協(xié)同焚燒污泥對(duì)垃圾焚燒爐燃燒過程的影響實(shí)驗(yàn)和模擬研究

喻武，朱浩

（中國環(huán)境保護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100082）

0 引言

近年來，隨著我國城市污水處理項(xiàng)目數(shù)量的不斷增加以及現(xiàn)有項(xiàng)目的提標(biāo)改造，城市污水污泥產(chǎn)量大幅增加，到2020年底，含水率為80%的污泥產(chǎn)量突破6 000萬t。污泥中含有大量的有害物質(zhì)，未經(jīng)處理任意排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染?！丁笆濉比珖擎?zhèn)生活垃圾焚燒處置能力大幅提升的同時(shí)，城鎮(zhèn)污水處理及再生利用設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》要求，到2020年底，地級(jí)及以上城市污泥無害率要達(dá)到90%[1]。

國內(nèi)外污泥處理的方法主要包括衛(wèi)生填埋、堆肥、干化和焚燒。與其它污泥處理方式相比，焚燒具有占地小、場(chǎng)地選擇容易、處理時(shí)間短、減量化顯著、無害化較徹底和可回收焚燒余熱等優(yōu)點(diǎn)，在美國和日本等發(fā)達(dá)國家得到了較廣泛應(yīng)用[2]。但是，污泥單獨(dú)焚燒對(duì)技術(shù)的可靠性要求較高，一次性投資成本較大，且運(yùn)行中的煙氣處理成本較高，日常維護(hù)工作量較大[3]。根據(jù)我國垃圾處理“減量化、資源化、無害化”的政策，國內(nèi)大多數(shù)城市建設(shè)了垃圾焚燒發(fā)電廠（2018年全國垃圾焚燒處理能力為37萬t/d），將污泥和城市生活垃圾協(xié)同混燒成為很有吸引力的處理手段。從2019年開始，國內(nèi)新建或者擴(kuò)建的垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目，普遍設(shè)計(jì)了協(xié)同焚燒污泥的能力。但是，生活垃圾協(xié)同焚燒污泥時(shí)，污泥熱值較低和粒徑小易壓火的物理特性是否會(huì)對(duì)生活垃圾的燃燒過程，甚至發(fā)電廠的發(fā)電量造成影響，存在著爭(zhēng)論。

鄭雪艷[4]以處理量為600 t/d的馬丁垃圾焚燒爐為研究對(duì)象，進(jìn)行了生活垃圾焚燒廠摻燒污泥的實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，摻燒5%的含水率為80%以上的污泥會(huì)對(duì)燃燒工況產(chǎn)生很大影響，污泥摻燒之前須經(jīng)過干化使污泥含水率降至80%以下。楊栩聰[5]以處理量為350 t/d的某型垃圾焚燒爐為研究對(duì)象，利用CFD（Computational Fluid Dynamics）數(shù)值模擬方法研究了摻混半干化污泥（含水率為60%）的燃燒及污染物排放特性，研究結(jié)果表明，爐膛溫度與污泥摻混量成反比，且7%的污泥摻混量較合適。

綜上所述，污泥含水率是影響生活垃圾協(xié)同污泥燃燒效果的主要因素。本文針對(duì)某城市處理量為500 t/d的日立L型垃圾焚燒爐，采用實(shí)驗(yàn)手段和CFD方法對(duì)生活垃圾焚燒爐協(xié)同焚燒處置干化污泥（含水率為40%）的燃燒過程進(jìn)行了研究，得到了污泥摻燒比例對(duì)焚燒爐內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響，從而為垃圾焚燒爐協(xié)同焚燒污泥的實(shí)際運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 研究對(duì)象及實(shí)驗(yàn)方法

