基于ASPEN及FLUENT的危險廢棄物焚燒工藝模擬及應(yīng)用

雷祖磊，劉曉燕，張 相，田 圃，趙琛杰，周俊虎

（1.浙江百能科技有限公司，浙江 杭州 3 1 1 1 0 0；2.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

0 引 言

隨著社會不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，危險廢棄物的產(chǎn)量也不斷增加。 這些危險廢棄物來源廣泛、性質(zhì)復(fù)雜，具體明顯的物理、化學及生物危害特性，如若不妥善處理將給人體健康及環(huán)境安全帶來巨大隱患[1-2]。 危險廢棄物處置原則是“減量化、資源化、無害化”，常用的處理技術(shù)包括物理處理、化學處理、物化處理、生物處理、及熱處理等[3]。 在眾多的處理技術(shù)中，以焚燒為代表的熱處理技術(shù)同時具有優(yōu)異的減容、減量及去毒特性，是目前主流的危廢處理技術(shù)[4 -6]。

我公司正在舟山綠色石化基地工業(yè)固體廢物處置中心建設(shè)一危廢焚燒處置項目，危廢種類包括含油污泥、生化污泥、干化污泥、廢溶劑、添加劑、精餾殘渣、散裝固體、桶裝固（液）廢物、柔性韌性包裝廢棄物等。 主體工藝包括預(yù)處理系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)及尾氣凈化系統(tǒng)，其中焚燒系統(tǒng)為工藝的核心，設(shè)備采用回轉(zhuǎn)窯+二燃室的組合形式。 焚燒工藝段工藝參數(shù)的準確選擇對于危廢的焚燒起著至關(guān)重要的作用，有必要借助理論模擬軟件對焚燒工藝進行模擬研究，以分析找出最佳的工藝參數(shù)。

1 項目概況

危廢處置規(guī)模：5 t/h。

危廢工業(yè)分析及元素分析數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 危廢工業(yè)分析及元素分析

如表1 所示，危險廢棄物的含水量不穩(wěn)定，在30% ～50%之間波動，這直接導致了原料熱值的波動。

2 基于ASPEN的燃燒段工藝模擬

2.1 ASPEN軟件

ASPEN是一款集化工設(shè)計、動態(tài)模擬于一體的大型通用過程模擬軟件，能夠?qū)に囘^程進行嚴格的質(zhì)量和能量平衡計算，也能夠預(yù)測物流的流量、組成及性質(zhì)。 ASPEN主要包括物性數(shù)據(jù)庫、單元操作模塊及系統(tǒng)實現(xiàn)策略三大部分，廣泛地應(yīng)用于化工、石化、環(huán)境工程等領(lǐng)域[7-8]。 ASPEN自帶的吉布斯反應(yīng)器模塊根據(jù)分相后吉布斯自由能最小化的原則計算平衡，不需要規(guī)定化學反應(yīng)計量數(shù)，適合模擬回轉(zhuǎn)窯內(nèi)危廢燃燒及二燃室內(nèi)天然氣補燃過程。

2.2 ASPEN模擬危廢焚燒工藝模型

危險廢棄物首先通過配伍系統(tǒng)預(yù)處理后進入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，在通入空氣的條件下，危廢在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)隨著溫度的上升依次發(fā)生水分蒸發(fā)、小分子氣體析出、氣化、揮發(fā)分及固定碳燃燒過程[4]。 從回轉(zhuǎn)窯出來的高溫煙氣進入二燃室，二燃室內(nèi)設(shè)置燃氣燃燒器，通過補加天然氣的方式進一步抬升煙氣溫度。 在使用ASPEN模擬危廢焚燒時，重點關(guān)注各個單元操作的物流及能量流情況，在保證模擬準確性的前提下，從簡化模型的角度做如下假設(shè)[4，7]：

