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    垃圾焚燒發(fā)電廠爐排爐數(shù)值模擬研究進(jìn)展

    2022-09-28 12:04:54闕正斌李德波肖顯斌苗建杰劉鵬宇陳兆立陳智豪馮永新
    潔凈煤技術(shù) 2022年10期
    關(guān)鍵詞:垃圾焚燒爐爐排床層

    闕正斌,李德波,肖顯斌,苗建杰,劉鵬宇,陳兆立,陳智豪,馮永新

    (1.華北電力大學(xué) 生物質(zhì)發(fā)電成套設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,北京 102206;2.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司,廣東 廣州 510080;3.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,河北 保定 071003)

    0 引 言

    焚燒發(fā)電是我國(guó)主流的生活垃圾處置方式,據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年焚燒處理的垃圾量占城市生活垃圾總量的60%以上,行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模龐大[1]。國(guó)家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部組織編制的《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類(lèi)和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》指出整體上國(guó)內(nèi)中西部地區(qū)生活垃圾焚燒處理率較低,局部上大多地級(jí)城市和縣城的生活垃圾焚燒處理能力仍有較大缺口[2],垃圾焚燒行業(yè)市場(chǎng)空間廣闊,具有良好的發(fā)展前景。

    我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電廠的主要爐型為爐排爐和流化床焚燒爐,其中爐排爐應(yīng)用最廣泛,市場(chǎng)占比超75%,而流化床焚燒爐的應(yīng)用正逐漸減少[3]。與流化床焚燒爐相比,爐排爐具有原料預(yù)處理簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、可靠性高、飛灰產(chǎn)量少、運(yùn)營(yíng)成本低和技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn),預(yù)計(jì)未來(lái)仍是垃圾焚燒行業(yè)的首選爐型。然而,爐排爐焚燒垃圾過(guò)程中還存在燃燒效率較低、燃燒溫度不高、燃燒不充分、二噁英等有害污染物生成量較大等問(wèn)題,需深入研究以改善焚燒過(guò)程。目前針對(duì)垃圾焚燒發(fā)電廠爐排爐的研究中,數(shù)值模擬方法相較模型試驗(yàn)和工程試驗(yàn)等方法具有投資小、周期短、效率高和數(shù)據(jù)較詳細(xì)等優(yōu)點(diǎn),且準(zhǔn)確度較高,成為研究爐排爐中焚燒過(guò)程的重要方法。

    數(shù)值模擬方法在燃煤行業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,筆者團(tuán)隊(duì)先針對(duì)前后對(duì)沖旋流鍋爐、四角切圓鍋爐、超超臨界旋流對(duì)沖鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐等多種類(lèi)型的燃煤鍋爐開(kāi)展數(shù)值模擬研究工作,為燃煤電廠的燃燒運(yùn)行提供有效優(yōu)化措施[4-9]。筆者首先針對(duì)垃圾焚燒行業(yè)廣泛應(yīng)用的爐排爐開(kāi)展數(shù)值模擬研究。闡述垃圾焚燒過(guò)程和爐排爐結(jié)構(gòu)組成等,并進(jìn)一步介紹爐排上的氣固燃燒過(guò)程和爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的數(shù)學(xué)模型,總結(jié)現(xiàn)有爐排爐建模過(guò)程,重點(diǎn)闡明將不同模型耦合計(jì)算以模擬整個(gè)焚燒過(guò)程的方法。后續(xù)聚焦于采用Fluent軟件開(kāi)展數(shù)值模擬研究,分類(lèi)介紹數(shù)值模擬方法在爐排爐中的研究應(yīng)用情況,具體包括燃料特性、運(yùn)行參數(shù)、爐排爐結(jié)構(gòu)、風(fēng)煙系統(tǒng)等。最后,提出開(kāi)展?fàn)t排爐數(shù)值模擬研究的技術(shù)路線(xiàn),并進(jìn)行總結(jié)和展望,對(duì)垃圾焚燒電廠爐排爐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供借鑒。

    1 垃圾焚燒爐排爐概述

    采用數(shù)值模擬研究爐排爐中焚燒過(guò)程,需了解垃圾焚燒的基本過(guò)程與爐排爐的結(jié)構(gòu)組成,使數(shù)學(xué)模型盡可能符合實(shí)際情況,提高研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

    1.1 垃圾焚燒過(guò)程

    生活垃圾在爐排爐中的焚燒過(guò)程一般分為爐排上的氣固燃燒過(guò)程和爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程,典型的焚燒過(guò)程如圖1所示。

    圖1 爐排爐中典型的垃圾焚燒過(guò)程Fig.1 Typical waste incineration process

    生活垃圾床層在垃圾焚燒爐排的氣固燃燒過(guò)程分為干燥階段、燃燒階段和燃盡階段[10]。上述幾階段垃圾均未離開(kāi)爐排表面,會(huì)在自身重力和爐排機(jī)械的作用下不斷翻轉(zhuǎn)、移動(dòng)。一般爐排包括多個(gè)子爐排,每個(gè)子爐排上垃圾床層主要反應(yīng)過(guò)程不同。爐排的末端設(shè)置出渣口,大部分爐渣被推動(dòng)掉落到除渣系統(tǒng)。

    一次風(fēng)穿過(guò)垃圾床層的過(guò)程中,大部分O2被迅速消耗,因此需補(bǔ)充二次風(fēng)為爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程提供O2。該過(guò)程燃燒的可燃成分包括垃圾床層受熱分解產(chǎn)生的揮發(fā)分中的碳?xì)浠衔顲mHn、H2、CO等,以及部分焦炭不完全燃燒產(chǎn)生的CO等。上述可燃成分與二次風(fēng)會(huì)在爐膛中發(fā)生燃燒反應(yīng),燃燒后的高溫氣體通過(guò)輻射和對(duì)流的方式將能量傳遞到余熱鍋爐的水冷壁等,后續(xù)可用于發(fā)電,實(shí)現(xiàn)余熱回收利用。

    1.2 爐排爐結(jié)構(gòu)組成

    垃圾焚燒爐排爐通常由垃圾進(jìn)料裝置、爐排、一次風(fēng)系統(tǒng)、焚燒爐墻體和二次風(fēng)系統(tǒng)等組成??紤]到數(shù)值模擬研究一般不涉及垃圾進(jìn)料裝置和爐排的具體形狀結(jié)構(gòu),本文僅重點(diǎn)介紹一次風(fēng)系統(tǒng)、焚燒爐墻體和二次風(fēng)系統(tǒng)。

