垃圾焚燒爐高溫低氧燃燒技術(shù)可行性仿真研究

劉澤慶，林 瑜

(1.上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計院有限公司，上海 200232；2.霍尼韋爾中國研發(fā)中心，上海 201203)

0 前 言

《上海市生活垃圾管理條例》(以下簡稱“條例”)自2019年7月1日起施行。條例實施以后，干垃圾含水率明顯降低，2019年1～6月混合垃圾含水率為56.99%，7月干垃圾的含水率為17.38%，相比于混合垃圾下降了69.50%[1]，從而使干垃圾熱值提升約30%以上。

生活垃圾管理和處置方式的變化和由此導(dǎo)致的垃圾熱值的提升，對于垃圾焚燒爐的設(shè)計和運行提出了新的要求。計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬為科學(xué)合理的爐膛改造和運行優(yōu)化提供了有效的手段，可大幅度提高焚燒爐設(shè)計和改造的成功率。此前的數(shù)值模擬研究成果包括：陳濤等[2]基于床層燃燒的一維非穩(wěn)態(tài)模型，結(jié)合爐膛空間的稀相燃燒模擬，分析了焚燒爐防結(jié)焦的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施；林海等[3]通過數(shù)值模擬研究了垃圾厚度和著火時間的關(guān)系，并對各種一次風(fēng)配風(fēng)方案進行了比較；李秋華等[4]模擬并評估了降低爐膛后拱和加裝擋板等措施的效果；張欽華、曾祥浩等[5-6]對爐膛上部的切圓二次風(fēng)的布置方案進行了詳細(xì)仿真；王進等[7-8]通過CFD仿真，研究了采用低溫循環(huán)煙氣的二次風(fēng)，以及二次風(fēng)擴張角、二次風(fēng)率、二次風(fēng)層數(shù)和二次風(fēng)傾角等因素對焚燒爐高度方向上的溫度和CO分布、前后墻結(jié)焦和耐材交變應(yīng)力，以及NOX的排放等的影響規(guī)律；馮淋淋等[9]對協(xié)同焚燒污泥的工況進行了模擬，還考慮了回流煙氣的噴射效果；楊栩聰?shù)萚10]則對垃圾摻燒污泥的過程及一煙道內(nèi)選擇性非催化還原脫硝(SNCR)的過程進行了仿真研究。

在垃圾分類和垃圾熱值顯著提升的大背景下，現(xiàn)有焚燒爐如不作調(diào)整，則燃燒段中心溫度將超過1 673 K，熱力型NOX會大量生成，由此會造成爐膛熱負(fù)荷偏離設(shè)計、結(jié)焦和污染物超排等一系列嚴(yán)重問題。高溫低氧燃燒技術(shù)是在低氧稀釋條件下進行燃燒(甚至可調(diào)節(jié)至無焰燃燒)，以最大程度實現(xiàn)均質(zhì)化燃燒和溫度場的均勻分布，從而有效避免局部高溫[11]，NOX及CO等污染物排放水平也很低。現(xiàn)有文獻中，有采用低溫循環(huán)煙氣作為二次風(fēng)的[7]，但該項措施對于主燃區(qū)的燃燒效果影響很小。至于在主燃區(qū)(爐排燃燒段區(qū)域)噴入高溫低氧助燃空氣的做法，則很少有文獻涉及。為此，本文將利用CFD數(shù)值仿真技術(shù)，探索在垃圾焚燒爐的主燃區(qū)采用高溫低氧燃燒技術(shù)的可行性，通過對爐內(nèi)氣流組織、組分場和溫度場均勻性等方面的考察，分析該技術(shù)對主燃區(qū)燃燒組織和溫度場調(diào)節(jié)，以及抑制熱力型NOX生成的效果，從而為紓解垃圾分類(干濕分離)后高熱值垃圾燃燒處置的困難提供一種解決方案。