（1）危廢焚燒過程中發(fā)生的水分蒸發(fā)、小分子氣體析出、氣化、揮發(fā)分及固定碳燃燒過程全部在吉布斯反應(yīng)器內(nèi)完成；

（2）灰分視為惰性物質(zhì)，全程不參與反應(yīng)；

（3）忽略傳質(zhì)過程對化學反應(yīng)的影響、忽略燃燒過程中實際的溫度及壓力變化。

基于上述假設(shè)，以5 t/h 處理規(guī)模的危廢焚燒項目為原型，建立如圖1 所示的焚燒段工藝模型。

圖1 危廢焚燒ASPEN模型

模型所用到的單元模塊及物流、能量流說明如表2 所示。

表2 單元模塊及物流、能量流說明

2.3 ASPEN模擬危廢焚燒工藝結(jié)果

2.3.1 操作參數(shù)對焚燒溫度的影響

根據(jù)我國《危險廢物焚燒污染控制標準（GB 18484—2020）》要求，危險廢棄物焚燒工藝中煙氣處于溫度≥1100 ℃的高溫段停留時間≥2 s。受限于原料熱值及散熱損失，回轉(zhuǎn)窯出口煙氣溫度有時不能達到1100 ℃，此時就需要在二燃室內(nèi)補加燃料進一步抬高煙氣溫度，并通過合理的二燃室結(jié)構(gòu)設(shè)計來保證高溫煙氣的停留時間。 針對于本研究對象而言，影響回轉(zhuǎn)窯出口煙氣溫度的因素主要為原料含水量及過量空氣系數(shù)。 通過ASPEN探究操作參數(shù)對焚燒溫度的影響，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 操作參數(shù)對焚燒溫度的影響

從圖2 可以看出，對于同一水分的原料，隨著過量空氣系數(shù)的增加，回轉(zhuǎn)窯出口煙氣溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，并且在過量空氣系數(shù)為1時，溫度達到極值。 窯內(nèi)溫度上升的主要原因是危險廢棄物中的固定碳與氧氣反應(yīng)放熱所致，且單位質(zhì)量的碳與氧氣反應(yīng)生成CO2所釋放的熱量遠高于生成CO所釋放的熱量。 在過量空氣系數(shù)小于1 之前，危險廢棄物由于處于欠氧狀態(tài)，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)處于氣化階段，此時固定碳與氧氣反應(yīng)生成CO，隨著過量空氣系數(shù)的增加，固定碳與氧氣反應(yīng)生成CO2的量越多，釋放的熱量也越高，溫度也因此呈現(xiàn)快速上升的趨勢。 當過量空氣系數(shù)超過1 以后，危險廢棄物的可燃組分已經(jīng)燃燒完全，隨著空氣的不斷加入，相當于在高溫煙氣中不斷通入冷卻惰性氣體，由此造成溫度的逐漸下降。 進一步地，在相同過量空氣系數(shù)的條件下，隨著原料含水量的上升，回轉(zhuǎn)窯煙氣出口溫度逐漸降低。 這是由于所有工況條件下，入爐的原料質(zhì)量是一定的，含水量越高的原料含有的可燃質(zhì)越少，燃燒的溫度相應(yīng)越低。

為了更好地描述過量空氣系數(shù)小于1 時和大于1 時的區(qū)別，統(tǒng)計了過量空氣系數(shù)對CO2質(zhì)量流量的影響。 結(jié)果如圖3 所示。

圖3 操作參數(shù)對CO2 質(zhì)量流量的影響

從圖3 可以看出，CO2質(zhì)量流量隨過量空氣系數(shù)增加呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢，并在過量空氣系數(shù)為1 時達到最大，這也說明了當過量空氣系數(shù)小于1 時回轉(zhuǎn)窯內(nèi)發(fā)生氣化反應(yīng)，過量空氣系數(shù)大于1 時，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)發(fā)生燃燒反應(yīng)，并在過量空氣系數(shù)為1 時，燃燒完全。 但在工程實際中，考慮到傳質(zhì)的影響，過量空氣系數(shù)并不選擇為1，而是選擇在1.2 ～1.6 范圍內(nèi)。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度的控制對于整個危險廢棄物焚燒工藝的穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用，過高的窯內(nèi)溫度不僅對設(shè)備材質(zhì)要求更高，還會導致NOx生成量的增加，過低的窯內(nèi)溫度則會導致燃燒不充分，影響熱灼減率。 相關(guān)學者的研究表明回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度應(yīng)保持在700 ℃以上，1200 ℃以下[9]。 對于本項目研究對象而言，在過量空氣系數(shù)1.2 ～1.6 范圍內(nèi)，對于水分含量低的原料，需要采用較高的過量空氣以保證回轉(zhuǎn)窯煙氣出口溫度在1200 ℃以下，對于水分含量高的原料，則適宜采用較低的過量空氣系數(shù)，以保證較高的回轉(zhuǎn)窯出口煙氣溫度，以便減少二燃室補充燃料的添加量。

