到空气中，造成二次污染。水泥回转窑及配套系统主要包括预热器、回转式水泥窑、窑尾高温风机、三次风管、回转窑燃烧器、篦式冷却机、窑头袋收尘器、螺旋输送机、槽式输送机。监测系统主要包括氧气、粉尘、氮氧化物、二氧化碳、水分、温度在线监测以及水泥窑尾气和水泥熟料的定期监测，保证污染土壤处理的效果和生产安全。2.3国外应用情况水泥窑是发达国家焚烧处理工业危险废物的重要设施，已得到了广泛应用，即使难降解的有机废物(包括POPs)在水泥窑内的焚毁去除率率也可达到99.99%到99.9999%。从技术上水泥窑协同处置完全可以用于污染土壤的处理，但由于国外其它污染土壤修复技术发展较成熟，综合社会、环境、经济等多方面考虑，在国外水泥窑协同处置技术在污染土壤处理方面应用相对较少。下表列出的是国外水泥窑协同处置技术在污染土壤修复方面的应用情况。2.4水泥窑协同处置的优势优势一：水泥工业可销纳的废物种类多，适用范围广。优势二：按照性能与特点，不同的废物可以分别用做水泥工业的混合材、替代原料或替代燃料，使物尽其用。优势三：水泥消费量和生产规模很大，水泥窑单机产能高，因此水泥工业对各种废物的销纳量巨大，发展潜力可观。优势四：水泥窑对各种可燃废物有很强的适应能力，略作调整就不会影响水泥熟料的正常性能和质量，也不会影响窑的正常操作运行。优势五：水泥窑内温度高，热容量和热惯性大，废料在高温区的停留时间长，有害成分均能被彻底分解，确保环境安全。优势六：废物在水泥窑内燃烧后的残渣，其中若含硫、氯或某些重金属等有害物质，也都全部固熔在水泥熟料的晶格中不能再逸出或析出，没有二次污染隐患。优势七：可燃废物在水泥窑内燃烧所产生的热能全部直接用于窑系统内的气固相或固熔相的热交换过程，热能传递交换效率高是垃圾焚烧炉发电的6倍以上。优势八：水泥窑对可燃废物热值的适应范围大，尤其是对兼作替代原料和替代燃料的废物，例如污水处理厂污泥和矸石等，其热值都能充分利用。第三章 工艺工程设计3.1污染土壤进场前准备工作第一，污染土壤进场前需要对其暂存场地进行环保验收，如果不是新建的污染土壤专用充气大棚，则需要对储存仓进行环保改造。首先场地需要提前铺设防渗隔离膜层，防止二次污染场地土壤；其次要对储存棚进行密封改造，还要增加通风、除臭设备和监测仪器，最终通过环保部门或业主监理的环保验收才能投入使用。第二，将挖掘后的污染土壤在密闭环境下进行预处理(去除掉砖头、水泥块等影响工业窑炉工况的大颗粒物质)；对污染土壤进行检测，确定污染土壤的成分及污染物含量，计算污染土壤的添加量；污染土壤用专门的运输车转运到喂料斗，为避免卸料时扬尘造成的二次污染，卸料区密封；计量后的污染土壤经提升机由管道进入喂料点，送入窑尾烟室高温段处置；定期监测水泥回转窑烟气排放口污染物浓度及水泥熟料中污染物含量。第三，在正式处置前需对水泥窑进行一定的技术改造，在窑尾烟室处开口，加装物料计量、提升、输送装置，还要做好密封，以保证水泥生产工况的稳定。3.2污染土壤元素组分测定1、污染土壤中的氯元素和氟元素含量应根据水泥回转窑工艺特点，控制随物料入窑的氯和氟投加量，以保证水泥回转窑的正常生产和产品质量符合国家标准，入窑物料中氟元素含量不应大于0.5%，氯元素含量不应大于0.04%。2、污染土壤中硫元素含量水泥窑协同处置过程中，应控制污染土壤中的硫元素含量，配料后的物料中硫化物硫与有机硫总含量不应大于0.014%。从窑头、窑尾高温区投加的全硫与配料系统投加的硫酸盐硫总投加量不应大于3000mg/kg。3、污染土壤添加量应根据污染土壤中的碱性物质含量、重金属含量、氯、氟、硫元素含量及污染土壤的含水率，综合确定污染土壤的投加量。技术应用基础和前期准备在利用水泥窑协同处置污染土壤前，应对污染土壤及土壤中污染物质进行分析，以确定污染土壤的投加点及投加量。污染土壤分析指标包括污染土壤的含水率、烧失量、成分等，污染物质分析指标包括：污染物质成分、氯、氟、硫浓度，重金属、氯、氟、硫元素含量等。3.3污染土壤堆场设计计算污染土壤总量为6.6万吨，因污染土壤容易产生渗滤液产生二次污染，因此需要设计防渗层，避免其产生二次污染防渗层设计为四层，第一层设计为无纺土工布，第二层设计为砂石层，第三层设计为黏土层，第四层设计为复合土工膜，四层防渗设计防止污染土壤渗滤液对地下土壤及水源产生二次污染，6.6万吨污染土壤堆放场地设计计算如下：（见图1）根据密度公式确定污染土壤体积：=m/v （3-1） v=m/=/1500=44000m3式中：重金属污染土壤密度，这里取1.5g/ cm3m污染土壤总质量v污染土壤体积设计污染土壤堆放场地为矩形场地，原因在于矩型堆场物料分布对称而均匀，有利于扩建，堆存容量大，因此选用矩形预均化堆场。