（热能工程专业论文）垃圾焚烧锅炉炉膛结构优化设计研究.pdf

大庆石油学院硕士研究生学位论文 摘要 当今世界环境问题日益严重，采用垃圾焚烧锅炉，将垃圾在锅炉内焚烧，利用焚烧的热量产生 蒸汽，用于供热和发电，是解决垃圾问题的有效途径。本课题以造纸垃圾焚烧锅炉的节能、环保为 目标，旨在对造纸废弃物的热力学特性进行系统性研究，通过数值模拟及最优化方法找出合适的炉 拱结构形状，合理地布置前拱，从而达到强化传热，提高传热效果，改进炉内燃烧状况的目的。 首先，本文针对s z l i o 一1 2 5 一m j 造纸垃圾焚烧锅炉，结合其燃料的特性，对垃圾的燃烧特性以 及层燃炉中垃圾的焚烧过程进行分析；给出一套完整的垃圾锅炉炉内传热数学模型，并分别详细阐 述了湍流流动模型、双方程模型、辐射传热模型、离散相模型及标准壁面函数的原理及计算公式； 借助于f l u e n t 软件平台对炉膛内的温度场、速度场、组分浓度场及炉膛出口的温度分布、速度分 布、组分浓度分布等进行数值模拟，分别从定性和定量的角度与实际情况进行了比较，得到了较满 意的结果；模拟结果与国内外的很多研究能较好符合。 其次，通过对炉内换热模型的简化，以前拱的长度，和高度h 为变量，建立了入炉燃料初始阶段 吸热量的最优化模型。利用最优化软件l i n g 0 8 0 对s z l i o 1 2 5 - m j 造纸垃圾焚烧锅炉前拱进行了改 进，使前拱的长度增加了0 2 m ，高度增加了0 3 r a ，通过对比分析了优化前后的炉膛温度场、速度场、 炉膛出口含氧量以及可燃性气体的浓度分布，得出了优化后炉内的燃烧状况要好于优化前的结论。 这说明本文的优化设计是成功的，进行数值模拟的方法是可靠的，计算结果是正确的。 关键词：数值模拟；锅炉；垃圾焚烧；f l u e n t ；最优化；前拱 摘要 s t u d yo nt h es t r u c t u r eo p t i m u md e s i g no fa ni n c i n e r a t i o nb o i l e rf u r n a c e a b st l a c t n o w a d a y s t h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n ti sb e c o m i n gw o r s ea n dw o r s e b u r n i n gt h er u b b i s hi nt h e i n c i n e r a t i o nb o i l e r si sa l le f n c i e n c ya p p r o a c ht os o l v et h ep r o b l e mo ft h er u b b i s h a tt h es a m et i m e t h e s t e a mi sp r o d u c e df o ro f f e r i n gh e a ta n dg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y t h ea i mi nt h i st h e s i si st os a v ee n e r g y s o u r c e sa n dp r o t e c tt h ee n v i r o n m e n to ft h ei n c i n e r a t o rf o rt h ec a s t o f ff r o mp a p e rm i l l s t h es t u d yo nt h e t h e r m o d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i co ft h ec a s t o f ff r o mp a p e rm i l l sh a sb e e nd o n e t h eb e s ts h a p eo ft h eb o i l e r a r c hh a sb e e nf o u n db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z e dd e s i g n t h ef r o n tb o i l e ra r c hh a sb e e nd i s p o s e d w i t hr e a s o n c o n s e q u e n t l yt h ed i a t h e r m a n c yw a ss 仃e n g t h e n e d t h ee r i e c to f h e a tt r a i l s f e rw a sj m p r o v e da n d t h ef l o wa n dc o m b u s t i o np r o c e s si nt h eb o i l e rh a sb e c o m em u c hb e t t e r f i b t i nt h i st h e s i st h eb u mc h a r a c t e r i s t i co ft h er u b b i s ha n dt h ep r o c e s so