1 研究目標(biāo)及模型簡介

分類后干垃圾熱值相比于混合垃圾增幅超過35%，燃燒中心火焰溫度大幅提升將進一步加劇焚燒爐結(jié)焦及NOX原始生成濃度，而傳統(tǒng)煙氣再循環(huán)技術(shù)僅能控制NOX低于200 mg/Nm3。針對上述問題，本項目在普通垃圾爐排爐的基礎(chǔ)上，在其前拱設(shè)置若干高速噴口，溫度為1 073 K，噴出流速分別為60、50、40、30 m/s。通過高溫低氧燃燒仿真研究，模擬不同噴口流速下的爐內(nèi)參數(shù)分布，并將溫度場和組分場分布的均勻性作為評價噴口設(shè)計效果的主要指標(biāo)。通過考察高溫低氧燃燒技術(shù)對爐內(nèi)燃燒組織的影響，形成垃圾焚燒爐內(nèi)高溫低氧燃燒技術(shù)的設(shè)計思路和初步方案，為后續(xù)的工程應(yīng)用與推廣給予理論支撐。

仿真模型簡介：床層燃燒的仿真模型采用Yang Y. B.等開發(fā)的FLIC程序[12-15]；氣相湍流燃燒模擬采用Fluent軟件中的模型，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，氣相燃燒反應(yīng)采用有限速率/渦耗散模型，輻射模型采用DO模型。本文根據(jù)垃圾焚燒爐燃燒的特點和不同軟件的功能，采用如下思路和流程進行數(shù)值模擬(如圖1所示)：FLIC計算得到垃圾床層固相燃燒結(jié)果，由此獲得煙氣溫度、流速和各組分濃度沿爐排長度方向的分布曲線，將其作為入口邊界條件導(dǎo)入Fluent，以此為基礎(chǔ)再進行床層上方的氣相燃燒模擬。然后將Fluent計算得到的氣相對下方床層的輻射強度反饋給FLIC，重新進行床層上方固相燃燒計算。此即FLIC和Fluent的雙向耦合計算，如此反復(fù)迭代多次直到輻射強度不再變化，視為計算收斂。

圖1 FLIC與Fluent的耦合計算方法Fig.1 Couple calculation methodology between FLIC and Fluent

2 研究對象及邊界條件

研究對象：爐排爐，垃圾熱值10 000 kJ/kg，日處理量為500 t/d。

爐膛三維模型，如圖2所示，爐排依次分為干燥段、燃燒段、燃盡段。焚燒爐為保障垃圾充分燃燒，采用絕熱壁面。垃圾從料斗下料后依次經(jīng)過干燥段、燃燒段、燃盡段，再通過落料口進入除渣器，該燃燒過程一般持續(xù)1.5～2 h。一次風(fēng)溫度473 K，在干燥段、燃燒段、燃盡段風(fēng)量配比為0.15∶0.70∶0.15，過量空氣系數(shù)為1.4。為探索高溫低氧技術(shù)在垃圾焚燒爐上使用的可行性，特別在爐前拱布置11個高溫低氧噴口，噴口方向?qū)?zhǔn)爐排中的燃燒段，噴口直徑為0.12 m。本文主要考察噴口流速的影響，流速分別設(shè)置為60、50、40、30 m/s，噴射氣流溫度為1 073 K，氣體中氧氣濃度5%(體積分?jǐn)?shù))。射流氣體的流量和氧濃度根據(jù)爐內(nèi)配風(fēng)量和配風(fēng)比例計算得到，通過高溫?zé)煔饣亓髋c空氣混合來獲得所需的氧濃度，低氧射流的目的是抑制燃燒段NOX的生成。

圖2 生活垃圾焚燒爐及高溫低氧噴口設(shè)置示意圖Fig.2 Schematic diagram of domestic waste incinerator and the set of high temperature and low oxygen nozzles

3 仿真結(jié)果分析

本文對流速60、50、40、30 m/s這四種工況下高溫低氧噴口在爐排爐上的使用效果進行考察，通過對比不同工況下燃燒段上方燃燒區(qū)域的組分場及溫度場分布的均勻性，進而找出較優(yōu)的噴口氣流設(shè)計方案，從而為高溫低氧燃燒技術(shù)在焚燒爐上的應(yīng)用提供理論層面的借鑒。

