焚燒爐數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展及高熱值垃圾焚燒技術(shù)探討

劉澤慶 上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司

1 數(shù)值仿真可縮短焚燒技術(shù)更新迭代周期

CFD仿真技術(shù)主要通過(guò)數(shù)值離散算法，求解N-S流動(dòng)、輻射傳熱、物質(zhì)擴(kuò)散等方程，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)的分析，其實(shí)質(zhì)為真實(shí)物理過(guò)程再現(xiàn)。垃圾焚燒領(lǐng)域可采用數(shù)值仿真對(duì)垃圾焚燒爐、煙氣處理中的半干式反應(yīng)塔、干法反應(yīng)器、布袋除塵器、濕式洗滌塔等關(guān)鍵設(shè)備的內(nèi)部流場(chǎng)及化學(xué)反應(yīng)情況進(jìn)行分析計(jì)算。尤其在垃圾焚燒爐的結(jié)構(gòu)和配風(fēng)方面，垃圾焚燒爐傳統(tǒng)上采用容積熱負(fù)荷、爐排燃燒速率、一煙道平均流速等指標(biāo)進(jìn)行爐膛容積、爐排面積計(jì)算，爐排各段配風(fēng)和具體爐型則依據(jù)以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修改優(yōu)化；而數(shù)值仿真技術(shù)，則在一定程度上可實(shí)現(xiàn)焚燒工況的數(shù)值再現(xiàn)，展現(xiàn)某種設(shè)計(jì)或運(yùn)行工況下的煙氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)爐型及配風(fēng)的精細(xì)化設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)研發(fā)路徑及基于數(shù)值仿真的研發(fā)路徑對(duì)比分析：①傳統(tǒng)研發(fā)路徑，在傳統(tǒng)焚燒爐設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要采用機(jī)理實(shí)驗(yàn)-中試設(shè)備-工程驗(yàn)證-設(shè)計(jì)修改的研究路徑。中試設(shè)備投資大且與工程實(shí)際存在較大區(qū)別；工程驗(yàn)證后，如技術(shù)方案存在問(wèn)題，焚燒爐改造費(fèi)用高；整個(gè)研發(fā)路徑耗時(shí)久，一項(xiàng)技術(shù)從研發(fā)到應(yīng)用一般超過(guò)3a。②CFD數(shù)值仿真技術(shù)為核心的研發(fā)路徑，采用機(jī)理實(shí)驗(yàn)-CFD數(shù)值仿真-工程驗(yàn)證的方式。采用CFD數(shù)值仿真驗(yàn)證技術(shù)方案合理性，無(wú)需中試工程設(shè)備投資；CFD數(shù)值仿真可對(duì)焚燒爐內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)全方面校核，技術(shù)優(yōu)化后工程實(shí)施成功率高；一個(gè)設(shè)計(jì)或者運(yùn)行工況，通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證僅需要3～7d，極大的縮短了技術(shù)優(yōu)化時(shí)間。

2 國(guó)內(nèi)垃圾焚燒爐開(kāi)發(fā)模型進(jìn)展

2.1 傳統(tǒng)仿真算法

行業(yè)普遍采用國(guó)外FLIC軟件模擬垃圾床層異相燃燒，耦合基于fluent的爐膛氣相燃燒，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焚燒爐整體仿真。FLIC軟件采用單組分模型，將垃圾各組分理化特性參數(shù)均衡為同一種，依次經(jīng)歷干燥、揮發(fā)分燃燒、固定碳燃燒過(guò)程，該模型焚燒爐干燥段著火延遲。根據(jù)筆者數(shù)十個(gè)焚燒廠調(diào)研，模型在干燥段溫度比實(shí)際垃圾焚燒爐低50～100℃。主要由于在實(shí)際焚燒過(guò)程中，竹木、紙類、塑料、濕垃圾等多組分理化特性差別大，濕垃圾在干燥段進(jìn)行干燥的同時(shí)，紙類及塑料已經(jīng)在爐膛火焰輻射的作用下發(fā)生燃燒，該過(guò)程已經(jīng)被現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及觀測(cè)所證實(shí)。