f c o m b u s t i o ni nt h ec h a i n b o i l e rh a sb e e ns t u d i e d as e d e so fm a t h e m a t i cm o d e lh a sb e e ng i y e n t h i st h e s i sc a r e f o l l yi n t r o d u c e dt h e p r i n c i p l ea n df o r m u l a o f t h et u r b u l e n tf l o wm o d e l 、t w o - e q u a t i o nm o d e l 、r a d i a t i o nm o d e l 、d i s p e r s e dp h a s e m o d e la n ds t a n d a r dw a l lf u n o t i o nm e t h o d t h es o f t w a r ef l l i e n th a sb e e na p p l i e dt 0s i m u l a t et h e t e m p e r a t u r e 、p r e s s u r e 、v e l o c i t ya n dm a s sf r a c t i o no fs p e c i e si nt h eb o i l e rf u r n a c ea n ds t o k e h o l e t h e a n a l y s i sa n dt h ec o m p a r i s o nh a v eb e e nd o n e 1 1 1 ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t ea g r e e m e n tw i t ht h ef a c ta n d t h es t u d i e sb o t hh e r ea n da b r o a d s e c o n d t h et h e r m a lt r a n s m i s s i o nm o d e lh a sb e e ns i m p l i f i e d u s i n gt h ef r o n ta r c hl e r i g t hia n db r e a t h ha sv a r i a b i e t h eh e a ta b s o r p t i o nc a p a c i t yo p t i m i z a t i o nm o d e lo f t h ef u e lh a sb e e nb a s e d t h ef r o n ta r c ho f t h es z l l 0 一1 2 5 一m jb o i l e rh a sb e e no p t i m i z e db vl n 畸g o8 o t h ef r o n ta r c hl e n g t hh a sb e e na d d e d0 2 m a n dt h eh e i g h th a sb e e na d d e d0 ，3 m b ya n a l y z i n gt h et e m p e r a t u r e ，v e l o c i t ya n dt h em a s sf r a c t i o no f s p e c i e sa f t e ro p t i m i z a t i o n i ti se a s yt oa r r i v ea lt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ec o m b u s t i o na f t e ro p t i m i z a t i o ni s b e t t e rt h a nt h ep r e v i o u s t h es t r u c t u r eo p t i m u md e s i g ni ss u c c e e d e d 1 1 1 en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc r e d i b l e t h er e s u l ti sr i g h t k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，b o i l e r ，f l l i e n t ，o p t i m i z a t i o n i i 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果据 我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成 果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：型出 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并 向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名：例计 导师签名：毫乒别 h 强：潮，弓? | r甚强：二函j 弓， i 大庆石油学院硕上研究生学位论文 创新点摘要 造纸垃圾焚烧锅炉是一种新型锅炉，由于其独特的燃料特性，使它的结构型式有别于常规的工 业锅炉，垃圾焚烧锅炉的开发改造对于建筑节能和环保具有重要意义，本文以造纸垃圾焚烧锅炉为 研究对象，其创新点如下： ( 1 ) 对造纸厂混合组分垃圾燃烧进行研究，分析燃料的热力学特性，确定各应用基的含量； ( 2 ) 借助f i 1 j e n t 软件模拟分析造纸垃圾焚烧锅炉的炉内过程； ( 3 ) 垃圾焚烧锅炉炉膛的结构优化设计技术研究，寻找了一种合理的前拱形式，使炉内燃烧更加 充分。 