研究對(duì)象為國內(nèi)某城市處理量為500 t/d的日立L型垃圾焚燒爐爐排。爐排分烘干、燃燒、燃燼三段，長(zhǎng)度為14.43 m，寬度為6.22 m。爐排分活動(dòng)梁和固定梁，通過活動(dòng)梁的動(dòng)作，爐排反復(fù)進(jìn)行前進(jìn)和后退動(dòng)作。一次風(fēng)溫度為230℃，由爐排下方6個(gè)風(fēng)室送入，然后從活動(dòng)爐排和固定爐排之間以及設(shè)置在爐排片上的通風(fēng)孔均勻吹出，進(jìn)行爐排冷卻和助燃。二次風(fēng)為常溫，從焚燒爐喉口噴入，充分?jǐn)嚢锜煔?，控制燃燒溫度和燃燒效果，一次風(fēng)和二次風(fēng)比例為4∶1。

實(shí)驗(yàn)中，在1煙道24.65，26.55，27.90 m位置處各布置3組溫度測(cè)點(diǎn)，爐膛溫度取該3組測(cè)點(diǎn)的平均值。干化污泥（含水率40%）通過刮板機(jī)輸送至焚燒爐的生活垃圾投料口與生活垃圾混合后入爐協(xié)同焚燒。實(shí)驗(yàn)分為3組，摻燒污泥比例分別為0，5%和12%，每組重復(fù)3次。

垃圾和污泥的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果（以收到基為準(zhǔn)）見表1。垃圾和污泥的平均低位熱值分別為7 328，4 918 kJ/kg。

表1 垃圾和污泥的元素分析和工業(yè)分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of waste and sludge

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

垃圾在焚燒爐內(nèi)發(fā)生的燃燒可分為爐排上的燃燒反應(yīng)和爐膛內(nèi)的氣相燃燒反應(yīng)[6]～[8]。其中，爐排上的燃燒過程可為4個(gè)階段：水分蒸發(fā)階段、揮發(fā)分氣化階段、揮發(fā)分燃燒階段和焦炭燃燒階段。污泥焚燒過程的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、質(zhì)量方程、組分輸運(yùn)方程及輻射換熱方程參見文獻(xiàn)[9]，[10]。焚燒爐膛和1煙道的三維模型如圖1所示。網(wǎng)格劃分時(shí)，焚燒爐膛為單獨(dú)一個(gè)區(qū)，1煙道分為兩個(gè)區(qū)。網(wǎng)格以六面體網(wǎng)格為主，并對(duì)燃燒和煙氣擾動(dòng)較大的區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，總網(wǎng)格數(shù)約為98萬。

圖1 焚燒爐物理模型和分區(qū)處理Fig.1 Incinerator physical model and zone processing

計(jì)算求解爐膛內(nèi)的氣相燃燒過程時(shí)，涉及的主要控制方程如下所示[11]。

質(zhì)量方程：

動(dòng)量方程：

能量守恒方程：

組分輸運(yùn)方程：

2.2 計(jì)算方法

生活垃圾在爐排上的燃燒過程采用FLIC軟件進(jìn)行模擬[12]，[13]。該軟件求解時(shí)假定氣體和固體溫度、物種濃度在爐排的寬度方向上不變，僅沿著爐排運(yùn)動(dòng)方向變化。假定揮發(fā)分主要成分為CH4，CO，CO2，H2，H2O，O2，其燃燒過程簡(jiǎn)化如下：

爐膛的氣相燃燒過程采用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算。焚燒爐膛壁面設(shè)置為絕熱邊界條件，煙道壁面采用階梯式壁溫設(shè)置。煙道出口邊界條件類型設(shè)置為壓力出口，二次風(fēng)和爐排沿程的入口邊界條件類型設(shè)置為速度入口。氣相燃燒反應(yīng)速率采用有限速率-渦耗散模型，輻射模型采用P1模型，湍流模型采用Relizable k-ε模型，采用SIMPLE算法對(duì)壓力-速度耦合方程進(jìn)行求解[14]。

爐排沿程入口氣體的溫度、速度和組分濃度信息，由爐排床層內(nèi)燃燒模擬結(jié)果提供，反過來爐膛燃燒數(shù)值模擬提供床層內(nèi)模擬所需的頂部輻射溫度分布。如此反復(fù)迭代，直到兩個(gè)模型收斂。