2.2 國(guó)內(nèi)新開(kāi)發(fā)算法情況

國(guó)內(nèi)新開(kāi)發(fā)算法的升級(jí)和突破為豐富垃圾物料特性參數(shù)，由單組份向多組分模型轉(zhuǎn)化；實(shí)現(xiàn)爐排及垃圾運(yùn)動(dòng)仿真與燃燒仿真相互耦合；實(shí)現(xiàn)垃圾顆粒內(nèi)部傳熱傳質(zhì)過(guò)程仿真。華東理工大學(xué)利用FLUENT平臺(tái)開(kāi)發(fā)爐排氣固兩相流動(dòng)與燃燒模型,引入顆粒動(dòng)理學(xué)理論(KTGF)描述床層固體的流變性質(zhì),考慮垃圾在爐排上的水分蒸發(fā),脫揮發(fā)分,揮發(fā)分燃燒和焦炭燃盡過(guò)程；該模型相比于傳統(tǒng)FLIC軟件，可以進(jìn)行垃圾焚燒爐段差處的垃圾翻滾混合等過(guò)程仿真。同濟(jì)大學(xué)基于FLUENT平臺(tái)，通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)開(kāi)發(fā)垃圾焚燒爐爐排運(yùn)動(dòng)仿真模型，耦合床層燃燒模型，實(shí)現(xiàn)不同爐排運(yùn)動(dòng)情況下的燃燒仿真。上海交通大學(xué)以硬紙板、橡膠、松木和尼龍等典型生活垃圾(MSW)成分為研究對(duì)象,分別建立了有限平行反應(yīng)模型,通過(guò)粒子群算法計(jì)算相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，同時(shí)結(jié)合顆粒傳熱傳質(zhì)模型，完成大顆粒精細(xì)化垃圾仿真模型開(kāi)發(fā)；相比于FLIC軟件將垃圾顆粒視做零維模型，該模型在擬合實(shí)際焚燒過(guò)程細(xì)節(jié)中有大幅提升。上海環(huán)境院通過(guò)聯(lián)合高校，采用自編程方式，開(kāi)發(fā)垃圾多組分模型，與傳統(tǒng)單一組分模型相比較，能夠精細(xì)化實(shí)現(xiàn)焚燒過(guò)程的再現(xiàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)爐測(cè)試，前、后爐拱和爐膛中心等主要測(cè)點(diǎn)溫度及組分偏差低于3%。

3 傳統(tǒng)垃圾焚燒技術(shù)仿真優(yōu)化方向

傳統(tǒng)焚燒技術(shù)優(yōu)化主要內(nèi)容包括爐拱傾角、配風(fēng)優(yōu)化（一次風(fēng)、二次風(fēng)及煙氣再循環(huán)噴口位置、風(fēng)量）、SNCR優(yōu)化等，在國(guó)外引進(jìn)垃圾焚燒爐的基礎(chǔ)上，局部參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化。有關(guān)學(xué)者采用Fluent作為工具,通過(guò)模擬計(jì)算得到后拱高度變化對(duì)爐膛內(nèi)流場(chǎng)的影響。隨后拱高度增加,前拱下方處的渦流強(qiáng)度先增加,有利于前拱處入爐垃圾的干燥和熱解,但當(dāng)后拱高度達(dá)到一定值后,隨后拱高度增加,渦流強(qiáng)度開(kāi)始減弱,對(duì)垃圾的焚燒產(chǎn)生不利影響。相關(guān)研究人員，分析了有無(wú)二次配風(fēng)以及二次配風(fēng)口位置不同時(shí)爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)、氣體停留時(shí)間分布、湍動(dòng)能等, 獲得了焚燒爐最優(yōu)二次配風(fēng)條件,為焚燒爐的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供支撐；建立了還原劑噴射模型,考察了還原劑進(jìn)入焚燒爐內(nèi)的蒸發(fā)和混合的規(guī)律,完成噴氨參數(shù)和噴嘴布置方式優(yōu)化。

