杜輝杰， 王 恒， 宋廣懂， 王 琥， 常正則

（北京科技大學 機械工程學院，北京100083）

隨著我國經濟的高速發(fā)展以及城市化和人民生活水平的不斷提高，城市垃圾產生量與日俱增，生態(tài)環(huán)境污染日益嚴重.在垃圾處理方法中，焚燒法具有占地面積小、減量化和資源化效果好等優(yōu)點，在我國越來越受到關注.因此，近年來我國垃圾焚燒電廠的建設速度明顯加快.

目前，飛灰的處理技術主要有3類，即水泥固化／穩(wěn)定化、濕法化學處理及包括熔融和燒結在內的高溫處理.水泥固化是目前垃圾發(fā)電廠飛灰的主要處理方法，雖然工藝簡單，但缺點是增容，對二英沒有消解作用，很難保證處理結果的長期穩(wěn)定性.濕法化學處理的成本較高且存在二次污染問題，所以未能得到普遍應用.熔融法是在爐內利用電能或燃料將焚燒飛灰加熱到1 400℃以上的高溫，使固體顆粒發(fā)生熔融相變，變成液態(tài)熔渣，再經快速冷卻成為致密的玻璃態(tài)熔渣，將重金屬固化在熔渣中以實現穩(wěn)定化.國外已經開發(fā)出幾種熔融工藝，如電能型的電弧爐熔融爐、等離子熔融爐和電阻式熔融爐以及燃料型的反射面式熔融爐、旋轉面式熔融爐、旋流式熔融爐和碳燃燒熱熔融爐［1－3］.國內和臺灣地區(qū)也有學者進行飛灰熔融固化機理及室狀爐和回轉窯熔融爐的工藝試驗研究工作［4－6］.熔融法雖然具有有毒性物質固定較為徹底和熔渣可以利用的優(yōu)點，但卻要消耗大量的優(yōu)質能源，如電、燃氣和燃油等，工藝和設備復雜.此外，高溫下Pb、Cd、Zn等一些易揮發(fā)金屬在處理過程中易蒸發(fā)，所以必須對煙氣進行嚴格的后續(xù)處理，然而這樣又增加了處理成本.因此，熔融法只在日本和歐洲少數經濟發(fā)達國家有所應用.

燒結法是指在待處理的飛灰中加入少量助熔劑（如垃圾焚燒爐底渣中的玻璃碎屑等），混合造粒后在低于飛灰熔融溫度下進行加熱，使助熔劑及灰中低熔點成分熔融為致密結構，從而將重金屬固化并實現穩(wěn)定化的方法.試驗證明，飛灰造粒后在950～1 100℃下燒結20min便能完全滿足國家規(guī)定的浸出毒性標準［7］.與高溫熔融法相比，燒結法能耗很低，重金屬揮發(fā)量較低，工藝技術簡單，容易實現大型化.文獻［8］提出了一種新型固定床燒結法的無害化處理工藝，并且針對典型1 000t／d處理量的垃圾焚燒電廠進行了初步設計，確定了爐子尺寸及基本工藝參數.利用小球堆積床的傳熱傳質和燃燒理論進一步計算并確定實際工況下爐內氣流速度、氣流溫度、氣體組分分布以及物料溫度分布和燃盡程度，為工程設計提供依據.

1 燒結爐三維模型的建立

1.1 物理模型

本文焚燒飛灰無害化的處理工藝為：→—混料造粒 — →給料器 — →燒結爐 — →出料冷卻 — →安全填埋.燃料可采用煤炭或某些其他低熱值固體燃料，燃料摻入量占燒結料總質量的8%～15%.燒結爐的結構尺寸如圖1所示，爐膛為圓柱形，物料從上部加入，距料層頂部0.7m處布置4個風口.在風口鼓入空氣使物料燃燒，物料在風口平面應結束燃燒以保證溫度升高到理想的燒結工藝要求水平.風口以下為保溫段，物料下行經過一段時間后從下部排出.

