（工程热物理专业论文）焚烧炉条件下典型城市生活垃圾基元干燥过程的数值模拟.pdf

中文摘要 摘要：垃圾焚烧能够迅速实现垃圾的减容减量及无害化处理，应用日益广泛。 但我国低热值高水分的垃圾组分严重影响了着火焚烧，干燥任务尤为繁重。 本文对生物质和非生物质典型城市生活垃圾基元在焚烧炉条件下的干燥过程 进行了数值模拟，研究了垃圾基元的内部干燥特性和外部传热传质特性。 提出考虑收缩和不考虑收缩两种干燥模型，将模拟计算结果与试验结果进行 对比，吻合较好。得出垃圾基元在高温干燥条件下的含湿量分布、温度分布、干 燥速率、收缩速率分布等，对各垃圾基元的干燥特性进行了分析。 研究了不同影响因素对干燥特性的影响，干燥温度每升高2 0 ，生物质垃圾 基元干燥速率是原先的1 2 5 倍，平均收缩速率是原先的1 2 7 倍，非生物质垃圾基 元干燥速率是原先的1 3 倍；不同种类生物质垃圾基元中，土豆片干燥速率具有“滞 后性，而西瓜皮没有；毛细间架刚性小、初始含湿量低的垃圾基元最易于干燥； 收缩模型比不收缩模型的计算误差减少4 6 ；生物质垃圾基元的收缩效应将先阻 碍干燥、后促进干燥，整体上促进了干燥，拐点出现在进入干燥第一降速段时。 对垃圾基元干燥过程的外部传热传质特性进行分析，发现土豆片和西瓜皮的 辐射换热系数k 均在1 0 w m 2 k 到1 7 w m 2 k 之间变化，干燥温度每上升2 0 ， 辐射换热系数k 增大约1 4 w m 2 k ；收缩特性增大了物料表面的传热性质，考虑 收缩的表面传热系数大约是不考虑收缩的1 0 4 倍；随着表面传质系数增大，含湿 量降速增大，表面传质系数对西瓜皮干燥的影响比土豆、湿纸板强烈。 整理出三种垃圾基元的有效质扩散系数，得到1 0 0 2 0 0 土豆收缩率与含湿 量变化的无量纲关系式，发现不同干燥温度( 1 0 0 2 0 0 ) 对土豆收缩率与含湿 量变化率的无量纲关系，以及土豆收缩率与温度变化率的无量纲关系影响并不很 大。 关键词：城市生活垃圾；干燥；收缩特性；传热传质；数值模拟 分类号：【请输入分类号( 1 - 2 ) ，以分号分隔。】 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w a s t ei n c i n e r a t i o ni sa l le f f e c t i v ep r o c e s s i n gm e t h o df o rw a s t ee n d l e s s l y , w h i c hc a l lr a p i d l yr a d i o e st h ev o l u m ea n dm a s so fw a s t ea n dm a k ew a s t ei n n o x i o u s t h ed r y i n gp r o c e s so fw a s t ei si m p o r t a n t ，b e c a u s ew a t e ri nw a s t ew o u l dr e d u c ei t s c a l o r i ca n db u r i n ge f f i c i e n c y t w od i f f r e n tm a t h e m a t i c a lm o d e l sh a v eb e e nc h o s e nt os o l v et h eh e a ta n dm a s s t r a n s f e re q u a t i o n sf o rc o n v e c t i v ed r y i n go f b i o l o g i c - w a s t ea n d a b i o l o g i c a l w a s t e i nb i o l o 国 c - w a s t em o d e l ，h e a ta n dm a s st r a n s f e ri n s i d et h ew a s t ea sw e l la sb e t w e e n t h ew a s t ea n dh o ta i ri ss t u d i e da c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yb