3 結(jié)果及分析

3.1 協(xié)同焚燒污泥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表2給出了不同污泥摻燒比工況下，與爐內(nèi)燃燒相關(guān)的鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)。由表2可知：生活垃圾焚燒爐協(xié)同處置污泥后，爐膛溫度受到了較大影響，摻燒5%的污泥后，爐膛溫度降低了4.4%；摻燒12%的污泥后，爐膛溫度降低了11.2%。相應(yīng)的，摻燒污泥后，鍋爐受熱面吸收熱量和鍋爐蒸發(fā)量均減少。

表2 不同污泥摻混工況下的鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)Table 2 Boiler operation data of different sludge blending condition

焚燒爐爐渣的灼減率反映了爐內(nèi)物料的燃燒效果。由表2可知，摻燒污泥后，爐渣灼減率增加，可能是因?yàn)槲勰嘤晒伟鍣C(jī)直接輸送入焚燒爐投料口后，入爐物料混合不均勻，導(dǎo)致物料燃燒不充分，爐渣熱灼減率增加。不同污泥摻燒比例對(duì)焚燒爐爐渣的總量影響不大，基本維持在28%左右。

飛灰是垃圾焚燒發(fā)電過程中產(chǎn)生的有害廢棄物。由表2可知，摻燒污泥后，飛灰的產(chǎn)量增加，特別是在污泥摻燒比例為12%時(shí)，飛灰產(chǎn)量增加了20%。這可能是因?yàn)槲勰嘀谢曳趾枯^多，且污泥粒徑較小，燃燒固態(tài)產(chǎn)物易跟隨爐內(nèi)煙氣流動(dòng)。

3.2協(xié)同焚燒污泥的爐排燃燒結(jié)果及分析

圖2給出了沿爐排長(zhǎng)度方向床層表面的煙氣溫度和殘余垃圾的分布情況。從圖2（a）可以看出：無摻燒時(shí)，在爐排長(zhǎng)度0～4 m處，煙氣溫度變化不大，此時(shí)垃圾主要處于水分蒸發(fā)階段；當(dāng)垃圾移動(dòng)到爐排長(zhǎng)度4 m處時(shí)，煙氣溫度突升至810 K，揮發(fā)分開始迅速析出并著火燃燒，即進(jìn)入揮發(fā)物氣化和燃燒階段；煙氣溫度在7.7 m處到達(dá)第一個(gè)峰值，隨后焦炭開始燃燒，產(chǎn)生的熱量，使煙氣溫度在8.7 m處達(dá)到1 555 K；隨著焦炭快速燃燼，垃圾運(yùn)動(dòng)到9.2 m處后，煙氣溫度下降速度變緩。協(xié)同焚燒污泥后，床層表面煙氣溫度的變化主要體現(xiàn)在爐排4～7.7 m處，即揮發(fā)物氣化和燃燒階段。隨著污泥摻燒比例的增加，在揮發(fā)物氣化和燃燒階段的前段，煙氣溫度增加，后段則溫度下降。從圖2（b）可以看出，在爐排約8.7 m之后，床層表面的殘余固體質(zhì)量變化不大，協(xié)同焚燒污泥對(duì)床層表面的垃圾質(zhì)量減少速率影響不大。

圖2 床層表面的煙氣溫度和殘余垃圾分布Fig.2 Flue gas temperature on bed surface and Residual waste distribution

圖3給出了垃圾在爐排上燃燒時(shí)，煙氣中CH4和CO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿爐排長(zhǎng)度的分布情況。從圖3可以看出：不同摻燒比例下，兩種氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的第一個(gè)峰值在爐排上出現(xiàn)的位置均相同，表明摻燒污泥對(duì)爐排上揮發(fā)物氣化的時(shí)刻沒有影響；但是，摻燒污泥導(dǎo)致CH4和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的第二個(gè)峰值出現(xiàn)的位置推遲，這表明爐膛的高溫區(qū)域向爐排后段方向移動(dòng)。