i i i 大庆石油学院硕上研究生学位论文 课题研究背景 引言 1 能源现状及特点 能源是社会发展的物质基础，是一个国家的政治、军事、经济的命脉，对全球未来 七十年的能源需求及能量利用结构的预测表明，入类生产和生活对能量的需求为现在的 三倍，而电能的需求将增加到五倍，煤的需求将增加到七倍i l 】。能源对国民经济的发展 起着十分重要的作用，虽然许多新型能源如风能、太阳能、核能可以被人利用，但由于 技术条件的限制目前还不能大规模的开发，近期只能以煤、石油、天然气等化石燃料为 主要能源，而化石燃料是不可再生的。从能源储量上看，我国常规能源总量位居世界第 三位，但由于人口众多，人均可采能源占有量非常低，我国属于能源贫乏国1 2 1 。 能源开发受到多方面因素的限制，因而在短时间内不可能大幅增长，所以我国的能 源方针是开发与节约并重，近期要把节能放在优先地位。为从根本上和战略上来考虑解 决我国的能源问题，必须大力加强能源科学技术的研究，这里既有能源政策问题，又有 基础理论问题：既有技术问题，又有经济问题。应当指出：在继续加强能源勘探和开发 方面科学技术研究的同时，必须大力加强能源利用方面的科学研究，特别是能源作为燃 料、动力利用方面的科学研究，这是当前我国能源科学研究工作中较薄弱的一环。大力 加强常规能源合理利用和综合利用方面的科研工作，意义重大。这是因为常规能源( 煤、 气、油) 在本世纪以至下世纪仍然将是我国的主要能源。这些能源十分宝贵，它们不仅 是燃料、动力，而且是重要的化工原料，它们的储量总是有限的，且不可再生，用一点 少一点，如果不进行合理和综合利用，就会造成很大浪费。从长远看，有可能会贻害我 们的子孙后代。另外，大力开发能源要受资源储量、运输、投资、建设期限等各方面条 件的限制。相对来说，开展能源利用技术的研究，合理和综合利用能源。将会收到花钱 少、效益大、速度快、节省煤矿和油田的投资、不增加运输负担、不用很长时间等多方 面效果。 锅炉作为将一次能源转换为二次能源的重要设备，是一个耗能大户，目前其燃煤量 达3 亿多吨，占全国燃煤量的3 0 。而我国的能源利用率很低，一方面是由于设备的热 效率低下，大量的热能未发挥经济效益而浪费，另一方面是能源管理比较落后，工业锅 炉在节能方面也有很大潜力可挖【3 l 。 垃圾焚烧法成功地将废弃物转化为新型能源，是缓解能源紧张的一个新途径，具有 广阔的研究前景。 2 环境问题 保护环境是我国的一项基本国策，随着我国社会的改革开放、经济的发展、城市建 引言 设的发展和人民生活水平的不断提高，工业废弃物和生活垃圾排放量与日俱增。据统计 我国中心城市的日平均垃圾产量己达( 1 2 ) k g 人，并以每年1 0 的速度递增，2 0 0 0 年 中国城市生活垃圾年产量已达到1 5 亿吨，全世界每年的垃圾量达1 0 0 亿吨，我国已积 压下来的垃圾就有7 0 0 多亿吨，近年来垃圾在以每年1 亿多吨的速度在增长”。j 。造成 城镇周围垃圾堆积如山，蚊蝇孳生，臭气随风飘散，污染空气，垃圾中的病原体和有毒 元素随水流淌污染河流和地下水，严重破坏了城镇的生态环境，给城镇文明卫生和人民 的身体健康带来严重威胁。 垃圾的处理可反映一个国家的科技水平和民族的文化素质。随着现代处理垃圾学的 发展，先进的国家实行科学的处理与利用，并运用法律和高科技的手段进行综合治理， 向垃圾废料要资源、要效益、化废为利、造福大众。与先进的国家相比，我国城镇对垃 圾的综合处理起步较慢，主要是填埋处理。填埋对垃圾的减容化效果不大，要占用大量 土地，不利于城镇的发展。有的地方在填埋处理的同时，采用部分堆肥处理，利用微生 物对垃圾中易腐有机物进行生物降解，使之成为较稳定的腐蚀土状肥料，这种处理成本 较高，处理量也有限，特别二次废弃物尚待处理，远远不能处理日益增多的垃圾量。近 年来我国也重视开发垃圾综合利用技术，城市垃圾的处理方法主要有自然堆放、填埋、 堆肥处理和垃圾焚烧处理等四种。垃圾焚烧处理是国外主要采用的方法之一，它具有减 量化、无害化和资源化的特点。 造纸工业是国民经济中一个重要的组成部分，自1 9 9 2 年以来，我国造纸工业发展 迅速，纸及纸板的产量、总消费量均居世界第三位。但是，在造纸过程中产生的大量造 纸污泥和废渣，由于含水量高、发热量低、成分复杂，处理利用难度大。一般中、大规 模的造纸企业，其制浆工段每年需加工6 1 0 4 吨以上的草料，同时产生6 1 0 3 吨左右的 草末废弃物【6 】。除已逐步被各国立法所禁止的抛海处置方法外，目前大部分只采取简单 的堆放和填埋，不仅耗去大量的人工、运输费用，亦是资源和能量的浪费。