    一次風(fēng)從爐排底部進(jìn)入后,能將垃圾干燥預(yù)熱并提供O2,同時(shí)對(duì)爐排起冷卻保護(hù)作用。由于每段子爐排上垃圾床層的反應(yīng)過(guò)程不同,對(duì)一次風(fēng)量的需求不同,因此實(shí)際上一次風(fēng)在供給爐排前會(huì)按一定比例分配,通過(guò)互不相連的風(fēng)室供給不同的子爐排段。

    焚燒爐墻體是指包裹住整個(gè)爐排的部分,按具體結(jié)構(gòu)不同,焚燒爐墻體從上到下可分為二燃室的墻體、結(jié)合部位和爐拱。爐拱是最重要部位,對(duì)煙氣在爐排爐內(nèi)的流動(dòng)影響較大,按照煙氣流動(dòng)形式分為交流式爐拱、回流式爐拱、逆流式爐拱和順流式爐拱[10]。爐排爐不同結(jié)構(gòu)形式的爐拱結(jié)構(gòu)如圖2所示。一般而言,交流式和回流式爐拱可細(xì)分為前拱和后拱,逆流式爐拱僅有后拱結(jié)構(gòu),而順流式爐拱僅有前拱結(jié)構(gòu)。

    對(duì)于不同爐型結(jié)構(gòu),二次風(fēng)系統(tǒng)的布置位置和命名方法不同,為便于理解,本文將一次風(fēng)以外的送風(fēng)統(tǒng)稱(chēng)為總二次風(fēng),并將總二次風(fēng)進(jìn)一步按照布置位置細(xì)分,具體為前拱二次風(fēng)、后拱二次風(fēng)、結(jié)合部二次風(fēng)和煙道二次風(fēng)等。垃圾焚燒爐排爐需根據(jù)爐型結(jié)構(gòu)選擇合適的二次風(fēng)布置方案,一般較少在煙道位置布置二次風(fēng)。

    2 垃圾焚燒爐排爐模型

    垃圾焚燒爐排爐中的實(shí)際反應(yīng)過(guò)程較復(fù)雜,需進(jìn)行一定簡(jiǎn)化得到近似數(shù)學(xué)模型,后續(xù)根據(jù)數(shù)學(xué)模型等情況選擇合適的工具建模開(kāi)展數(shù)值模擬研究。

    2.1 垃圾焚燒過(guò)程反應(yīng)模型

    垃圾焚燒爐排爐內(nèi)的焚燒過(guò)程包含復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程,是一個(gè)多輸入多輸出的非線(xiàn)性系統(tǒng),因此難以完整描述其反應(yīng)過(guò)程[11],需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化和假設(shè)。

    針對(duì)爐排上垃圾床層的氣固燃燒過(guò)程,考慮到加熱爐排上垃圾床層的熱量主要來(lái)自爐膛中煙氣的對(duì)流傳熱和輻射傳熱,一般認(rèn)為垃圾床層的反應(yīng)過(guò)程從上到下進(jìn)行,包括干燥、垃圾受熱分解析出揮發(fā)分及燃燒、焦炭燃燒和燃盡4個(gè)過(guò)程。但濕度很高并引入預(yù)熱空氣時(shí),反應(yīng)會(huì)在床層內(nèi)部附近開(kāi)始并向上傳播,即床層內(nèi)部溫度比表面溫度高。上述2種反應(yīng)模式的對(duì)比如圖3所示[12-13]。

    圖3 爐排上的2種垃圾床層反應(yīng)模式對(duì)比[12-13]Fig.3 Comparison diagram of two waste bed reaction modes on grate[12-13]

    目前,第1種反應(yīng)模式描述爐排上的氣固燃燒過(guò)程應(yīng)用較廣泛。各模式主要區(qū)別在于垃圾床層溫度的分布情況,4個(gè)過(guò)程的主要反應(yīng)一致。爐排上垃圾床層發(fā)生的總反應(yīng)及不同過(guò)程發(fā)生的主要反應(yīng)見(jiàn)表1,后續(xù)可選取或建立不同數(shù)學(xué)方程組定量描述每個(gè)反應(yīng)過(guò)程,建立完整的數(shù)學(xué)模型。

    表1 垃圾床層在不同過(guò)程主要進(jìn)行的反應(yīng)

    一般針對(duì)爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的反應(yīng)模型較簡(jiǎn)單,僅考慮主要成分即CO、H2、CmHn等與O2的燃燒反應(yīng)過(guò)程,忽略其他成分及反應(yīng)過(guò)程,且其中CmHn通常以CH4代替,不考慮其他復(fù)雜的有機(jī)物組分反應(yīng)過(guò)程。簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)模型更易開(kāi)展計(jì)算研究,但存在忽略的煙氣成分較多、計(jì)算結(jié)果誤差較大、應(yīng)用范圍較小等問(wèn)題??紤]到目前數(shù)值模擬方法的飛速發(fā)展,計(jì)算能力和計(jì)算速度均得到較大提升,今后研究在確保計(jì)算時(shí)間滿(mǎn)足要求的前提下,應(yīng)當(dāng)細(xì)化氣相燃燒過(guò)程模擬工作,盡可能還原實(shí)際過(guò)程,具體可考慮補(bǔ)充CmHn的反應(yīng)過(guò)程、污染物成分(NOx、SO2、HCl等)的生成過(guò)程反應(yīng)、粉塵顆粒物運(yùn)動(dòng)情況等。

    2.2 爐排爐模型

    2.2.1 爐排上氣固燃燒過(guò)程

    由于受垃圾進(jìn)料成分含量波動(dòng)、垃圾顆粒間大小和組成等差異、床層分布不均勻、爐排攪拌作用導(dǎo)致顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)法預(yù)測(cè)等因素影響,針對(duì)爐排上垃圾床層的氣固燃燒過(guò)程建立準(zhǔn)確的模型較困難。

