垃圾焚燒爐配風比對燃燒過程影響的數(shù)值模擬研究

陳 鵬，李 軍，陳 竹

（中國天楹股份有限公司，江蘇 南通 226600）

1 焚燒爐模型的建立與計算條件的設定

1.1 幾何尺寸

以600 t/d垃圾焚燒爐排爐為研究對象，爐排總長為15.40m，爐排寬度8.64m，整個爐型自出渣口到鍋筒頂部為27.85 m，爐排傾斜角度為18.45°，上部鍋筒深度為15.89 m。一次風自爐排底部通過引風機噴入，干燥段、燃燒段以及燃燼段的進風比例為0.3∶0.5∶0.2，二次風自喉口上方直徑80 mm的風口斜下方20°射入，2排交錯排列，每列布置8個風管，溫度為313 K。本文參考的垃圾焚燒爐過量空氣系數(shù)為1.2，垃圾低位熱值6200 kJ/kg，元素分析如表1所示。

根據(jù)垃圾焚燒爐的實際尺寸對物理模型進行等比例的繪制，并將整套模型劃分為14塊進行網(wǎng)格處理，其中二次風口、喉口上下以及近床層處等氣流湍動較為急劇的部位，適當?shù)貙ζ渚W(wǎng)格加密，分塊后的每處單元網(wǎng)格均采用Hex元素，類型為Map，繪制的網(wǎng)格總數(shù)為119萬，如圖1所示。

表1 600 t/d焚燒爐生活垃圾元素分析

圖1 600 t/d垃圾焚燒爐物理模型及網(wǎng)格

1.2 數(shù)學模型的建立與邊界條件的設置

不考慮床層的固相燃燒，以床層的實際入口速度將氣體組分與濃度通過自定義用戶作為邊界條件代入，入口溫度為1100 K，床層氣相燃燒通過組分輸運方程編寫化學方程式。爐膛內(nèi)部流體控制方程包括質(zhì)量守恒方程（公式（1））、動量守恒方程（公式（2））、能量守恒方程（公式（3））、組分質(zhì)量守恒方程 （公式 （4））［1］：

以上控制方程中，ρ是物質(zhì)密度，t是時間，V為速度矢量源項，Sm是加入到連續(xù)相的質(zhì)量；p為微元體上作用的壓力，表示所受到的重力體積力，表示包含其他外部體積力作用的模塊，為微元體表明因分子粘性作用產(chǎn)生的應力張量；在能量方程中E為流體微團總能，即內(nèi)能與動能總和：

組分j的可感焓定義為：

本研究計算所用的粘性模型采用的是k-ε湍流模型，組分輸運與化學反應采用的是有限速率渦耗散Eddy-Disspation模型；爐膛及鍋筒四周均采用絕熱壁，燃料自床層底部由一次風帶入發(fā)生反應，同時二次風口射入常溫空氣對煙氣進行均勻混合，鍋筒上端作為出口，設為outflow，暫不考慮水平煙道部分。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 3種不同一二次風配比的工況條件

在保證總風量不變的情況下，通過改變一二次風配風比例，共設計3種運行工況，3種工況依次降低一次風所占比例，因而二次風比例提高，其他條件包括燃料配比、進風溫度等均相同。表2給出3種配風工況比值。

表2 3種工況一二次風配比比值

2.2 3種工況溫度分布計算結(jié)果及分析

基于以上3種工況分別模擬計算，爐膛內(nèi)部中間切面溫度分布如圖2～4所示。

圖2 1#工況爐膛溫度云圖

圖3 2#工況爐膛溫度云圖

圖4 3#工況爐膛溫度云圖

由圖2～4可以看出，3種運行工況下，溫度最高區(qū)域都集中在燃燒段上部火焰處至喉口下段，同時這一區(qū)域也是溫度梯度變化最為劇烈的部分，其次爐膛后拱至燃燼段空間區(qū)域溫度也較高，但總體分布均勻，鍋爐整體溫度最低區(qū)域集中鍋筒至煙氣出口處，且變化梯度也最小。

同時，1#工況總體溫度最高，2#工況居中，而3#工況的平均溫度最低，考察整個床層的溫度梯度看出，3#工況表現(xiàn)的溫度梯度變化最小，這表明3#工況運行條件下，床層上側(cè)燃燒溫度與前兩工況比較相對較為均勻，而1#工況則最為劇烈，干燥段、燃燼段與燃燒段的溫差也最大。

圖5為兩側(cè)二次風風口中心連線橫向溫度分布?？梢钥闯觯谧笥覀?cè)二次風中間周線上的溫度分布變化梯度較為劇烈，3種工況計算條件下，從左側(cè)到右側(cè)的溫度梯度都呈現(xiàn)先下降而后再上升，接近右側(cè)風口時繼續(xù)下降而后又一次升高?？傮w而言，接近左側(cè)二次風口處煙氣溫度較低，而接近右側(cè)則溫度較高。

圖5 二次風風口橫向溫度分布

而且1#工況的溫度變化梯度明顯最大，接近右側(cè)風口處溫度最高達到1388 K，接近左側(cè)的最低溫度為1112 K，差值達到276 K；而3#工況的溫度分布則較為均勻，右側(cè)最高溫度與接近左側(cè)的最低溫度差值僅為113 K。

