低氣壓條件下垃圾焚燒鍋爐爐內(nèi)氣相燃燒數(shù)值模擬

瞿兆舟

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

低氣壓條件下垃圾焚燒鍋爐爐內(nèi)氣相燃燒數(shù)值模擬

瞿兆舟

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

以拉薩某生活垃圾焚燒發(fā)電廠配套的垃圾焚燒鍋爐為研究對象分析、驗(yàn)證垃圾焚燒鍋爐的性能，通過對低氣壓條件下垃圾焚燒鍋爐爐內(nèi)氣相燃燒數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明垃圾焚燒鍋爐在燃燒性能和“3T”準(zhǔn)則性能能夠達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

低氣壓；垃圾焚燒；數(shù)值模擬

生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐（以下簡稱垃圾焚燒鍋爐）為大型、復(fù)雜熱工機(jī)械設(shè)備，具有燃料成分復(fù)雜、熱值不穩(wěn)定、煙氣具有腐蝕性等特點(diǎn)［1］。在高海拔地區(qū)運(yùn)行的垃圾焚燒鍋爐，隨著大氣壓力急劇下降還會(huì)對垃圾燃燒性能、爐膛傳熱及污染物生成等產(chǎn)生影響。筆者以拉薩某生活垃圾焚燒發(fā)電廠配套的垃圾焚燒鍋爐為低氣壓條件下爐內(nèi)氣相燃燒數(shù)值模擬對象，數(shù)值模擬過程中選用合理的數(shù)學(xué)物理模型，得到爐膛速度場、溫度場、各組分濃度場等結(jié)果。通過分析數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證垃圾焚燒鍋爐的一二次風(fēng)參數(shù)、爐膛結(jié)構(gòu)、污染物生成等是否滿足規(guī)范及性能要求［2］。

1 數(shù)值模擬對象結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)

拉薩某生活垃圾焚燒發(fā)電廠所處海拔3 650 m，空氣中年平均含氧量僅占平原地區(qū)含氧量的64.3%。該項(xiàng)目焚燒爐采用上?？岛阍O(shè)計(jì)、制造的Von Roll機(jī)械式爐排，配套余熱鍋爐為單鍋筒、自然循環(huán)蒸汽鍋爐、臥式布置蒸發(fā)器+過熱器、后附立式省煤器。爐膛燃燒室前后拱為水冷壁，兩側(cè)為護(hù)板結(jié)構(gòu)，其中燃燒爐排段側(cè)墻布置空冷墻。前后拱分別布置5個(gè)和6個(gè)口徑為DN80的二次風(fēng)噴口，其中前拱二次風(fēng)噴口以一定的角度下傾，后拱6個(gè)二次風(fēng)噴口以水平方向朝爐內(nèi)噴入。整個(gè)爐膛呈上寬下窄布置，在焚燒爐出口集箱處為界。為了保證煙氣在850℃以上溫度區(qū)間至少停留2 s，爐膛出口窗以下區(qū)域敷設(shè)耐火澆筑料。垃圾焚燒鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 垃圾焚燒鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

2 數(shù)值模擬模型

2.1 垃圾焚燒鍋爐數(shù)值模擬概述

由于垃圾燃料層中復(fù)雜的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換、稀相空間中湍流反應(yīng)及兩者之間強(qiáng)烈的交互作用，所以垃圾爐排爐CFD（Computational Fluid Dynamics） 模擬比煤粉鍋爐更加復(fù)雜［3］。目前研究爐排爐燃燒特性最流行方法是將床層燃燒與稀相空間燃燒分步模擬。稀相空間模擬主要以實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)做為邊界條件，在改變?nèi)剂蠒r(shí)，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)和相似爐型運(yùn)行參數(shù)，可以充分發(fā)揮數(shù)值模擬的經(jīng)濟(jì)性。CFD模擬軟件可以對助燃空氣配比、爐膛結(jié)構(gòu)和二次風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，通過不同工況下流場、溫度場和濃度場的改變來評價(jià)整個(gè)焚燒爐的燃燒、燃盡、污染物生成等性能。

2.2 數(shù)值模擬邊界條件及簡化假設(shè)