建模時進行如下假設：

（1）爐內工況為穩(wěn)態(tài)，爐頂裝料及爐底出料均連續(xù)進行；

（2）燒結爐結構為軸對稱，各風口也關于燒結爐中心線對稱；

（3）料柱為小球堆積床，堆積床的結構保持不變，物料視為多孔介質；

（4）由于燒結爐下端是封閉的，鼓風氣流只能向上發(fā)展，為了計算方便，只對從料層頂部到風口下方0.3m處進行計算，所選計算域的底部平面假設為壁面邊界.

圖1 燒結爐的結構尺寸（單位：m）Fig.1 Structural diagram of the sintering furnace（unit：m）

由于燒結爐結構為軸對稱，各風口關于燒結爐中心線對稱，所以取爐膛的四分之一作為計算區(qū)域建立模型，坐標原點選在風口中心線下0.3m的爐膛軸線上，如圖2所示.按照實際生產和設計的操作工藝參數進行如下邊界條件設置.

（1）氣體入口邊界條件

模型入口為燒結爐風口，入口為速度邊界，即為燒結爐鼓風速度，初始密度設定為常數，溫度為鼓風溫度.

（2）氣體出口邊界條件

模型出口為燒結爐料面，出口為壓力邊界，設定燒結爐爐頂壓力為0.

（3）壁面邊界條件

在爐墻壁面上，采用無滑移邊界條件，壁面上流速為0，爐墻與氣體之間幾乎沒有對流傳熱，又因物料與壁面之間導熱較小，所以可忽略通過壁面的熱量損失，即q＝0.

（4）對稱邊界條件

由于模型具有對稱性，將對稱面設為對稱邊界條件.在計算中對稱邊界不需要給定任何參數，只需確定合理的對稱面位置.

（5）多孔介質區(qū)域

燒結爐內充滿燒結小球，在本模型中設置整個計算區(qū)域為多孔介質區(qū)域.

圖2 燒結爐模型計算區(qū)域的網格Fig.2 Computational region and grid division of the sintering furnace

1.2 數學模型

1.2.1 氣相連續(xù)性方程

式中：ε為爐膛內的孔隙率；ρ為爐內氣體的密度；ui為氣流速度在各方向的分量，i＝1，2.

1.2.2 動量方程

式中：uj為流速在各方向的分量，j＝1，2，3；μ 為黏度；α為滲透率其中γ為范圍因子，取0.2；C 為慣性阻力系數dp為粒徑.

1.2.3 能量方程

物料的能量方程為

式中：Ts為爐內物料溫度，K；ρs為物料密度，kg／m3；cs為物料比熱容，kJ／（kg·K）；ks為爐內物料的各向導熱系數，W／（m·K），多孔介質在圓管內的導熱系數由ks＝0.5usdpρscs計算得到［7］；dp為物料平均直徑，m；QR為反應熱，kJ／（m3·s）.

氣體的能量方程為

式中：Tf為氣體溫度，K；ρf為氣體密度，kg／m3；uf為氣 體 流 速，m／s；cp，f為 氣 體 比 定 壓 熱 容，kJ／（kg·K）；hfs為爐內物料與氣體之間的對流傳熱系數，在多孔介質中由計算得到［9］；a為物料與氣體單位體積的有效接觸面積，m2／m3，在多孔介質中為氣體通過物料的雷諾數；Pr為氣體的普朗特數.

1.2.4 湍流方程

湍動能（k）方程

式中：Gk為湍流動能的產生項，為Gk的修正量，取Fluent軟件中的默認值.

湍動能耗散（ε）方程

1.2.5 氣體組分方程

式中：Ys為s組分的質量分數；ws為s組分的反應速率，kg／（m3·s）；s為 O2或CO2.

1.3 熱源項處理

燃燒反應熱以熱源項的形式代入模型能量方程，之前需要對燒結過程中反應熱加以處理，即將其進行轉換以適合在Fluent軟件中應用.

1.3.1 燃燒反應模型

圖3為物料小球燃燒結構示意圖.在物料燃燒過程中，認為未反應的核均勻向內收縮［9］，但是外表尺寸維持不變，未燃核外覆蓋多孔灰殼，灰殼隨燃燒的進行而逐漸增厚.燃燒反應只是在未反應核和灰殼的交界面上進行，由于經過灰殼向內擴散的氧濃度已經很低，所以不存在未反應核內部的燃燒現象［10］.燃燒速率受氧化劑通過顆粒外氣膜的擴散、灰殼內的擴散傳質及表面反應過程綜合影響［11］.