圖3 床層表面的CH4和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.3 Mass fraction distribution of CH4 and CO on the bed surface

3.3 協(xié)同焚燒污泥的爐內(nèi)氣相燃燒結(jié)果與分析

表3給出了不同污泥摻燒比下，爐膛現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)溫度和數(shù)值模擬計(jì)算的平均溫度。由表3可知，計(jì)算溫度略低于檢測(cè)溫度，誤差較小，說明模擬結(jié)果比較合理。

表3 爐膛溫度的檢測(cè)和計(jì)算結(jié)果Table 3 Measurement and calculation result of furnace temperature

圖4給出了不同污泥摻燒比下，模擬得到的爐膛氣相燃燒中心截面的溫度分布。從圖4可以看出：無摻燒時(shí)，干燥爐排段由于水分蒸發(fā)，爐排上方溫度較低，最高溫度出現(xiàn)在燃燒爐排的后段；高溫?zé)煔庋刂蠊斑M(jìn)入1煙道，到喉口附近時(shí)，受二次風(fēng)噴入的影響，與空氣混合形成強(qiáng)烈湍流，并繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，煙氣溫度再次上升，爐膛后拱上部出現(xiàn)溫度較高區(qū)域。從圖4還可以看出：摻燒5%污泥后，爐內(nèi)的溫度分布情況不變，溫度整體下降；但污泥摻燒比例由5%增加到12%后，1煙道后壁溫度繼續(xù)降低，前壁溫度回升。由于1煙道的溫度分布受煙氣湍流影響較大，可用摻燒污泥后爐內(nèi)的湍流分布來解釋溫度分布的差異。

圖4 不同摻燒比例下爐膛中心截面的溫度分布Fig.4 Temperature distribution in furnace at different blending proportions

圖5給出了不同污泥摻燒比下，爐膛中心截面的湍流強(qiáng)度分布。從圖5可以看出：無摻燒時(shí)，爐內(nèi)的湍流主要分布在爐膛喉口及以上區(qū)域，且在喉口處的湍流最強(qiáng)；摻燒5%污泥后，1煙道湍流整體減弱，但當(dāng)污泥摻燒比例增加到12%后，1煙道前壁的湍流增強(qiáng)，這可能是造成1煙道前壁溫度回升的原因。

圖5 不同摻燒比例下爐膛中心截面的湍流強(qiáng)度Fig.5 Turbulence intensity of the furnace at different blending proportions

4 結(jié)論

①協(xié)同處置污泥對(duì)爐膛溫度影響較大，摻燒5%的污泥，爐膛溫度降低了4.4%，摻燒12%的污泥，爐膛溫度降低了11.2%；摻燒污泥導(dǎo)致鍋爐蒸發(fā)量減少，爐渣灼減率和飛灰產(chǎn)量增加；焚燒爐爐渣的總量受摻燒比例影響不大，基本維持在28%左右。

②床層燃燒模擬結(jié)果表明，協(xié)同焚燒污泥后，床層表面的煙氣溫度變化主要體現(xiàn)在揮發(fā)物氣化和燃燒階段；隨著污泥摻燒比例的增加，在揮發(fā)物氣化和燃燒階段的前段，煙氣溫度升高，后段溫度下降；協(xié)同焚燒污泥對(duì)床層表面垃圾的質(zhì)量減少速率影響不大，但會(huì)造成揮發(fā)分中主要可燃物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值出現(xiàn)推遲。

③爐膛氣相燃燒模擬結(jié)果顯示，爐排上方最高溫度出現(xiàn)在燃燒爐排的后段；摻燒5%污泥后，爐內(nèi)的溫度分布情況不變，溫度整體下降；但污泥摻燒比例由5%增加到12%后，1煙道后壁溫度繼續(xù)降低，前壁溫度回升。