王?進(jìn)，許巖韋，王沛麗，鐘?樂(lè)，邵哲如

垃圾焚燒爐煙氣再循環(huán)改造的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究

王?進(jìn)，許巖韋，王沛麗，鐘?樂(lè)，邵哲如

(光大環(huán)保技術(shù)研究院(南京)有限公司，南京 211102)

對(duì)山東某500t/d垃圾焚燒爐排爐煙氣再循環(huán)技術(shù)改造項(xiàng)目進(jìn)行了研究，重點(diǎn)關(guān)注了煙氣再循環(huán)對(duì)脫硝效果、燃盡率和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響．對(duì)六種焚燒爐運(yùn)行工況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果在火焰形態(tài)、溫度分布、NO變化趨勢(shì)等方面與運(yùn)行結(jié)果吻合良好．研究結(jié)果表明煙氣再循環(huán)率對(duì)垃圾焚燒爐內(nèi)NO生成影響較大；NO同時(shí)受爐內(nèi)溫度與O2含量的影響，過(guò)量空氣系數(shù)越小NO排放越低；相比改造前，煙氣再循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)在不提高運(yùn)行費(fèi)用的條件下聯(lián)合SNCR將NO排放控制在100mg/m3以下．經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果表明，煙氣再循環(huán)技術(shù)相比其他脫硝技術(shù)具有較為明顯的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益，并且?guī)缀醪挥绊懥蠈尤急M．

垃圾焚燒；煙氣再循環(huán)；脫硝；數(shù)值模擬；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

我國(guó)垃圾圍城問(wèn)題日益嚴(yán)重，僅2015年城市生活垃圾清運(yùn)量即達(dá)1.91億噸，且每年按8%的速度增長(zhǎng)[1]．垃圾焚燒逐漸成為主要的解決方式，“十三五”規(guī)劃中提出城市生活垃圾焚燒處理能力占無(wú)害化處理總能力的50%以上[2]，相當(dāng)于新建1000t/d當(dāng)量的垃圾焚燒發(fā)電廠300多座．但是，垃圾焚燒存在污染物排放控制成本高、爐膛結(jié)焦嚴(yán)重等問(wèn)題，亟需工程技術(shù)解決．

煙氣再循環(huán)技術(shù)是指將鍋爐尾部煙氣返回爐內(nèi)重新參與燃燒，降低當(dāng)?shù)匮鯕鉂舛群蜏囟葟亩档蚇O生成的一種低氮燃燒技術(shù)，目前應(yīng)用在燃煤和燃?xì)庀到y(tǒng)中較多，除抑制氮氧化物的生成外[3]，同時(shí)還能起到改善爐膛結(jié)渣現(xiàn)象、提高鍋爐效率的作用．眾多學(xué)者對(duì)其脫硝原理、系統(tǒng)構(gòu)成以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究，Yu等[4]實(shí)驗(yàn)研究了燃?xì)庀到y(tǒng)，認(rèn)為煙氣再循環(huán)有效抑制了熱力型NO生成．宋少鵬等[5]發(fā)現(xiàn)當(dāng)再循環(huán)率為10%時(shí)，燃?xì)忮仩tNO減排達(dá)到65%，再循環(huán)率繼續(xù)增加時(shí)效果不再明顯．Liuzzo等[6]數(shù)值模擬研究了廢棄物焚燒爐，得出煙氣再循環(huán)可使能量回收率提高3%以上、設(shè)備投資減少．不少學(xué)者還對(duì)再循環(huán)煙氣的進(jìn)入方式[7-8]、進(jìn)風(fēng)配比[9]、噴嘴結(jié)構(gòu)[9-10]等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為煙氣再循環(huán)的推廣和運(yùn)行提供了參考依據(jù)．

煙氣再循環(huán)具有諸多清潔燃燒的特性，但在垃圾焚燒中的研究至今仍較少，其應(yīng)用的報(bào)道更是缺乏．本文依托某垃圾焚燒發(fā)電廠煙氣再循環(huán)改造項(xiàng)目，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究不同煙氣循環(huán)量、過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)脫硝效果、燃盡率以及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響，為垃圾焚燒爐的低氮燃燒技術(shù)發(fā)展提供參考．