4 垃圾分類背景下的焚燒廠面臨問(wèn)題及技術(shù)探討

4.1 焚燒爐超溫結(jié)焦及處理量下降原因分析

隨著垃圾分類的開(kāi)展，垃圾熱值快速提升。以上海為例，2019年7月《上海市生活垃圾管理?xiàng)l例》實(shí)施以后，首月干垃圾熱值已經(jīng)超過(guò)了3100 kcal/kg，相較于2018年平均值提升了約35%。現(xiàn)有焚燒爐爐型主要為適應(yīng)低熱值垃圾設(shè)計(jì)，受納高熱值垃圾后，出現(xiàn)結(jié)焦加重、處理量下降等問(wèn)題。

4.2 采用藥劑控制結(jié)焦存在與物料混合差

燃燒結(jié)焦控制主要有兩類技術(shù)措施。一類是結(jié)焦藥劑，如王樹(shù)眾等發(fā)明的焚燒爐清灰藥劑，主要含有氯化鈉、硝酸鈉、硼砂、氧化鋅和蛭石等物質(zhì)，其中硼砂和蛭石有較強(qiáng)的焦塊疏松作用，促進(jìn)焦塊快速脫落，進(jìn)而避免焦塊過(guò)大影響焚燒爐運(yùn)行安全。結(jié)焦藥劑的開(kāi)發(fā)往往源于煤粉鍋爐控焦技術(shù)，在煤粉燃燒爐，藥劑可與煤粉充分混合，實(shí)現(xiàn)控焦目標(biāo)。但是焚燒爐為層燃爐，垃圾顆粒大且不規(guī)則，如藥劑直接從料斗添加，混合效果差，且在爐排運(yùn)動(dòng)過(guò)程中宜掉落于爐排；如藥劑噴入爐膛內(nèi)，則僅能控制噴口及以上區(qū)域（煙氣從噴口向上流動(dòng)區(qū)域），很難實(shí)現(xiàn)全覆蓋，對(duì)于局部控焦有一定實(shí)用價(jià)值。如何有效利用控焦藥劑，實(shí)現(xiàn)焚燒爐大范圍控焦需要進(jìn)一步探索。另一類是焚燒爐爐拱、配風(fēng)優(yōu)化。垃圾焚燒爐爐膛出口設(shè)置煙氣再循環(huán)裝置，再循環(huán)煙氣可以有效降低焚燒爐出口煙氣溫度，從而極大改善焚燒爐出口后端（一煙道）結(jié)焦情況。對(duì)于焚燒爐內(nèi)部結(jié)焦，主要采用噴水降溫，效果雖好，但是影響余熱鍋爐蒸發(fā)量。

4.3 無(wú)焰燃燒技術(shù)控焦效果好

無(wú)焰燃燒技術(shù)在燃?xì)?、燃油行業(yè)廣泛應(yīng)用，控制局部高溫（控制結(jié)焦）、控制源頭NOX排放效果顯著，但在垃圾焚燒行業(yè)暫時(shí)未有應(yīng)用。由于在運(yùn)行的垃圾焚燒爐，主要針對(duì)低熱值混合垃圾設(shè)計(jì)，前后拱覆蓋面積大，主要為保障焚燒爐中心火焰溫度（高于1100℃），提升垃圾揮發(fā)分燃盡及降低焚燒底渣的熱灼減率。在低熱值混合垃圾條件下，無(wú)焰燃燒采用高速射流等方式，均化爐膛溫度，會(huì)極大降低焚燒中心溫度（低于900℃），影響二噁英控制及焚燒底渣的熱灼減率達(dá)標(biāo)。在垃圾分類背景下，以上海某焚燒廠為例，爐膛中心溫度超過(guò)1200℃，如應(yīng)用無(wú)焰燃燒技術(shù)，預(yù)估爐膛中心高于950℃，能有效保障焚燒各項(xiàng)參數(shù)，由此可知垃圾分類為焚燒爐應(yīng)用無(wú)焰燃燒技術(shù)提供了契機(jī)。

