《固体废物处理与处置》课程设计
1、城市垃圾分选工艺设计任务书
一、课程设计的题目
某城市生活垃圾综合分选处理系统设计
二、课程设计的目的
通过课程设计进一步消化和巩固本课程所学内容,并使所学的知识系统化,培养运用所学理论知识进行城市生活垃圾综合分选处理系统设计的初步能力。通过设计,了解工程设计的内容、方法及步骤,培养学生确定固废处理与处置系统的设计方案,进行设计计算、绘制工程图,应用技术资料,编写设计说明书的能力。
三、设计原始资料
设计规模为100 t/d的某城市生活垃圾分选系统。
垃圾主要成分见表1。
表1 垃圾成分设计参数取值
垃圾组分 |
有机物 |
无机物 |
纸类 |
金属 |
塑料 |
含量/% |
46.4 |
27.1 |
3.6 |
4.8 |
18.1 |
有机物组分包括:食品残余、果皮、植物残余等。
无机物组分包括:砖瓦、炉灰、灰尘、粉尘等。
废纸以卫生间的废纸为主,不适合回收。
垃圾容重平均值为0.45 t/m3,含水率为49.4%。
垃圾热值:1923 kJ/kg。
分选系统工作量为100 t/d;日工作时间为10h。
四、设计内容和要求
(1) 垃圾分选系统设计方案的分析确定。
(2) 垃圾储料仓的设计计算。
(3) 分选系统各设备选型计算:确定选择性破碎机、滚筒筛、简易风选机型 号和规格,并确定其主要运行参数。
(4) 皮带运输机计算及布置,并计算各段的长度、电机功率。
(5) 编写设计说明书:设计说明书按设计程序编写,包括方案的确定,设计计算、设备选型计算和有关简图等内容。课程设计说明书应有封面、目录、正文、小结及参考文献等部分,文字应简明、通顺,内容正确、完整,装订成册。
(6) 图纸要求
① 垃圾分选系统工艺流程及高程图一张(3号图纸)。流程图应按比例绘制,标出设备、管件编号及标高,并附明细表。
② 分选系统平面布置图1张(3号图纸),图中设备、管件应标注编号,图纸应按比例绘制,应能表明建筑物外形和主要结构形式。在平面布置图中应有方位标志(指北针)。
五、主要参考书目
1. 杨慧芬. 固体废物处理技术及工程应用. 北京: 机械工业出版社, 2003
2. 李建国, 赵爱华, 张益. 城市垃圾处理工程. 北京: 科学出版社, 2003
3. 聂永丰. 三废处理工程技术手册-固体废物卷. 北京: 化学工业出版社, 2000
4. 孙明湖. 环境保护设备选用手册-固体废物处理、噪声控制及节能设备.北京: 化学工业出版社, 2002
5. 中国矿业学院选煤教研组. 选煤机械. 北京: 煤炭工业出版社, 1979
6. “选矿设计手册”编委会. 选矿设计手册. 北京: 冶金工业出版社, 1988
7. 曹本善. 垃圾焚化厂兴建与操作实务. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002
8. 龚佰勋. 环保设备设计手册:固体废物处理设备. 北京:化学工业出版社, 2004
2、垃圾分选工艺设计指导书
一、分选工艺路线确定
本次课程设计确定工艺从我国目前城市生活垃圾处理现状出发,考虑到原生垃圾成分复杂,劳动力资源又丰富,采用机械为主,辅以人工粗选的方法;废塑料和废纸主要为塑料袋和卫生间废纸,回收利用经济效益不高,故可直接将这部分作为垃圾焚烧原料。分选工艺采用城市生活垃圾简易处理方法,以分选产物作为填埋、堆肥和焚烧为目的,确定分选工艺流程。
二、物料衡算
垃圾分选系统按设计规模、每天工作时间、每个分选设备物料走向逐步计算。
以 ?t/d处理能力进行计算
(1) 垃圾分选厂每小时的处理量
(2) 人工分选
人工手选去除垃圾中的大块金属、塑料、玻璃瓶、建筑材料等,以利于后续处理。
据经验,经人工手选后大约1%大块金属、0.6%玻璃、2.0%塑料和约0.5%其他无机物质被选出,即:
金属
玻璃
塑料
其他
则经过人工手选可分出的垃圾有
=q
1+q
2+q
3+q
4
(3) 磁选
垃圾经过磁选滚筒理论上可以分选所有的金属:
(4) 选择性破碎机
① 筛上物主要是纸、布、革、塑料、部分有机物等
的物质
② 筛下物为
的被破碎的无机物、无机物、玻璃及其他碎土等。