3.1 原爐型的爐內(nèi)流場、溫度場及組分場分析

先對不采用高溫低氧燃燒技術(shù)的原有焚燒爐(原型爐)進行仿真。圖3為原爐型的爐內(nèi)流場、溫度場及組分場分析。

由圖3(a)可見，固體床層附近，在爐膛長度約1/2處為火焰中心，最高溫度約1 300～1 400 K，蒸發(fā)干燥段和燃盡段溫度相對較低。垃圾經(jīng)過干燥段降低水分后，在燃燒段爐排表面進行均相和非均相燃燒，燃燒熱量一方面提高了煙氣溫度，同時使得垃圾快速熱解。垃圾在爐排上熱解、燃燒后，揮發(fā)分及煙氣從床層頂端逸出進入燃燒室，未完全燃燒的可燃性揮發(fā)分氣體繼續(xù)與O2發(fā)生反應(yīng)，在爐膛空間及其上方的一通道內(nèi)釋放出大量的熱量。

由圖3(c)可見，垃圾床層上的O2高濃度區(qū)域主要分布在蒸發(fā)干燥段和燃盡段。燃燒段氧氣濃度急劇降低，因為燃燒段內(nèi)垃圾劇烈燃燒，絕大部分氧氣在該區(qū)域被消耗掉，同時燃燒段兩側(cè)的氧氣由于擴散動力學(xué)限制不能有效進行補充。

由圖3(d)可見，在干燥段，大量水分蒸發(fā)，因此在干燥段爐排上方的水蒸氣濃度較高。在燃燒段中部，整個干燥過程已進行完畢，水蒸氣濃度明顯減小。另外，對比圖3(a)可見，由于干燥段水分大量蒸發(fā)，蒸發(fā)吸熱作用導(dǎo)致干燥段上方煙氣溫度也相對較低。

從圖3看，不采用高溫低氧燃燒技術(shù)的傳統(tǒng)焚燒爐，燃燒段及其上方的空間內(nèi)，溫度場和組分場的不均勻性比較明顯。

3.2 高溫低氧燃燒技術(shù)對應(yīng)的流場分析

圖4為采用高溫低氧燃燒技術(shù)的爐內(nèi)流場分布。由圖4可見，噴口流速分別為60、50、40、30 m/s 時，射流前端與爐排面的垂直距離分別為0.5、0.5、1.0、1.5 m，顯然較高速的噴射氣流對固體床料的影響更大。高溫氣體(1 073 K)的高速射流引起周圍氣流的旋流和卷吸，由此導(dǎo)致燃燒段爐排上方局部高溫的揮發(fā)性氣體和煙氣被卷吸、裹挾。高溫射流氣體和爐排上方氣氛的這種高速摻混和互相作用，將極大地促進不同溫度及組分氣體的有效混合，從而有利于爐排上方床料的著火和燃燒。

如圖4(c)和(d)所示，隨著噴口流速降低，高速射流對爐排面上方空間的影響及氣體摻混能力下降，射流對主燃區(qū)的氣流和燃燒組織的影響也就較小。

圖3 原爐型的流場、溫度場及組分場分析Fig.3 Analysis of flow,temperature and species fields for the original furnace

圖4 采用高溫低氧燃燒技術(shù)的爐內(nèi)流場分布 (m/s)Fig.4 Flow field profile for the furnace using high temperature and low oxygen combustion technology (m/s)

3.3 高溫低氧燃燒技術(shù)對應(yīng)的氧氣濃度分布分析

圖5為采用高溫低氧燃燒技術(shù)的爐內(nèi)氧氣濃度分布。從圖5可見，由于燃燒段爐排上方燃燒反應(yīng)劇烈，氧氣濃度明顯較低；而燃燒段兩側(cè)的氧氣濃度較高，尤其是燃盡段氧氣濃度最高，因為該段對應(yīng)的焦炭燃燒速度緩慢。由圖5(a)和(b)可以看出，高溫低氧燃燒噴口的設(shè)置，有效加強了燃燒段爐排上方氣體的混合，氣體卷吸和摻混的范圍也明顯加大。與噴口速度較低的圖5(c)和(d)兩工況相比，噴口流速較高時(60 m/s和50 m/s)，燃燒段上方氣相組分混合均勻，氧氣濃度在6.5%～7%(體積分?jǐn)?shù))。燃燒段區(qū)域的氧氣濃度分布越均勻，越有助于垃圾床料的充分燃燒和污染物的徹底分解，也有助于燃燒溫度的均勻及NOX的控制。