圖6為喉口處的軸向溫度分布，喉口處位于二次風口下側(cè)與干燥段和燃燒段上側(cè)之間，此處溫度梯度變化最為劇烈，存在高溫煙氣以及常溫的二次風強烈擾動，保證煙氣中未完全燃燒的氣體充分燃燼。喉口處由左向右過渡的過程中，1#與3#先下降后上升，而2#則持續(xù)上升，其中1#與2#的高溫區(qū)域最大，而3#工況總體溫度較低，根本原因在于3#的一次風比例較低而二次風供應過剩，此外，1#的溫度梯度變化最為劇烈，在喉口橫向坐標4.25～5 m段直線上升到1413 K，為3種工況的最大值。

圖7為喉口與煙道中線的溫度分布，3種工況的溫度分布狀態(tài)較為一致，喉口中心的溫度是整條中線的最高點，通過常溫二次風時均勻混合溫度急劇下降，部分未燃盡氣體繼續(xù)燃燒又使得煙氣溫度緩慢上升，第一煙道中心的溫度則趨于恒定。3種工況條件下，1#的煙道溫度最高，約為1180 K而3#工況的煙道溫度最低，為1130 K。

圖6 喉口處橫向溫度分布

圖7 豎直煙道軸向溫度分布

表3給出了3種工況條件下，爐膛內(nèi)部燃燒段、喉口處以及煙氣出口的平均溫度?？梢钥闯?#工況的溫度分布總體更為均勻，溫差較小，尤其是燃燒段上側(cè)至二次風下部喉口處?？傮w來看，在總風量一致的情況下，3#工況的二次風比例最高，因而相對前兩者，既保證了燃料與空氣混合燃燒后的充分均勻，又促使較高比例的常溫二次風與高溫煙氣混合使得整體均溫的下降。以上3種運行工況中，1#最易出現(xiàn)局部高溫區(qū)域。

表3 各工況爐膛各部位平均溫度 K

2.3 3種工況CO濃度計算結(jié)果及分析

在垃圾焚燒過程中，有效控制二惡英的產(chǎn)生量是目前的重點之一，而CO與二惡英呈現(xiàn)正比關(guān)系，因此通過測定CO的濃度間接測得二惡英占煙氣含量。圖8～10為3種工況條件下計算得到的CO單位立方米kmol濃度分布。

圖8 1#工況CO濃度分布云圖

圖9 2#工況CO濃度分布云圖

圖10 3#工況CO濃度分布云圖

從3種工況的云圖可以看出，越靠近床層處的CO濃度越高，這與邊界條件的設定是一致的；同時干燥段的濃度比例較高而燃燒段的比例較低，表明在燃燒過程中燃燒段的總體溫度最高而燃燒相對更加充分；此外濃度在越靠近喉口處的時候越小，說明二次風的擾動導致煙氣中未完全燃燒的氣體得到充分的燃燼，這一處的CO濃度都顯現(xiàn)急劇下降，至煙道中，濃度比例已經(jīng)幾乎趨近于0。

3種工況的濃度分布也存在稍許不同，主要集中在喉口處的截面，圖11為喉口處橫向截面的CO濃度分布數(shù)值，單位為kmol/m3?？梢钥闯?，3種工況濃度值最高都處于喉口左側(cè)，而喉口中心位置卻急劇下降甚至一度接近0，這表明中心位置得到了充分燃燒，同時這一區(qū)域也是二次風擾動的強烈部分，但3種工況分布最為均勻的是3#，其CO濃度驟變過程遠遠低于1#和2#，原因在于適當?shù)靥岣叨物L配比更加均勻地帶來煙氣的混合擾動，使得燃燒更為充分。

圖11 喉口處橫向CO濃度分布

3 結(jié)論

1）不同的一二次風配比對于爐膛燃燒的過程影響很大，尤其是溫度分布的變化較為劇烈，適當?shù)靥岣叨物L的比例，可以促使燃料充分燃燒且爐膛內(nèi)部的溫度分布更為均勻。

2） 通過對3種工況條件下爐膛內(nèi)CO濃度的分析，在出口煙氣完全燃燒的情況下，燃燒充分的分界處位于喉口，此處是二次風與高溫煙氣進一步混合的重點位置，一定比例的提高二次風量，可以使燃料燃燒更為充分，3#工況相對于1#和2#優(yōu)異表現(xiàn)就在于濃度變化梯度較低且最先趨近于0。

3）不同爐型不同日處理量的垃圾焚燒爐，其結(jié)構(gòu)布置各有不同，因此具體的最優(yōu)配風比值，須通過整體鍋爐的一二次風進風口位置以及垃圾焚燒量等條件因素加以精確地計算和分析。

綜上所述，為保證爐膛內(nèi)部溫度分布較為均勻，變化梯度不至于過分劇烈，爐膛一二次風配比須有一個合理的設計理論，且具體的計算應根據(jù)鍋爐整體的結(jié)構(gòu)而定，才能得到最優(yōu)方案。

［1］ 于勇.入門與進階教程［M］.北京：北京理工大學出版社，2013.