垃圾焚燒水冷爐排冷卻技術(shù)與數(shù)值模擬研究

韓乃卿 李磊 付志臣 邵哲如

摘要：指出了垃圾焚燒發(fā)電廠主要采用爐排及流化床。對(duì)于爐排爐而言，無(wú)論順推或逆推大都采用空冷形式，對(duì)于高熱值垃圾，普通空冷爐排無(wú)法滿(mǎn)足冷卻效果，造成爐排壽命降低。為此，通過(guò)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)的方法研究了一種水冷爐排，結(jié)果顯示，通過(guò)內(nèi)部添加導(dǎo)流板可有效解決內(nèi)部通道水流死區(qū)問(wèn)題，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符。

關(guān)鍵詞：垃圾;高熱值;爐排;水冷;壓損

中圖分類(lèi)號(hào)：X799.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）22-0209-03

1 引言

隨著居民生活水平的不斷提高，城市生活垃圾產(chǎn)量越來(lái)越大，據(jù)統(tǒng)計(jì)年垃圾增長(zhǎng)率在8%～10%[1]。垃圾圍城現(xiàn)象仍然屢見(jiàn)不鮮，因此垃圾處理已經(jīng)成為亟待解決的社會(huì)問(wèn)題。另一方面，生活垃圾熱值也在不斷提高[2]。垃圾爐排因其技術(shù)完善可靠，處理規(guī)模大，垃圾適應(yīng)性好等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒行業(yè)[3]。隨著垃圾熱值提高，在同樣處理量情況下，焚燒爐超負(fù)荷運(yùn)行，造成爐膛內(nèi)部溫度上升，從而垃圾焚燒爐運(yùn)行環(huán)境更加惡劣，導(dǎo)致?tīng)t排壽命降低，從而縮短生產(chǎn)運(yùn)行周期。

因此，開(kāi)發(fā)適合高熱值垃圾焚燒爐排是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵，必須引起重視。

2 空冷爐排現(xiàn)狀

空冷爐排是目前爐排爐應(yīng)用最廣泛的爐排形式，比利時(shí)西格斯、德國(guó)馬丁公司均采用該技術(shù)，國(guó)內(nèi)垃圾焚燒爐制造廠家也均采用空冷爐排。據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及金屬性質(zhì)，一般順推爐排可耐受垃圾熱值大約9000kJ/kg，而對(duì)于逆推爐排因其運(yùn)動(dòng)方式，耐受的垃圾熱值最高約18000kJ/kg。當(dāng)垃圾熱值高或者由于運(yùn)行過(guò)程中誤操作造成垃圾爐排暴露在高溫?zé)煔庀聲r(shí)，由于高溫的作用，爐排性能極易被破壞。金屬表面處于高溫狀態(tài)下時(shí)，金屬耐磨性下降，在一次風(fēng)出風(fēng)口處，由于風(fēng)速高極易造成爐排出風(fēng)口腐蝕變大，另一方面由于上層垃圾的磨損，也會(huì)造成爐排表面損壞如圖1所示。通過(guò)數(shù)值模擬定性分析了垃圾爐排在不同情況下表面溫度分布情況，如圖2所示。

爐排運(yùn)行時(shí)，垃圾爐排最高運(yùn)行溫度不得超過(guò)450℃，通?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員將運(yùn)行最高運(yùn)行溫度控制在350℃以下。由圖2可知，當(dāng)爐排上層由垃圾覆蓋時(shí)，爐排表面溫度最高溫度約400℃，滿(mǎn)足爐排運(yùn)行要求。但是當(dāng)爐排頭部一旦暴露，該部分溫度迅速上升至525℃，超過(guò)爐排允許運(yùn)行溫度。

3 水冷爐排簡(jiǎn)介

3.1 斯特福水冷爐排簡(jiǎn)介

水冷爐排作為適合高熱值垃圾焚燒技術(shù)，在國(guó)外已經(jīng)研究多年，且有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。因此水冷爐排研發(fā)以國(guó)外先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，優(yōu)化開(kāi)發(fā)適合中國(guó)垃圾特色的水冷爐排。水冷爐排以斯特福水冷爐排為代表，與傳統(tǒng)鑄造爐排不同，該水冷爐排以焊接組裝為主可有效降低爐排成本（圖3）。

斯特福水冷爐排采用爐排頂部出風(fēng)，一次風(fēng)通道穿過(guò)水流通道，該技術(shù)可有效保證出風(fēng)均勻性，但是，對(duì)于加工復(fù)雜。通過(guò)數(shù)值模擬手段，檢測(cè)內(nèi)部流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，在部分位置，其設(shè)計(jì)存在不合理處，存在優(yōu)化空間（圖4）。

由圖4可知，在爐排轉(zhuǎn)彎處，存在水流死區(qū)。造成該部分流動(dòng)差，爐排溫度高。

3.2 水冷爐排優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)比分析，目前順推垃圾爐排及斯特度水冷爐排，對(duì)爐排出風(fēng)方式及內(nèi)部通道進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)用CFD技術(shù)及實(shí)驗(yàn)方式對(duì)爐排流動(dòng)特性進(jìn)行模擬研究，研究表明，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符（圖5）。

優(yōu)化后爐排采用爐排前端平吹出風(fēng)，內(nèi)部焊接導(dǎo)流板，相對(duì)于斯特度水冷爐排進(jìn)一步降低生產(chǎn)難度，采用非定常數(shù)值方法，對(duì)各時(shí)間點(diǎn)爐排內(nèi)部水流進(jìn)行模擬，如圖6所示，導(dǎo)流板與水流方向存在一定夾角，在通道中起到一定的擾動(dòng)左右，因此可有效改善旋流及水流死角問(wèn)題。

3.3 爐排壓損實(shí)驗(yàn)

加工爐排單元并進(jìn)行通水水壓及水流壓損測(cè)試，爐排單元如圖7所示。

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，隨著水冷爐排人口水流量的增加，水冷壓降也隨之增加。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好（圖8）。

4 結(jié)論

（1）隨著垃圾熱值的提升，爐膛內(nèi)部煙氣溫度升高，普通空冷爐排無(wú)法滿(mǎn)足爐排冷卻要求。

（2）水冷爐排能夠有效的對(duì)爐排起到保護(hù)作用，延長(zhǎng)其壽命，通過(guò)合理有效的布置導(dǎo)流板，可解決爐排內(nèi)部水流死區(qū)。

（3）通過(guò)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)方法得到爐排內(nèi)部水壓降特性。

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收稿日期：2019-09-26

作者簡(jiǎn)介：韓乃卿（1965-），男，高級(jí)工程師，主要從事環(huán)保相關(guān)工作。