    目前,典型的爐排上氣固燃燒過(guò)程模型是YANG等[14-16]開(kāi)發(fā)的二維穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型,后續(xù)被開(kāi)發(fā)為Fluid dynamics Incinerator Code(FLIC)軟件,經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)計(jì)算所得邊界條件模擬結(jié)果較準(zhǔn)確,已廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒爐排爐的數(shù)值模擬研究。后續(xù)較多學(xué)者基于近似反應(yīng)機(jī)理,采用不同工具得到新的計(jì)算模型或?qū)υ撚?jì)算模型進(jìn)一步完善,相關(guān)研究工作包括更換更準(zhǔn)確的計(jì)算方程組、開(kāi)發(fā)三維模型、采用其他更方便的軟件建立模型等[11,17-18]。但由于計(jì)算過(guò)程中,該類(lèi)模型一般將垃圾床層看作多個(gè)整體,假設(shè)其中的垃圾成分、厚度、熱值等性質(zhì)相同,忽略水平方向的不均勻性、垃圾顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、顆粒破碎和熔融等情況與實(shí)際過(guò)程存在差異。采用該方法建立的爐排爐模型并不能準(zhǔn)確描述垃圾床層內(nèi)的燃燒過(guò)程,僅得到與實(shí)際情況近似的床層表面的傳質(zhì)和傳熱等數(shù)據(jù)結(jié)果,因此在實(shí)際應(yīng)用中,一般被用于計(jì)算較準(zhǔn)確的垃圾床層表面的煙氣情況,作為后續(xù)爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程模型研究所需邊界條件。

    另外一種方法是基于強(qiáng)大且快速的計(jì)算能力,以離散元的方法將垃圾床層表示為大量能相互反應(yīng)的顆粒,計(jì)算出每個(gè)顆粒間的碰撞、顆粒的對(duì)流換熱和輻射換熱、顆粒與氣相之間的作用力和各種物理化學(xué)過(guò)程(干燥、受熱分解與燃燒、焦炭燃燒),以便充分考慮顆粒質(zhì)量、組成和溫度的變化[19-21]。SOMWANGTHANAROJ等[21]基于此方法采用Fluent軟件建立模型,將垃圾顆粒假設(shè)為長(zhǎng)度0.15 m和直徑0.15 m的圓柱顆粒,計(jì)算所得邊界數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差僅6%。但此方法計(jì)算量過(guò)于龐大,為簡(jiǎn)化計(jì)算仍需進(jìn)行垃圾顆粒粒徑均勻一致等假設(shè),無(wú)法準(zhǔn)確模擬垃圾床層內(nèi)的燃燒過(guò)程,僅能用于開(kāi)展簡(jiǎn)單的垃圾床層內(nèi)燃燒過(guò)程研究工作,以及提供更準(zhǔn)確的垃圾床層表面的邊界條件。

    綜上所述,目前大部分針對(duì)爐排上垃圾床層的氣固燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬研究并不注重垃圾床層的燃燒變化情況,而進(jìn)行較多的假設(shè)以簡(jiǎn)化內(nèi)部反應(yīng)過(guò)程計(jì)算,重點(diǎn)關(guān)注垃圾床層邊界的傳質(zhì)和換熱等,并將結(jié)論用于研究后續(xù)爐膛內(nèi)氣相燃燒等研究。

    2.2.2 爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程

    由于建立爐排爐爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的模型可參考燃煤鍋爐模型等相關(guān)內(nèi)容,因此針對(duì)該過(guò)程的模型研究開(kāi)發(fā)方法已較為成熟。

    爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程涉及的主要控制方程包括質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、能量守恒方程和組分輸運(yùn)方程[22],如式(1)~(4)所示:

    (1)

    (2)

    (3)

    (4)

    式中,p為氣體壓力,Pa;t為時(shí)間,s;ρ為氣體密度,kg/m3;V為氣體體積,m3;Sm為進(jìn)入連續(xù)相的質(zhì)量源項(xiàng),kg/m3;τ為應(yīng)力張量,N;g為重力加速度,m/s2;F為外部力,N;E為氣體能量,kJ/mol;hi為物種i的焓,J/kg;Ji為物種i的擴(kuò)散流量,kg/s;Sh為熱源項(xiàng),kJ/m3;Yi為物種i的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;Ri為物種i的凈反應(yīng)生成速率,kg/(m2·s);Si為物種i生成速率,kg/(m2·s)。

    ANSYS軟件中的Fluent常被用于爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的模型計(jì)算,可搭配多種模型建立及網(wǎng)格化工具使用。采用Fluent計(jì)算過(guò)程中,控制方程采用Simple算法求解,氣相燃燒采用渦耗散概念(EDC)模型,黏性模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,輻射模型為DO模型。此外ANSYS軟件中的CFX[23]以及其他模擬軟件,在選取合適的模型和參數(shù)后,也可用于氣相燃燒過(guò)程的模型研究。

    2.2.3 整體焚燒過(guò)程

    爐排上的氣固燃燒過(guò)程和爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的模型需進(jìn)行耦合計(jì)算,才能完整表示垃圾在爐排爐內(nèi)的焚燒過(guò)程[14-16]。具體是將爐排上的氣固燃燒過(guò)程模擬計(jì)算出的氣相溫度、煙氣速度、各組分濃度數(shù)據(jù)作為入口邊界條件導(dǎo)入爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程中模擬計(jì)算,后者計(jì)算得到的床層輻射溫度作為邊界條件迭代至前者,經(jīng)多次迭代至結(jié)果收斂。上述2個(gè)過(guò)程耦合計(jì)算原理如圖4所示。

    圖4 耦合迭代計(jì)算過(guò)程Fig.4 Coupled iterative calculation process

    目前,此方法已成熟,一般采用FLIC耦合Fluent軟件作為建模工具,廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒爐排爐的數(shù)值模擬過(guò)程。此外,少部分研究者考慮到爐排上氣固燃燒過(guò)程的復(fù)雜性和準(zhǔn)確度,選擇不設(shè)置床層模型,而是將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)或文獻(xiàn)數(shù)據(jù)等作為邊界條件輸入Fluent,后續(xù)僅對(duì)爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程開(kāi)展詳細(xì)模擬。

    3 爐排爐數(shù)值模擬

    基于數(shù)值模擬方法對(duì)垃圾焚燒爐排爐開(kāi)展研究,可以較短時(shí)間和較低成本得到較準(zhǔn)確的煙氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和煙氣成分等模擬數(shù)據(jù),因此廣泛用于研究各參數(shù)變化對(duì)爐排爐運(yùn)行效果的影響,為垃圾焚燒發(fā)電廠的設(shè)計(jì)建造和優(yōu)化運(yùn)行提供參考。目前大部分相關(guān)研究常采取控制變量的方式,僅研究單一參數(shù)對(duì)爐排爐運(yùn)行過(guò)程的影響,因此本文將按照具體的參數(shù)分類(lèi)闡述。

