劉 曉,曹 衛(wèi),何志剛

(1.鹽城工學院 機械工程學院,江蘇 鹽城 224000;2.江蘇天楹環(huán)保能源成套設備有限公司,江蘇 海安 226600)

垃圾焚燒爐是垃圾焚燒發(fā)電的主體部分,機械爐排式垃圾焚燒爐以其單臺處理量大、運行可靠性好、燃盡度好以及故障率低等優(yōu)點,成為我國及全球范圍內(nèi)使用最廣泛的焚燒爐爐型[1]。大型機械爐排式垃圾焚燒爐運行過程中常會出現(xiàn)爐內(nèi)溫度分布情況較差、爐內(nèi)湍流擾動性較弱等現(xiàn)象,導致爐內(nèi)燃燒情況不穩(wěn)定,可燃氣體無法充分燃燒,易發(fā)生內(nèi)壁燒灼結焦,且易產(chǎn)生硫、氮氧化物及二英等有害污染物,因此對焚燒爐進行相關優(yōu)化及燃燒規(guī)律探究以最大程度改善爐內(nèi)燃燒狀況具有重要意義[2-3]。

本文以800 t/d爐排式垃圾焚燒爐為研究對象,利用計算流體力學(computational fluid dynamics,簡稱CFD)的方法對焚燒爐進行了數(shù)值模擬研究,探究了焚燒爐爐膛前拱、后拱及后墻板三種結構設置對焚燒爐爐內(nèi)流場的影響規(guī)律,并進行了其相關結構的優(yōu)化分析,以使焚燒爐內(nèi)溫度、速度等分布更為完善,提高焚燒爐燃燒運行穩(wěn)定性,使爐內(nèi)可燃氣體充分燃燒,進一步提高焚燒爐運行效率,為此型焚燒爐爐膛的結構設計提供有效參考作用。

1 研究對象

本文研究對象為某企業(yè)800 t/d機械爐排式垃圾焚燒爐,爐排分為干燥段、燃燒段和燃盡段三段,各段長度均為3.78 m,爐排總長度為11.34 m,寬度為12 m,整體傾斜角度為23°,爐排水平順推式移動。焚燒爐一次風從爐排下方吹入,總風量約為98 000 m3/h(標準),三段風量比例為3∶5∶2,風溫分別為220、180、25 ℃;二次風雙排布置在煙道喉口處前后墻上,與水平面呈53°夾角傾斜向下噴入,總風量為34 000 m3/h(標準),風溫為25 ℃。對焚燒爐爐體部分進行簡化建模,利用有限元分析軟件ANSYS中的Fluent-meshing模塊對其進行六面體網(wǎng)格劃分,對二次風口處進行了網(wǎng)格加密處理,通過網(wǎng)格無關性驗證,最終選取網(wǎng)格數(shù)量約120萬對原模型進行數(shù)值模擬。焚燒爐模型結構及其網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 焚燒爐模型結構及網(wǎng)格劃分示意圖

焚燒爐給料量約為33.33 t/h,燃料層初始高度為0.6～0.8 m,入爐生活垃圾低位熱值達到7 200 kJ/kg,其垃圾成分工業(yè)分析及元素分析如表1所示。

2 數(shù)值計算數(shù)學模型及邊界條件

在焚燒爐燃燒運行過程中,其燃燒過程主要分為床層上垃圾的固相燃燒和爐膛內(nèi)部的氣相燃燒兩部分,燃燒過程非常復雜。床層上垃圾的固相燃燒利用FLIC軟件進行模擬,固相燃燒階段包括床層垃圾的水分蒸發(fā)、揮發(fā)分的析出、揮發(fā)分燃燒、焦炭燃燒幾個過程,在此過程中主要包括垃圾燃燒中質量、動量、能量及組分輸運等一系列守恒方程,垃圾固相燃燒控制方程如式(1)～式(4)所示[4-6]。

連續(xù)性方程:

(1)

動量守恒方程:

(2)

能量守恒方程:

(3)

組分輸運方程:

(4)

式中:ρsb為床層上的垃圾密度,kg/m3;vs為垃圾顆粒速度,m/s;vb為爐排移動速度,m/s;Ss為固體垃圾質量源項,kg/m3;σ、τ分別為作用在垃圾固體顆粒上的正應力、切應力,Pa;g為固體顆粒重力,N;A為顆粒間的動量交換律,N/m3;Hs為固體垃圾焓值,J/kg;λs為固相垃圾燃燒熱擴散率,W/(m·K);Ts為固相垃圾溫度,K;qr為固相垃圾輻射熱流,W/m2;Qs?為固體垃圾熱源,W/m3;Yis為固相組分質量分數(shù);Ds為組分Yis擴散系數(shù),m2/s;Syis為固體顆粒質量源項,kg/m3。