矩形堆场长取L=80m；宽取W=60m；高取H=10m；其体积为V=80*60*10=48000 m3。3.4预处理单元设计3.4.1破碎机选型表3-1各类破碎机性能比较性能特征颚式圆锥式锤式反击式破碎机辊齿切割式破碎比5504-7抗磨能力较好一般良好能耗低适中良好出料粒度及机配差锤式好反击式少差差处理粘湿能力差锤式一般反击式较差极好粉尘量低高低选型比较：以冲击原理工作的锤式和反击式破碎比最高,只需要一级破碎就可以满足生产需求，且采用它们可以减少一次性投资,又由于石灰石的磨蚀性不高且原料的分水和黏附性能都较低，因此选用单转子锤式破碎机,又考虑到为延长锤头的寿命和减轻转子负荷,所以采用带给料辊的单转子锤式破碎机最适宜。表3-2生产单段锤式破碎机的主要参数项目单转子型带给料辊型主要技术特征14.1216.1618.1720R2020R22转子规格（mm）1420119016501600180017302020200020202200转子数量11111最大进料粒径（mm）5005007006006009008008001200100010001200110011001500出料粒径（mm）25402560257025802580生产能力（t/h）80120160240260400540750600800装机功率（KW）132165250355400500710900800900又考虑物料的性质，如物料是硬度、水分、形状和杂质含量均将直接影响破碎系统的技术经济指标。因此所选择的破碎系统一定要与被破碎物料的物理性质相适应物料的物理性质。综合以上因素可选用辊型锤式破碎机。3.4.2生料磨选型新型干法水泥厂在生料粉磨系统方面有两种方案：采用烘干兼粉磨的中卸磨和辊式磨。与钢球磨相比，辊式磨的优点：粉磨方式合理，生产调节反应快、允许入磨物料粒度较大、烘干能力强、流程简单、设备布置紧凑、占地少、噪音小、电耗底、设备运转率高，可烘干水分含量15%20%的原料，是原料粉磨的首选设备之一。综合考虑，选RMR57/28/555辊式磨。3.5水泥窑选型本次课程设计选择回转窑进行协同处置重金属污染土壤，根据国内部分2300t/d预分解窑实际选用窑规格的现状，各主要水泥厂所采用是比较成熟的两支撑460m回转窑，选用1台两支撑460m回转窑。（见图2）由公式：QI=0.37743D2.5185L0.51861 =0.51861 =103.6t/h熟料日生产量：Qd=24Qh=24103.6=2486.4t/d经计算标定的窑熟料日产量达到2300t/d，符合设计计算要求。3.6设计计算3.6.1固体废物、常规燃料、常规原料的投加量根据水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范可知重金属最大允许投加量限值，表3-3所示：表一重金属最大允许投加限值重金属最大允许投加限值重金属重金属最大允许投加量汞0.23 mg/kg-cli铬320 mg/kg-cem锌37760 mg/kg-cem锰3350 mg/kg-cem（1）入窑重金属投加量与固体废物、常规燃料、常规原料中重金属含量以及重金属投加速率关系式：（3-2）FMhm-cli=Cwmw+Cfmf+Crmrmcli 式中：FMhm-cli为重金属的单位熟料投加量，即入窑重金属的投加量，不包括由混合材带入的重金属，mg/kg-cli； Cw、Cf、Cr别为固体废物、常规燃料和常规原料中的重金属含量，mg/kg；mw、mf、mr分别为单位时间内固体废物、常规燃料和常规原料的投加量，kg /h。mcli为单位时间的熟料产量kg/h（2）入窑物料中F元素或Cl元素含量的计算关系式：协同处置企业应根据水泥生产工艺特点，控制随物料入窑的氯（Cl）和氟（F）元素的投加量，以保证水泥的正常生产和熟料质量符合国家标准。入窑物料中氟元素含量不应大于0.5，氯元素含量不应大于 0.04。（3-3）C=Cwmw+Cfmf+Crmrmw+mf+mr式中：C为入窑物料中F元素或Cl元素的含量，；Cw、Cf、Cr别为固体废物、常规燃料和常规原料中的F元素或Cl元素含量，；Cw、Cf、Cr分别为单位时间内固体废物、常规燃料和常规原料的投加量，Kg/h。