圖3 物料小球的燃燒模型Fig.3 Combustion model for material pellets

1.3.2 氧氣在顆粒外的傳質

氧氣在顆粒外部的擴散傳質可分為從爐中的氣流主體擴散到飛灰小球顆粒外氣膜的分子擴散和氧氣通過外氣膜向固體表面的擴散.由于該模型的氣流速度較慢，忽略氧氣從氣膜邊界面擴散到飛灰小球外表面的擴散阻力，氧氣在顆粒外部的擴散傳質可用式（8）表示.

式中：cO2，∞為周圍介質中的氧濃度；cO2，f為氣膜表面的氧濃度；Af為氣膜的表面積，由于氣膜非常薄，認為其值等于飛灰小球外表面積；αD為綜合傳質系數，由求得，其中D0為氧氣在空氣中的分子擴散系數，湍流狀態(tài)下的舍伍徳數為Sh＝2＋0.6Re1／2Sc1／3，施密特數為為運動黏度.

1.3.3 氧氣在灰殼內的擴散傳質

當氧化反應進行時，小球顆粒外會形成灰層，灰層包裹在未反應核外面，對氧氣的擴散起到障礙作用，氧氣須通過灰層進一步擴散到達燃料表面，反應才可以進行.氧氣在顆?；覛ぶ械臄U散傳質速率為

式中：cO2，c為未反應核表面的氧濃度；δA為灰殼的厚度，δA＝rp－rc.

1.3.4 燃燒反應面的反應過程

如果認為氧化反應只在未燃核和灰殼的界面上進行，不存在未反應核內部的燃燒現象.那么反應面上氧氣的消耗速率為

式中：cO2，p為未反應核外表面氧濃度；Ac為未燃核外表面積即反應面積；kO2為碳的燃燒反應速率常數為頻率因子，E為反應活化能，對于煙煤，取E＝120kJ／mol，A＝2.5×104s－1.

1.3.5 燃燒反應速率

在穩(wěn)定狀態(tài)下，單位時間內通過飛灰小球各球面的氧擴散量是相等的，且等于氧與碳反應時的消耗量，那么碳燃燒反應速率為

式中：f為燃燒反應中碳質量與氧質量的當量比，取值為0.375.

單位時間內在燒結小球內碳的消耗量為

式中：ρc為單位體積物料中所含碳的質量，kg／m3.

當t＝0時，rc＝rp，當t＝t0時，rc＝0，由式（11）和式（12）聯立積分后可求得燃燒時間t.

爐料下行至x位置處所需的時間為

由式（13）和式（14）可以確定不同爐膛高度上物料的燃盡程度.

1.3.6 單位體積熱源

為適合Fluent軟件應用，需將以上得到的反應速率轉化為單位時間單位體積內的燃料消耗量.經過整理得到模型中的熱源項為

2 數值計算結果及分析

2.1 基本參數

由于氣體入爐時沒有預熱，鼓風溫度設為300 K.根據燃料消耗量和風口尺寸可得鼓風入口速度為24.6m／s，假設爐頂操作壓力為大氣壓力.采用爐頂水平布料，物料入爐溫度為300K，燒結物料堆積孔隙率為0.35，下行速度為0.81×10－3m／s.氣體及燒結物料的參數見表1和表2.

表1 模型中的氣體參數取值Tab.1 Selection of gas parameters for calculation

表2 模型中的物料參數取值Tab.2 Selection of material parameters for calculation

模型中的飛灰取自北京高安屯垃圾焚燒電廠，取樣點為布袋除塵器底部出灰口，飛灰的成分（不計碳）采用Tracor Northern能譜儀分析得到，結果如表3所示.計算中煤的收到基元素分析成分如表4所示.