焚燒爐的數(shù)值模擬計算方法是先利用FLIC軟件進行床層固相垃圾燃燒模擬,然后將得到的氣相數(shù)據(jù)作為爐膛內(nèi)氣相燃燒的入口邊界條件,再利用Fluent軟件進行爐內(nèi)氣相燃燒的計算,通過兩個軟件之間的數(shù)據(jù)連接,實現(xiàn)爐內(nèi)燃燒氣固相耦合,最終得到較為合適的爐膛內(nèi)部燃燒計算方案[7-8]。

為了減小模擬難度及提高模擬效率,將固相燃燒產(chǎn)生可燃氣中的碳氫化合物統(tǒng)一為CH4,簡化模擬過程中的化學反應,其主要化學反應式如式(5)～式(7)所示:

2CH4+O2→2CO+4H2

(5)

2CO+O2→2CO2

(6)

2H2+O2→2H2O

(7)

在利用Fluent進行爐內(nèi)氣相燃燒數(shù)值模擬過程中,爐內(nèi)氣相流動與燃燒反應模型采用有限速率及渦耗散模型,粘性模型選用標準k-ε湍流模型,壁面函數(shù)選用標準壁面函數(shù),爐內(nèi)輻射傳熱計算選用DO輻射模型,燃燒過程中采用SIMPLE算法求解壓力速度耦合方程,控制方程利用二階迎風方程進行求解,設置爐排段及二次風入口為速度入口,煙道出口設置為壓力出口[9-11]。

3 模擬計算工況設計

對于此焚燒爐爐膛結構優(yōu)化分析主要包括爐膛前拱、后拱及后墻板三部分結構設計,在原焚燒爐結構設計中,爐膛前拱與水平面的夾角為α=38°,后拱與水平面的夾角為β=30°,第一煙道下方喉口處與后拱連接處的后墻板與水平面的夾角為γ=72°,其爐膛前拱、后拱及后墻板相關角度與設置方式如圖2所示。

在原焚燒爐燃燒運行數(shù)值模擬研究的基礎上,保持一二次風等運行參數(shù)不變,在一定范圍內(nèi)設置不同傾角結構及其相應長度變化,進而探究各結構對爐內(nèi)參數(shù)的影響規(guī)律,以進行優(yōu)化分析。針對爐膛內(nèi)前拱、后拱及后墻板的結構設計工況如表2所示,對于前拱優(yōu)化設計了11、12、13三種工況;后拱優(yōu)化在保持后拱長度不變時改變其與水平面的夾角,設計了21、22、23、24四種工況;后墻板的優(yōu)化在改變其與水平面夾角的同時改變其相應長度,設計了31、32、33、34四種工況,另又設置了一種爐膛無后墻板的工況3W。

表2 爐膛結構優(yōu)化計算工況設計方案

4 焚燒爐數(shù)值模擬結果及分析

4.1 爐膛前拱結構對爐內(nèi)燃燒的影響

如圖3所示為原焚燒爐及工況11、12、13三種前拱結構優(yōu)化方案在鉛錘平面上的爐膛中心截面溫度分布云圖,圖4所示為相應工況速度分布云圖。在爐膛前拱優(yōu)化方案中,幾種工況爐內(nèi)溫度分布大致相同,從速度分布云圖可以看出爐膛上方煙道喉口位置處湍流擾動區(qū)域不斷擴大,使可燃氣體更為充分地混合燃燒;當α=90°時,工況13爐內(nèi)湍流擾動區(qū)域最大,使得爐膛內(nèi)爐排燃燒段上方處的燃燒區(qū)域較大,這可能是由于豎直的前拱設置對爐膛內(nèi)高溫火焰具有較強的輻射作用,使得大量可燃氣體在爐排燃燒段上方燃燒消耗;當α=60°時,其爐內(nèi)溫度及速度分布與原工況焚燒爐十分相似,燃燒區(qū)域與湍流區(qū)域范圍大小十分接近。