(5) 风选
① 轻组分主要为粉尘、塑料纸张等
② 重组分主要是有机物
(6) 滚筒筛分
滚筒筛分主要对选择性破碎机筛下物进行进一步分选,筛下物中主要有无物、部分有机物、碎玻璃等。选择筛孔为10
mm。
筛上为的有机物
筛下物为碎土、石渣等无机物和碎玻璃
(7) 废物的全过程总的质量为
三、垃圾储仓计算
垃圾储仓是用来暂时储放进入处理系统的垃圾并用来调节处理设备的处理量。储料仓的容量应根据计划收入分选厂的垃圾量、设备的操作计划等因素来决定。通常储料仓的容量应可提供两天的最大处理量。
1. 仓体容积
式中 β—储存时间,d;
q—最大日处理量,t/d; q=400t/d
σ —垃圾有效密度(有效密度系数在1.1~1.3),t/m3。
ε—有效容积系数,在0.8~0.9之间;
2. 仓体尺寸计算
垃圾储仓体积V,m3;长度a,m;宽度b,m;深度c,m。
V=
3. 排水坡度
垃圾在储料坑内时间过长(一般超过2d)便会有渗滤液产出,所以坑底部必须铺设有排水坡度流向垃圾渗出水坑收集滤液,排水坡度取1%。
四、吊车与抓斗
1. 吊车,抓斗
垃圾吊车的台数是根据垃圾最大日处理量来确定的。一般日处理量在300t以下的采用一台吊车,日处理量在300~600t的要求采用常用和备用各一台,规模在600t/d以上的,要求常用吊车2台,备用一台。在吊车的台数确定后,还要确定吊车卷起、放下、行走、横移及抓斗开关动作所需时间,以确定吊车运行周期。如果各分选设备有足够的处理能力,吊车的运行时间为60min/h,设计时一般取45~55min/h。吊车供给能力由下式计算,通过计算抓斗一次抓取量来选择合适吊车。
式中 Q————吊车供给能力,t/h;
P ————抓斗一次抓起量,t;
N———— 1h内吊车实际工作时间,h/h;
T————吊车运行周期,h。
表1吊车工艺参数
项目 |
参数 |
设计依据 |
项目 |
参数 |
设计依据 |
数量 |
1台 |
垃圾最大日处理量 |
运行周期 |
143s |
吊车运行各种动作的速度 |
吨位 |
1.25t |
抓斗容量 |
实际运行时间 |
50min/h |
|
跨度 |
7m |
储料坑跨度 |
供给能力 |
20t/h |
抓斗抓起量 |
2. 抓斗
桥式抓斗起重机具有机动灵活的特点,可在移动空间的任意点装卸物料。根据设计规划要求选择适当的起重设备。其主要规格如表2所示。
表2 桥式抓斗起重机的主要规格
起重量/t |
跨度/m |
起重总量/t |
速度/(m·min-1) |
容重/(t·m-3) |
抓斗特性 |
起重机运行 |
小车运行 |
提升运行 |
物料容重/(t·m-3) |
抓取量/kg |
抓斗质量/kg |
5 |
10.5 |
17.3 |
87.5 |
44.6 |
38.8 |
2.5 |
0.5~1.0 |
1250~
2500 |
2493 |
13.5 |
19.0 |
16.5 |
21.0 |
五、磁选设备
用于固体废物分选的磁选设备就结构形式而言主要分为带式和鼓式两种。鼓式磁选机又可分为皮带机磁滚筒式和独立鼓式。磁力滚筒又称磁滑轮,磁系与圆筒固定在同一个轴上,安装在皮带运输机头部。将固体废物均匀给在皮带运输机上,当废物经过磁力滚筒时,非磁性或磁性很弱的物质在离心力和重力作用下脱落皮带面,而皮带离开磁力滚筒伸直时,由于磁场强度减弱而落入磁性物质收集槽中。磁力分选机在分选工艺中可一点或多点布置,一般可设置在破碎机的前后、筛分机之后或风选机的前后等处。对城市生活垃圾简易分选系统,在经过人工手选之后,大件的磁性物质已经被选出,可将磁选机设置在选择性破碎机之前,基本上可将磁性物质选择出来,同时避免后续分选设备被磁铁性物质破坏。
六、滚筒破碎机(选择性破碎机)
滚筒破碎机其机身主体的形状是用筛板做成的圆筒,工作过程中既有破碎又有筛分的作用,并能达到选分的作用。
1. 滚筒破碎机主要结构参数的确定
滚筒破碎机的直径和长度是最主要的结构参数,它取决于入料量的多少,物料密度及粒度等,此外,还与滚筒转数的大小,物料在滚筒内的摩擦系数也有密切的关系。目前,滚筒直径和长度主要是按经验公式估算。滚筒长度为滚筒直径的1.5~2.5倍。