2.3.2 操作參數(shù)對煙氣流量的影響

進一步考察過量空氣系數(shù)對煙氣流量的影響，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 操作參數(shù)對回轉(zhuǎn)窯出口煙氣流量的影響

從圖4 可以看出，對于不同含水量的原料來說，燃燒產(chǎn)生的煙氣流量隨著水分的增加而減少，這說明危險廢棄物中可燃質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙氣量大于同等質(zhì)量水分的流量。 同時對于同一水分的原料來說，隨著過量空氣系數(shù)的增加，煙氣量逐漸上升。 需要指出的是，對于同一水分的原料，過量空氣系數(shù)小于1 時標況流量的增加幅度（近似于直線的斜率）略小于過量空氣系數(shù)大于1 時標況流量的增加幅度；過量空氣系數(shù)小于1 時工況流量的增加幅度大于過量空氣系數(shù)大于1 時工況流量的增加幅度。 造成上述現(xiàn)象的原因在于標況流量主要與物料平衡有關(guān)，而工況流量主要與能量平衡有關(guān)。 當過量空氣系數(shù)大于1 時，燃燒完全，相同的過量空氣系數(shù)變化量只是引入了相應(yīng)的量的惰性空氣，即引入了單位量的氧氣；當過量空氣系數(shù)小于1 時，簡化描述回轉(zhuǎn)窯內(nèi)反應(yīng)為CO與O2反應(yīng)生成CO2，該反應(yīng)為體積減少的反應(yīng)，變化相同量的空氣系數(shù)時，增加的單位量的氧氣與CO反應(yīng)，比不發(fā)生化學反應(yīng)的情況下體積減少，由此造成標況流量的增加幅度是略小于過量空氣系數(shù)大于1 的情況。 而對于工況流量而言，它受溫度的影響很大，當過量空氣系數(shù)小于1 時，變化相同量的空氣系數(shù)，增加的單位量的氧氣參與反應(yīng)釋放的熱量很大使煙氣溫度快速上升，而過量空氣系數(shù)大于1 時，變化相同量的空氣系數(shù)將導致整體煙氣溫度逐漸下降，由此造成過量空氣系數(shù)小于1 時工況流量的增加幅度大于過量空氣系數(shù)大于1 時工況流量的增加幅度。

2.3.3 操作參數(shù)對天然氣補加量的影響

從圖2 還可以看出，針對原料含水量為50%的原料，其熱值較低，燃燒后的煙氣溫度達不到1100 ℃，此時就需要二燃室補加燃料以進一步提升煙氣溫度。 本項目模型中，采用燃氣燃燒器補加天然氣的方式來提高煙氣的溫度。 燃燒器過量空氣系數(shù)為1.1，一次風占比30%，二次風占比70%。 由于回轉(zhuǎn)窯出口煙氣中含有大量的氧氣，二燃室二次風并不起到空氣分級的作用，主要是為了加強擾動作用，使燃燒器燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣與回轉(zhuǎn)窯出口煙氣混合均勻。 在過量空氣系數(shù)1.2 ～1.6 范圍內(nèi)，為了滿足二燃室煙氣溫度達到1100 ℃，需要補加的天然氣量如圖5 所示。

圖5 操作參數(shù)對天然氣補加量的影響

如圖5 所示，天然氣補加量隨著過量空氣系數(shù)的增加呈現(xiàn)線性增加的趨勢。

3 基于ELUENT的二燃室燃燒模擬

3.1 FLUENT軟件

從回轉(zhuǎn)窯出來的煙氣進入二燃室，在二燃室內(nèi)補加天然氣以進一步抬高煙氣溫度。 實際上煙氣溫度上升情況不僅與加入的燃料量有關(guān)還跟二燃室結(jié)構(gòu)及燃燒器布置位置有關(guān)，合理的燃燒器布置才能保證燃燒器出口高溫煙氣與回轉(zhuǎn)窯出口煙氣混合均勻，避免出現(xiàn)煙氣嚴重偏溫的現(xiàn)象。以原料含水率50%，回轉(zhuǎn)窯過剩空氣系數(shù)1.3 條件下回轉(zhuǎn)窯出口煙氣參數(shù)為基準，采用模擬計算軟件FLUENT探究二燃室燃燒器布置方式對二燃室內(nèi)溫度場及流場的影響。