e t w e e nw a s t ea n dp o r o u s m e d i a t h em o d e lt a k e si n t oa c c o u n ts h r i n k a g eo fm a t e r i a l ，a n dm o i s t u r ec o n t e n ta n d s h r i n k a g ed e p e n d a n te f f e c t i v ed i f f u s i v i t y m o i s t u r ec o n t e n t ，t e m p e r a t u r e ，d r y i n gs p e e d a n ds h r i n k a g es p e e dh a v e b e e nd e s c r i b e db yt h em o d e l i tc a l lb es e e nt h a tw h e n d r y i n g t e m p e r a t u r ec h a n g e sb ye v e r y2 0 ，d r y i n gs p e e do ft h eb i o l o g i c - w a s t ew i l lb e1 2 5 t i m e so ft h ei n i c i a l ；s h r i n k a g es p e e dw i l lb e1 2 7t i m e so ft h ei n i c i a l ，a n dd r y i n gs p e e d o ft h ea b i o l o g i c a l - w a s t ew i l lb e1 3t i m e so ft h ei n i c i a l m a x i m a ld r y i n gs p e e do ft h e i n n e rn o d e sw i l la p p e a rl a t e rt h a nt h eo u t s i d eo n e s 。d i f f e r e n tk i n d so fb i o l o g i c - w a s t e h a v es o m es a m ec h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gd r y i n g b i o l o g i c - w a s t ew h i c hh a sl o w e rc a p i l l a r y p r e s s u r ea n dm o i s t u r ec o n t e n tw i l lb eg o o df o rd r y i n g w h e nt a k e ss h r i n k a g ei n t o a c c o u n t ，t h ee l r o ro ft h em e d d l ew i l lo n l yb e4 6 4 3 a st h en o n - s h r i n g k a g em e d d l e t h es h r i n k a g ew i l la tf i r s ta r r e s tt h ed r y i n gp r o c e s s w h e ni tc o m e si n t os p e e d - d e c l i n e p e r i o d ，s h r i n k a g ew i l la c c e l e r a t ed r y i n g r a d i a t i o nc o e f f i c i e n to fp o t a t os l i c e sa n dw a t e r m e l o nb o t hc h a n g ef r o m10 w m 2 k t o17l 矿m 2k w h e n d r y i n gt e m p e r a t u r ec h a n g e sb ye v e r y2 0 2 ，kw illc h a n g e b y1 4w m 2k r a d i a t i o nc o o m c