    3.1 燃料特性的數(shù)值模擬

    3.1.1 水分含量與熱值

    我國(guó)的生活垃圾水分含量較高(40%~60%),導(dǎo)致燃燒延后等問(wèn)題,不利于垃圾焚燒[24-26]。采用數(shù)值模擬方法可進(jìn)一步分析水分干燥過(guò)程,研究不同措施降低水分的效果。白焰等[27]基于Adobe Flash CS3 Professional仿真平臺(tái)建立了垃圾焚燒爐內(nèi)水分干燥動(dòng)態(tài)模型,提出“水線(xiàn)”概念,明確水分含量的不利影響,發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)溫度和壓力有利于水分干燥過(guò)程,但作用有限。其他學(xué)者也采用數(shù)值模擬方法得到類(lèi)似結(jié)論[28],發(fā)現(xiàn)難以抑制垃圾水分含量高的不利影響,因此需側(cè)重控制垃圾原料中水分含量。

    垃圾原料來(lái)源復(fù)雜,其成分含量受多因素影響,而成分變化會(huì)改變垃圾熱值等參數(shù),進(jìn)而影響焚燒過(guò)程。一般而言,垃圾熱值在一定的范圍內(nèi)波動(dòng),對(duì)爐排爐焚燒過(guò)程的影響較小。然而,由于摻燒工業(yè)垃圾、垃圾分類(lèi)政策推廣和社會(huì)生活水平提高等因素,垃圾熱值變化較大,可能導(dǎo)致焚燒過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題。韓乃卿等[29]采用Fluent軟件模擬高熱值垃圾在爐排爐中的焚燒過(guò)程,發(fā)現(xiàn)爐膛的前、后拱更易結(jié)焦,提出通過(guò)調(diào)整一次風(fēng)和二次風(fēng)的布局緩解結(jié)焦現(xiàn)象。劉先榮等[30]通過(guò)耦合FLIC和Fluent軟件,建立900 t/d的爐排爐模型,以燃燒高熱值垃圾為前提,研究前、后拱的角度和煙道位置的影響。施子福等[31]則針對(duì)某650 t/d爐排爐建立模型,重點(diǎn)研究燃燒高熱值生活垃圾時(shí)調(diào)整二次風(fēng)溫度和布置方式等措施對(duì)焚燒過(guò)程的影響,得到緩解結(jié)焦、避免高溫腐蝕和回火等問(wèn)題的可行方案。

    垃圾水分含量和熱量等燃料特性變化對(duì)爐排爐焚燒過(guò)程影響較大,采用數(shù)值模擬方法可深入了解,還可研究燃料特性變化后采取的優(yōu)化調(diào)整措施。

    3.1.2 摻燒污泥

    垃圾焚燒過(guò)程中摻燒污泥是當(dāng)前較合理的污泥處置方式之一,具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景。但污泥的成分和含量與垃圾區(qū)別較大,摻燒會(huì)造成進(jìn)爐燃料特性發(fā)生變化,主要是水分、熱值、組成等方面,進(jìn)而影響燃燒過(guò)程。

    喻武等[22]重點(diǎn)研究摻燒污泥后垃圾焚燒爐排上的氣固燃燒過(guò)程,對(duì)比無(wú)摻燒、摻燒5%和摻燒10%污泥時(shí)垃圾床層表面的溫度分布和主要?dú)怏w組分分布情況如圖5所示。分析發(fā)現(xiàn)摻燒污泥主要影響床層熱解氣化與燃燒過(guò)程,導(dǎo)致整體上燃燒和揮發(fā)分析出等過(guò)程延后,但是變化趨勢(shì)和峰值大小基本一致,后續(xù)將結(jié)合氣相燃燒過(guò)程進(jìn)一步說(shuō)明摻燒污泥對(duì)其的影響。

    圖5 不同摻燒污泥比例下垃圾床層的溫度、CH4和CO分布情況[22]Fig.5 Distribution of temperature,CH4 and CO in bed under different proportions of mixed sludge[22]

    馮琳琳等[32]采用Fluent軟件建立國(guó)內(nèi)某825 t/d垃圾焚燒爐排爐模型,計(jì)算后分別得到燃燒垃圾與摻燒10%污泥的情況,具體包括速度、溫度和主要煙氣成分的物質(zhì)的量濃度分布,其中典型爐膛中心界面溫度分布如圖6所示,分析可知摻燒污泥導(dǎo)致燃燒過(guò)程延后,燃燒中心范圍擴(kuò)大,但整體來(lái)看影響不大,可適當(dāng)摻燒污泥。

    圖6 摻燒污泥前后的溫度場(chǎng)對(duì)比[32]Fig.6 Comparison of temperature field before and after burning sludge[32]

    數(shù)值模擬方法還可用于對(duì)比和確定具體的污泥摻燒方案,為工程實(shí)際提供參考。污泥的含水率和摻燒比例是污泥摻燒的重要參數(shù)。曾祥浩等[33]對(duì)摻燒比例在0~15%的6個(gè)工況進(jìn)行模擬,爐膛中心界面的溫度分布如圖7所示,可知隨摻燒比例的提高,燃燒劇烈程度及火焰充滿(mǎn)程度越來(lái)越差。

    圖7 不同污泥摻燒工況的溫度場(chǎng)對(duì)比[33]Fig.7 Comparison of temperature field under different sludge blending conditions[33]

    整體而言,摻燒污泥比例變化對(duì)爐排爐燃燒過(guò)程影響較大,摻燒量不能過(guò)多;降低污泥含水率可有效降低摻燒對(duì)焚燒過(guò)程的影響。此外,XU等[34]和楊栩聰?shù)萚35]也針對(duì)垃圾焚燒爐排爐摻燒污泥的規(guī)程開(kāi)展數(shù)值模擬研究,研究過(guò)程與結(jié)論類(lèi)似。

    綜上所述,在垃圾焚燒爐排爐中摻燒約10%的污泥對(duì)整體爐排爐燃燒過(guò)程影響較小,因此可作為污泥處置的合理方式之一,降低污泥含水率后可增加摻燒污泥比例。筆者認(rèn)為具體摻燒比例應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定,可參考數(shù)值模擬方法開(kāi)展研究,重點(diǎn)關(guān)注溫度場(chǎng)和煙氣流場(chǎng)等變化。此外考慮到污泥成分非常復(fù)雜,還應(yīng)進(jìn)一步研究摻燒污泥后對(duì)二噁英、重金屬和NOx等污染物生成的影響。

