機械爐排垃圾焚燒爐內(nèi)氣固兩相焚燒過程的協(xié)同研究

丁孝榮

摘要：機械爐排垃圾焚燒爐的結(jié)構(gòu)復雜，運行操作繁復，而計算流體力學（CFD）在其中的應用，有利于深入研究機械爐排垃圾焚燒爐內(nèi)的燃燒傳熱和煙氣流動特性。作為一種輔助預測方法，運用CFD 進行數(shù)值模擬計算可以更為方便地預測垃圾焚燒爐整個爐膛空間內(nèi)的溫度場、速度場、煙氣各組分的濃度場以及傳熱特性。因此，本文探討了機械爐排垃圾焚燒爐內(nèi)氣固兩相焚燒過程。

關鍵詞：機械爐排垃圾焚燒爐；氣相；固相；焚燒過程

近年來，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，生活垃圾逐漸增多，填埋是固廢的最終處置方式，而機械爐排爐是世界上比較常用的爐排式生活垃圾焚燒爐爐型。其結(jié)構(gòu)復雜，運行操作繁復，對其進行工程實驗需要耗費大量的人力、物力和財力，受限于測量條件和基于安全考慮，往往只能獲得爐內(nèi)局部點的信息，而且不便于對其進行結(jié)構(gòu)改造研究。計算流體力學（CFD）在機械爐排垃圾焚燒爐上的應用，有利于解決以上難題，進一步深入研究機械爐排垃圾焚燒爐內(nèi)的燃燒傳熱和煙氣流動特性。對于城市生活垃圾在機械爐排爐內(nèi)的燃燒傳熱過程的數(shù)值模擬研究，均采用分塊模擬計算方法，即先計算垃圾料層的固相燃燒，將計算結(jié)果作為入口邊界條件，再進行氣相燃燒傳熱計算。

1物理模型

本研究的物理模型為海安項目250t/d的焚燒爐系統(tǒng)。該焚燒爐的爐型為順推式，爐內(nèi)煙氣先后經(jīng)過燃燒室、余熱鍋爐、保護性蒸氣器、過熱器、省煤器和除塵器，最后通過引風機由煙囪排向大氣，其中焚燒爐燃燒室和第一煙道統(tǒng)稱為垃圾焚燒爐爐膛。

爐膛內(nèi)燃燒所需的空氣主要分為兩部分供給，分別是一次風和二次風，一次風由引風機從垃圾儲料倉內(nèi)部吸入供給，經(jīng)過預熱后，通過爐排下方的風室提供給垃圾床層部分，由于整個垃圾床層分為三部分：干燥段、燃燒段和燃燼段，三段的一次風溫度各不相同。針對250t/d的項目，風溫依次為493K，458K和293K。二次風則在喉口上部，通過常溫高速射流進入爐膛內(nèi)，風速約為60m/s。其二次風管布置為對稱交錯排列，速度方向均為斜向下20o。

2 燃料組分及邊界條件

2.1 燃料組分

眾所周知，生活垃圾的成分是千變?nèi)f化的，而垃圾成分的特性分析是生活垃圾焚燒長設計、建設和運行管理的關鍵基礎材料，不同的垃圾特性勢必將導致焚燒爐的燃燒狀況不同。本研究所采用的垃圾理化特性參數(shù)基于天楹公司提供的實際工況數(shù)據(jù)。

2.2 邊界條件

模擬所采用的邊界條件如下：

1）垃圾處理量：250t/d爐；

2）在爐排入口處，垃圾料層初始厚度為960mm；

3）垃圾燃燒的過量空氣系數(shù)：1.9；

4）一次助燃空氣溫度220℃；

5）二次助燃空氣溫度為室溫或者150℃；

6）垃圾在床內(nèi)停留時間120min；

7）一次風機和二次風機流量分別為為24125 Nm?/h和9300 Nm?/h，其中一次風又通過3個風倉吹入爐排內(nèi)。

3 爐排氣相、固相燃燒模擬結(jié)果分析

3.1固相燃燒模擬結(jié)果

濕垃圾投入焚燒爐內(nèi)，水分在爐膛火焰的輻射熱和一次風對流傳熱的雙重作用下開始蒸發(fā)，干燥過程完成后垃圾進入熱解過程，揮發(fā)分釋放，燃燒過程中釋放大量熱量，爐排上的垃圾質(zhì)量顯著減少。床層表面氣相的溫度隨著水分的蒸發(fā)、揮發(fā)分與焦炭的燃燒而不斷升高。隨著揮發(fā)分的燃盡，垃圾進入燃盡狀態(tài)，氣體溫度顯著下降。在爐排的前1/3段，來自一次風的熱量主要用于垃圾水分的干燥。隨著熱解過程的開始，揮發(fā)分燃燒等途徑的熱量開始輸入固體垃圾，帶動了固體垃圾的燃燒，固體溫度約在爐排長度的2/3處達到最大值。氣相燃燒帶動了固相的燃燒，爐排溫度的最大值出現(xiàn)在總長度的2/3處。

此外，垃圾的成分對爐排上的燃燒特性有著重要的影響，高水分和低熱值垃圾需要較長的干燥蒸發(fā)段，在一定爐排長度的情況下，有可能出現(xiàn)垃圾燒完全，熱灼減率升高的不良結(jié)果。

3.2 氣相燃燒模擬結(jié)果

垃圾在爐排熱解燃燒后，氣體從床層頂端逸出，進入燃燒室，未完全燃燒的可燃氣體繼續(xù)反應，釋放出大量的熱量。在爐膛內(nèi)煙氣溫度最高約為1300K左右，較高溫度區(qū)主要集中于爐排中部，高溫區(qū)和高速區(qū)基本吻合。在爐膛喉部隨著二次風的射入，未完全燃燒的可燃氣體得到補氧進行了充分燃燒，最高溫度1720K（約1450℃），在第一煙道尾部隨著水冷壁的吸熱和燃燒的完成，煙溫約在1400K。在喉口部由于二次風射入的合流作用，使得此處煙溫分布不均勻，在喉部二次風口上的回旋區(qū)煙溫較低。

CO和CmHn的高濃度區(qū)域分布在第二級爐排及其上方，主要來源于床層垃圾的熱解過程，而在其它區(qū)域的含量甚微。由于在喉口部二次風的射入，有足夠的氧氣和可燃氣體充分的混合，可燃份的反應逐漸趨于完全。

焚燒爐內(nèi)的氧氣低濃度區(qū)域，主要是分布在第二級爐排上方和二次風射流區(qū)域。二次風射流帶來充足的氧氣，并壓制其下方的煙氣，煙氣中的可燃顆粒在其附近燃燒，故而氧氣含量在該區(qū)域較低。進入第一煙道后，燃盡風的供入保證了可燃氣體的燃燼，進一步提高了煙氣中的氧氣濃度，第一煙道出口處氧氣含量約達到6%。

可以看出：針對垃圾焚燒過程的數(shù)值模擬能夠得到可信的結(jié)果，可以借此對焚燒爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和規(guī)模放大進行研究。

4結(jié)語

機械爐排垃圾焚燒爐的結(jié)構(gòu)復雜，而CFD在其中的應用，有利于深入研究機械爐排垃圾焚燒爐內(nèi)的燃燒傳熱和煙氣流動特性。本文將天楹公司海安250t/d項目通過數(shù)值模擬復現(xiàn)了其中的物理和化學進程。研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)果吻合良好，驗證了氣固兩相協(xié)同焚燒模型的準確性，為裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化和規(guī)模放大提供了理論基礎。

參考文獻

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（作者單位：江蘇天楹環(huán)保能源成套設備有限公司）