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2.2.5闪蒸单元回流蒸汽计算 28
2.2.6路线1计算结果汇总 28
3.总结 29
4.小组分工 29
1技术路线计算书
1.1水预热处理—脱水—滤液厌氧消化—泥饼焚烧—灰渣填埋
沼气
供气锅炉
脱水泥饼
锅炉蒸汽
原污泥
浆化单元
水热单元
闪蒸单元
污泥脱水
UASB消化
回流蒸汽
回流部分消化液
灰渣填埋
消化液外排
图1技术路线1流程图
1.1.1水预热单元计算
首先,将浆化单元、水热单元、闪蒸单元三者视作一整体(即水预热单元)进行进出料分析,结果如图1-2所示。
180℃,1.0MPa,qB(t/d)H2O(g)
水热污泥
100℃,0.1MPa,q0=130+qB(t/d)
水预热单元
W=110+qB-xt/d,
VS(l)=5.2+xt/d,VS(s)=7.8t/dAsh=7t/d
回流消化液
35℃,0.1MPa,qr=30(t/d)VSr(l)=x(t/d)
原污泥20℃,0.1MPa,q0=100(t/d)W=80t/d,
TS=20t/d,VS=13t/d,Ash=7t/d
图2水预热单元进出物料平衡图
水热单元内部的状态如下:
由锅炉提供的蒸汽通过蒸汽管道进入水热单元内部,
通过汽-水热量交换加热污泥和回流消化液达到180℃、1.0MPa的状态,再经闪蒸单元,变为0.1MPa下的饱和水蒸汽和液态水。
假定UASB回流滤液比热容与水的比热容近似(忽略溶解性和非溶解性固体的比热容,认为其远小于水的比热容)。
根据物理化学中可逆热准静态过程的方法,可以得到1吨常温常压下水被加热至1MPa、180℃、水蒸气的中间过程,如下图所示:
100℃,0.1MPa
180℃,1.0MPa
H2O(l)
H2O(g)
(1)
(3)
100℃,1.0MPa
(2)
图3假想准静态热力学过程
以1吨水为基准。
过程
(1)不发生相变、温度和体积变化,因此根据焓变公式:
DH=DU+DpV=DU+cpDV+cvDp,
等式前两项为零,又由于液体的定容比热容cv»
0,因此过程
(1)总焓变为0。
过程
(2)为等压过程,查得100℃至180℃水的近似定压比热容为
2
cp,HO,1.0MPa=4.3kJ/kg×
℃,因此过程
(2)的焓变为:
4.3´
1000´
(180-100)=344000kJ
过程(3)为相变过程,查表得水在1MPa压强下的相变潜热为
DL1.0MPa=2014.8kJ/kg,
因此过程(3)的焓变为:
2014.8=2014800kJ。
综上,由初始状态转换至末态的总焓变为:
344000+2014800=2358800kJ。
原污泥自20℃加热至100℃所需热量:
Q1=q0cpDt=80´
4.2´
(100-20)=26880000kJ。
回流滤液自35℃加热至100℃所需热量:
Q2=qrcpDt=30´
(100-35)=8190000kJ。
两者吸热总量由高温蒸汽提供,由于每吨锅炉蒸汽转变为100℃,0.1MPa的液态水可释放2358800kJ热量,因此所需锅炉蒸汽:
qB=(Q1+Q2)/DH=(26880000+8190000)/2358800=14.87t/d。
1.1.2脱水单元计算
自闪蒸单元流出的水热污泥流量为:
q0+qr+qB=100+30+14.87=144.87t/d。
设回流滤液中溶解性VS为VSr(l)=xt/d,则水热污泥中各组分流量分别为:
①水:
0.8q0+30-VSr(l)+14.87=80+30-VSr(l)+14.87=(124.87-x)t/d;
②灰分:
(1-65%)0.2q0=7t/d;
③溶解性VS:
VS(l)=40%´
65%´
0.2q0+VSr(l)=(5.2+x)t/d;
④非溶解性VS:
VS(s)=(1-40%)´
0.2q0=7.8t/d。
水热污泥经过脱水后其含水率降至40%,因此含固率为60%。
其固体成分为灰分和非溶解性固体。
设水中溶解的VS的质量为yt/d,则脱水泥饼流量为:
(7+7.8+y)/0.6=(24.67+5y)t/d;
3
其中,各组分质量流量如下:
①灰分:
7t/d;
②非溶解性VS:
7.8t/d;
yt/d;
④水:
(9.87+2y)t/d;
流入UASB反应器的物质有:
(115-x-2y)t/d;
②溶解性VS:
(5.2+x-y)t/d;
UASB反应器对上清液VS的转化率为80%,则经过UASB处理后,流出反应器的组分为:
(1.04+0.2x-0.2y)t/d;
整个过程的物料平衡图如图1-4所示。
固态成分:
VS(s)=7.8t/d
VS(l)=yt/d,
Ash=7t/d
液态成分:
W=9.87+2y/3t/d
(40%质量比)
脱水单元
含VS废水
W=115-x-2y/3t/d,VS(l)=5.2+x-yt/d,
UASB消化反应器