1?研究對(duì)象

研究對(duì)象為山東某生活垃圾逆流式焚燒爐，處理規(guī)模500t/d，采用機(jī)械往復(fù)順推爐排，主蒸汽參數(shù)采用4MPa/400℃．焚燒爐入爐垃圾的成分分析和熱值如表1所示．爐型結(jié)構(gòu)如圖1所示，垃圾從給料口進(jìn)入，在爐排上經(jīng)過(guò)干燥、揮發(fā)分析出、固定碳燃燒和燃盡等階段，最后從末段爐排落入灰渣井，焚燒爐壁面采用400mm耐火材料敷設(shè)以保持爐內(nèi)溫度；從料層析出的部分燃燒煙氣進(jìn)入焚燒爐氣相空間，在焚燒爐上部進(jìn)行二次燃燒；焚燒爐出口為余熱鍋爐，受熱面包括一煙道、二煙道和三煙道等．

表1?入爐生活垃圾成分分析和熱值

Tab.1 Composition analysis and calorific values of mu-niciple solid waste

圖1?焚燒爐示意

2?模型及數(shù)值計(jì)算方法

焚燒爐及余熱鍋爐采用三維全尺寸建模，混合網(wǎng)格劃分，二次風(fēng)口附近為結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)的四面體網(wǎng)格并進(jìn)行局部加密，其他區(qū)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，總體網(wǎng)格單元數(shù)量為160萬(wàn)，最大網(wǎng)格尺寸約100mm.

生活垃圾在焚燒爐內(nèi)的焚燒過(guò)程包括堆積燃燒和氣相燃燒兩部分，兩種燃燒過(guò)程差異巨大且相互影響，目前較為成熟的模擬方法是分開(kāi)建模和計(jì)算[13]，通過(guò)數(shù)據(jù)流傳遞數(shù)據(jù)，迭代計(jì)算達(dá)到狀態(tài)平衡．本文的床層燃燒部分采用英國(guó)謝菲爾德大學(xué)開(kāi)發(fā)的二維燃料柱程序FLIC[11-12]進(jìn)行計(jì)算．FLIC中的數(shù)學(xué)模型中除基本守恒方程外，子模型還包括物料干燥、揮發(fā)分熱解、氣固相混合、氣相和固相化學(xué)反應(yīng)、輻射傳輸?shù)?，可以預(yù)測(cè)床層出口氣體產(chǎn)物成分和溫度的分布，計(jì)算結(jié)果可以作為爐內(nèi)氣相燃燒的邊界條件．

爐內(nèi)氣相燃燒采用商業(yè)軟件FLUENT進(jìn)行計(jì)算，考慮爐內(nèi)存在強(qiáng)烈的射流和旋流流動(dòng)，湍流模型為Realizable k-epsilon模型，湍流化學(xué)反應(yīng)模型為有限速率/渦耗散模型，輻射模型為DO模型．焚燒爐壁面為絕熱邊界，余熱鍋爐水冷壁采用恒溫壁面熱邊界.

3?煙氣再循環(huán)數(shù)值模擬

3.1?計(jì)算工況

考慮實(shí)際運(yùn)行工況，制定數(shù)值模擬計(jì)算工況，如表2所示．

表中工況1是為改造前運(yùn)行工況，無(wú)煙氣再循環(huán)，總過(guò)量空氣系數(shù)1.6；工況2、3、4分別為不同再循環(huán)率下再循環(huán)工況，此時(shí)一次風(fēng)量與工況1相同，二次風(fēng)替換為再循環(huán)煙氣，根據(jù)再循環(huán)煙氣含氧量折算后的二次風(fēng)過(guò)量空氣系數(shù)亦列于同列作為對(duì)比；工況5、6保持循環(huán)率15%不變，改變一次風(fēng)量以實(shí)現(xiàn)工況調(diào)整．

表2?煙氣再循環(huán)計(jì)算工況

Tab.2 Workingconditions for calculation of flue gas re-circulation

3.2?改造前工況數(shù)值模擬與驗(yàn)證

改造前的無(wú)煙氣再循環(huán)工況，在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量100%工況下垃圾入爐量500t/d，余熱鍋爐內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)5%～7%，平均過(guò)量空氣系數(shù)1.6，即表2中工況1．為保證灰渣充分燃盡，現(xiàn)場(chǎng)一二次風(fēng)比例一直為9∶1左右，一次風(fēng)在5灰斗內(nèi)的分配比為15∶15∶30∶30∶10，第四段爐排上方可以觀測(cè)到明顯的火焰帶．