这不但耗费 资金、占用土地，而且对土壤、地下水及空气都造成二次污染。 因此科学、有效地解决造纸污泥、废渣排放带来的问题既非常重要，又十分迫切。 缘于企业可持续性发展和环保的要求，很多厂家都在寻找一种经济、易行的处理办法。 焚烧法由于其能够实现无害化、减量化和资源化的特有优势越来越受到人们的重视。单 纯焚烧废弃物的技术在我国还处于研究开发的阶段，仍需进一步改进和规模化。 二垃圾锅炉的发展现状与研究 1 国外垃圾锅炉的发展现状与研究 采用垃圾焚烧锅炉，将垃圾在锅炉内焚烧，利用焚烧的热量产生蒸汽，用于供热和 发电，是解决垃圾问题的有效途径，也是近3 0 年发展起来的新技术。特别是2 0 世纪7 0 2 大庆石油学院硕十研究生学位论文 年代以来，由于资源和能源危机的影响，垃圾处理不断向“资源化”方向发展，丹麦在 1 9 6 6 年就发明了当时世界效率最高的焚烧垃圾装置f 7 一l ；德国、法国、瑞士、英国、日 本、美国等相继开始进行垃圾余热发电。至今德国已建成上百座垃圾电站，日本垃圾焚 烧发电( 供热) 的比例高达7 2 8 ，约有2 0 0 0 台垃圾焚烧锅炉在运行；在发展中国家，巴 西和印度等也开展了垃圾余热发电的研究和试验m j 。 目前的焚烧方式主要有：层燃方式、流化悬浮燃烧方式和沸腾悬浮燃烧方式；用于 垃圾焚烧处理的焚烧炉型有：回转窑焚烧炉、流化床焚烧炉、炉排焚烧炉等。 2国内垃圾锅炉的发展现状与研究 在国内，深圳1 9 8 7 年从日本引进了两套焚烧垃圾的余热发电系统，现已投入运行。 从我国目前已建设的焚烧炉来看，按处理规模基本上可分为三类：处理能力不于l o t d 小型焚烧炉，处理能力在l o t d 至5 0 t d 的中型焚烧炉，处理能力大于5 0 t d 的大型焚 烧炉【s 9 】。受经济条件的限制及我国垃圾组成特点的制约，以前焚烧技术在我国主要用 于单个企业处理各自产生的工业废弃物( 垃圾) 和医院处理其产生的医院垃圾，且大部 分是处理能力小于l o t d 的小型焚烧炉。我国主要生产小型焚烧炉的企业已有3 0 多家， 主要分布在北京、武汉、广州、江苏、河南、辽宁、山东等地，专门生产焚烧炉的企业 很少，大多属于机械制造厂的附属产品。国内各企业已投入使用的小型焚烧炉数量尚无 确切的统计资料，估计有数百台之多，大多数分布在化工、食品和医药及医院等行业。 由于炉排焚烧炉不需要预处理设备，燃烧调节能力强，能适应低热值垃圾的燃烧要 求，所以在中国得到了广泛的应用。因此，炉排焚烧炉是本文的研究重点。由于辊式炉 排的造价高，移动炉排和往复炉排是较佳的选择。目前从国外引进的垃圾焚烧炉排都是 阶梯型结构，这种炉排虽然使用效果好，但是价格昂贵。而在我国层燃炉基本都采用水 平炉排。目前，有些单位已经采用对原燃煤锅炉进行改造的方法来焚烧垃圾，这样可以 充分利用原有设备，节约大量的设备投资，同时也符合我国这样一个经济基础比较薄弱 的国家的基本国情。因此，对水平移动炉排垃圾焚烧炉进行详细的优化设计研究在我国 具有重要的意义，可以有效地推动我国垃圾处理事业的迅速发展，有利于走出一条符合 中国国情的垃圾处理之路。 纵观国内自行开发和生产的垃圾焚烧炉，均有下列特点： ( 1 ) 处理能力小； ( 2 ) 投资低，大部分在i 0 0 0 万元以下，小型焚烧炉的投资只需几万元至几十万元； ( 3 ) 炉体结构简单，自动控制程序低，导致各设计参数( 如炉渣、辅助燃料、停留时 间等) 难以满足设计要求，焚烧效果不理想； ( 4 ) 配套设施不完善，运行不稳定，尾气净化系统简陋，或难以满足工业卫生和环保 要求； ( 5 ) 设备寿命短( 可靠性差) ，维修工作量大。 引言 - 而我国在造纸垃圾焚烧锅炉的研究方面刚起步不久，蒋旭光等在研究单颗造纸污泥 燃烧过程的基础上，在异重流化床中混烧造纸污泥和煤，获得了良好的效果一j 。东南大 学也开展了这方面的研究，并取得了进展1 “。国内自行开发的炉排式垃圾焚烧炉有十余 种，但都尚在初步阶段，与国外已开发、应用数十年的炉排式垃圾焚烧炉相比，系统构成、 性能、效果、可靠性、稳定性、环境指标等方面均有许多不足，技术水平相差几十年。 但垃圾焚烧锅炉的前景仍被看好，具有以下优点： ( 1 ) 可减少垃圾体积9 0 以上，其焚烧后灰渣还可以综合利用； ( 2 ) 垃圾经高温焚烧，可杀菌消毒，避免直接堆放而引起的土壤、水源、大气的污染； ( 3 ) 可以实现以蒸汽或电能方式回收能量，实现垃圾处理的资源化和能源化； ( 4 ) 垃圾焚烧工厂占地面积小，可在城市近郊建厂，能节约大量的宝贵土地，并可 大大减少垃圾的运输成本： ( 5 ) 随着对垃圾填埋的环境措施要求的提高，燃烧法的操作费用可望低于填埋。 三本文的主要研究内容 炉膛是燃料燃烧的区域，燃料燃烧状况的好坏决定了锅炉效率的高低和它的环保指 标。而炉膛的结构、形状对炉内燃烧又有较大的影响。燃料在链条炉炉排上的着火是热 着火过程，燃料随炉排的运动进入炉膛中，受到高温炉拱、炉墙及火焰的热辐射和预热 空气、高温烟气的对流加热烘干析出挥发分并开始着火。将入炉燃料加热到开始着火所 需的热量称为燃料的着火热，在链条炉中，燃料的着火热的供应主要依靠炉膛中高温火 焰、锅炉前拱及前拱区侧墙的辐射热。因此炉膛应为燃料燃烧提供良好的条件，保证炉 内有较高的温度、一定的空间和时间使燃料燃烧迅速充分，同时还需使气流与燃料混合 充分，气流扰动良好，从而有效地降低奶、幺损失。 