i e n th a sm o r ei n f e c t i o ni nw a t e r m e l o nt h a np o t a t o s l i c e sa n dw e tc a r d b o a r d t h i sp a p e rs u m m a r i z e d10 0 c 一2 0 0 cn o n d i m e n s i o n a lr e l a t i o n s h i pk 细，啪ma n db 6 0o f p o t a t os l i c e s i tc a l lb es h o w e nt h a tt e m p e r a t u r eh a sl i t t l ee f f e c to nt h i sn o n d i m e m i o n a lr e l a t i o n s h i p k e y w o r d s ：m s w ；p o r o u sm e d i a ；d r y i n g ；s h r i n k a g e ：h e a ta n dm a s st r a n s f e r ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c l a s s n o ：【请输入分类号，以分号分隔。】 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 引舒 签字日期：砂。8 年6 月哆日 导师签名： 签字日期：沙。户年6 月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 一躲引钎黼期：砂年弓日 致谢 本论文的工作是在我的导师陈梅倩副教授的悉心指导下完成的，陈梅倩老师 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年 来陈梅倩老师对我的关心和指导! 清华大学热能系张衍国副教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习 上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向张老师表示衷心的谢意! 贾力教授、李国岫教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢! 在实验室工作及撰写论文期间，清华大学热能系实验室蒙爱红老师、李清海 老师，于爱军师傅，党文达同志，课题组阮子龙、宋莉媛、许鑫星，清华大学计 算机系研究生曹晟民、北京交通大学安全工程系研究生任春霞、电子系研究生刘 洪志等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之 情! 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 城市生活垃圾是指居民生活、商业活动、市政建设、机关办公等过程中产生 的固体废弃物【1 1 。我国城市生活垃圾年产量已达1 5 亿吨，人均年产垃圾量为4 4 0 k g ， 已接近中等发达国家水平，而且并以8 1 0 的速度增加，然而处理率仅为1 3 左 右，全国有2 0 0 多个城市处于“垃圾围城”的困境，垃圾产生量大而处理能力低 的矛盾日益突出【2 1 。 1 1 城市生活垃圾焚烧技术概述 目前，世界上现行的城市生活垃圾处理方法可归纳为3 种：填埋、堆肥、焚 烧【3 j 。其中焚烧法是一种对城市生活垃圾进行高温热化学处理的技术。将生活垃 圾作为固体燃料送入炉膛内燃烧，在8 0 0 - - 1 0 0 0 c 的高温条件下，生活垃圾中的可 燃组分与空气中的氧进行剧烈的化学反应，释放出热量并转化为高温的燃烧气体 和少量的性质稳定的固体残渣。 焚烧法产生的高温燃烧气体可作为热能回收利用，垃圾中的细菌、病毒等能 被彻底消灭，各种恶臭气体得到高温分解，烟气中的有害气体经处理达标后排放。 同时，焚烧技术机械化程度高、操作方便，劳动强度低【4 】，因此，焚烧法已成为发 达国家垃圾处理的主要方法之一，也逐步开始被国内一些大、中城市所采用。 