數(shù)值模擬建立的垃圾焚燒鍋爐爐膛氣相反應(yīng)區(qū)為全尺寸三維模型，模型研究范圍的入口為機(jī)械爐排表面（包含垃圾層表面），出口為垃圾焚燒鍋爐爐膛出口。利用Ansys-ICEM軟件對該模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，利用Ansys-Fluent軟件建立垃圾焚燒鍋爐爐膛氣相反應(yīng)區(qū)的三維流場模型并進(jìn)行模擬分析［4］。

為避免網(wǎng)格劃分過細(xì)，同時(shí)為提高計(jì)算過程中的收斂性能、保證計(jì)算精度，在建模及模擬設(shè)置過程中采用以下簡化假設(shè)：①湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；②氣相燃燒模型采用渦擴(kuò)散模型；③燃料出入口處作簡化處理；④未考慮垃圾厚度；⑤為防止計(jì)算中回流現(xiàn)象，爐膛出口延長2 m。數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)輸入?yún)?shù)如表2所示。

表2 數(shù)值模擬輸入?yún)?shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由于大氣壓力降低和單位容積內(nèi)氧分子數(shù)減少，垃圾燃燒反應(yīng)速度將降低，表現(xiàn)為著火困難和較難于燃盡。同時(shí)高海拔低氣壓使CO2的離解率增加，使煙氣中的CO2含量減少，CO含量增加，從而使化學(xué)不完全燃燒損失增加。低氣壓使煙氣體積變大，所需過量空氣系數(shù)α也越大，則燃燒產(chǎn)物爐內(nèi)停留時(shí)間將減少，同時(shí)相對增加不完全燃燒損失份額。根據(jù)氣體黑度公式α=1-e-kps，爐膛內(nèi)壓力會(huì)影響氣體黑度，從而影響爐膛輻射傳熱。

數(shù)值模擬計(jì)算可以得到爐膛內(nèi)的溫度場、速度場、輻射特性、湍流特性及各組分（如O2、CO、CO2、CH4等）濃度場。結(jié)合低氣壓對燃燒及爐膛結(jié)構(gòu)影響，本數(shù)值模擬著重分析垃圾焚燒鍋爐在大氣壓力65 kPa條件下的燃燒性能和“3T”準(zhǔn)則性能。

3.1 燃燒性能分析

垃圾進(jìn)入爐排后經(jīng)高溫?zé)煔廨椛浼訜?，開始干燥和析出揮發(fā)分，然后著火和燃盡，以上各階段主要在干燥爐排、燃燒爐排和燃盡爐排相繼進(jìn)行。在干燥爐排上垃圾被烘干，整體溫度較低，圖1中爐膛左下部（干燥爐排區(qū)域）溫度為700～900℃。從圖1和圖2可以看出，爐膛下部（燃燒爐排區(qū)域） 出現(xiàn)大于1 200℃的高溫區(qū)域同時(shí)O2充足，由此可以說明垃圾能夠順利著火燃燒。

圖1 爐膛溫度場

圖2 爐膛O2濃度場

一次風(fēng)從爐排下漏渣斗送入，穿透爐排和料層后參與燃燒，因此O2濃度從爐排往上逐漸降低趨于為0。O2濃度在二次風(fēng)噴入后增大，然后由于煙氣中可燃物質(zhì)的進(jìn)一步燃燒O2濃度再次降低，爐膛出口O2濃度（濕基） 為6.7%。圖2反映了爐膛中O2濃度由大到小再變大最后變小的整個(gè)過程。從圖3可以看出爐膛出口CO濃度接近為0，結(jié)合爐膛O2濃度分布特性，說明爐膛結(jié)構(gòu)和二次風(fēng)設(shè)計(jì)滿足垃圾燃盡要求。

圖3 爐膛CO濃度場

3.2 “3T”準(zhǔn)則性能分析

垃圾焚燒過程中控制不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生二惡英類有機(jī)污染物，對人和動(dòng)物有劇毒，是當(dāng)今已知毒性最強(qiáng)的有機(jī)化合物。根據(jù)GB/T 18750—2008生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐要求，垃圾焚燒爐及余熱鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)存在同時(shí)滿足煙氣溫度不應(yīng)低于850℃、有足夠的湍流強(qiáng)度確保均勻混合、產(chǎn)生的煙氣在該區(qū)域的停留時(shí)間不低于2 s的氣相空間高溫區(qū)域，即垃圾焚燒鍋爐須滿足“3T”準(zhǔn)則。