（3）由以上公式联立方程组：0.234mw+0.002mf+0.0008mr/240.516mw+0.4mf+0.1mrmw+mf+mr0.040.6mw+0.0001mf+0.002mrmw+mf+mr可解得：mw=7500mr=80000mf=750003.6.2污染土壤修复周期污染土壤总量：6.6万T= kg每日污染土壤投加量：7500kg/h24=kg/d污染土壤修复周期：T=/=367d3.7水泥窑炉污染物排放及控制水泥熟料煅烧是水泥生产的主要工艺过程。随着科学技术的发展，水泥熟料煅烧工艺技术也取得了长足的进步。目前广泛采用的新型干法生产技术，是将煅烧过程中碳酸盐矿物分解移至回转窑外的分解炉中进行，进而显著改善了回转窑中的煅烧状况，大大提高了窑炉的热效率和产能。水泥熟料煅烧也是一个高温热力学过程，需要在窑炉中燃烧大量的煤粉以提供热量。在现有的技术水平条件下，生产1t水泥熟料的单位热耗约为110kg标准煤，而煤粉的燃烧及熟料煅烧工艺过程会产生一定量的污染物排放。根据国家第一次全国污染源普查公报（以下简称普查公报），2007年我国非金属矿物制品（主要包括水泥行业）污染物排放居于工业行业的前列，其中水泥行业粉尘颗粒物排放量约300万吨，二氧化硫（SO2）排放量约40万吨，氮氧化物（NOX）排放量约170万吨。有研究还表明由于替代原燃料应用及协同处置废物，水泥窑炉还可能会产生重金属污染物，窑炉的高温煅烧过程也可能会产生持久性有机污染物（POPs）。此外，水泥熟料煅烧矿物原料分解和燃料燃烧过程中还会产生大量的二氧化碳（CO2）排放。水泥工业大气污染物排放标准规定了单位水泥熟料生产污染物排放的限额指标，具体包括颗粒物、SO2、NOx及氟化物等。在控制SO2排放的同时，“十二五”国家又将NOX列入了污染物减排约束性指标。我国也正积极履行国际重金属污染控制有关公约；为应对气候变化，国家提出了到2020年单位GDP二氧化碳减排40%45%的具体目标。可见，节能减排是我国的一项长期基本国策，也是水泥工业可持续发展的基础和重要方向。水泥窑炉污染物排放控制具有多方面的重要意义。水泥窑炉中煤粉的燃烧及熟料煅烧会产生大量的烟气，并伴随有粉尘颗粒物、SO2、NOX等常规污染物排放。水泥生产原料中可能含有挥发性硫化物（如采用硫铁矿原料）及煤粉中含有有机硫，煤粉燃烧和熟料煅烧过程会产生SO2排放。原料矿物分解生成的CaO对SO2有吸收和固定作用，即一部分SO2会固化在水泥熟料中，因而实际的SO2排放值比理论计算值低。水泥水化产物及形成的水泥浆体对这些重金属元素也有很好的固化和固封作用，但汞、砷、硒等重金属则易于挥发，而铬则易于溶出，因此必须加以控制。中美合作研究项目表明，汞、砷、硒大多来源于原燃料，其中汞含量0.033-0.302g/kg，砷5.0-63.56g/kg，硒0.26-2.9g/kg。在水泥窑炉高温煅烧工况条件下，汞的排放浓度介于3.07-13.83g/Nm3之间；原燃料中的砷和硒部分进入到烟气中，部分进入到水泥熟料中，其在烟气和熟料中的检测值分别为砷浓度0-73.1g/Nm3、硒浓度0-20.9g/Nm3，砷含量6.0-90.1g/kg、硒含量0.3-3.1g/kg。目前，水泥工业大气污染物排放标准尚未规定汞、砷、硒的排放限值，但国际上的许多相关标准都有严格的排放限额规定，如美国水泥工业有害气态污染物排放标准中规定新建水泥厂单位产品汞排放量要低于9.545g/kg熟料，相当于4.8g/Nm3。目前研发和推广采用的粉尘控制技术有高效袋式收尘器和电袋复合除尘器等。（见图3）高效袋式收尘器采用高温无机纤维过滤材料，可使窑炉烟气中粉尘排放浓度下降至10mg/Nm3，约为0.034kg/t熟料。若采用覆膜过滤材料，可实现PM2.5的99%去除。电袋复合除尘器有机结合了静电除尘和过滤除尘两种原理，充分应用两种技术的各自优势，可实现99.99%的粉尘颗粒物减排。水泥窑炉传统的污染物排放包括粉尘颗粒物、SO2、NOX及氟化物等，这些污染物对社会生态环境和人们的健康会造成多方面不利影响，对此国家也已提出了更为严格的控制指标。水泥窑协同处置重金属污染土壤会产生POPs及重金属污染物排放，这也引起了较大的关注。水泥窑炉CO2的减排更是实现国家应对