(VS去除率80%)
W=115-x-2y/3t/d,VS(l)=1.04+0.2x-0.2yt/d
180℃,0.1MPa,q0=148.87(t/d)W=124.87-xt/d,
图4脱水-UASB单元物料平衡图
由于脱水单元不改变液体的浓度,因此有:
y
9.87+2y
5.2+x
= ,
124.87-x
由于浓度平衡,有:
1.04+0.2x-0.2y
(115-x-2y)+(1.04+0.2x-0.2y)
解得:
x=0.261,y=0.446。
´
30=x
从而有脱水泥饼流量为25.41t/d,其中灰分7t/d,非溶解性VS7.8t/d,溶解性VS0.446t/d,水质量流量10.164t/d。
UASB反应器上清液出水中,水质量流量114.45t/d,溶解性VS1.00t/d,出水浓度
8.74kgVS/m3。
转化VS质量流量:
4.012t/d,排放废液质量流量为85.45t/d。
1.1.3焚烧单元计算
UASB转化溶解性VS质量流量为:
4.012t/d。
由于1gVS=1.5gCOD,1kgCOD可生成沼气0.7标方(甲烷约占50%),因此UASB
反应器产生沼气量为:
4.012´
1.5´
0.7=4212.6Nm3/d。
在外部不提供燃气的情况下,锅炉利用沼气和污泥挥发性固体作为燃料。
甲烷热值为9460kcal/kg,因此沼气可提供的总热量为:
G
Q=0.5´
4212.6´
9460´
4.18=8.33´
107kJ。
脱水泥饼经锅炉燃烧后灰渣的热灼减率为5%,因此灰渣流量:
7/(1-5%)=7.37t/d。
因此,焚烧后剩余VS0.37t/d。
污泥热值为4600kcal/kg-VS,因此污泥提供的总供热量为:
QVS
Q
=(8.25-0.37)´
4600´
4.18=15.15´
107kJ。
由于脱水泥饼在燃烧过程中水分蒸发成为水蒸气,因此这部分水吸热为:
=10.164´
(4.2´
80+2257.6)=2.64´
W,VS
因此污泥和沼气富余供热量为:
Q=(8.33+15.15-2.64)´
107=20.84´
1吨水自0.1MPa,20℃加热至180℃,1MPa的水蒸气的过程中需吸热:
Q=1000´
[4.2´
(100-20)+4.3´
80+2014.8]=0.2695´
假设富余热量被用以将0.1MPa,20℃液态水加热至180℃,1MPa的水蒸气,加热效率为75%,则总共可加热水的质量为:
q=20.84´
0.75¸
0.2695=58.00t/d。
因此除去需供给水热单元14.87t/d蒸汽,该锅炉还可外供蒸汽43.13t/d,且不需外部燃气。
1.1.4闪蒸单元回流蒸汽计算
闪蒸单元的物料平衡图如图1-5所示。
100℃,0.1MPa,q(t/d)H2O(g)
180℃,1.0MPa,W(l)=124.61+qt/d,
100℃,0.1MPa,W(l)=124.61t/d,
图5闪蒸单元物料平衡图
液态水放热(至100摄氏度,0.1MPa,液态):
(124.61+𝑞
)×
1000×
4.3×
80𝑘
𝐽
,
蒸汽吸热(至100摄氏度,0.1MPa):
𝑞
×
2014800𝑘
,根据两者吸放热相等,可得:
q=25.66t/d。
1.1.5路线1计算结果汇总
图6技术路线1各环节质量流量图
UASB水力停留时间HRT=2d,污泥体积流量Q约等于水的体积流量,为114.45
m3/d。
根据出水浓度求得进水浓度Ci=43.7kgVS/m3,因此UASB反应器的进水容积负荷:
Fr=QCi= Ci =43.7=21.85kgVS/m3×
d;
i V HRT 2
实际容积负荷:
Fr=Q(Ci-Ce)=hCi=0.8´
43.7=17.48kgVS/m3×
d。
灰渣填埋
CSTR全量消化
图1-7技术路线2流程图
1.2.1水预热单元计算
20℃,0.1MPa,W=30-x(t/d)
VSr(l)=x(t/d)
图1-8水预热单元进出物料平衡图
与1.1.1节中方法相同,唯一的区别在于回流消化液的温度变为20℃。
回流上清液自20℃加热至100℃所需热量:
(100-20)=10080000kJ。
qB=(Q1+Q2)/DH=(26880000+8170500)/2358800=15.67t/d。
1.2.2全量消化-脱水单元计算
q0+qr+qB=100+30+15.67=145.67t/d。
设回流滤液中溶解性VS为xt/d,则水热污泥中各组分流量分别为:
(125.67-x)t/d;
7t/d;
(5.2+x)t/d;
7.8t/d。
水热污泥进入CSTR反应器全量消化,物料平衡如图1-9所示。
W=125.67-xt/d,
VS(l)=5.2+xt/d,VS(s)=7.8t/d,Ash=7t/d
CSTR
(VS去除率60%)
VS(l)=5.2+x-at/d,VS(s)=7.8-bt/d,Ash=7t/d
图9CSTR单元物料平衡图