    3.2 爐排運(yùn)行參數(shù)的數(shù)值模擬

    3.2.1 運(yùn)行負(fù)荷

    垃圾焚燒電廠的負(fù)荷一般根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況設(shè)計(jì)選取。然而受城市化率提高、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展、垃圾分類(lèi)政策實(shí)施推廣、居民生活水平提高等影響,垃圾總量波動(dòng)較大,導(dǎo)致生活垃圾處理實(shí)際需求與現(xiàn)有垃圾焚燒設(shè)施的負(fù)荷不符,國(guó)內(nèi)現(xiàn)有焚燒爐普遍存在超燒或負(fù)荷不足等問(wèn)題[36]。

    運(yùn)行負(fù)荷發(fā)生變化后的基本影響已經(jīng)試驗(yàn)和實(shí)踐檢驗(yàn),而采用數(shù)值模擬方法可得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果。喻武等[36]采用FLIC耦合Fluent軟件對(duì)國(guó)內(nèi)某500 t/d垃圾焚燒爐開(kāi)展數(shù)值模擬研究,在驗(yàn)證100%工況與實(shí)際情況結(jié)果較吻合后,對(duì)比不同負(fù)荷下?tīng)t排爐中心界面溫度和湍流強(qiáng)度的情況,如圖8所示。與試驗(yàn)研究等結(jié)論一致,隨負(fù)荷提升,爐內(nèi)溫度水平整體呈上升趨勢(shì),湍流中心有向上提升的趨勢(shì)。

    圖8 不同運(yùn)行負(fù)荷下?tīng)t膛的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)對(duì)比[36]Fig.8 Comparison of temperature field and flow field of furnace under different operating loads[36]

    考慮到爐排爐結(jié)構(gòu)固定且基于100%負(fù)荷設(shè)計(jì),結(jié)論應(yīng)分為低于設(shè)計(jì)負(fù)荷和高于設(shè)計(jì)負(fù)荷2種。低于設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí),進(jìn)入爐排爐的垃圾原料量減少,進(jìn)入的空氣量也隨之減少,爐膛容積過(guò)大導(dǎo)致整體溫度明顯降低,湍流中心下移且強(qiáng)度降低,煙氣回流較弱導(dǎo)致停留時(shí)間縮短。高于設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí),進(jìn)入爐排爐的空氣量增加,溫度升高且湍流強(qiáng)度增加,但由于整體煙氣流速加快,溫度升高并不明顯,易出現(xiàn)燃燒不完全等情況,整體的煙氣停留時(shí)間降低。單朋等[18]與宋順鑫等[37]分別針對(duì)不同負(fù)荷下的爐排爐開(kāi)展數(shù)值模擬研究,得到了一致結(jié)論。

    綜上所述,垃圾焚燒電廠的負(fù)荷應(yīng)盡可能維持在設(shè)計(jì)負(fù)荷范圍內(nèi),以確保運(yùn)行穩(wěn)定。但在需改變實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷時(shí),筆者認(rèn)為,負(fù)荷在一定范圍內(nèi)變化,影響較小時(shí)可忽視;若需長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)荷條件下運(yùn)行,需采取措施提高爐膛溫度,增加湍流強(qiáng)度,延長(zhǎng)停留時(shí)間;若長(zhǎng)時(shí)間在高負(fù)荷條件下運(yùn)行,需重點(diǎn)關(guān)注溫度升高引起的腐蝕結(jié)渣等問(wèn)題,采取措施優(yōu)化流場(chǎng),解決不完全燃燒等問(wèn)題。后續(xù)優(yōu)化結(jié)果可采用數(shù)值模擬方法分析研究。

    3.2.2 爐排運(yùn)行速度

    爐排運(yùn)行速度的變化能直接影響爐排上的氣固燃燒過(guò)程,并通過(guò)影響揮發(fā)分等生成間接影響爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程。一般情況下,運(yùn)行速度增大,爐排上的燃燒中心將向后移動(dòng),易導(dǎo)致燃燒不充分等問(wèn)題;運(yùn)行速度減小,燃燒相對(duì)充分,但會(huì)導(dǎo)致局部高溫等問(wèn)題。

    林海等[38]采用數(shù)值模擬方法,以FLIC軟件對(duì)某750 t/d的垃圾焚燒爐排建模,對(duì)比3種運(yùn)行速度下垃圾床層表面溫度和主要生成物情況,如圖9和圖10所示??芍獱t排運(yùn)行速度不宜過(guò)快或過(guò)慢,22 m/h時(shí)燃燒特性最優(yōu)。最優(yōu)運(yùn)行速度因爐排爐結(jié)構(gòu)、燃料特性等不同而存在差異。劉先榮等[39]采用FLIC軟件研究某900 t/d爐排爐的爐排運(yùn)行速度的影響效果,所得結(jié)論基本一致,但最優(yōu)爐排運(yùn)行速度在10~15 m/h。另外,考慮到運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)入爐排爐的垃圾總量一般不變,因此爐排的運(yùn)行速度與垃圾床層厚度呈反比。

    圖9 不同爐排運(yùn)行速度的床層表面煙氣溫度[38]Fig.9 Flue gas temperature on bed surface at different grate operating speeds[38]

    圖10 不同爐排運(yùn)行速度的床層表面主要生成物[38]Fig.10 Main products on the bed surface at different grate operating speeds[38]

    綜上所述,爐排運(yùn)行速度(垃圾床層厚度)需控制在合適范圍,過(guò)低或過(guò)高均不利于燃燒,具體可參考數(shù)值模擬結(jié)論選取,后續(xù)再根據(jù)爐排爐實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整優(yōu)化。

    3.3 爐排爐結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

    爐拱是垃圾焚燒爐排爐的重要部件之一,分為前拱和后拱。一般認(rèn)為,前拱主要影響第1段子爐排上的干燥過(guò)程,后拱影響煙氣與垃圾換熱過(guò)程,后拱能讓部分被吹起的灼熱灰粒和碳粒回流落到垃圾層表面上,結(jié)合數(shù)值模擬方法可進(jìn)一步得到詳細(xì)數(shù)據(jù)。

