霍光，李志波，趙緒平，單東升

（北方重工集團(tuán)有限公司，沈陽 110141）

大型生活垃圾焚燒發(fā)電廠在我國已運(yùn)行了一段時(shí)間，無論是從國外引進(jìn)還是自主開發(fā)，其設(shè)備技術(shù)水平都在不斷提高。但研究人員將精力主要放在了機(jī)械爐排爐的技術(shù)水平提高，對提高燃燒效率起到了一定作用。從運(yùn)行的效果來看，二次風(fēng)的整體技術(shù)仍沿襲了國外早期的技術(shù)路徑，成為制約我國垃圾焚燒設(shè)備整體水平提高的瓶頸。

二次風(fēng)對焚燒爐的燃燒效果影響顯著，其作用不但是補(bǔ)充爐內(nèi)燃燒氧氣，還可以攪動爐內(nèi)氣流，使煙氣滿足850℃以上停留2s的條件；另外，國內(nèi)垃圾有高水分低熱值的特點(diǎn)，在前拱下方的二次風(fēng)旋渦能夠?qū)@種垃圾起到很好的預(yù)熱干燥作用。但由于垃圾焚燒爐是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，很難通過實(shí)驗(yàn)手段對爐內(nèi)燃燒狀況進(jìn)行檢測，從而對二次風(fēng)位置進(jìn)行優(yōu)化布置[1]。采用CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)對二次風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為主流趨勢。賴志燚等[2]就二次風(fēng)位置對垃圾焚燒燃燒影響進(jìn)行了研究。劉瑞媚等[3]對下二次風(fēng)投入、停運(yùn)，上二次風(fēng)布置形式和上二次風(fēng)風(fēng)速3個因素進(jìn)行了優(yōu)化分析，且提出二次風(fēng)對沖布置比錯列布置更優(yōu)。李堅(jiān)等[4]針對750t/d垃圾焚燒爐二次風(fēng)噴嘴角度的改變對焚燒爐內(nèi)燃燒溫度場的影響進(jìn)行了研究。旋渦二次風(fēng)國內(nèi)學(xué)者有一些研究，徐秀清等[5]介紹了一種低溫旋渦燃燒技術(shù)，文中提到美國華盛頓天主教大學(xué)S.Nieh博士領(lǐng)導(dǎo)下正在研究一種水平HTB（低溫旋渦燃燒）技術(shù)。劉坤磊等[6]利用增設(shè)四角切圓二次風(fēng)組織旋渦燃燒來提高拋煤鏈條爐的效率，降低污染物排放。岑可法等[7]介紹了二次風(fēng)從切向和割向噴入，形成強(qiáng)旋燃燒，提高氣、固混合和傳熱介質(zhì)，延長細(xì)顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間。

本文以國內(nèi)某企業(yè)自主研發(fā)750t/d垃圾焚燒爐為研究對象，采用數(shù)值模擬方法對上層旋渦二次風(fēng)的投入、停運(yùn)，下層二次風(fēng)的投入、停運(yùn)，上層、下層二次風(fēng)同時(shí)投入三種狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 研究對象及計(jì)算模型

原始研究對象為國內(nèi)某企業(yè)自主研發(fā)的750t/d垃圾焚燒爐排爐，爐排分為干燥段、燃燒段、燃燼段，爐排總長14.83m、寬9.97m，三段爐排傾角均為15°。垃圾在爐排上的停留時(shí)間為1.5～2h，配風(fēng)分為三級，一次風(fēng)通過灰斗進(jìn)行配送，總風(fēng)量87,460Nm3/h，溫度為453.1K，一次風(fēng)在干燥段、燃燒段、燃燼段的分配比為0.15、0.75、0.1。二次風(fēng)風(fēng)量20,020Nm3/h，風(fēng)溫503.1K。二次風(fēng)從爐膛的喉口處噴出，前拱13個噴口，后拱12個噴口，如圖1所示。為優(yōu)化爐膛二次風(fēng)配置，優(yōu)化模型中加入了上層旋渦二次風(fēng)，前墻11個噴口，后墻12個噴口，如圖2所示。用Solidworks建立三維模型，導(dǎo)入AnsysWorkben軟件，共劃分網(wǎng)格90.1014萬，網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖1 垃圾焚燒爐膛原始幾何模型

圖2 垃圾焚燒爐膛優(yōu)化幾何模型

爐膛氣相燃燒過程計(jì)算采用Fluent軟件，該過程建立在四個基本守恒方程上。

（1）質(zhì)量守恒方程：

（2）動量守恒方程：

（3）能量守恒方程：

（4）組分運(yùn)輸方程：

式中：Sm為離散項(xiàng)增加到連續(xù)相中的質(zhì)量；p為靜壓；為應(yīng)力張量；為重力體積力；為其它體積力；keff為有效導(dǎo)熱系數(shù)；為組分J的擴(kuò)散流量；Sh為包含化學(xué)反應(yīng)熱和其它體積熱源項(xiàng)；Yi為物質(zhì)i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ri為化學(xué)反應(yīng)的凈產(chǎn)生速率；Si為離散相及用戶定于的源項(xiàng)導(dǎo)致的額外產(chǎn)生速率。