垃圾在進(jìn)入焚燒爐前沒(méi)有經(jīng)過(guò)破碎處理，粒徑分布較寬，計(jì)算時(shí)粒徑給定分布范圍為5～35mm，平均粒徑20mm，進(jìn)行Rosin-Rammler分布擬合．料層初始孔隙率0.7，堆積密度410kg/m3，料層初始高度835mm，燃料在爐排上的停留時(shí)間為90min，料層前進(jìn)速度1.94mm/s．

工況1的料層計(jì)算結(jié)果如圖2所示，料層起始著火距離為2.2m，劇烈燃燒區(qū)位于7～8m區(qū)間，燃盡距離8m，與實(shí)際觀察符合良好．水分從表層和底層同時(shí)開(kāi)始向內(nèi)層干燥，至7.5m干燥完畢，開(kāi)始快速燃燒；燃料熱分解可燃產(chǎn)物中CO含量最高，其次為CH4．料層計(jì)算結(jié)果將作為爐內(nèi)計(jì)算的入口邊界條件.

爐內(nèi)模擬結(jié)果如圖3所示，由于后拱較長(zhǎng)高溫?zé)煔庵苯咏佑|后拱爐墻；流線圖顯示一煙道內(nèi)煙氣整體偏向后墻，前墻形成大尺寸回流區(qū)，是由于焚燒爐出口通道傾斜角度所致．可見(jiàn)，如果長(zhǎng)期在此工況運(yùn)行，將產(chǎn)生受熱面吸熱不均、后墻磨損過(guò)快等問(wèn)題．

圖2?燃料表層組分沿爐排長(zhǎng)度分布

圖3?爐內(nèi)中心斷面溫度分布和一、二次風(fēng)流線

改造前的運(yùn)行結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比匯總于表3，主要針對(duì)爐排上火焰位置、焚燒爐/第一煙道出口溫度及余熱鍋爐出口原始NO值進(jìn)行了比對(duì)．表中焚燒爐出口溫度的運(yùn)行值為局部測(cè)點(diǎn)值，靠近前墻2個(gè)，后墻2個(gè)，模擬值為平均溫度，總體模擬結(jié)果與運(yùn)行數(shù)據(jù)吻合良好，并且模擬溫度場(chǎng)(圖3)顯示前墻煙氣溫度低于后墻，與運(yùn)行測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)相符．

表3?改造前現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對(duì)比

Tab.3 Comparison between field operation data and nu-merical simulation result before retrofit

3.3?再循環(huán)煙氣量的影響

為研究再循環(huán)煙氣量對(duì)燃燒及NO生成的影響，本文在一次風(fēng)過(guò)量空氣系數(shù)1.44的條件下選取了15%、20%、25%三種再循環(huán)煙氣比例進(jìn)行計(jì)算．再循環(huán)煙氣含氧量低，可以避免集中燃燒，不易造成局部高溫[9]，低溫和低氧有利于降低熱力型NO的生成和燃料型NO的轉(zhuǎn)化率；同時(shí)由于再循環(huán)煙氣量大于原二次風(fēng)，能夠在噴入位置形成更加強(qiáng)烈的擾動(dòng)，提高氣相燃盡率，彌補(bǔ)氧濃度不足帶來(lái)的問(wèn)題；另外，過(guò)量的再循環(huán)煙氣也會(huì)導(dǎo)致無(wú)法滿足垃圾焚燒爐850℃停留2s的要求．

工況2、3和4的流線圖如圖4所示，從圖中可以看出，隨著再循環(huán)煙氣量的增加，原二次風(fēng)噴口的風(fēng)速逐步增加，在焚燒爐喉口附近造成更加強(qiáng)烈的擾動(dòng)，從而使一煙道內(nèi)的煙氣分布更加均勻，前墻回流區(qū)消失．

圖4?不同再循環(huán)率時(shí)爐內(nèi)煙氣流線

圖5為各工況下沿焚燒爐高度方向的煙氣溫度、CO體積分?jǐn)?shù)分布．從溫度曲線看，相比無(wú)再循環(huán)的原工況，工況2、3、4在高度大于3m的區(qū)域，再循環(huán)煙氣的溫度稀釋作用占主導(dǎo)，煙氣溫度下降，噴口附近溫度下降速率最快；從CO濃度分布曲線可以看出，再循環(huán)倍率越高，二次風(fēng)口區(qū)域CO濃度下降?越快．