在目前处理城市生活垃圾的焚烧设备中，炉排型焚烧炉开发最早，技术发展 较为成熟，也是目前处理生活垃圾使用最为广泛的焚烧设备，其应用占全世界垃 圾焚烧市场总量的8 0 以上【5 】。典型的炉排型焚烧炉结构如图1 - 1 所示： 蛇毫过程 置蠢妒欠竹堆 叠上土 均t 皇 i _ 一 体蠡解 斗_ 体毫 ( 鼍气) l 下 皇气 图1 1 典型的炉排型焚烧炉结构示意图 f i g 1 1d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t y p i c a lg r a t ef u r n a c e j 牟 垃圾从送入焚烧炉起，到形成烟气和固体残渣的整个过程，总称为焚烧过程， 它包括四个阶段：干燥阶段、热解阶段、燃烧阶段、燃烬阶段。对炉排型焚烧炉 而言，从物料进入炉内起到物料开始析出挥发分着火这一段( 图1 1 中的a 段) ， 可认为是干燥阶段。 垃圾焚烧的干燥阶段十分重要。表1 给出了中国部分城市垃圾成分组成，可 见，我国城市生活垃圾的含水率是很高的，加之垃圾这类物质的形态，表面积和 孔隙率均相当大，更有利于蓄集外部水分，因此，实际入炉的垃圾水分，经常大 于5 0 ，导致整个焚烧过程的干燥任务非常型6 】。 表l 中国部分城市生活垃圾成分组成【刀 t a b 1m a i nc o m p o n e n to fm a t i xi nc h i n a 水分是物料中的不可燃成分，水分含量大的垃圾热值低、不易着火，而且在 燃烧过程中水分的汽化要吸收热量，降低燃烧室温度，使热效率降低，还易在低 温处腐蚀设备，从而影响整个焚烧过程。 综上所述，垃圾中水分含量的高低决定着垃圾焚烧的热效率和腐蚀程度，干 燥过程进行的好坏将直接影响后面热解、燃烧过程的进行。因此，对干燥过程的 研究是改进或设计新型焚烧炉以适应我国高水分、低热值的城市生活垃圾焚烧技 术的关键，同时也为进一步的科学研究提供基础数据。 1 2 含湿多孔介质干燥过程的理论研究 垃圾送入焚烧炉后，随着炉排的向前运动，它受到高温烟气和炉墙的辐射换 热以及对流传热。同时垃圾物料由无数形状各异，体积不同的垃圾碎块堆积而成。 碎块间有许多的孔隙，碎块内部也有许多微孔，因此，目前对垃圾的干燥过程的 研究均将其视为多孔介质进行研列引。 1 2 1 干燥过程的基本理论模型 多年来众多学者对含湿多孔介质的干燥进行了实验观察和理论分析，提出含 2 湿多孔介质物料的干燥过程的五种湿份迁移机理：湿份在浓度梯度作用下的扩散 迁移；毛细管力引起的液体在毛细管内的流动迁移；湿份在压力梯度作用下的多 孔介质空隙中的渗流迁移；由于物料内部温度梯度而引起的湿份热扩散迁移；湿 份在毛细通道中蒸发与冷凝所引起的湿份迁移。根据不同的湿份迁移机理主要建 立了如下几种理论。 ( 1 ) 液态扩散理论 l e w i s 9 1 在2 0 世纪2 0 年代提出了液态扩散理论，认为干燥时固体物质内的湿 分是以液态扩散形式进行迁移的，推动力为其内部的湿分浓度梯度，并给出了过 程的数学模型： 塑：v ( dv m 、) ( 1 - 1 ) o t 7 式中：膨为干基含湿量，g g 。( d b ) ；d 为基于浓度梯度的液相扩散系数， m 2 厶；t 为时间，s 。液态扩散理论多被食品和谷物研究者应用于球形或平行六 面体的干燥过程。 上述扩散理论并未考虑收缩、表面硬化等因素，在应用中除了湿分浓度和温 度，其他与扩散系数有关的因素要么被忽略，要么被混为一谈。 ( 2 ) 毛细理论 毛细现象是指由液体和固体之间的分子吸引力产生的穿过缝隙或沿固体表面 的液体流动。b u c k - - i n g h a m t l 0 1 最先分析了这种现象，他将非饱和毛细流动的驱动 力定义为毛细势。 毛细液流通量可由式( 1 2 ) 计算： = 一k v ( 1 2 ) 式中：以为毛细液流通量，姆( 朋2 s ) ；为不饱和水力传导系数，m 2 厶； 缈为毛细势，幻m 4 。 在等温条件下，通常认为毛细势与湿分梯度成正比。因此，式( 1 2 ) 可改写为： 1 = 一k h p 孓v ( 1 - 3 ) 其中不饱和水力传导率k h 可由下式确定： g l t - - 焉j ：r 2 f ( 归 ( 1 4 ) 式中：( r ) 为孔道半径分布的微分函数；，r e ，i 分别为毛细孔半径及其最 小值、最大值，m ；只为干物质密度，姆研3 ；，7 为流体的动力黏度，k g ( m s ) ； o r 为流体的表面张力，n m ；0 为流体的润湿角，弧度。