本课题以造纸垃圾焚烧锅炉的节能、环保为目标，旨在对造纸废弃物的热力学特性 进行系统性研究。通过数值模拟找出合适的炉内结构形状，确定炉膛的结构技术要求和 热力技术要求，尽可能合理地布置前拱，从而达到强化传热，提高传热效果，改进炉内 燃烧状况，提高锅炉热效率，降低烟气含尘量，提高锅炉的安全性和经济性的目的。本 课题的研究将为垃圾焚烧锅炉的设计，性能优化和逐步大型化提供理论依据，也将为垃 圾焚烧锅炉技术的发展起到促进作用。 具体研究内容： ( 1 ) 分析燃料的热力学特性，确定各应用基的含量； ( 2 ) 对炉膛的结构技术要求、热力技术要求进行分析； ( 3 ) 建立锅炉炉膛内传热的数学模型； ( 4 ) 用f l u e n t 软件模拟分析垃圾焚烧锅炉的炉内过程； ( 5 ) 垃圾焚烧锅炉炉膛的结构优化。 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第一章链条炉的燃烧特性 目前在工业锅炉中广泛采用火床炉，而在火床炉中应用最多的是链条炉，链条炉采 用层燃方式进行燃烧。 1 1 链条炉的燃烧过程分析 1 1 1 链条炉的燃烧过程及特点 链条炉是典型的前饲燃料式炉子，炉排如同皮带运输机一样，自前向后缓慢移动， 燃料进入炉膛，随炉排一起前进。空气从炉排下方自下而上引入。燃料在炉膛内受辐射 加热后，就进入燃烧阶段。开始是烘干并析出挥发分，继之着火燃烧和燃尽，灰渣则随 炉排移动而被排出。很明显，以上各阶段是沿炉排长度相继进行的，但是又是同时发生， 所以炉子的燃烧过程不随时间而变。 如图卜l 所示，链条锅炉的新燃料是落在较冷的炉排面上，而不是像固定炉排锅炉 那样落在灼热的燃料层上，所以落在链条炉排上的新燃料的着火条件是不利的。由于下 层没有灼热的火床加热，故只能从上面吸收炉膛火陷、高温烟气、高温炉墙的辐射热。 从燃料层下面来的预热空气，一般预热温度为2 0 0 左右，最多不超过4 0 0 ，预热空 气对新燃料虽有加热作用，但不足以使之着火。因此，链条炉中燃料的着火是由燃料层 最上面开始，然后逐渐向下传播。由于链条炉的燃料层是随着炉排一起由炉前向炉后移 动的，且着火是自上而下的，所以燃料的着火线o l k 不是与炉排面平行的水平线，而是 与水平方向成一倾斜角，如图卜1 所示。显然，着火角的大小主要取决于燃料的性质、 预热程度和炉内辐射热强度、空气的预热温度以及炉排的运动速度等。 燃料着火以后，燃料层中所发生的燃烧过程的各个阶段的分界线，都与水平面成一 倾角。图中区域l 表示新燃料的烘干和加热区域，由0 1 k 线所表示的斜面开始，燃料放 出挥发分，接着挥发分着火燃烧。对于一定的燃料，挥发分开始析出的温度基本上是一 定的，所以开始析出挥发分的o k 线实际上就是一个等温面。同样，0 2 l 线代表挥发分 析出结束的一个等温面。图上这两个等温面的距离不大，也就是说，在区域2 中的温度 梯度很大，这是由于挥发分与空气的混合物，在燃料层中燃料颗粒之间的空隙中就开始 着火，使燃料层中的温度急剧升高。着火线实际上就紧靠在o 。k 线之后，难以划分清楚， 因而o l k 线可以看作是着火线。从0 2 l 线开始，燃料层进入焦炭燃烧区域3 ，这就是主 要的燃烧阶段。这个区域的温度很高，燃烧相当猛烈，由于燃料层厚度一般超过氧化层 高度，因此，焦炭燃烧区域沿燃料层高度上又划分为氧化区3 a 和还原区3 b 。从炉排下 面来的空气中的氧气在氧化区中便被迅速消耗尽，故当含有c 0 2 和水蒸汽( h 2 0 ) 的燃烧 产物继续上升后，就在还原区与灼热的焦炭进行还原反应，还原区3 b 也称为焦炭的气 第一章链条炉的燃烧特性 化区，这里的温度应当比氧化区低些。由图可知，氧化区和还原区的分界线，也是倾斜 的。 最后为焦炭燃尽区4 ，此处燃料己燃尽成为灰渣，灰渣随炉排的运动而落入灰渣斗 中。在链条炉排的燃料层中，灰渣的形成也是很复杂的，最上层的燃料层首先着火，因 而燃料在燃料层表面首先形成灰渣：空气是自下面送入，最下层的燃料首先遇到含氧最 多的空气，故最下层的燃料也较早燃尽成为灰渣，因此，在链条炉排后端的燃料层中， 上层和下层均形成灰渣，两层渣之间为未燃尽的焦炭层，这就使多灰分燃料难以燃尽， 造成机械不完全燃烧损失q 4 增加【l o 】。 从前面的分析可知，燃料点燃着火后，由于炉排不停地向前移动，带动燃料层向前 移动。所以，链条炉的燃烧过程是沿炉排长度分区段进行的。在工况稳定的情况下，炉 排上任何一处的燃烧状况不随时间变化，燃烧层的各种热力学参数和物理化学过程以及 燃料层空间的各种参数也相应保持稳定。 1 干燥区2 干馏区3 一主要燃烧区4 燃尽区 图卜l 链条炉排上燃料层燃烧阶段分布 f i g l 1c o m b u s t i o n7 - 0 1 eo f t h et r a v e l i n g - g r a t eb o i l e r 1 1 2 炉排长度方向燃料层上方的气分分析 图卜2 为沿炉排长度方向的烟气成分分布。当新燃料进入炉内时，燃料处于预热干 燥阶段，不需要氧气，因此，通过燃料层的氧气浓度基本上保持不变，其容积成分百分 数大致与空气中氧浓度相同，约为2 1 。从0 - 点开始，挥发分不断析出并着火燃烧，随 后焦炭也开始进入燃烧反应，因此，炉排上部气体中的c 0 2 含量不断增加，同样，c o 含量也不断增加，而氧气成分却相应减少，直到耗尽为零。