表3 滚筒破碎机技术特征
2. 滚筒破碎机生产能力计算
计算滚筒破碎机生产能力可用如下式:
式中 Q————垃圾生产能力,t/h;
S————滚筒横断面装垃圾面积,m2;
v————物料在滚筒轴向前进速度,m/s;
————
物料散密度,t/m3,对城市垃圾散密度可取垃圾容重的1/2
;
K————装满系数,随滚筒内提升板个数的增大而变大;当提升板为6个时,对垃圾K取0.41。
图1 滚筒内断面示意
如图1所示,横断面装料面积可由下式计算,经验取值α=600,β=100。
物料沿滚筒轴向的前进速度v为
式中L————物料在滚筒内每跌落一次向前所走距离,m;
T————物料自A提升到B再落到底所需时间,s。
其中,物料跌落一次向前所走的距离为:
物料跌落所需时间为:
T = t1 + t2
式中 n————滚筒转速,r/min。
t2 计算公式如下:
3. 滚筒破碎机功率计算
滚筒破碎机功率计算可按两部分进行。一是物料在筒体中完成破碎过程时提升和跌落所耗的功率N1,另一是在完成筛分过程时按滚筒筛计算的功率N2,则总功率N=N1+N2。
式中 M————
阻力矩;
————
筒体角速度,弧度/秒。
式中 G————回转筒体质量,kg;
G0————筒体内被筛物质量,kg
————
转动效率,%。
七、 垃圾滚筒筛
垃圾滚筒筛利用作回转运动的筒形筛体将垃圾按粒度进行分级。工作时筒形筛体倾斜安装,倾角一般在4°~8°。其结构及设计原理同选择性破碎机类似,只是没有提升板。垃圾滚筒筛设计参数主要有几何参数、运动参数和动力参数。几何参数包括筛体长度、筛体直径、安装倾角和筛孔尺寸;运动参数指筛体转速;动力参数为筛体的驱动功率。
滚筒筛的筛孔尺寸的确定根据被筛分的垃圾的组成及对筛上、筛下物的要求和它的具体用途来确定。若用于除去垃圾中的渣土等小粒级物料时,筛孔尺寸可取较小值。当除去粗大物料时,筛孔尺寸可取较大值。
滚筒筛主要参数确定如下。
(1) 设计筛体长度4-5m,筛体直径1.5-2m,筛孔取10mm×10mm,安装倾角θ一般取4°~8°。
(2) 筛分效率和生产率 根据“垃圾分选机-垃圾滚筒筛”行业标准(CJ/T 5013.1-95),筛下物粒径≤12 mm,垃圾滚筒筛的筛分效率根据筛分不同特性的垃圾选择在85%~95%之间。
(3) 滚筒筛转速 通常为了获得较好的筛分效率,应使物料在筛体内做较大的翻动。根据实验表明,垃圾滚筒筛回转速度一般取临界转速的30%~60%较为理想。
临界转速nc由下式计算。
其中:R——所选滚筒筛的半径。
(4) 物料在筛体内的停留时间 筛上物在筛体内的停留时间为
式中 L————筛体长度;
V————
物料在筛体内沿轴向运动的平均速度,可由式 计算,安装倾角θ
一般取4°~8°。
式中 c1————考虑加速段滑动因素的修正系数。
另外,根据研究表明,当筛分垃圾时,要得到75%以上的筛分效率,停留时间应达到25~30s,甚至更长。可取垃圾在滚筒内停留时间为50-60s,计算出物料在筛体内沿轴向运动的平均速度。
(5)筒筛有用功率 (补充计算)
据资料推导,筛分机有用功率为
八、 风选设备
1.设计参数
风力分选(气流分选)主要将低密度、空气阻力大的轻质部分(塑料、废纸等)和具有高密度、空气阻力小的重质部分分开。风力分选中气流的流动速度是重要的设计参数,确定气流流速的依据是被选物料的悬浮速度(沉降速度)。颗粒在空气中的沉降末速为
式中 d————颗粒的直径;
ρs————颗粒的密度;
ρ————空气的密度;
————
助力系数;
g————重力加速度。
当气流速度小于颗粒沉降末速时,颗粒向下作沉降运动;当气流速度大于颗粒沉降末速时,颗粒向上作漂浮运动;当气流速度等于沉降末速时,颗粒作漂浮运动。几种物料的实测悬浮速度参考数据见表4。
表4几种物料的实测悬浮速度参考数据
名称 |
密度/(kg·m-3) |
堆积密度/(kg·m-3) |
粒度/mm |
悬浮速度 (150 测管)/(m·s-1) |
稻谷 |
1090 |
672 |
6.4~9.3 |
8.4~9 |
沙 |
2600 |
1410 |
|