FLUENT是當今市面上CFD仿真領(lǐng)域最為全面的軟件包之一，擁有模擬流動、傳熱、化學反應(yīng)等廣泛物理現(xiàn)象的能力，十分適用于工程燃燒領(lǐng)域[10]。 本項目主要借助FLUENT模擬二燃室內(nèi)天然氣的燃燒及煙氣的混合過程，計算模型采用湍流標準k-ε模型，壁面采用標準壁面函數(shù)處理；燃燒模型采用非預(yù)混燃燒模型；煙氣入口邊界條件及燃料、一次風、二次風入口條件均為速度入口，出口邊界條件為壓力出口；在求解過程中，湍流動能、湍流動能耗散率、動量方程采用一階迎風格式算法，壓力和速度耦合采用SIMPLIC算法[11-13]。

3.2 FLUENT模擬危廢焚燒工藝模型

對二燃室模型按照1 ∶1 的比例建模，最終模型如圖6 所示。

圖6 二燃室及燃燒器模型

如圖6 所示，二燃室上端為圓形煙道，底部為矩形煙道，回轉(zhuǎn)窯出口及燃燒器布置在矩形煙道內(nèi)，規(guī)定回轉(zhuǎn)窯出口位置為二燃室前墻，其正對面為后墻，燃燒器為旋流燃燒器設(shè)置成兩個，分別布置在兩個側(cè)墻，且間隔一段距離。

3.3 FLUENT模擬危廢焚燒工藝結(jié)果

本項目重點關(guān)注的是燃燒器布置位置對二燃室內(nèi)溫度場及流場的影響，布置位置包括豎直方向的差異和相對間距的差異，變化范圍如圖7 所示，以回轉(zhuǎn)窯出口中心截面為基準線，燃燒器布置在豎直方向的位置為0.8R、R以及1.2R（R為回轉(zhuǎn)窯出口圓截面半徑），水平方向間隔距離為B，B=0.2 A、0.25 A、0.3 A（A為側(cè)墻長度）。 以基準線以上的某截面為參考面1，以二燃室出口為截面2，統(tǒng)計其溫度及速度的相對標準偏差作為判據(jù)以判斷各個工況條件下二燃室內(nèi)溫度場及速度場分布情況，結(jié)果如表3 所示。

表3 燃燒器布置位置對二燃室內(nèi)溫度場及速度場分布影響結(jié)果 單位：%

圖7 燃燒器布置方式

從表3 可以看出，同一工況條件下，參考面1的溫度相對標準偏差大于參考面2，參考面1 的速度相對標準偏差小于參考面2，這是由于煙氣到達參考面2 位置時的停留時間大于參考面1，煙氣經(jīng)過更長時間的混合溫度變得更加均勻；同時參考面2 前端有一個變徑段，導致速度場變得不均。 從表3 還能看出，隨著豎直方向距離的增加，兩個參考面溫度及速度相對標準偏差變小，對應(yīng)更均勻的溫度場及速度場；水平間距的變化對溫度場及流場的影響則沒有表現(xiàn)出嚴格的規(guī)律性，但總體趨勢是0.25A的溫度及速度相對標準偏差＜0.2A＜0.3A。 限于篇幅，不將全部工況的溫度分布云圖及速度分布云圖列出，這里只給出最優(yōu)的結(jié)果（1.2R、0.25A）及最差的結(jié)果（0.8R、0.3A）以作對比分析。