式( 3 ) 用湿含量表达毛细 液流通量，以便在干燥研究中应用。 ( 3 ) 蒸发冷凝理论 h 朗1 1 - 1 4 1 研究了一种物质通过孔道在另一种物质内的扩散，在扩散过程中扩 3 散物质可能被部分阻滞或被吸收，假设湿分只以汽态的形式扩散。h e n r y 理论考虑 了热量、质量的同时扩散过程，并将固体内的孔道假设成均匀、连续的网络。为 数学计算方便，他进一步假设：物体内的蒸汽量与蒸汽浓度和温度呈线性关系， 扩散系数为常数。据此导出质量平衡方程： 啦v 2 鸠= 口警+ ( 1 - a ) 只警( i - 5 ) 能量平衡方程： 帆ca 西t 。= k r v 2 t - 厶警 m 6 ， 式中：a 为孔道中的空气体积分数；s 为扩散路径迂曲度系数；z 为温度，k ； m 矿为孔隙中的蒸汽浓度堙所3 ；k r 为蒸汽扩散系数，m 2 厶；e 为固体骨架的比 热，( 姆k ) ；砗为导热系数，w m k ) ；厶为固体的吸附解吸热，朋3 。 ( 4 ) l u i k o v 理论【1 5 - 2 0 l l u i k o v 应用了不可逆热力学原理并做了如下假设： 幻蒸汽、空气和水分分子的质量传输会同时发生； b ) 不考虑收缩和变形； c ) 物料各向同性； d ) 忽略松弛项。 在此基础上，由质量平衡、能量平衡和压力变化有： 等= 墨l v 2 r + k 2 v 2 m + k 1 3 v 2 p ( 1 7 ) 警：如l v 2 r + 如2 v 2 m + 如3 v 2 p ( 1 - 8 ) 等= 毛i v 2 丁+ 毛2 v 2 m + k 3 3 v 2 p ( 1 9 ) 式中：墨一玛，为耦合系数；p 为压力，尸口。上述控制方程组奠定了液态水、 水蒸气同时传递耦合模型的理论基础。后来的研究者称之为三参数模型，其中浓 度、压力和温度梯度均被认为是影响因素。三参数模型论证严密，理论上具有较 强的通用性，但该模型中的9 个耦合系数很难确定，限制了它的应用。 ( 5 ) p h i l i p 与d e y r i e s 理论【2 1 1 p h i l i p 和d ev r i e s 分别导出了多孔介质内同时存在水分梯度和温度梯度时的质 量和热量的传递方程。他们假定在水分的液态扩散同时也存在蒸汽扩散和毛细作 用迁移。导出的方程如下： 塑a t = v ( 以) + v ( k v m ) + 暑 ( 1 - 1 。) p b c b 等= v ( k r v r ) + l , v ( k , v m ) ( 1 1 1 ) 4 式中：k m r 为温度梯度导致的湿( 包括液、汽两相) 扩散系数，m 2 厶；e 为湿 ( 包括液、汽两相) 扩散系数，m 2 厶；砗为导热系数，叫( 朋k ) ；k 为蒸汽扩散 系数，m 2 厶；g 为液相的重力流率，m j ；厶为固体的吸附解吸热，j i m 3 ；z 为 平行于重力方向的座标，川；岛为介质密度，姆m 3 ；乞为介质比热( 堙k ) 。 p h i l i p 和d 曲e s 理论的物理依据充分，在地质、水文和石油科学领域内应用较 多，但基本没有在食品和农产品干燥中应用。方程中的传输系数也需通过试验获 得。 ( 6 ) k r i s c h c r 与b e r g s 以及p e i 理论【2 2 1 k r i s c h e r 假设：干燥时湿分能通过毛细作用以液体形式迁移，也能在蒸汽浓度 梯度下以蒸汽形式迁移。其流量方程为： j l = k l p 了m ( 1 - 1 2 ) 以= 一k 踞 ( 1 - 1 3 ) 式中：以、以为水分和蒸汽的扩散通量，姆( m 2 j ) ；i c , 为液体扩散系数， m 2 厶；瓦为基于压力差的蒸汽扩散系数，$ m ；岛为液体密度，k g m 3 ；风为蒸 汽压，p 口。 b c r g c r 和p e i 指出，k r i s c h c r 模型采用了整个含湿量范围内的吸收等温线和第一 类表面边界条件，这使得其应用存在着问题。