淺談一臺850t/d垃圾焚燒爐的設計與CFD模擬驗證

余笑楓

摘要：本文闡述了一臺850t/d生活垃圾焚燒爐的設計過程，并以計算流體動力學（computational fluid dynamic，CFD）的數(shù)值模擬方法作為研究手段，達到優(yōu)化該垃圾焚燒爐的目的。所開發(fā)的焚燒爐具有燃料適應性強、燃燒徹底穩(wěn)定、污染物生成量少等特點，并具備較強的防高溫腐蝕能力，相比目前市場主流生活垃圾焚燒爐有一定優(yōu)勢。

關鍵詞：垃圾處理，機械爐排，爐膛結構，CFD

文章主要闡述了本單位一臺850t/d垃圾焚燒爐的研發(fā)設計及CFD模擬，驗證焚燒爐爐膛結構設計的可靠性。

1設計燃料特性

收到基成份：碳Car=23.78%，氫Har=3.27%，氧Oar=12.28%，氮Nar=0.15%，硫Sar=0.15%，氯Clar=0.37%，灰Aar=17.18%，水Mar=42.82%，收到基低位熱值Qnet.v.ar=9000kJ/kg。垃圾焚燒量B=35417kg/h。

2爐排設計

2.1爐排型式

本臺爐采用順推、空冷、傾斜、有階梯的五級機械爐排。

2.2爐排機械負荷計算

（1）爐排機械負荷是表示單位爐排面積的垃圾燃燒速度的指標，是垃圾焚燒爐設計的重要指標。

綜合考慮垃圾單位時間產生的低位發(fā)熱量與爐排面積熱負荷之比，及單位時間內垃圾處理量及爐排機械燃燒強度之比，爐排面積取兩者中較大值。即：

Fb=max{Q/QR，F(xiàn)/Qf}

Q——單位時間內垃圾及輔助燃料產生的低位發(fā)熱量，kJ/kg

QR——爐排允許面積熱負荷，kJ/（m2·h），（1.25～3.75）×106 kJ/（m2·h）

Fb——爐排所需面積，m2

Qf——爐排機械負荷，kg/（m2·h）

F——垃圾處理率，kg/h

根據(jù)以上原則，結合現(xiàn)有焚燒爐系列產品設計經(jīng)驗，確定該臺焚燒爐的寬度10.8米，長度15米，爐排面積Fb為162平方米。爐排機械負荷219 kg/（m2·h），爐排面積熱負荷QR 為1.968×106 kJ/（m2·h），在允許推薦范圍之內。

3爐膛計算

3.1爐膛容積計算

垃圾焚燒爐爐膛尺寸主要是由燃燒室允許的容積熱強度和廢物焚燒時在高溫爐膛內所需的停留時間這兩個因素決定。方法是同時考慮垃圾的低位發(fā)熱量與燃燒室容積熱負荷的比值，及燃燒煙氣產生率與煙氣停留時間的乘積，取兩者較大值。即

V=max{Q/Qv， Gtr}

G=mgF/3600r

Q——單位時間內垃圾及輔助燃料產生的低位發(fā)熱量，kJ/kg

Qv——燃燒室允許體積熱負荷，kJ/（m3·h），（34～63）×104 kJ/（m3·h）

G——廢氣體積流量，m3/s

tr——氣體停留時間，s

mg——燃燒室廢氣產生率，kg/kg

r——燃燒氣體平均密度，kg/m3

F——垃圾處理率，kg/h

根據(jù)上述公式計算得出，本臺爐的爐膛容積為865立方米。

3.2燃燒室容積熱負荷計算

燃燒室容積熱負荷指燃燒室內單位時間、單位體積的設計熱容量。燃燒室容積熱負荷可按下式確定：

qv ?——燃燒室容積熱負荷，KW/m3;

B ?——垃圾焚燒量，kg/h;

Qdy ——垃圾低位熱值，kJ/kg;

V ?——燃燒室體積，m3;

A ?——單位燃燒空氣量，Nm3/kg;