与氧气耗尽相对应的是出现 第一个c 0 2 含量的最高点。其后，随着主要燃烧阶段中还原区的出现和加厚，气体中 c 0 2 被还原成c o ，因此气体中c o ( 还有少量的c h 4 和h 2 ) 便不断增加，c 0 2 相应逐渐 减少。此时说明烟气中缺氧情况相当严重，以致连挥发分中的可燃成分如c h 4 和h 2 都 可能无法燃尽。当c o 和h 2 含量达到最大值时，c 0 2 含量最小。其后随着燃料部分燃尽 成灰渣，燃料层减薄，还原层厚度也减薄，c o 和h 2 含量又逐渐下降。当还原区消失时， 还有燃料在进行氧化反应，c 0 2 再次增至最大值。这时上、下层燃料已成为灰渣，燃料 6 大庆石油学院硕七研究生学位论文 层越来越薄，还原层厚度也减薄，c o 和h 2 含量又逐渐下降。当还原区消失时，还有燃 料在进行氧化反应，c 0 2 再次增至最大值。这时上、下层燃料已成为灰渣，燃料层越来 越薄，灰渣层相对加厚，焦炭层减薄，故燃烧所需氧气量减少。因此，燃料层上烟气中 的氧含量不断增加，最后可增至和新燃料区一样，可能达到2 1 。显然，只要燃料层中 还有还原区存在，就表明供给的空气量不足，因此，在炉排中部地区，过量空气系数a 1 1 1 0 l 。 图卜2 链条炉烟气成分的变化曲线 f i g l - 2 d i s t r u b u t i o no f c o m b u s t i o nz o n ea n d g a sc o n c e n t r a t i o no nt r a v e l i n g g r a t eb o i l e r 上述情况只是在理论情况下的简化说明，实际上由于燃料的结焦及灰渣熔化等因素 的影响，使整个燃烧过程和烟气成分变化更为复杂。综上所述，链条炉排上的气体分布 是很不均匀的，而且气体的流动是分段层流，互相混合，炉排前、后两端上升的气体中， c 0 2 成分及氧气较多，中间丰要燃烧区段，上升的气流中可燃气体c o 及h 2 等较多。 1 2 垃圾焚烧过程的燃烧特性及设计概要 1 2 1 垃圾的燃烧特性 文献”“j j 对垃圾的燃烧特性进行了研究，发现垃圾的挥发分含量高而含碳量低。在 干燥无灰基下，挥发分占7 0 0 , 6 以上，固定碳占3 0 以下。垃圾焚烧的大致过程如下：首 先，垃圾被加热，达到一定温度后，水分与挥发分析出；挥发分析出后在高温坏境下与 氧气反应：最后，残炭逐步燃尽。文献对垃圾的燃烧曲线进行了研究，得出了不同种类 垃圾的活化能，这对垃圾焚烧炉的设计具有特别重要的意义。但是以上这些研究都是针 对单一组分垃圾而言，而混合组分垃圾燃烧特性的研究还鲜见报道，所以对混合组分垃 圾燃烧特性的研究也是本文的一个重点。 第一章链条炉的燃烧特性 1 2 2 层燃炉中垃圾的焚烧过程 物料从送入焚烧炉起到形成烟气和固态残渣的整个过程，总称为焚烧过程。焚烧过 程主要包括三个阶段：物料的干燥加热阶段、物料的焚烧阶段、燃尽阶段( 即残碳燃尽 形成灰渣) 。以上三个阶段的界限并不十分明显，有时可能交叉同时进行。 ( 1 ) 干燥阶段 由垃圾进入炉内起到挥发分析出着火这一段，可以认为是干燥段。由于垃圾的形态、 表面积和空隙率均相当大，有利于储存外部水分。因此，实际入炉垃圾的水分经常大于 5 0 ，导致整个焚烧过程的干燥任务非常繁重。送入炉内的垃圾通过辐射、对流换热获 取热量，温度逐渐升高。当高于水的沸点时，垃圾中的水分便以蒸汽的形式向外扩散， 如果这时候加强引风，水蒸汽将被直接吹走，干燥过程将加快。因此，在干燥过程中物 料的翻动和加强引风是至关重要的。当物料温度上升到l o o 左右，水分开始大量蒸发， 垃圾温度基本不变，直到水分基本析出完毕。正是由于垃圾中的水分是以蒸汽形式析出 的，所以干燥过程需要外界提供大量热量( 水的汽化潜热) ，水分越高的垃圾，所需的干 燥热量越多，从而导致炉内温度降低或干燥时间加长，这都会对整个焚烧过程产生影响。 ( 2 ) 焚烧阶段 垃圾经过干燥阶段后，如果炉内温度足够商，又有足够的氧气，垃圾就会顺利地进 入真正的焚烧阶段。焚烧阶段不是一个机械的顺序过程，也不是一个简单的氧化反应。 在此阶段中，一般包括两个同时存在的化学反应过程：垃圾的热解和挥发份燃烧。熟解 是有机物的热分解过程，在焚烧阶段中，固体垃圾直接和氧化介质发生强烈的氧化反应 并不容易，对于一般的有机废弃物而言，受热总是先进行热解，析出大量的气态可燃气 体成分，多半是小分子的c o 、c h 4 、h 2 或分子量较小的c 。h n 等气态物质或残碳，这些 小分子气态可燃混合气体与氧化介质进行均相燃烧就比较容易了。热解过程也称为挥发 分析出过程，挥发分析出的温度区间很宽，一般在2 5 0 一4 5 0 范围内，不同种类的垃 圾，挥发分析出的温度区间也各不相同。因此，焚烧混合垃圾时，要注意热解过程发生 在炉内的什么区段或什么温度区间是很重要的。挥发份析出后，立即会和氧气发生强烈 反应，燃烧时间短、速度快，这是焚烧阶段的主要特征。 ( 3 ) 燃尽阶段 当垃圾在焚烧阶段进行强烈的氧化反应之后，参与反应的物质浓度自然就减少了， 气态的c 0 2 、h 2 0 和固态灰渣不断增加。由于灰层的形成和惰性气体的比例增加，反应 不断减弱，直到燃尽，这就是所谓的燃尽段。