表3 垃圾焚燒飛灰的元素成分Tab.3 Elemental composition of MWSI fly ash %

表4 煤粉的收到基元素分析和工業(yè)分析Tab.4 Ultimate and proximate analysis of coal（as received basis）%

2.2 計算結果及分析

采用CFD軟件中的Fluent 6.3進行數值模擬，計算時將速度與壓力進行耦合，并采用k－ε方程求解，方程離散采用二階差分格式，各計算量的相對誤差為10－3.由計算可得氣體流場、氣體壓力場、氣體溫度場、物料溫度場、氣體各組分濃度場等信息.截取爐膛內比較具有代表性的燒結爐風口中心線縱剖面（即x＝0時y－z平面）和風口中心線橫切面（即z＝0.3m時x－y平面）的結果進行各種參數的分析.

2.2.1 氣流速度分布

圖4表示爐膛內氣體的流速分布云圖.由圖4可知，鼓風速度在風口附近衰減得很快，之后變得比較緩慢.這是因為空氣進入爐內時，速度很大，模型中的慣性阻力項占主導地位，使得鼓風速度在風口附近一段距離內迅速降低.當速度降低至一定范圍時，模型中的黏性阻力項又起主要作用，因而速度降低趨勢變得很緩慢.除爐壁附近外，包括爐膛中心在內的大部分區(qū)域速度分布比較均勻，約為2.5～3.5 m／s，滿足燒結工藝的要求.

2.2.2 爐膛壓力分布

圖5為燒結爐內的壓力分布圖.由圖5可知，爐膛內壓強為0～11 873Pa，總體上爐內壓強隨著爐膛高度增加而逐漸降低.風口附近爐內壓強較高，由于氣流速度較快，所以壓強在氣流方向上迅速降低，等壓線密集.隨著距風口距離的增加，氣流速度變慢，爐內壓強變化趨于緩慢.風口位置以上氣體的壓強沿徑向分布比較均勻.

圖4 燒結爐風口中心平面上的流速分布Fig.4 Gas velocity profile in the center plane of tuyere

2.2.3 燒結物料溫度分布

圖6為燒結爐風口中心軸向截面和徑向截面上物料的溫度分布圖.由圖6可以看出，風口附近由于風速較快，對流傳熱強度較大，所以物料溫度較低.物料繼續(xù)下行到距料面0.35m（z＝0.65m）左右處，溫度達到著火點，物料開始燃燒并放出大量熱量，這時物料溫度快速上升.這一階段內物料的溫度主要受燃燒反應影響，隨著燃燒的進行，燃燒阻力不斷增大，爐料溫度上升速度趨于緩慢.在爐料下行到風口上方0.2m（z＝0.5m）附近時，燃燒變得較為緩慢，另外由于低溫鼓風的冷卻作用，使得爐料溫度有所下降.爐膛中心處氣流速度低，對流傳熱強度較小，因此同一水平面上爐膛中心的溫度較高.總之，爐內主要燒結區(qū)域的溫度為1 138～1 400K，可以滿足飛灰無害化處理工藝要求.

圖5 燒結爐風口中心平面上的壓力分布Fig.5 Pressure profile in the center plane of tuyere

圖6 燒結爐風口中心平面上物料的溫度分布Fig.6 Temperature profile of material in the center plane of tuyere

2.2.4 爐內氣體溫度分布

圖7為燒結爐風口中心軸向截面和徑向截面上氣體的溫度分布云圖.從圖7可以看出，風口附近氣體溫度較低而中心氣體溫度較高.氣體的溫度變化主要受氣固對流傳熱的影響，因此爐內最高氣體溫度略低于物料的最高溫度.另外，氣體的出口溫度較高，約為740～890K，可在燒結爐后設置換熱器來回收這部分熱量.

圖7 燒結爐風口中心平面上氣體的溫度分布Fig.7 Temperature profile of gas in the center plane of tuyere

2.2.5 爐內氣體組分分布

圖8和圖9分別為風口中心軸向截面上O2和CO2質量分數的分布云圖.氣體組分質量分數分布在一定程度上反映了爐內化學反應的程度.圖中從z＝0.6m到z＝0.85m區(qū)域內，O2和CO2質量分數快速變化到接近出口的水平，說明這一區(qū)域內燃燒反應激烈，并且整個爐膛的燃燒反應主要發(fā)生在這一區(qū)域.z＝0.4m以下區(qū)域二者的質量分數基本不變，說明該區(qū)域物料已經燃燒完全.