    針對(duì)前拱結(jié)構(gòu),賴(lài)志焱等[40]采用FLIC耦合Fluent建立爐排爐模型,對(duì)比不同前拱長(zhǎng)度對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響,發(fā)現(xiàn)垃圾焚燒爐需要有一定的前拱,以促進(jìn)垃圾水分蒸發(fā),降低污染物排放,維持爐內(nèi)溫度場(chǎng)均勻;針對(duì)爐排爐的后拱,李秋華等[41]采用FLIC耦合Fluent軟件建立爐排爐模型,研究增加后拱長(zhǎng)度的影響,發(fā)現(xiàn)爐膛火焰中心前移,對(duì)床層的輻射強(qiáng)度增加,提高對(duì)濕垃圾的干燥能力,使揮發(fā)分釋放和著火提前,保證垃圾的充分燃燒。由于后拱主要起增強(qiáng)煙氣與垃圾間換熱和減少煙氣中顆粒物的作用,增設(shè)擋板以增強(qiáng)回流是可行的改造措施。

    劉先榮等[30]采用FLIC耦合Fluent軟件的數(shù)值模擬方法針對(duì)某臺(tái)900 t/d高熱值垃圾焚燒爐,對(duì)比分析14個(gè)不同爐拱結(jié)構(gòu)的燃燒工況,研究前后拱角度、煙道位置的影響。此外,陳濤等[42]與郭天宇等[43]也采用數(shù)值模擬方法,研究爐拱結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒過(guò)程的影響,但局限性較大。

    整體而言,爐拱結(jié)構(gòu)對(duì)垃圾焚燒爐排爐的焚燒過(guò)程影響較大,需對(duì)前后拱的長(zhǎng)度和角度進(jìn)行合理設(shè)計(jì),還可通過(guò)增加擋板等進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化爐拱結(jié)構(gòu)。針對(duì)爐拱的改造方案很多,研究對(duì)象主要為混合式爐排爐,其他爐型相關(guān)研究較少。后續(xù)研究應(yīng)盡可能針對(duì)多種爐型和工況開(kāi)展研究,以得到較全面的數(shù)值模擬結(jié)果。

    3.4 風(fēng)煙系統(tǒng)的數(shù)值模擬

    3.4.1 一、二次風(fēng)配比

    配風(fēng)系統(tǒng)對(duì)垃圾焚燒過(guò)程具有重大影響,主要包括一次風(fēng)系統(tǒng)和二次風(fēng)系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)整體配風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,得到合理的運(yùn)行工藝參數(shù)設(shè)置范圍。實(shí)際情況下,燃燒空氣總量一般不會(huì)發(fā)生變化,過(guò)量空氣系數(shù)設(shè)置為1.8左右,因此一次風(fēng)和二次風(fēng)的分配是重要影響因素之一。

    風(fēng)量配比對(duì)溫度場(chǎng)和煙氣流場(chǎng)的影響較復(fù)雜,需考慮均勻性、穩(wěn)定性等基本特征,同時(shí)比較煙氣停留時(shí)間、平均溫度、關(guān)鍵區(qū)域溫度等,確定合適的風(fēng)量配比。李龍君等[44]構(gòu)建爐排爐的燃燒模型,分析不同一、二次風(fēng)風(fēng)量比工況下?tīng)t內(nèi)溫度場(chǎng),特定位置溫度和煙氣停留時(shí)間等主要參數(shù),確定較優(yōu)的風(fēng)量配比為0.688∶0.312。

    而對(duì)于煙氣中CO、二噁英、NOx等污染物含量,需研究一次風(fēng)量對(duì)其生成過(guò)程的影響,以及二次風(fēng)擾動(dòng)作用對(duì)高溫燃燒/分解過(guò)程的促進(jìn)作用,盡可能實(shí)現(xiàn)充分燃燒,減少爐膛出口煙氣污染物含量。陳鵬等[45]采用數(shù)值模擬研究風(fēng)量配比對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的影響,以確定最優(yōu)風(fēng)量配比;還重點(diǎn)關(guān)注了一次風(fēng)量和二次風(fēng)擾動(dòng)作用對(duì)煙氣成分CO濃度的影響,CO濃度分布如圖11所示,通過(guò)分析CO濃度間接判斷二噁英含量的變化情況,認(rèn)為一次風(fēng)和二次風(fēng)配比為0.75∶0.25時(shí)更優(yōu)。YANG等[46]則采用數(shù)值模擬方法重點(diǎn)研究配風(fēng)比對(duì)NOx生成量的影響,對(duì)比7種一次風(fēng)與二次風(fēng)比例對(duì)NOx生成量的影響,見(jiàn)表2,發(fā)現(xiàn)降低一次風(fēng)比例能顯著減少NOx生成,對(duì)比65%的一次風(fēng)占比與78%的一次風(fēng)占比情況,發(fā)現(xiàn)NOx生成量降低8.39%。

    表2 不同一次風(fēng)與二次風(fēng)比例下的NOx 出口質(zhì)量濃度[46]

    綜上,筆者分析發(fā)現(xiàn)最優(yōu)風(fēng)量配比約為7∶3,數(shù)值因焚燒爐結(jié)構(gòu)、優(yōu)化目標(biāo)等不同而存在較大差異,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在該比例附近細(xì)化,研究不同比例的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及CO生成情況,確定主要優(yōu)化目標(biāo),綜合對(duì)比選出最優(yōu)的一、二次風(fēng)分配比方案。

    3.4.2 一次風(fēng)系統(tǒng)

    一次風(fēng)通常取自垃圾貯存系統(tǒng),經(jīng)分配后從風(fēng)室送到各段子爐排。不同爐排段主要過(guò)程不同,所需的適宜空氣量不同。一次風(fēng)量在不同爐排段的適宜分配比例會(huì)因爐型結(jié)構(gòu)等不同而存在差異,常選取爐排上方的煙氣溫度、灰渣中可燃物含量(焦炭)、CO排放、整體煙氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)作為綜合對(duì)比一次風(fēng)分配方案的參數(shù)[38,47]。另外,潘揚(yáng)等[48]研究爐排爐一次風(fēng)短路現(xiàn)象,對(duì)比短路與非短路工況的模擬結(jié)果,發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)短路會(huì)降低垃圾料層的干燥速度與固相燃燒速度,使料層燃盡位置后移。因此,需合理分配一次風(fēng)量,避免出現(xiàn)一次風(fēng)短路。