“3T”準(zhǔn)則中一般認(rèn)為爐膛內(nèi)溫度分布為最關(guān)鍵因素，模擬結(jié)果中爐膛出口溫度為915℃（如圖1所示），與按熱力計(jì)算得到的爐膛出口溫度為896℃基本吻合。圖4、圖5分別為爐膛內(nèi)煙氣速度場及速度矢量模擬結(jié)果，根據(jù)體積平均方法，把爐膛內(nèi)進(jìn)出口空間內(nèi)的煙氣垂直向上流動(dòng)的速度根據(jù)加權(quán)平均得到網(wǎng)格平均流速為2.69 m，相應(yīng)爐內(nèi)停留時(shí)間為6.7 s。所以爐膛結(jié)構(gòu)滿足煙氣在850℃以上溫度區(qū)間停留時(shí)間大于2 s。

圖4 爐膛內(nèi)煙氣速度場

圖5 爐膛內(nèi)煙氣速度矢量圖

二次風(fēng)噴口設(shè)置在爐膛前后拱區(qū)域，其中前拱二次風(fēng)噴口以一定角度下傾，后拱二次風(fēng)噴口水平布置。二次風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)量為11 500 m3/h，設(shè)計(jì)溫度20℃，在給定風(fēng)壓下二次風(fēng)噴口風(fēng)速高達(dá)71.2 m/s［5］。圖6、圖7分別為爐膛前后拱水平截面速度矢量圖，二次風(fēng)的噴入在爐膛內(nèi)形成很強(qiáng)的湍流，促使?fàn)t膛內(nèi)各組分均勻混合，有效遏止二惡英類有機(jī)污染物生成。

圖6 前拱水平截面速度矢量圖

圖7 后拱水平截面速度矢量圖

3.3 變工況數(shù)值模擬結(jié)果及分析

垃圾焚燒鍋爐熱負(fù)荷變化為60%～110%，在不助燃情況下入爐垃圾最低低位發(fā)熱量為5024kJ/kg。因此需對垃圾處理量385t/d、低位發(fā)熱量7320kJ/kg，垃圾處理量210 t/d、低位發(fā)熱量7 320 kJ/kg，垃圾處理量350 t/d、低位發(fā)熱量5 024 kJ/kg這3種典型變工況進(jìn)行數(shù)值模擬。由表3可知，3種典型變工況下，爐排及爐膛結(jié)構(gòu)均滿足垃圾燃燒、燃盡和“3T”準(zhǔn)則，變工況3必要時(shí)投入輔助燃燒器以保證煙氣在850℃以上溫度區(qū)間至少停留2 s。

表3 變工況數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié)論

通過提高一次風(fēng)溫、合理布置二次風(fēng)及優(yōu)化爐膛結(jié)構(gòu)等措施，垃圾焚燒鍋爐在大氣壓力65 kPa條件下能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，燃燒、“3T準(zhǔn)則”等關(guān)鍵性能指標(biāo)全部合格。

［1］ 白良成.生活垃圾焚燒處理工程技術(shù)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］ K?r S K.Numerical modelling of a straw-fired grate boiler［J］.Fuel，2004，83（9）：1183-1190.

［3］ Klason T，Bai X S.Combustion process in a biomass grate fired industry furnace：a CFD study ［J］.Prog Comput Fluid Dy，2006，6（4）：278-286.

［4］ Nasserzadeh V，Swithenbank J，Jones B.Three-dimensional modelling of a municipal solid-waste incinerator［J］.J Inst Energy 1991，64（460）：166-175.

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Numerical Simulation of Waste Incinerator Chamber under Low Atmospheric Pressure with Gas Combustion

Qu Zhaozhou
（Shanghai SUS Environment Co.Ltd.，Shanghai201703）

One incineration and power plant of urban domestic waste was located in Lasa city，the western plateau region of China.Through numerical simulation of waste incinerator chamber under low atmospheric pressure with gas combustion，the performance of waste incineration boiler of the power plant was analyzed and validated.Results showed that the waste incineration boiler combustion performance can meet design index and the rule of“3T”.

low atmospheric pressure；waste incineration；numerical simulation

X705

B

1005-8206（2017）05-0084-04

2016-12-06

瞿兆舟（1982—），工程師，主要從事環(huán)境工程技術(shù)研發(fā)和管理。

E-mail：quzz@shjec.cn。