圖5?沿焚燒爐高度煙氣參數(shù)曲線

3.4?不同一次風(fēng)量的影響

過(guò)量空氣系數(shù)決定爐內(nèi)溫度和O2水平，對(duì)氣相燃盡和再循環(huán)脫硝率有較大影響．圖6為不同過(guò)量空氣系數(shù)下沿焚燒爐高度方向的溫度以及CO體積分?jǐn)?shù)分布曲線，此時(shí)再循環(huán)率均為15%．圖中一次風(fēng)過(guò)量空氣系數(shù)1.34的工況整體溫度水平最高，1.44次之，過(guò)量空氣系數(shù)最大的工況6最低．過(guò)量空氣系數(shù)越小，CO體積分?jǐn)?shù)也越高，不過(guò)各工況下燃盡率均較高．

圖6 沿焚燒爐高度煙氣參數(shù)曲線(不同過(guò)量空氣系數(shù))

4?模擬和運(yùn)行NOx值對(duì)比及經(jīng)濟(jì)性分析

4.1?數(shù)值模擬和運(yùn)行試驗(yàn)NOx生成對(duì)比

煙氣再循環(huán)改造后在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)．試驗(yàn)期間對(duì)垃圾倉(cāng)進(jìn)行了控制，減少使用倉(cāng)底含滲濾液較多的垃圾，避免燃料性質(zhì)波動(dòng)較大．另外，由于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)煙氣排放指標(biāo)控制較嚴(yán)，無(wú)法停用SNCR，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中SNCR一直處于投運(yùn)狀態(tài)，這與數(shù)值模擬存在差異，為保證模擬結(jié)果與運(yùn)行結(jié)果具有可比性，實(shí)驗(yàn)中氨水使用量維持一定量不變．

每次單工況試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間都在2h以上，最長(zhǎng)超過(guò)24h，試驗(yàn)后在工況持續(xù)時(shí)間內(nèi)每隔一定時(shí)間統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)，最后進(jìn)行算術(shù)平均作為此工況參數(shù)，統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括排放數(shù)據(jù)、各風(fēng)機(jī)電流、氨水耗量等．

不同再循環(huán)率時(shí)數(shù)值模擬和試驗(yàn)運(yùn)行的NO排放值如圖7所示，其中15%和20%再循環(huán)率的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)各重復(fù)3次．從擬合曲線的趨勢(shì)看，運(yùn)行值與數(shù)值模擬結(jié)果趨勢(shì)吻合良好，在SNCR效率基本不變的情況下，運(yùn)行與模擬的NO值減少幅度基本一致：對(duì)于運(yùn)行值，再循環(huán)率15%和20%時(shí)NO值平均降低68mg/m3和91mg/m3；對(duì)于數(shù)值模擬，NO各降低了55mg/m3和77mg/m3，脫硝效率分別為20.6%和28.8%．25%再循環(huán)率的工況在運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)，由于焚燒爐一煙道個(gè)別溫度測(cè)點(diǎn)低于850℃，系統(tǒng)判定不能滿足850℃停留2s的要求，所以該組工況未能繼續(xù)進(jìn)行．

圖7 不同再循環(huán)率時(shí)數(shù)值模擬和運(yùn)行工況NOx排放情況

再循環(huán)率15%，不同一次風(fēng)過(guò)量空氣系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比于圖8．從圖中可以看出運(yùn)行值和數(shù)值模擬結(jié)果均隨著一次風(fēng)過(guò)量空氣系數(shù)增加而逐漸增加，趨勢(shì)相同，且與理論相符，高的含氧量更有利于NO的生成．

圖8?不同一次風(fēng)過(guò)量空氣系數(shù)時(shí)NOx排放情況

根據(jù)以上分析，不同再循環(huán)率和一次風(fēng)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NO脫除效果具有不同程度的影響．其中再循環(huán)率對(duì)脫硝效果影響較大，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，相比改造前工況，再循環(huán)率提高到15%后，NO脫除率為20.6%，20%時(shí)為28.8%．爐內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NO排放也有明顯影響，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明降低過(guò)量空氣系數(shù)可以降低NO排放值，數(shù)值模擬也有相同趨勢(shì)．

4.2?經(jīng)濟(jì)性分析

運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的研究，有助于現(xiàn)場(chǎng)尋找最優(yōu)工況．試驗(yàn)期間，對(duì)風(fēng)機(jī)電耗、SNCR氨水耗量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，對(duì)具有重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的工況點(diǎn)進(jìn)行綜合算術(shù)平均處理．在經(jīng)濟(jì)性計(jì)算中廠用電成本按照0.65元/度，20%濃度氨水成本700元/噸，總成本換算成年運(yùn)行8000h值，計(jì)算結(jié)果匯總于表4．