    一次風(fēng)會(huì)與垃圾床層交換熱量,因此一次風(fēng)溫度會(huì)影響垃圾床層的燃燒過(guò)程。YAN等[13]針對(duì)浙江某垃圾焚燒電廠爐排爐進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)比4種預(yù)熱方案對(duì)垃圾焚燒過(guò)程的影響,所得溫度分布如圖12所示,分析認(rèn)為加熱一次風(fēng),爐內(nèi)水分蒸發(fā)和揮發(fā)分釋放速率增大,能有效提高爐內(nèi)的溫度水平,使燃燒更充分,同時(shí)減少二噁英等污染物生成。但預(yù)熱一次風(fēng)會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本,且易導(dǎo)致局部高溫,增加高溫腐蝕結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn),因此需選取合適的預(yù)熱溫度,進(jìn)一步優(yōu)化流場(chǎng)。

    圖12 一次風(fēng)溫度不同時(shí)爐膛的溫度場(chǎng)對(duì)比[13]Fig.12 Comparison of temperature field of furnace under different primary air temperature[13]

    綜上,一次風(fēng)的分配比例和溫度是影響燃燒過(guò)程的重要因素,采用數(shù)值模擬方法僅能得到較合適的參數(shù)設(shè)置范圍,需結(jié)合垃圾原料、爐排結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式等實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整。

    3.4.3 二次風(fēng)系統(tǒng)

    由于二次風(fēng)系統(tǒng)對(duì)燃燒過(guò)程的影響較明顯,眾多學(xué)者已針對(duì)二次風(fēng)系統(tǒng),采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行優(yōu)化研究[40,44,49-57],相關(guān)研究見(jiàn)表3,基本涵蓋風(fēng)量分配、送風(fēng)溫度、布置位置和運(yùn)行方式等方面。然而,考慮到不同布置方案之間的研究結(jié)論并不通用,后續(xù)研究應(yīng)更全面化和細(xì)致化。上述研究?jī)?nèi)容基本采取控制變量的方法,忽略不同因素的相互影響,實(shí)際上可能存在單因素并非最優(yōu),但多因素結(jié)合后由于相互影響導(dǎo)致實(shí)際燃燒效果較好的情況。

    續(xù)表

    綜上所述,二次風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量分配、送風(fēng)溫度、布置位置和運(yùn)行方式等均會(huì)較大程度影響燃燒過(guò)程,目前對(duì)單一因素影響規(guī)律的研究已較深入,研究正向更全面和更細(xì)致的方向發(fā)展。然而,還應(yīng)對(duì)二次風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究,考察不同因素的相互影響,以確定最優(yōu)的二次風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方案。

    3.4.4 煙氣再循環(huán)技術(shù)

    煙氣再循環(huán)技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的低氮燃燒技術(shù),可應(yīng)用于垃圾焚燒爐排爐,以降低煙氣中NOx污染物含量。因此針對(duì)垃圾焚燒爐排爐中煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的模擬主要關(guān)注NOx含量變化,同時(shí)還需考慮加入再循環(huán)煙氣對(duì)煙氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。王進(jìn)等[58]采用FLIC耦合Fluent軟件建立垃圾焚燒爐模型,研究煙氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)焚燒過(guò)程的影響,發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能有效降低NOx排放量,進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)研究再循環(huán)率與NOx排放量的關(guān)系,得到的數(shù)據(jù)及擬合關(guān)系曲線(xiàn)如圖13所示。由于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程中SNCR脫硝系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài),導(dǎo)致排放量數(shù)值與模擬結(jié)果存在差異,但二者擬合曲線(xiàn)在形狀趨勢(shì)上基本一致。張政等[59]也指出煙氣再循環(huán)能降低NOx生成量,然而再循環(huán)率過(guò)高不利于煙氣中可燃成分(CO等)完全燃燒,且會(huì)降低焚燒爐出口煙氣溫度,因此實(shí)際過(guò)程中需綜合考慮以選擇合適的煙氣再循環(huán)率。

    圖13 不同再循環(huán)率下數(shù)值模擬和實(shí)際運(yùn)行工況的NOx排放[58]Fig.13 Numerical simulation and actual operating conditions of NOx emissions at different recirculation rates[58]

    煙氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)垃圾焚燒過(guò)程的基本影響規(guī)律一致,但由于燃燒條件、煙氣抽取位置和送入爐膛的方式等存在差異,實(shí)際應(yīng)用中,需借助數(shù)值模擬方法,考慮多方面因素,確定是否采用煙氣再循環(huán)技術(shù),以及布置位置和再循環(huán)率等。

    3.4.5 富氧燃燒技術(shù)

    由于垃圾熱值普遍較低,部分學(xué)者提出采用富氧燃燒技術(shù)以提高爐內(nèi)火焰溫度,從而優(yōu)化燃燒工況、提高燃燒效率、促進(jìn)有害有機(jī)物分解、抑制二噁英等污染物的生成。劉國(guó)輝等[60]建立垃圾焚燒爐排爐燃燒模型,對(duì)比不同氧含量對(duì)燃燒過(guò)程的影響,發(fā)現(xiàn)富氧燃燒技術(shù)會(huì)提高燃燒溫度,燃燒中心下移,加快爐排上垃圾的燃燒,但由于需保持總氧量不變,會(huì)導(dǎo)致煙氣流量減少,爐內(nèi)煙氣混合減弱,不利于穩(wěn)定燃燒。王克等[61]在富氧燃燒的基礎(chǔ)上結(jié)合煙氣再循環(huán)技術(shù),增加爐內(nèi)煙氣流量,模擬結(jié)果表明運(yùn)行效果優(yōu)于單獨(dú)的富氧燃燒過(guò)程。

    綜上所述,垃圾焚燒發(fā)電廠應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)時(shí),應(yīng)采取煙氣再循環(huán)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施,解決煙氣流量減少造成的混合減弱問(wèn)題。

    3.5 爐排爐數(shù)值模擬研究與總結(jié)