3.3.1 速度場分布

入口中心截面、參考面1 及參考面2 速度場計算結(jié)果見圖8。

從圖8 中可以看出從回轉(zhuǎn)窯出口而來的煙氣被燃燒器產(chǎn)生的高溫煙氣加熱后經(jīng)過變徑段進入上部圓筒結(jié)構(gòu)后，整體速度場變得均勻，而二燃室出口位置由于前端存在收縮變徑段導致偏流現(xiàn)象的出現(xiàn)。 對比最優(yōu)結(jié)果和最差結(jié)果，最優(yōu)結(jié)果入口中心截面速度場在進口位置的低速區(qū)遠小于最差結(jié)果，這是由于最優(yōu)結(jié)果的燃燒器布置位置更靠上，燃燒器產(chǎn)生的高溫煙氣能夠擴散到煙氣進口上部的低速區(qū)，而最差結(jié)果的燃燒器布置在進口煙道標高內(nèi)部，燃燒器燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣被來自回轉(zhuǎn)窯的煙氣攜帶沖至后墻所致。

圖8 燃燒器布置位置對速度場的影響

3.3.2 溫度場分布

入口中心截面、參考面1 及參考面2 溫度場計算結(jié)果如圖9 所示。

從圖9 可以看出，對于最優(yōu)結(jié)果入口中心截面底部存在兩個明顯的高溫區(qū)，該區(qū)域?qū)?yīng)兩個燃燒器燃氣燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣，從回轉(zhuǎn)窯進入到二燃室的煙氣，在上述高溫煙氣加熱作用下，溫度被抬升，從上端圓截面及出口的溫度分布云圖能明顯地看出經(jīng)過燃燒器后的煙氣，整體煙溫分布平均。 經(jīng)統(tǒng)計，燃燒器距離上端圓截面煙道3.4 m，該空間平均速度3.2 m/s，該空間內(nèi)煙氣停留時間約1.1 s，上端圓截面煙道距離煙氣出口約10 m，該空間內(nèi)煙氣平均流速4.6 m/s，該空間內(nèi)煙氣停留時間約2.2 s，故從回轉(zhuǎn)窯進入到二燃室的煙氣被升溫到1100 ℃以上的停留時間為3.3 s，大于2 s，滿足國標要求。 而對于最差結(jié)果，燃燒器燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣明顯地被進口煙氣攜帶沖至后墻，這會對后墻的使用壽命造成影響，并且其第一參考面的溫度場分布更是明顯差于最優(yōu)結(jié)果。

圖9 燃燒器布置位置對溫度場的影響

進一步地，取兩個燃燒器的中心截面的燃氣濃度分布云圖，以驗證其燃燒模型的可靠性，結(jié)果如圖10 所示。

從圖10 可以看出，燃氣進口燃氣濃度分數(shù)為1，進入二燃室后，快速擴散并在一次風攜帶的氧氣條件下快速燃燒殆盡，符合預(yù)期，模型可靠。

4 結(jié) 論

利用數(shù)值模擬軟件ASPEN及FLUENT探究了工藝參數(shù)對危險廢物焚燒工藝的影響，ASEPEN模擬結(jié)果表明：

（1）對于同一含水量的原料，隨著過量空氣系數(shù)的增加，回轉(zhuǎn)窯出口煙氣溫度先上升后下降，并在過量空氣系數(shù)為1 時達到最大值；對于不同含水的原料，在相同過量空氣系數(shù)條件下，溫度隨著含水率的增加而降低；

（2）CO2質(zhì)量流量隨過量空氣系數(shù)增加呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢，并在過量空氣系數(shù)為1時達到最大；

（3）回轉(zhuǎn)窯出口煙氣工況流量及標況流量隨著過量空氣系數(shù)的增加而增加；

（4）針對原料含水量為50%的原料，在過量空氣系數(shù)1.2 ～1.6 范圍內(nèi)，為了滿足二燃室煙氣溫度達到1100 ℃的要求，需要補加的天然氣量隨著過量空氣系數(shù)的增加而線性增加。

FLUENT模擬結(jié)果表明：

（1）二燃室燃燒器布置位置對二燃室內(nèi)溫度場及流場分布有決定性作用；

（2）最優(yōu)的燃燒器布置方式條件下，二燃室內(nèi)部溫度場及流場均勻，從回轉(zhuǎn)窯進入到二燃室的煙氣被燃燒器燃料燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣加熱升溫到1100 ℃以上的煙氣停留時間為3.3 s，滿足預(yù)期要求。 對于類似的危廢焚燒工藝，本研究所提供的燃燒器布置方式具有借鑒意義。