水热污泥经过CSTR后,其VS被降解60%。
根据相关文献《热水解预处理改善污泥的厌氧消化性能》中,对悬浮固体和上清液的VS去除效率的比较,设溶解性VS的去除效率是非溶解性VS去除效率的2倍。
令a=去除的溶解性VS,b=去除的非溶解性VS,则有:
a+b=(13+x)´
0.6=7.8+0.6x------------
(1)
a
5.2+x=2------------
(2)
b 1
7.8
联立解得:
a=(7.8+0.6x)(5.2+x)
9.1+x ,
b=7.8+0.6x-(7.8+0.6x)(5.2+x)
故,出水处:
溶解性VS=(1.3+0.4x)(5.2+x),
9.1+x
非溶解性VS=(7.8+0.6x)(5.2+x)-0.6x。
由于脱水单元并不改变滤液中非溶解性VS与水的比例,所以:
(1.3+0.4x)(5.2+x)
9.1+x = x ,
(125.67-x) 30-x
求得x=0.1896t/d。
(125.67-0.1896)=125.48t/d;
溶解性VS=(1.3+0.4x)(5.2+x)=0.80t/d
③ 9.1+x
非溶解性VS=(7.8+0.6x)(5.2+x)-0.6x=4.48t/d
④ 9.1+x
所以,CSTR转化的VS质量流量为:
7.914t/d。
由于1gVS=1.5gCOD,1kgCOD可生成沼气0.7标方(甲烷约占50%),因此
CSTR反应器产生沼气量为:
7.914´
0.7=8309.7Nm3/d。
因为泥饼中的含水率为50%,故设泥饼的组成为:
(11.48+y)t/d;
③溶解性VS=y
t/d
非溶解性VS=4.48t/d
④
故滤液的组成为:
(114-y)
t/d;
②溶解性VS=(0.8-y)t/d
VS(s)=4.48t/d
W=11.48+yt/d
180℃,0.1MPaW=125.48t/d,
VS(l)=0.8t/d,VS(s)=4.48t/d
W=114-yt/d,VS(l)=0.8-yt/d,
图10脱水单元物料平衡图
由于脱水单元出水的溶解性VS与水的比例与回流滤液中的比例保持一致,所以:
114-y=30-0.1896Þ
y=0.0754t/d
0.8-y 0.1896
故泥饼的组成为:
11.5554t/d;
0.0754t/d
4.48t/d
外排滤液中:
(114-0.0754-30+0.1896)=84.1115t/d;
②溶解性VS=(0.8-0.0754-0.1896)=0.535
1.2.3焚烧单元计算
甲烷的热值是9460kcal/m3,因此沼气可提供的总热量为:
8309.7´
4.18´
9460=1.643´
108kJ。
和路线一计算方法一致,灰渣流量7/(1-5%)=7.37t/d。
锅炉燃烧掉的VS:
4.48+0.0754-0.37=4.1854t/d
因此污泥提供的总供热量为:
=4600´
4.1854´
1000=0.805´
由于脱水泥饼中水分全部蒸发成为水蒸气,吸收的热量为:
=11.5554´
(100-20)+2257.6]=2.997´
供余热为:
Q=(1.643+0.805-0.300)´
108=2.148´
由于1吨水自0.1MPa,由20℃加热至180℃,1MPa的水蒸气的过程中需吸热:
Q=0.2695´
加热效率为75%,则总共可加热水的质量为:
Q=21.48´
0.2695=59.78t/d
因此除去需供给水热单元15.67t/d蒸汽,该锅炉还可外供蒸汽44.10t/d,且不需外部燃气。
1.2.4闪蒸单元回流蒸汽计算
180℃,1.0MPa,W(l)=125.48+qt/d,
100℃,0.1MPa,W(l)=125.48t/d,
图11闪蒸单元物料平衡图
设闪蒸单元回流蒸汽为qs。
这部分蒸汽的产生热量是由闪蒸单元流出的水热污泥中的水提供的。
闪蒸单元流出水热污泥中的水:
125.67-0.1896=125.48t/d。
(124.48+𝑞
q=25.83t/d。
1.2.5路线2计算结果汇总
UASB水力停留时间HRT=15d,CSTR转化的VS质量流量为:
因此
CSTR全量消化实际容积负荷:
Fr=Q(Ci-Ce)=
DCi
=7.914/125.48=4.20kgVS/m3×
i V HRT 15
路线2整体物料平衡图如图1-12所示。
图12技术路线2各环节质量流量图
泥饼填埋
图13技术路线3流程图
该路线与路线2的差别仅在对脱水泥饼的处理。
故仅需探讨锅炉单元的余热利用情况。
在外部不提供燃气的情况下,锅炉利用沼气作为燃料。
甲烷的热值是9460kcal/m3,因此沼气可提供的总热量即为可供余热:
由于1吨水自0.1MPa,20℃加热至180℃,1MPa的水蒸气的过程中需吸热:
Q=0.02695´
Q=1.64
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