郭天宇， 張瑛華， 姚 心， 楊培培， 劉海威， 劉 誠

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.中國科學(xué)院過程工程研究所， 北京 100190)

0 引言

焚燒爐膛內(nèi)的垃圾燃燒反應(yīng)和過程非常復(fù)雜，涉及有機(jī)垃圾干燥脫水、燃燒反應(yīng)和燃燼成灰，爐膛內(nèi)固相氣相交互作用，一直以來是國內(nèi)外行業(yè)內(nèi)的研究難點。

由于爐膛內(nèi)燃燒溫度高，化學(xué)成分復(fù)雜，化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜[1]，很難用測量元器件直觀測量爐膛內(nèi)溫度場和速度場及各生成組份含量；同時，采用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，由于爐膛內(nèi)固相氣相交互作用，大量的數(shù)學(xué)模型、物理模型建立、邊界條件的簡化、假設(shè)和網(wǎng)格劃分等，對數(shù)值計算的計算機(jī)要求也較高。

為此，本文針對爐膛內(nèi)垃圾燃燒過程進(jìn)行模擬，簡化模型，提高效率，初步分析了焚燒爐結(jié)構(gòu)對垃圾爐內(nèi)燃燒的影響，對焚燒爐型提出優(yōu)化建議，對焚燒爐運行控制提出可行性優(yōu)化措施。

1 計算模型

1.1 幾何模型

本文的研究對象為某生活垃圾焚燒發(fā)電廠處理能力為400 t/d的日立造船Von Roll L型機(jī)械爐排焚燒爐。爐排共分為3段，即干燥段、燃燒段和燃燼段。每段爐排均可以單獨調(diào)整運動，通過爐排運動速度來調(diào)整爐排上方垃圾厚度，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整垃圾的混合長度和爐排上停留時間的目的。

圖1為焚燒爐結(jié)構(gòu)示意圖。垃圾焚燒爐幾何模型在ANSYS Workbench中建立，選用ANSYS軟件中ICEM-MESHING模塊軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖1 焚燒爐結(jié)構(gòu)圖

圖2 焚燒爐二維模型

本文網(wǎng)格劃分主要采用四邊形單元，局部采用三角形單元，形成單元數(shù)量及節(jié)點數(shù)量分別為56 635和57 319。

1.2 數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒)：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

2 邊界條件

生活垃圾焚燒爐中的燃燒過程很復(fù)雜，固體床層多相燃燒的數(shù)值計算較為復(fù)雜，為簡化計算，本文對復(fù)雜的爐排燃燒區(qū)域進(jìn)行簡化，用緊靠爐排的揮發(fā)分氣體作為入口邊界條件，采用Fluent軟件對焚燒爐中的氣相燃燒進(jìn)行模擬計算。進(jìn)口邊界條件是Frey[2]等通過實驗測量爐排上方煙氣的溫度曲線及組份濃度分布，該數(shù)據(jù)已為許多研究者所借鑒驗證[3-6]。推料器速度為0.08 m/s，干燥段及燃燒段速度為0.1 m/s，燃盡段速度0.08 m/s。推料器及干燥段料層厚度是80 cm，燃燒段、燃盡段料層厚度分別是40 cm和30 cm。入口采用速度進(jìn)口，出口采用壓力出口邊界條件。

本文重點分析爐拱對爐內(nèi)燃燒的影響，設(shè)定二次風(fēng)溫為220 ℃，前后墻二次風(fēng)風(fēng)速分別為76 m/s和91 m/s。計算分析以下5種工況見表1。

3 結(jié)果與討論

3.1 原始設(shè)計爐內(nèi)燃燒仿真結(jié)果及分析

圖3所示為該項目原始設(shè)計爐型的模擬結(jié)果。模擬結(jié)果可以直觀反映設(shè)備結(jié)構(gòu)、尺寸對燃燒、氣體運動、反應(yīng)進(jìn)行、污染物分布的影響。模擬結(jié)果表明在二次風(fēng)風(fēng)速較高時，原始設(shè)計(工況一)的前后拱角度(前拱15°、后拱41°)合適。隨著二次風(fēng)的噴入，爐內(nèi)氣流擾動混合加大，爐膛內(nèi)高溫區(qū)更集中于燃燒段，有利于垃圾的燃燒反應(yīng)，出口處溫度場均勻，流場湍流度很好，有利于可燃?xì)怏w的完全燃燒，有利于煙氣在850 ℃以上停留時間超過2 s，減少二噁英的生成，有利于抑制熱力型的NOx生成。