Ca ?——空氣定壓比熱，kJ/（N·m3·℃）;

ta ?——加熱空氣溫度，℃;

t0 ?——大氣溫度，℃;

F ?——輔助燃料量，kg/h;

Qf ?——輔助燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg。

根據(jù)公式計算得出，燃燒室容積熱負荷qv為37×104 kJ/（m3·h），在允許推薦范圍之內。

4 爐膛結構設計與CFD數(shù)值模擬驗證

4.1爐膛結構設計

爐內燃燒是一個復雜的熱化學反應過程，爐拱搭配合理與否直接決定燃燒的好壞。研究表明鍋爐前后拱的合理配合，可使煙氣中的可燃氣體和過剩的氧氣在喉口充分混合，減少不完全燃燒損失。圖2為爐膛尺寸圖。爐膛設計三排二次風管，第一煙道二次風吹入截面以上的爐膛寬度為9800 mm，爐排長度15000mm;二次風風速為45 m/s。側墻水冷壁下拉至距離底部2米處，前后拱增加水冷壁。過量空氣系數(shù)為1.6，一次風的比例為0.65。

4.2爐膛溫度場分布

模擬結果表明，溫度更集中于爐膛中部，二次風吹入截面形成切圓，切圓效果理想，可有效防止煙氣沖刷第一煙道壁面。不同高度4個截面的平均溫度均≥850 ℃，均滿足《生活垃圾焚燒污染控制標準》。

排放煙氣中氮氧化物：100.7 mg/m3（1小時均值），一氧化碳：5.9 mg/m3（1小時均值），所有工況均符合《生活垃圾焚燒污染控制標準》。

4.3爐膛速度場對比與分析

一次風從爐排風孔進入爐膛內部，與燃料發(fā)生燃燒化學反應。燃燒產生的高溫煙氣沿第一煙道往上流動，在二次風入口處被二次風射流沖擊作用下形成兩股圓柱旋流。在上升過程中，伴隨著煙氣中可燃成分與二次風充分接觸，煙氣溫度和流速再次上升，故圖3中在第一煙道存在兩個煙氣加速區(qū)，分別為二次風噴入?yún)^(qū)域和第一煙道上部。第一煙道上部的煙氣高速流動區(qū)域更集中于第一煙道中部，從而減弱煙氣對爐膛壁面的沖刷作用。

4.4煙氣停留時間

本臺焚燒爐設計點的煙氣停留時間計算如下：

煙氣平均溫度 θg.ave=（1070+870）/2 =970 ℃

煙氣量Vg = 172504 Nm3/h

平均路徑L = 20 m

截面積F=54.88 m2

煙氣流速Wg= Vg（（970+273）/273）/（3600F）=3.98m/s

煙氣停留時間T =L/ Wg =5.03 s>2 s

煙氣滿足標準要求，在該區(qū)域的停留時間不低于2 s。

4.5殘?zhí)剂?/p>

對設計燃料的過量空氣系數(shù)和一、二次風配比進行25個工況計算，殘?zhí)悸识夹∮? %。

5設計總結

通過CFD軟件的模擬結果研究爐膛模型的整體燃燒情況，得到結論如下：

不同高度4個截面的平均溫度均≥850 ℃，煙氣排放氮氧化物和一氧化碳均滿足《生活垃圾焚燒污染控制標準》要求。產生的煙氣在850 ℃以上的區(qū)域內的停留時間不低于2秒。熱灼減率達到低于3 %的要求。

煙氣在前后拱形成較大回流區(qū)域，并且在第一煙道形成均勻且高溫集中于中心的溫度區(qū)域，流場溫度場擾動好，漩渦強度大，延長煙氣在爐膛內停留時間并保證充分燃燒。

綜上所述，根據(jù)計算結果和分析，模擬計算結果較為理想。

參考文獻

[1]白良成. 生活垃圾焚燒處理工程技術[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2009.7

[2] GB/T18750—2008 .生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐，中國標準出版社，2009