在这个阶段，氧气需要较少，燃烧也较弱。 1 3 炉拱对燃烧的影响 1 3 1 炉拱概述 在移动式火床炉中，炉膛结构形状对燃料的着火和燃烧起着重要作用。其中炉拱对 8 大庆石油学院硕士研究生学位论文 链条炉的燃烧特性，特别是对新燃料的引燃和炉内气体( 可燃气体和空气) 的混合有重 要作用。对劣质燃料，包括无烟煤，引燃作用是主要的；而对挥发份多的燃料，则促使 气体良好混合是主要的。 通常采用的炉拱有前拱和后拱两种，对劣质燃料有时还设有中拱。炉拱的形状和布 置与燃料的品种关系很大，但不管是何种燃料，在布置炉拱时，都必须使前拱与后拱( 或 中拱) 相互配合，j 。能到良好的效果。 前拱对燃料的引燃作用很大，但它本身并不能产生热量，而只能积蓄热量和辐射热 量。在旧式锅炉中，常设有低而长的前拱。它的意图是防止受热面的冷表面对燃料着火 的不利影响。对于高大的炉膛，就不尽合理，因为它挡住了来自炉膛的辐射热，对新燃 料的着火反而不利。事实上，炉膛内充满着三原子气体和某些固体颗粒，它们都具有较 强的辐射能力，炉膛较高，就会有足够厚的烟气层。此高温烟气层就能大量向煤层辐射 热量，促使新煤着火燃烧。所以，抬高前拱取得了较好的效果。此外，采用高而短的前 拱与后拱配合，组成扰动气流的喉口，还可以加强气体混合，减少气体不完全燃烧损失。 后拱位于火床的后部，主要作用是控制气流的方向。通过后拱迫使高温烟气流向前 部，以加强对刚进入燃料的热辐射；另外，高温烟气向着火区的新燃料冲刷，以强化对 流传热；最后，气流中夹带的炽热颗粒在气流转弯时会散落在火床前的新燃料上，也能 帮助新燃料着火1 1 2 1 。 1 3 2 目前炉拱存在的问题及原因 链条锅炉在实际运行中普遍存在如下几方面问题： ( 1 ) 炉渣含碳量高、热效率低、燃烧消耗量大； ( 2 ) 燃料种类适应性差，遇到含水量高的的燃料往往难以着火，出力大幅度下降， 工人劳动强度也大大增加； ( 3 ) 有时烟囱冒黑烟问题，造成环境污染，也增加了热损失。 造成这些问题的主要原因是炉拱设计不合理。过去我国一直沿用“反射”观点来设 计炉拱。这种观点认为前拱犹如面镜子，炉膛火焰散发出的热量经前拱“反射”后投 到燃料层上。为了使热量集中投到新燃料上，使入炉新燃料顺利着火，将前拱设计成抛 物面形状，利用抛物面试图达到上述目的。但实际上，抛物面只有具备以下两个条件才 能聚集，第一个条件是抛物面为一个光滑的镜面；第二个条件是其反射率等于1 。用耐 火材料做成的炉拱不可能是光学上的镜面，并且炉拱的吸收率为o 8 ，其反向率只有o 2 ， 所以将前拱做成抛物面根本不可能聚集，顺利着火也无从谈起。设计前拱时，应考虑具 有足够的敞开度，以便于拱从更多的空间范围内接收辐射能量，提高拱温。前拱的形状 可以不去追求镜反射效果，而是要使从后拱流出的高温烟气能够深入前拱区，并在前拱 形成强烈的旋涡。这样就可以提高拱区及前拱的温度，增强前拱辐射放热。前拱的边界 尺寸也需要慎重拟定，前拱过高，有可能使温度较低的拱区烟气辐射取代前拱的再辐射。 9 第一章链条炉的燃烧特性 此外，前拱还应保持适当的长度以增大覆盖新燃料层的辐射面积1 1 0 1 。本文就要寻找一种 合理的前拱形式，以使炉内燃烧更加充分。 1 4 本章小结 本章主要介绍了链条炉中燃料的燃烧情况、炉膛内烟气的分布、垃圾的燃烧特性以 及炉拱的作用，指出了目前炉拱存在的问题并分析了原因，最后引出本文的研究目标。 0 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第二章数学模型 对于链条锅炉燃烧过程，可以用基本守恒方程、气相湍流方程、t e 方程模型、辐 射换热模型等来进行数学描述，它们的数值求解即为炉内过程全模拟数值计算。本章内 容主要介绍基本守恒方程和本课题需要用到的一些数学模型。 2 1 有限体积元法 有限体积元法是近代发展起来的- - i 3 数值分析技术，是借助于计算机解决问题的近 似计算方法。它运用离散的概念，使整个问题由整体连续到分段连续；由整体解析转化 为分段解析，从而使数值法与解析法互相结合，互相渗透，形成一种新的数值计算方法， 也就是说，把整个求解域离散成为有限个子域，而每一段内运用变分法，即利用问题中 微分方程相等价的变分原理来进行推导，从而使原问题的微分方程组退化到代数联立方 程组，使问题归结为解线性方程组，由此得到数值解答i ”l 。 f l u e n t 采用的就是有限体积元法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) ，此种方法又称为控制 体积法1 1 4 5 1 。其基本思路是：将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网 格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散 方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假设 数值在网格点之间的变化规律，即假设数值的分段分布的剖面。从积分区域的选取方法 来看，有限体积法属于加权剩余法中的子区域法；从未知解的近似方法看来，有限体积 法属于局部近似的离散方法。简言之，子区域法属于有限体积法的基本方法。 