4.4 垃圾焚燒爐無(wú)焰燃燒技術(shù)仿真研究情況

上海環(huán)境院開(kāi)發(fā)垃圾焚燒爐無(wú)焰燃燒技術(shù)，最大程度實(shí)現(xiàn)燃燒均質(zhì)化和溫度場(chǎng)均勻分布，有效緩解焚燒爐內(nèi)的結(jié)焦情況。該技術(shù)相比于傳統(tǒng)煙氣再循環(huán)噴口設(shè)置于焚燒爐出口（促進(jìn)焚燒爐出口煙氣混合），垃圾焚燒爐無(wú)焰燃燒技術(shù)將一定燃燒氣氛（煙氣與空氣某種混合比例）射流噴口設(shè)置于前拱或后拱，高速氣流直接作用于燃燒段高溫火焰，由于卷吸作用，該技術(shù)可以直接調(diào)控高溫區(qū)域的組分場(chǎng)、溫度場(chǎng)。

在常規(guī)垃圾焚燒爐的前拱處，設(shè)置11個(gè)高速氣流噴口，對(duì)流速分別為30、40、50、60m/s的4種工況進(jìn)行模擬仿真。結(jié)果表明，隨著噴口速度增大，射流對(duì)焚燒爐內(nèi)煙氣的卷吸能力更強(qiáng)，流速高于50m/s，高速射流的尾端基本可達(dá)爐排垃圾層的表面，形成的氣流旋渦基本覆蓋燃燒區(qū)域局部高溫段；噴口流速50、60m/s，爐排燃燒段上方的氣體組分混合較為均勻，主燃區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)為6.5%～7.0%；噴口流速50、60m/s，主燃區(qū)溫度場(chǎng)均勻（約為1200 K），局部高溫區(qū)僅在爐排垃圾層表面較小范圍內(nèi)。該技術(shù)可有效緩解焚燒爐內(nèi)的結(jié)焦情況，避免焚燒爐非計(jì)劃停爐。同時(shí)，由于燃燒中心氧氣濃度、溫度降低，該技術(shù)可大幅降低焚燒爐NOX源強(qiáng)。

5 結(jié)論

①以CFD數(shù)值仿真技術(shù)為核心的研發(fā)路徑，相比于傳統(tǒng)的“機(jī)理實(shí)驗(yàn)-中試設(shè)備-工程驗(yàn)證-設(shè)計(jì)修改”研究路徑，無(wú)需中試工程設(shè)備投資、優(yōu)化后工程實(shí)施成功率高，且通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證僅需要3～7d，極大的縮短了技術(shù)優(yōu)化時(shí)間。②傳統(tǒng)焚燒爐數(shù)值模擬采用國(guó)外FLIC軟件進(jìn)行床層異項(xiàng)燃燒仿真，該模型為單組份模型，與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相差較大，在干燥段溫度比實(shí)際垃圾焚燒爐低50～100℃。③國(guó)內(nèi)新開(kāi)發(fā)算法主要在3方面升級(jí)和突破，即豐富垃圾物料特性參數(shù)，由單組份向多組分模型轉(zhuǎn)化；實(shí)現(xiàn)爐排及垃圾運(yùn)動(dòng)仿真與燃燒仿真相互耦合；實(shí)現(xiàn)垃圾顆粒內(nèi)部傳熱傳質(zhì)過(guò)程仿真。④提出垃圾焚燒爐無(wú)焰燃燒技術(shù)，并通過(guò)模擬仿真，分析該技術(shù)對(duì)溫度場(chǎng)及污染物原始生成濃度的影響，為垃圾分類背景下的焚燒技術(shù)發(fā)展提供了新思路。