本文研究的重點(diǎn)是二次風(fēng)對燃燒的影響，且不同爐排上方氣體分布、溫度分布變化不大。故不考慮垃圾床層的燃燒，以文獻(xiàn)[8]得到的爐排上方氣體分布、溫度分布作為入口邊界條件。

為比較上層旋渦二次風(fēng)的投入、停運(yùn)對爐膛燃燒的影響，計(jì)算了3種工況，僅投入上層旋渦二次風(fēng)，標(biāo)記為SC，旋渦二次風(fēng)噴口代號示意如圖3所示，旋渦二次風(fēng)噴口風(fēng)速如下表所示。q1～q11噴口布置在前墻，h1～h12噴口布置在后墻；僅投入下層二次風(fēng)，標(biāo)記為XC；上層、下層二次風(fēng)同時(shí)投入，標(biāo)記為SX。

圖3 上層旋渦二次風(fēng)噴口代號

旋渦二次風(fēng)噴口風(fēng)速表

2 計(jì)算結(jié)果及分析

從跡線分布可看出整個流場的分布狀態(tài)，尤其是旋渦產(chǎn)生的效果；溫度分布能夠反應(yīng)燃燒的效果，速度矢量圖能夠分析風(fēng)速的分布及方向。

圖4為三種工況跡線分布的對比。圖中的右下角為僅投入下層二次風(fēng)（XC）工況跡線分布，該工況即為焚燒爐二次風(fēng)原始布置。從圖中可看出，跡線在整個爐膛分布不均勻，在上部爐膛前墻部分，跡線分布稀疏，雖在前拱下方形成一個局部弱旋渦，有利于進(jìn)料口垃圾的干燥，但在爐膛上方并未形成有效的旋渦，煙氣停留時(shí)間較短，煙氣停留2s的條件不能保證。圖中右上角為僅投入上層旋渦二次風(fēng)（SC）工況跡線分布，跡線在整個爐膛上部分布均勻，跡線彌散飽滿，形成了有效的旋渦，但由于受沒有投入下層二次風(fēng)的影響，在前拱下方?jīng)]有形成有效的旋渦區(qū)，對進(jìn)料口垃圾的干燥作用較弱。圖中左方為上層旋渦二次風(fēng)、下層二次風(fēng)同時(shí)投入（SX）工況跡線分布，較SC工況，跡線更加彌散飽滿，較（XC）工況，前拱下方的旋渦區(qū)更加強(qiáng)烈。這是因?yàn)?，由于上層旋渦二次風(fēng)的加入，起到風(fēng)簾作用，下層二次風(fēng)分流較少，能量更加集中。同時(shí)上層二次風(fēng)的風(fēng)簾，從兩方面延長了煙氣的停留時(shí)間，一是風(fēng)簾對下層煙氣上升起到了有效的阻擋作用，延長了煙氣停留時(shí)間；二是下層煙氣在經(jīng)過風(fēng)簾區(qū)后，跡線由垂直上升形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪仙螒B(tài)，跡線加長，煙氣停留的時(shí)間延長。

圖4 三種工況跡線分布對比

圖5為三種工況中心截面溫度分布對比。圖中的右下角為僅投入下層二次風(fēng)（XC）中心截面的溫度分布云圖，在爐膛下部溫度分布不均勻，在爐膛上部溫度分布較均勻，且平均溫度大于850℃，溫度條件滿足了有效控制二英產(chǎn)生的要求。圖中右上角為僅投入上層旋渦二次風(fēng)（SC）工況中心截面的溫度分布，由于下層二次風(fēng)沒有投入，爐膛下部高溫區(qū)域有所擴(kuò)展，這對于進(jìn)料口處推料器的液壓缸是不利的。圖中左方為上層旋渦二次風(fēng)、下層二次風(fēng)同時(shí)投入（SX）工況中心截面的溫度分布，較XC工況，高溫區(qū)域變化較小，較SC工況，高溫區(qū)域向后拱方向移動，有利于進(jìn)料口處推料器液壓缸避免高溫影響。

圖5 三種工況中心截面溫度分布對比

圖6為三種工況中心截面速度矢量圖對比。圖中右下角為XC工況、右上角為SC工況、左方為SX工況，三種工況中的部分風(fēng)量沿后墻上升，從出口排出。SX工況中，上層二次風(fēng)雖然是水平噴射，但受下層上升氣流的影響，風(fēng)速主方向爐膛上方偏轉(zhuǎn)，為爐膛上方螺旋上升的氣流產(chǎn)生提供條件。