圖8 燒結爐風口中心軸向截面上O2質量分數分布Fig.8 Oxygen mass fraction profile in the vertical center plane of tuyere

圖9 燒結爐風口中心軸向截面上CO2質量分數分布Fig.9 Carbon dioxide mass fraction profile in the vertical center plane of tuyere

3 結 論

（1）爐內風口附近氣流速度衰減很快，速度等值線以入口為中心呈扇形分布，氣體離開風口0.2m后的流速變化平緩，速度分布比較均勻，可以保證物料燃燒的要求；壓力與速度的變化趨勢基本類似.

（2）物料的燃燒反應主要發(fā)生在z＝0.6m到z＝0.85m的區(qū)域內，物料下行至風口中心截面時已經燃燒完全.

（3）摻煤量為12%時，爐內物料的最高溫度可達1 400K，完全可以滿足無害化處理工藝要求.受氣固對流傳熱的影響，爐內最高氣流溫度略低于物料的最高溫度.

［1］SAKAI Shinichi，HIRAOKA Masakatsu.Municipal solid waste incinerator residue recycling by thermal processes［J］.Waste Management，2000，20（2／3）：249－258.

［2］ITO Tadashi.Vitrification of fly ash by swirling－flow furnace［J］.Waste Management，1996，16（5／6）：453－460.

［3］劉漢橋，蔡九菊，邵春巖，等.我國垃圾焚燒灰熔融爐的應用前景［J］.工業(yè)爐，2006，28（5）：7－11.LIU Hanqiao，CAI Jiuju，SHAO Chunyan，et al.Application prospect of melting furnace incineration ash in China［J］.Industrial Furnace，2006，28（5）：7－11.

［4］潘新潮，嚴建華，馬增益，等.垃圾焚燒飛灰的熔融固化實驗［J］.動力工程，2008，28（2）：284－313.PAN Xinchao，YAN Jianhua，MA Zengyi，et al.Experimental study on vitrification of fly ashes from municipal solid waste incinerator［J］.Journal of Power Engineering，2008，28（2）：284－313.

［5］WANG Qi，TIAN Shulei，WANG Qunhui，et al.Melting characteristics during the vitrification of MSWI fly ash with a pilot－scale diesel oil furnace［J］.Journal of Hazardous Materials，2008，160 （2／3）：376－381.

［6］WEY Mingyen，LIU Kuangyu，TSAI Tsunghsun，et al.Thermal treatment of the fly ash from municipal solid waste incinerator with rotary kiln［J］.Journal of Hazardous Materials，2006，137（2）：981－989.

［7］李浩，王恒，韓濤，等.采用燒結法降低垃圾焚燒飛灰浸出毒性的研究［J］.環(huán)境化學，2007，26（6）：828－831.LI Hao，WANG Heng，HAN Tao，et al.Sintering of municipal solid waste incinerator（MSWI）fly ash for leaching toxicity reduction［J］.Environmental Chemistry，2007，26（6）：828－831.

［8］趙俊東，王恒，楊永昌，等.垃圾焚燒飛灰燒結處理新工藝及爐內氣流特性研究［J］.工業(yè)爐，2010，32（6）：22－26.ZHAO Jundong，WANG Heng，YANG Yongchang，et al.New process of MSWI sintering furnace and research of its flow characteristic［J］.Industrial Furnace，2010，32（6）：22－26.

［9］BIRD R B，STEWART W E，LIGHTFOOT E N.Transport phenomena［M］.US：John Wiley ＆Sons，Inc，2002：283.

［10］顧番，許晉源.煤顆粒燃燒的形狀特性和理論［J］.中國科學：A輯，1994，24（9）：1001－1008.GU Pan，XU Jinyuan.Pattern character and theory of coal particle in combustion［J］.Science in China：Series A，1994，24（9）：1001－1008.

［11］岑可法，姚強，駱仲泱，等.高等燃燒學［M］.杭州：浙江大學出版社，2002：408－410.