    目前,眾多學(xué)者已對(duì)生活垃圾焚燒爐排爐開(kāi)展數(shù)值模擬研究,一般情況下常選擇FLIC耦合Fluent軟件作為研究工具,采取控制變量法,針對(duì)某一種或一類(lèi)參數(shù),研究其對(duì)焚燒過(guò)程的影響規(guī)律,得到在該條件下的最優(yōu)參數(shù)設(shè)置方案。不同參數(shù)影響燃燒過(guò)程的普遍規(guī)律大部分可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)實(shí)踐等方法獲得,但數(shù)值模擬方法可得到更詳細(xì)的數(shù)據(jù)和結(jié)論,量化不同參數(shù)的影響效果,找到最優(yōu)參數(shù)設(shè)置方案,為設(shè)計(jì)和改造過(guò)程提供參考。然而,由于不同生活垃圾焚燒爐排爐的廠家、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、所在地區(qū)的垃圾原料成分等不同,得到的最優(yōu)參數(shù)僅對(duì)特定研究對(duì)象有參考價(jià)值。另外,即使同一臺(tái)生活垃圾焚燒爐排爐,不同時(shí)間段垃圾原料成分不同,通過(guò)數(shù)值模擬所得最優(yōu)參數(shù)可能并不一致。

    綜上所述,針對(duì)爐排爐開(kāi)展數(shù)值模擬研究可得到較詳細(xì)的數(shù)據(jù)結(jié)果,但局限性較強(qiáng),因此生活垃圾爐排爐研究應(yīng)注重參考數(shù)值模擬的研究方法和過(guò)程,同時(shí)將以往研究數(shù)據(jù)作為取值參考,快速準(zhǔn)確開(kāi)展數(shù)值模擬工作,為爐排爐設(shè)計(jì)和改造過(guò)程提供數(shù)據(jù)支撐。

    4 垃圾焚燒爐排爐設(shè)計(jì)與改造技術(shù)路線(xiàn)

    數(shù)值模擬是垃圾焚燒爐排爐設(shè)計(jì)與改造過(guò)程中重要高效的研究手段,應(yīng)用廣泛。但存在研究過(guò)程較簡(jiǎn)單,研究分析不全面、研究結(jié)果準(zhǔn)確度較低等問(wèn)題。目前對(duì)垃圾焚燒電廠爐排爐開(kāi)展設(shè)計(jì)或優(yōu)化改造的過(guò)程中,應(yīng)遵循如下技術(shù)路線(xiàn)(圖14):

    1)明確垃圾焚燒爐排爐的具體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以及邊界條件,采用成熟的建模方法和工具,目前主流建模工具是耦合FLIC和Fluent軟件。

    2)開(kāi)展具體數(shù)值模擬研究前,應(yīng)驗(yàn)證模型的有效性。針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程,選取相似的案例進(jìn)行比較分析,確保結(jié)論相對(duì)一致;針對(duì)改造優(yōu)化過(guò)程,應(yīng)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行比較,如爐內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)、出口煙氣溫度、壓力、煙氣成分等數(shù)據(jù),確保誤差在允許范圍內(nèi)。若誤差較大,則重新考慮選取更合適的數(shù)學(xué)模型。

    3)針對(duì)爐排爐的設(shè)計(jì)過(guò)程,數(shù)值模擬可預(yù)見(jiàn)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果,因此主要關(guān)注不同設(shè)計(jì)方案的可行性,分別建立模型,判斷是否存在嚴(yán)重運(yùn)行問(wèn)題;而針對(duì)爐排爐的優(yōu)化改造,首先需明確要解決的運(yùn)行問(wèn)題或優(yōu)化目標(biāo),羅列主要影響因素,分析可行的改造方案,并改進(jìn)原有模型以得到相應(yīng)的數(shù)值模型。

    4)針對(duì)不同設(shè)計(jì)方案或改造優(yōu)化方案建立模型后,分析對(duì)比不同方案間的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的均勻性,重點(diǎn)關(guān)注平均溫度、最高溫度、停留時(shí)間、煙氣成分等因素,進(jìn)行綜合分析,選取最優(yōu)設(shè)計(jì)或優(yōu)化方案。

    5)根據(jù)方案建立或改造垃圾焚燒爐排爐后,收集相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比,確認(rèn)是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。同時(shí)定期跟蹤調(diào)查,確保不會(huì)引發(fā)其他運(yùn)行問(wèn)題。

    圖14 垃圾焚燒爐排爐設(shè)計(jì)與改造研究技術(shù)路線(xiàn)Fig.14 Technical roadmap for design and transformation of waste incinerator grate

    5 結(jié)語(yǔ)與展望

    目前,爐排爐是垃圾焚燒電廠的常用爐型,其數(shù)值模擬方法已較為成熟,一般對(duì)爐排上的氣固燃燒過(guò)程模擬采用FLIC軟件,對(duì)爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程模擬采用Fluent軟件,將二者耦合計(jì)算后可實(shí)現(xiàn)爐排爐整體的數(shù)值模擬。然而,針對(duì)爐排爐的數(shù)值模擬研究仍存在一些不足之處,需進(jìn)一步研究:

    1)針對(duì)爐排上氣固燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬研究普遍采用FLIC軟件作為建模工具,所得床層邊界的模擬結(jié)果較準(zhǔn)確。但其僅考慮一維方向上的變化,且假設(shè)進(jìn)料均勻,與實(shí)際情況存在差別。因此,后續(xù)可考慮進(jìn)一步完善數(shù)學(xué)模型,得到更貼合實(shí)際的垃圾床層邊界值。

    2)目前,爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬研究?jī)?nèi)容較多,但研究對(duì)象多為單一工藝參數(shù),鮮少考慮多種參數(shù)的相互作用,以及對(duì)煙氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等的共同作用。因此今后研究中應(yīng)考慮參數(shù)間的相互影響,開(kāi)展對(duì)焚燒效果影響相近參數(shù)組合研究,得到更全面的數(shù)值模擬研究結(jié)果。

    3)針對(duì)爐排上氣固燃燒過(guò)程和爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬一般分開(kāi)進(jìn)行,耦合計(jì)算的耦合程度并不緊密,易出現(xiàn)運(yùn)算故障等問(wèn)題。因此,開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確的一體化垃圾焚燒爐排爐模型是未來(lái)重要研究方向之一。

    4)目前,垃圾焚燒爐排爐模型一般只考慮煙氣中主要成分,忽略其他成分。然而部分煙氣成分,如污染物SO2、HCl、NOx等,受廣泛關(guān)注,因此在今后數(shù)值模擬研究中,可考慮補(bǔ)充這些煙氣成分的計(jì)算數(shù)學(xué)模型,將數(shù)值模擬方法應(yīng)用于爐排爐煙氣污染物治理領(lǐng)域研究。

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