6.8 |
聚丙烯粒 |
900 |
460 |
2~3 |
6.5~7.3 |
碎木材 |
560 |
|
21×19×9 |
8.4 |
刨花 |
|
|
|
3~4 |
矿石 |
|
|
3.8 |
10.2~15.5 |
铸铁丸 |
7000 |
|
2.5~3.3 |
27.4 |
在缺乏物料悬浮速度资料的情况下,也可以由下面经验公式测算。
式中 ————
物料重度,N/m;
————
经验系数,按下表5
选取。
表5 风速的经验系数 α
物料品种 |
颗粒大小/mm |
α值 |
物料品种 |
颗粒大小/mm |
α值 |
灰状 |
0~1 |
10~16 |
细块状 |
10~20 |
20~22 |
均质粒状 |
1~10 |
16~20 |
中块状 |
40~80 |
22~25 |
表6部分物料密度
物质 |
塑料 |
玻璃 |
砖 |
干砂 |
有机物 |
密度/(kg/m3) |
920 |
2500 |
1840 |
2500 |
1200 |
2. 风选设备
风选设备分为水平气流风力分选机(卧式风力分选机)和上升气流分离分选机(立式风力分选机)。
风机形式根据所要分选垃圾原料组成及分选目的来确定。卧式风力分选机构造简单,维修方便,但分选精度不高,通常与破碎、筛分、立式风选机联合使用。立式分选机与卧式相比较分选精度较高。
分选机附带的旋风分离器根据分选物料性质、分选效率等选择适当的型号、种类及规格,确定相应的运行参数,如气流速度、压力损失等。
图2 卧式风力分选机工作原理
关于风力分选设备的计算设计计算目前尚无成熟的方法可借鉴,对于立式分选垂直段主要目的是将纸类、塑料等轻质组分通过气流输送出来,可借鉴流化床气力输送设计进行经验设计,精确的计算还需要实验及有关的理论进行研究。立式风选几何参数的确定:
①
选择气体速度 根据气力输送设计原则确定垂直段管长? m,考虑所分选物料为不规则纸类、塑料等,选择管径
。设高压端气体密度为3kg/m
3,故所选气速相当于气体质量速度G=V
0×3(kg/m
2·s)。
② 估算气-固比 垃圾分选主要去除塑料及纸类,设其堆积密度
气-固比为
③ 所需空气量计算
取空气重度为1.25kg/m3,则空气体积流量为
按所选管径100mm和气速,所需空气体积流量为
故可选用 ? m3/min空压机一台能够满足要求。
九、输送带
1. 输送带的宽度确定
由于垃圾的密度较小和较松散,所以一般用槽式胶带输送带。胶带输送机的输送能力由下式计算。
式中 Q————输送能力,t/h;
Fb————物料在胶带的截面积,m2;
v————输送带运行速度,取0.3m/s;
ρ————物料的堆密度,对垃圾取0.45t/m3;
c————倾角系数,如水平放置取c=1。
如图3,对于槽形输送带上物料堆积的断面积可以近似地认为是面积F1及等腰梯形F2所组成。面积F1为
面积F2为
式中 B————皮带宽度,m;
————
物料堆积角,对垃圾可取45°;
————
胶带的槽角,(°)。
对倾斜的输送机,物料堆积面积随皮带机的安装倾角的增加而减少,这种影响可以用倾角系数c来考虑。
图3 物料在胶带上堆积的断面积
2.输送带功率计算
在确定胶带输送机的电动机功率以前,首先需要计算传动滚筒的轴功率。
式中 k3————尾部改向滚筒功率系数;
k4————中部改向滚筒功率系数;
N0————传动滚筒的功率,kW;
————
胶带空转的功率,kW;
————
物料水平运输的功率,kW;
————
物料垂直提升的功率,kW;
————
梨式卸料器,胶带清料器和料板所需的功率,kW
;
————
物料加速率所需功率,kW。
(1)胶带空转的功率
式中 k1————取决于胶带宽度和托辊阻力的系数,对输送垃圾槽性胶带可取k1=0.0318;
v————胶带运行速度,m/s。
(2)物料水平运输功率
式中 k2————物料水平运行功率系数;
Q————胶带输送机的输送量,t/h。
(3) 物料垂直提升功率
式中 H0————提升高度,m。
因此,电动机功率为
式中 N————电动机功率,kW;
k————功率安全系数,满载起动系数,一般k=1.0;