表1 工況條件列表

圖3 原始設(shè)計焚燒爐內(nèi)仿真結(jié)果

3.2 設(shè)計二爐型爐內(nèi)燃燒仿真結(jié)果及分析

設(shè)計二爐型后拱高而長，基本覆蓋了爐膛1/2面積，即覆蓋了燃燼段和1/2燃燒段面積，且與前拱拐角高度基本相平。由溫度、速度仿真結(jié)果(見圖4)可以看到該設(shè)計爐型將后拱下燃盡段煙氣引導(dǎo)至燃燒段，充分利用爐膛后拱輻射換熱和氣體對流換熱，且可以使被吹起的灼熱灰粒和碳粒回流落到垃圾層表面，保證爐膛內(nèi)垃圾的充分燃燒，具有一定的引燃作用。

圖4 設(shè)計二爐型爐內(nèi)仿真結(jié)果

3.3 設(shè)計三爐型爐內(nèi)燃燒仿真結(jié)果及分析

圖5所示為設(shè)計三焚燒爐內(nèi)仿真結(jié)果，設(shè)計三爐型前拱低而短，覆蓋了干燥段面積，溫度分布、速度分布及生成物濃度分布結(jié)果表明設(shè)計二增強(qiáng)了前拱的再輻射作用，延長了高溫?zé)煔鉅t膛內(nèi)的停留時間，極大地加強(qiáng)對垃圾的干燥能力，此結(jié)構(gòu)非常有利于高水份垃圾的干燥熱解，壁面水份大量進(jìn)入燃燒段，使燃燒點后移。

圖5 設(shè)計三爐型爐內(nèi)仿真結(jié)果

3.4 設(shè)計四爐型爐內(nèi)燃燒仿真結(jié)果及分析

圖6為設(shè)計四爐型爐內(nèi)燃燒仿真結(jié)果。設(shè)計四爐型前后拱基本覆蓋爐膛3/4面積，尤其是后拱覆蓋了爐膛1/2面積，二次風(fēng)作用在爐膛內(nèi)形成對稱漩渦。由于后拱角度過小，結(jié)合二次風(fēng)布置，未形成氣流對沖，爐膛出口氣流偏流，流場不均勻。對比之前結(jié)果可以得到，后拱角度變化對爐膛燃燒影響更大。

圖6 設(shè)計四爐型爐內(nèi)仿真結(jié)果

3.5 設(shè)計五爐型爐內(nèi)燃燒仿真結(jié)果及分析

圖7為設(shè)計五爐型爐內(nèi)燃燒仿真結(jié)果。該爐型設(shè)計后拱角度過大，仿真結(jié)果表明，該爐型設(shè)計結(jié)合二次風(fēng)布置，也未形成氣流對沖，爐膛出口氣流同樣偏流，流場不均勻，且爐膛燃燒后氣流停留時間過短，擾動小，充分燃燒效果差。

對比五種設(shè)計爐型內(nèi)燃燒情況及溫度、速度分布，可以看到隨著前拱角度依次增加(0°、15°、30°)，爐膛出口處平均煙氣溫度依次升高；前拱角度過小，爐膛出口處氣流偏前墻；前拱角度過大，爐膛出口處氣流偏后墻。隨著后拱角度依次增加(31°、41°、51°)，爐膛出口處平均煙氣溫度依次降低；后拱角度過小，爐膛出口處氣流偏后墻；后拱角度過大，爐膛出口處氣流偏前墻。

圖7 設(shè)計五爐型爐內(nèi)仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過模擬計算五種不同垃圾焚燒爐型內(nèi)燃燒過程，直觀驗證焚燒爐膛的設(shè)計(前后拱設(shè)計)對燃燒、溫度分布、氣體運動、污染物停留的影響。

垃圾焚燒爐膛前拱的設(shè)計應(yīng)結(jié)合我國生活垃圾含水率高的特點，設(shè)計低而短，長度考慮覆蓋干燥段。后拱對爐膛燃燒影響較大，應(yīng)結(jié)合爐排角度和二次風(fēng)布置，合理設(shè)計角度、長度和高度。

表2 五種爐型模擬結(jié)果對比列表如下