圖3 不同前拱結構焚燒爐中心截面溫度分布云圖

圖4 不同前拱結構焚燒爐中心截面速度分布云圖

在焚燒爐中心截面溫度分布云圖上提取爐膛內(nèi)從爐排燃燒段上方到第二煙道出口的煙道中間線上的煙氣軌跡溫度,做出此段煙氣軌跡線長度上的溫度分布曲線如圖5所示,由于焚燒爐煙道頂部溫度較低,一二煙道接口處溫度高于煙道頂部溫度,所以在煙氣軌跡溫度下降過程中出現(xiàn)了一小段煙氣溫度波動的現(xiàn)象。由圖5可知,不同前拱設置時,爐內(nèi)煙氣軌跡溫度曲線差別不大,當α=20°時,第一煙道內(nèi)溫度較低,可能是較低的前拱設置并不能為爐膛內(nèi)可燃氣體的燃燒提供更多的熱量輻射造成的;當α=90°時,其第一煙道內(nèi)的溫度略微高于其他工況。

圖5 不同前拱設置爐內(nèi)煙氣軌跡線上的溫度

總體來看,不同爐膛前拱結構的焚燒爐內(nèi)溫度分布情況大致相同,前拱角度α的變化并沒有在很大程度上改變爐內(nèi)燃燒情況。α=20°時,與其他工況相比煙道內(nèi)溫度較低;α=90°時,湍流擾動區(qū)域較大,且溫度較其他工況略高,豎直設置的前拱易發(fā)生內(nèi)壁燒灼結焦等現(xiàn)象。因此,在滿足煙氣較為充分燃燒且能保持爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定的情況下,前拱角度設置在α=38°～60°更為合適。

4.2 爐膛后拱結構對爐內(nèi)燃燒的影響

如圖6所示為工況21、22、23、24四種后拱結構優(yōu)化方案在鉛垂平面上的爐膛中心截面溫度分布云圖,圖7所示為相應工況速度分布云圖。從原工況及四種后拱優(yōu)化工況溫度與速度分布云圖可以看出,隨著后拱角度的不斷增大,爐膛內(nèi)高溫燃燒區(qū)域也不斷擴大,當β=20°時,后拱角度較低,大大壓縮了爐膛空間,導致工況21爐內(nèi)燃燒區(qū)域最小,且由于較小的爐膛空間,使二次風湍流作用增強,在爐膛及煙道喉口處形成了較大湍流區(qū)域;當β=40°時,較大的后拱角度增大了爐膛空間,使得工況24燃燒區(qū)域較之前工況有了明顯擴大,高溫燃燒火焰長度較長,爐膛及煙道內(nèi)溫度較高,爐內(nèi)湍流區(qū)域較原工況及其他工況有了明顯擴大;當β=25°及30°時,工況22與工況23模擬結果較為相似,其中工況23爐內(nèi)溫度分布略高,工況22與原焚燒爐模擬結果最為接近。

圖7 不同后拱結構焚燒爐中心截面速度分布云圖

根據(jù)焚燒爐數(shù)值模擬結果,做出爐內(nèi)相應煙氣軌跡溫度曲線如圖8所示。由煙氣軌跡溫度曲線可以看出,當β=20°時,爐內(nèi)總溫度與其他工況相比較低,最高燃燒溫度也較低;當β=35°時,爐內(nèi)最高溫度及煙道溫度分布均較高,到第二煙道內(nèi)溫度大大降低,僅略微高于原工況及工況22溫度;β=40°時,溫度分布最高,最高溫度超過1 800 K,煙道內(nèi)溫度均較其他工況高出許多;當β=25°時,其煙氣軌跡曲線與原工況最為接近,煙氣軌跡溫度曲線幾乎重合。

圖8 不同后拱設置爐內(nèi)煙氣軌跡線上的溫度

總體來看,爐膛后拱結構相較于前拱對焚燒爐爐內(nèi)燃燒情況影響更為明顯,較小的后拱角度改變即可對爐內(nèi)流場產(chǎn)生較大影響。由模擬結果分析可知,后拱角度設置為β=25°～30°更為合適,此范圍內(nèi)的爐膛后拱設置既可以保持爐內(nèi)溫度及速度等燃燒參數(shù)的相對穩(wěn)定,又可以在爐內(nèi)可燃氣體充分燃燒的情況下避免爐膛內(nèi)壁因較大的湍流強度或較高的溫度導致其發(fā)生腐蝕及燒灼結焦等現(xiàn)象。