3.4 高溫低氧燃燒技術(shù)對應(yīng)的溫度場分析

高溫低氧噴口的高溫高速氣流對主燃區(qū)氣相空間的混合能力，決定了爐內(nèi)溫度的分布情況。圖6為采用高溫低氧燃燒技術(shù)的爐內(nèi)溫度場分布。由圖6可見，噴口流速較低時(40 m/s和30 m/s 的工況)，燃燒段上方的高溫區(qū)域(溫度高于1 350 K)范圍較大；而噴口流速較高時(60 m/s和50 m/s的工況)，燃燒段上方的高溫區(qū)域范圍較小，且高溫區(qū)域僅存在于爐排表面。由圖6(a)和(b)可以看出，燃燒段爐排上方的主要燃燒區(qū)域的溫度均勻，約為1 200 K。該溫度低于一般垃圾焚燒飛灰的灰熔點溫度，故高溫低氧燃燒技術(shù)將有助于減輕焚燒爐內(nèi)的結(jié)焦情況。

圖5 采用高溫低氧燃燒技術(shù)的爐內(nèi)氧氣濃度分布(體積分?jǐn)?shù))Fig.5 Oxygen concentration profile for the furnace using high temperature and low oxygen combustion technology (volume fraction)

通過上述高溫低氧噴口在60、50、40、30 m/s射流工況下的CFD仿真及其流場、組分場和溫度場的分析，可以發(fā)現(xiàn)：較高速射流(60 m/s和50 m/s)工況下的氣流設(shè)計和燃燒組織更為優(yōu)越，射流前端基本可達爐排表面，這顯然有利于爐排上方垃圾燃料的快速著火燃燒。高速射流氣體的卷吸和摻混能力明顯更強，形成的氣流旋渦覆蓋了主燃區(qū)(爐排燃燒段)的高溫段；氣體組分混合均勻，爐排上方主燃區(qū)及一通道的氧氣濃度在6.5%～7%(體積分?jǐn)?shù))。較高速射流(60 m/s和50 m/s)工況，其對應(yīng)的主燃區(qū)溫度也更均勻，約為1 200 K；局部高溫僅存在于爐排表面，由此可有效緩解焚燒爐內(nèi)的結(jié)焦情況，同時有助于抑制NOX的初始生成濃度。

圖6 采用高溫低氧燃燒技術(shù)的爐內(nèi)溫度場分布(K)Fig.6 Temperature field profile for the furnace using high temperature and low oxygen combustion technology (K)

4 結(jié) 論

本文在普通垃圾焚燒爐排爐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在其前拱設(shè)置了11個高速噴口，噴射800 ℃、氧氣濃度5%的高溫低氧氣流，噴口方向?qū)?zhǔn)爐排的燃燒段。本文對不同噴口流速(分別為60、50、40、30 m/s)工況下焚燒爐內(nèi)的高溫低氧燃燒技術(shù)進行CFD仿真，模擬得到了各工況下的爐內(nèi)流場、組分場和溫度場分布，并將氧氣濃度場和溫度場分布的均勻程度作為噴口氣流設(shè)計的主要評價指標(biāo)，以探索噴口氣流設(shè)計對高溫低氧燃燒技術(shù)使用效果的影響。數(shù)值仿真的結(jié)果表明：與40 m/s和30 m/s的較低噴口速度相比，60 m/s和50 m/s 較高噴口速度的氣流設(shè)計和燃燒組織更為優(yōu)越，噴射氣流的卷吸和摻混能力強，噴流的前端基本可達爐排表面，形成的氣流旋渦覆蓋了主要燃燒區(qū)域(爐排燃燒段)的高溫段。燃燒段上方的氣體組分混合均勻，主要燃燒區(qū)域氧氣濃度在6.5%～7%(體積分?jǐn)?shù))。主要燃燒區(qū)域溫度均勻，約為1 200 K，局部高溫僅存在于爐排表面，由此可有效緩解焚燒爐內(nèi)的結(jié)焦情況，同時也有助于抑制NOX的初始生成濃度。