圖7為三種工況中心截面CO質(zhì)量濃度對比。圖中右下角為XC工況、右上角為SC工況、左方為SX工況。從圖中可看出，CO主要在燃燒段生成，這是因?yàn)榇颂幍睦紵怀浞?，生成了大量的CO，后由于二次風(fēng)的引入，CO和O2進(jìn)行充分混合，實(shí)現(xiàn)二次燃燒，在爐膛出口處的CO濃度進(jìn)一步降低。XC工況，在爐膛后拱上部CO濃度明顯降低，此處實(shí)現(xiàn)了二次燃燒，但爐膛上部的CO濃度依然較高，SC工況，在爐膛后墻CO濃度降低，這是由于上層二次風(fēng)的引入，使得此處二次燃燒發(fā)生。SX工況，爐膛中煙氣充分混合，爐膛上方的CO濃度較SC、XC工況明顯降低。

圖6 三種工況中心截面速度矢量對比

圖7 三種工況中心截面CO質(zhì)量濃度對比

圖8為三種工況中心截面O2質(zhì)量濃度對比。圖中右下角為XC工況、右上角為SC工況、左方為SX工況。三種工況在燃燼段的O2濃度較高，說明該段燃燒基本結(jié)束。SX、XC工況較SC工況，干燥段上方的氧氣濃度明顯減少，這里發(fā)生了二次燃燒，對干燥垃圾是有利的。綜上所述，下層二次風(fēng)對進(jìn)爐垃圾的干燥作用明顯。

3 旋渦二次風(fēng)的形態(tài)分析

圖8 三種工況中心截面O2質(zhì)量濃度對比

圖9為僅投入上層旋渦二次風(fēng)（SC）工況上層二次風(fēng)噴口截面速度矢量圖。從圖中可清晰地看出對稱雙旋渦的出現(xiàn)，旋渦形態(tài)為長圓形，左邊旋渦為順時(shí)針方向，右邊旋渦為逆時(shí)針方向，這取決于噴口的速度配置。上方噴口對應(yīng)前墻q1～q11噴口，中間q6噴口對應(yīng)35mm/s向兩側(cè)逐漸降低，到q1和q11達(dá)到10mm/s；下方噴口對應(yīng)后墻h1～h12噴口，中間h6噴口對應(yīng)10mm/s向兩側(cè)逐漸升高，到h1和h12達(dá)到35mm/s。在左右兩側(cè)有微小旋渦，但并不構(gòu)成主要旋渦。

圖9 SC工況上層二次風(fēng)噴口截面速度矢量圖

圖10為上層旋渦二次風(fēng)、下層二次風(fēng)同時(shí)投入（SX）工況上層二次風(fēng)噴口截面速度矢量圖。與SC工況對比，發(fā)現(xiàn)由于下層二次風(fēng)的加入，上層二次風(fēng)的對稱雙旋渦形態(tài)發(fā)生了改變，右側(cè)的旋渦明顯強(qiáng)于左側(cè)的旋渦，同時(shí)在圖中兩側(cè)各有一個局部旋渦區(qū)，四個大小不等的旋渦區(qū)構(gòu)成了其主要特征。

圖10 SX工況上層二次風(fēng)噴口截面速度矢量圖

4 結(jié)語

（1）下層二次風(fēng)的投入對入爐垃圾的預(yù)熱干燥作用顯著，同時(shí)保護(hù)了推料器的液壓驅(qū)動裝置，對爐膛前拱下方處煙氣的攪動作用明顯，對爐膛上方煙氣攪動作用有限。

（2）上層旋渦二次風(fēng)的投入，爐膛上方煙氣攪動明顯，煙氣呈螺旋上升形態(tài)，有效延長了煙氣的停留時(shí)間，CO濃度顯著降低，燃燒更加充分，能滿足二英的分解排放條件。

（3）通過調(diào)整噴口速度的分布，上層二次風(fēng)構(gòu)成了對稱雙旋渦區(qū)域，下層二次風(fēng)的加入，上層二次風(fēng)呈現(xiàn)了四旋渦區(qū)域。旋渦的存在，在空間形成強(qiáng)旋渦區(qū)域，強(qiáng)化了該區(qū)域的燃燒。

上述研究對國內(nèi)大型垃圾焚燒爐的爐膛設(shè)計(jì)提供了理論參考，尤其對于二次風(fēng)的配風(fēng)配置提供了新的思路。通過下層二次風(fēng)、上層旋渦二次風(fēng)的投入、停運(yùn)行的靈活配置，保證了爐膛煙氣在850℃以上停留2s的二英分解排放條件。本文未深入探討上層旋渦二次風(fēng)的風(fēng)速分布、風(fēng)速大小對爐膛燃燒的影響，進(jìn)一步地優(yōu)化工作可考慮從以上角度開展。

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