表4?不同工況下的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

Tab.4 Operational economic analysis under various working conditions

表中工況1綜合電耗和氨水年運(yùn)行成本256.6萬(wàn)元；工況2、3由于二次風(fēng)噴口風(fēng)量增加，二次風(fēng)機(jī)功率變化較大，成為影響年運(yùn)行成本的主要因素，同時(shí)氨水耗量的差別也會(huì)帶來(lái)成本變化，綜合后工況2的年運(yùn)行成本略低于原工況，工況3的成本比原工況有所上升；工況5由于降低了一次風(fēng)過(guò)量空氣系數(shù)，一次風(fēng)機(jī)功率下降，引風(fēng)機(jī)功率也相應(yīng)降低，綜合成本最為節(jié)約，年運(yùn)行成本相比改造工況大幅節(jié)省27.4萬(wàn)元．

為確定一次風(fēng)減少對(duì)料層燃燼率的影響，試驗(yàn)過(guò)程中收集了工況2和5的灰渣進(jìn)行分析，工況2收集了3次樣品，灰渣熱酌減率為2.69%、2.79%和1.62%．工況5收集了2次，灰渣熱酌減率為2.77%和2.90%．可以看出，一次風(fēng)過(guò)量空氣系數(shù)降低到1.34后，熱酌減率有略微上升，但是仍在3%以下．

5?結(jié)?論

(1) 煙氣再循環(huán)改造后，垃圾焚燒項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)使用情況良好．試驗(yàn)期間，配合SNCR時(shí)，可以將NO控制在100mg/m3以下并保持穩(wěn)定．

(2) 改造前工況模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行在爐排上方火焰位置、爐內(nèi)溫度分布、NO初始值等方面吻合良好；改造后，隨著再循環(huán)率增加，數(shù)值模擬與實(shí)際運(yùn)行的NO排放值均呈減小趨勢(shì)，減小幅度基本相同，繼續(xù)增加再循環(huán)率會(huì)導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)溫度過(guò)低；爐內(nèi)總過(guò)量空氣系數(shù)越小，余熱鍋爐出口NO含量也越低．

(3) 對(duì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，綜合考慮NO排放值、風(fēng)機(jī)電耗和氨水耗量，利用煙氣再循環(huán)可以有效控制NO排放低于100mg/m3，并保持相同的運(yùn)行成本，如果控制總過(guò)量空氣系數(shù)在1.3～1.4，可以進(jìn)一步節(jié)省運(yùn)行成本，說(shuō)明煙氣再循環(huán)技術(shù)在垃圾焚燒發(fā)電廠具有很大的市場(chǎng)應(yīng)用潛力．

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Numerical Simulation and Experimental Investigation on Retrofit of Flue Gas Recirculation in Waste Incinerator

Wang Jin，Xu Yanwei，Wang Peili，Zhong Le，Shao Zheru

(Everbright Environmental Technology Research Institute(Nanjing)Co.，Ltd，Nanjing 211102，China)

A technological retrofit project of flue gas recirculation(FGR)was implemented on a 500t/d waste incinerator in Shandong Province，and the influences of FGR on the denitrification effect，burn-out rate and economic efficiency of operation were focused．Field tests and numerical simulations were conducted under six types of operating conditions．Simulation results agree well with the operation data in aspects of flame shape，temperature distribution，the varying trend of NOemission，etc．Research results show that FGR has an obvious influence on NOproduction in the waste incinerator．Both temperature and oxygen content inside the incinerator have impacts on the NOemission．The smaller the excess air coefficient in the incinerator，the lower the production of NO．Combined with SNCR，F(xiàn)GR can reduce the NOvalue to lower than 100mg/m3without increasing the operation cost．The result of economic analysis indicates that compared with other denitrification technologies，F(xiàn)GR has obvious environmental and economic benefits，and it almost has no effect on the bed burning out．

waste incineration；flue gas recirculation；denitrification；numerical simulation；field test

X799.3

A

1006-8740(2019)05-0468-06

10.11715/rskxjs.R201811010

2018-12-28．

王?進(jìn)（1987—），男，碩士，工程師，565718241@qq.com.

許巖韋，男，博士，工程師，xuyw@ebchinaintl.com.cn.