4.3 爐膛后墻板結構對爐內(nèi)燃燒的影響

如圖9所示為工況31、32、33、34四種后墻板結構優(yōu)化方案及無后墻板設置的工況3W在鉛垂平面上的爐膛中心截面溫度分布云圖,圖10所示為相應工況速度分布云圖。從原工況及四種后墻板結構優(yōu)化工況溫度與速度分布云圖可以看出,當γ=45°及無后墻板設置時,工況31及工況3W爐膛內(nèi)部空間較大,高溫燃燒區(qū)域也相應較大,工況3W燃燒最高溫度達到將近1 800 K,且兩工況在爐膛喉口處的湍流區(qū)域與原工況相比也較大;當γ=60°時,工況32爐內(nèi)溫度及速度分布與原工況最為接近,爐內(nèi)空間分布相差不大,湍流強度及區(qū)域也較為相似;當γ=90°時,工況33爐膛空間進一步縮小,豎直設置的后墻板結構也在一定程度上通過輻射及一定的反射作用增大了湍流區(qū)域的面積;當γ=105°時,此時后墻板在爐膛內(nèi)形成了折焰角結構,對爐內(nèi)燃燒流場有較強的導流作用,可以看出,工況34的高溫燃燒區(qū)域在折焰角的壓制下相比之前工況較小,最高燃燒溫度相比其他工況較低,但由于折焰角向爐膛內(nèi)部的凸形設置,使得其對二次風的反射及輻射作用較強,使此工況爐內(nèi)湍流區(qū)域明顯增大。

圖9 不同后墻板結構焚燒爐中心截面溫度分布云圖

圖10 不同后墻板結構焚燒爐中心截面速度分布云圖

根據(jù)焚燒爐數(shù)值模擬結果,做出爐內(nèi)相應煙氣軌跡溫度曲線如圖11所示。由曲線圖可知,當γ=45°及無墻板設置時,由于爐內(nèi)高溫燃燒區(qū)域較大使得爐內(nèi)溫度整體較高;當γ=105°有爐膛折焰角設置時,由于折焰角向內(nèi)凸的壓制作用使燃燒區(qū)域較其他工況縮小,導致爐內(nèi)溫度相比其他工況較低;當γ=60°、90°時,其曲線與原工況較為相似,其中γ=60°時,其溫度曲線上的最高溫度值及變化趨勢與原工況最為相似,爐內(nèi)燃燒溫度較為穩(wěn)定。

圖11 不同后墻板設置爐內(nèi)煙氣軌跡線上的溫度

總體來看,后墻板的結構設置也對爐膛空間有較大的影響,同時對爐內(nèi)燃燒煙氣流場具有一定的導流作用,其中折焰角的設置對煙氣流動的影響更為明顯[12]。通過對后墻板的結構優(yōu)化可知,當后墻板角度設置在γ=60°～72°時,溫度曲線變化較小,擬合度較高,爐內(nèi)溫度及速度等分布云圖也未有較大差別,爐內(nèi)燃燒情況較為穩(wěn)定,焚燒爐燃燒運行情況相比其他工況角度設置時較好。

5 結 論

利用CFD的方法對800 t/d焚燒爐處理7 200 kJ/kg熱值垃圾時的不同爐膛設計工況進行了數(shù)值模擬研究,探究了爐膛前拱、后拱及后墻板結構設置對焚燒爐內(nèi)燃燒運行的影響規(guī)律,并進行了優(yōu)化分析,得出以下相關結論。

(1)爐膛前拱結構對焚燒爐內(nèi)燃燒運行情況的影響較小,其內(nèi)壁對前拱處溫度存在較小的輻射作用,對爐內(nèi)燃燒有一定程度上的微弱影響,當設置前拱角度為38°～60°時,爐內(nèi)燃燒較為穩(wěn)定。

(2)爐膛后拱結構的變化在很大程度上決定了爐膛空間大小,后拱的設置對爐內(nèi)流場具有較強的導流及輻射作用,對焚燒爐燃燒運行情況影響較大,為了維持爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定,且避免爐膛內(nèi)壁發(fā)生腐蝕及燒灼結焦等現(xiàn)象,后拱角度最好設置在25°～30°。

(3)爐膛后墻板結構的設置也能夠在一定程度上確定爐膛空間的大小且也具有較大的導流和輻射作用,對焚燒爐內(nèi)燃燒運行情況也具有一定的影響,當后墻板角度設置在60°～72°時,焚燒爐爐內(nèi)燃燒情況較為穩(wěn)定。