有限体积法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解释。离散方程的物理意义， 就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量有无限小的 控制体积中的守恒原理一样。 有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满 足，对整个计算区域，自然也得到满足。这是有限体积法吸引入的优点。有一些离散方 程，例如有限差分法，仅当网格极其细密时，离散方程才满足积分守恒；而有限体积法 即使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒。就离散方法而言，有限体积法可视作 有限单元法和有限差分法的中间物。有限单元法必须假定数值在网格点之间的变化规律 ( 既插值函数) ，并将其作为近似解。有限差分法只考虑网格点上的数值而不考虑数值 在网格之间如何变化。有限体积法只寻求结点值，这与有限差分法相类似；但有限体积 法在寻求控制体积的积分时，必须假定数值在网格点之问的分布，这又与有限单元法相 类似。在有限体积法中，插值函数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之后，便 可忘掉插值函数；如果需要的话，可以对微分方程中不同的项采取不同的插值函数。 第二章数学模型 2 2 数学模型 2 2 1 基本方程 流动和传热过程受三个基本物理规律的支配，它们是：质量守恒定律，动量守恒定 律和能量守恒定律1 2 i 。 ( 1 ) 质量守恒方程： 单位时间内微元体中流体质量的增加 = 同一时问内流入该微元体的净质量 ，由 此可得质量守恒方程( 又称连续性方程) 望+ 旦幽：o ( 2 1 ) a毋 上式中的第二项是质量流密度( 单位时间内通过单位面积的流体质量) 反，的散度。 用矢量符号可写为： 考+ 咖( ) = o ( 2 - 2 ) 对于不可压缩流体，密度为常数，连续性方程简化为： ，d i v ( u l = 0 ( 2 3 ) ( 2 ) 能量守恒方程： 微元体内热力学能的增加率 = 进入微元体的净热流量 + 体积力与表面力对微元 体做的功 ，在7 1 入导热f o u r i e r 定律，可得用流体比焓h 及温度t 表示的能量方程： 掣+ 毒b ，币) = 毒 五考一，吲+ 曲+ & c 2 枷 ( 3 ) 动量方程： 掣+ 考瓦) = 毒卜筹一p 万卜面o p + 偌， c z 固 状态方程：p = p 【- j ( 2 - 6 ) 其中，百和虬分别是三个坐标方向的平均速度和脉动速度。于为平均温度，g ，为 i 方向的重力加速度分量。和五分别是分子热运动而7 1 起的动力粘度系数和导热系数。 2 2 2 湍流流动模型 1 2 湍流瞬时流动的基本方程既是n a v i e r s t o k e s 方程： 大庆石油学院硕士研究生学位论文 扣) + 毒( 训一毒弘卜z 缄 十p g ， 协， 式中，& = 寺( 钆+ 鸭钆) 为流体应变率张量，& = 钆瓯为速度散度，g ，为 重力加速度。 对瞬时速度“，作雷诺分解：m = 虿+ 啊，忽略密度脉动，代入式( 2 7 ) 后，对其取平 均，得到湍流的雷诺方程 昙( 础杀( 厩巧) = 丢 ( p + ；瓦) 爵雨卜 ( 2 - s ) 上式中p u , h ，为雷诺应力，是一个未知量，代表湍流涡团脉动所引起的穿越流体单 位面积上的动量输运率。由于对n - s 方程取平均而导致雷诺应力的出现，使原来封闭的 流体力学基本方程( 层流) 变得不封闭。因此建立湍流数学模型的目的就是通过一定的 假设，建立有关雷诺应力的数学表达式或可以求解的输运方程。即对雷诺应力做出各种 不同的物理假设，使它与湍流平均流的参数相联系，得出湍流的半经验理论。 根据b o u s s i n e s q 提出的湍流粘性系数的概念，层流粘性应力张量与应变率张量通 过广义牛顿应力公式相联系： p , j = 一p + 气p s h 6 u + 2 p s 9 ( 2 - 9 ) 式中，u 为动力粘性系数。由此出发，b o u s s i n e s q 认为雷诺应力与平均流速度梯度 间也存在类似的关系， 一p u ，= 一詈( 肚+ “) 乞+ 2 一毛 ( 2 1 0 ) 式中，k 是流动湍能，肼即是所引入的湍流粘性系数。其物理意义就是把湍流涡团 所产生的动量输运作用与分子运动所产生的动量输运相比拟，使雷诺应力的计算归结为 鸬的计算。但h 与层流流动的中u 不同。a 是物性参数，是由物质的分子决定的，而h 是由流动特性所决定，依赖于流场中各点的湍流状态。湍流粘性系数麒可以用多种方法 求出，不同的方法构成了不同的输运系数模型，如混合长度模型、单方程湍流流动模型、 双方程k 一湍流流动模型、雷诺应力湍流流动模型等。首先简单分析各个模型的优缺点： ( 1 ) 混合长度模型的优点是直观、简单，无需附加湍流特性的微分方程，适用于简单 流动，如射流、边界层、管流、喷管流动等；但单方程模型在i 剽= 0 处必然是湍流粘 l 掣l 性为零，与实际流动不符，同时，对复杂流动如拐弯或台阶后方有回流的流动，较难模 拟。 ( 2 ) 单方程模型考虑了湍能经历效应( 对流) 及混合效应( 扩散) ，比零方程模型