b c r g c r - p e i 模型是k r i s c h e r 模型的扩充， 它基于以下假设： a ) 液态迁移由毛细流动和浓度梯度引起，蒸汽扩散则由蒸汽压力梯度引起； b ) 内部热传递主要包括多孔介质骨架的热传导和相变潜热； c ) 在材料内部的任意点，液体含量、蒸汽分压和温度达到平衡； d ) 对于液体含量大于最大吸收量时，蒸汽压等于饱和压； 曲所有热质传递参数均为常数； of i c k 定律有效。 基于此，有质量守恒方程： q p , v 2 c + u ( 口一c ) v 2 c a = ( 岛一岛) 詈+ ( 口一c ) 鲁 ( 1 - 1 4 ) 热量守恒方程： 詈= 四2 r + 去扛 ( 口一c ) v 2 岛一v 一( 口一c ) 鲁+ 岛詈_ m - 5 ， 式中：c 为体积湿含量，k g m 3 ；口为导温系数，m 2 厶；a 为孔隙内空气的 体积浓度，堙m 3 ：见为固体密度，k g m 3 ；乞为固体比热，( 姆k ) 。 ( 7 ) w h i t a k o r 体积平均理论2 3 。2 5 】 w h i t a k e r 从单相( 固体、液体、气体) 的热质平衡方程出发，将多孔介质内部不 同的相进行体积平均，得到多孔介质热质传递连续方程组。针对某些反映“局部 5 特征 的数学模型，采用空间平滑手段，从中导出适用于对象整体任意位置的有 效数学模型。然而，在实际的应用中，代表性单元体的选取很困难，加之体积平 均法是基于“平均容积内部相分布已知”这一未经证实的假设，因此其实际应用 的效果还不理想。 上述连续介质假设理论的水分迁移形态、迁移驱动力的比较见表1 2 。 表1 - 2 传统水分迁移的连续介质假设理论比较 t a b1 - 2c o m p a r i s o no ft r a d i t i o nm a s st r a n s f e rt h e o r y 综上所述，目前国内外对含湿多孔介质对流干燥的研究尚未达到令人满意的 程度，各个学派各抒己见，各种模型五花八门，以至于对同一问题，用不同模型 时，计算结果相差很远。比较而言，尽管液态扩散理论有许多不足，但方程( 1 1 ) 仍得到广泛应用，误差也不很大，这主要是因为该模型表达简单、计算方便，且 依靠试验的扩散系数补偿了模型的理论偏差所造成的计算误差，但其未考虑收缩 特性，故需要对垃圾焚烧的干燥过程寻求更合理、并且工程上实用的新模型。 1 2 2 含湿多孔介质的收缩特性 与固定骨架的多孔介质相比，可收缩多孔介质的突出特点是孔隙结构( 组织) 多具有可变、非均匀和柔松性，伴随着热质传递可收缩多孔介质内的微细结构都 发生着变化，同时又影响着其内部能量与质量储存和转换的过程。在高温条件下， 6 可收缩多孔介质的变形和破裂现象十分明显【2 6 1 。 高温干燥条件下，在可收缩含湿多孔介质毛细管内，水分蒸发扩散速度主要 取决于蒸发弯月面上水蒸汽的传质势( 化学势) ，由于干燥过程中物料内部汽、液、 固三项总是处于热力平衡状态，即t 5 = t 7 = t s ，因此传质势的高低主要取决于弯 月面上水蒸汽的分压力p ，按照开尔文定律，在半径为，湿润角为0 的毛细管中， 弯月面上水蒸汽分压力p 9 与相同温度下对应的饱和蒸汽压力氏，间有关系2 7 j ： f ，2 仃c o s 秒、 风邓鲫e x p 【一一r t p _ j n 。1 6 ) 可收缩多孔介质的毛细管半径，越小，蒸汽分压力越低，传质势越小，水分蒸 发一扩散速度越慢。由于在含湿多孔介质中毛细管孔径大小不一，因此，在不同毛 细管中蒸发一扩散过程出现差异，大毛细管中水分蒸发一扩散速度较快，而小毛细 管内则较慢。 随着干燥过程的进行，毛细孔中蒸发弯月面逐渐行成，将会使毛细管壁的受 力状况发生根本性的变化，如图卜2 所示。根据力平衡有： p ：p g p ，：2 0 r c o s o ( 1 1 7 ) p g 图l - 2 典型毛细管壁受力状况 f i g 1 - 2t y p i c a lc a s eo fc a p i l l a r yf o r c e 即在蒸发弯月面两侧，由于表面张力仃的作用将长生压差卸，且空隙半径，越 小，压差p 越大。如果此毛细管内蒸发气相侧与此相邻的充满空气和水蒸汽的大 毛细管贯通，或者与此相邻的较大毛细管内水分已蒸发完，则可近似认为此毛细 管壁外侧压力也为矿，这样，在液体段毛细管壁两侧将承受一个较大的压差作用 力p = p g p 7 ，在此力的作用下，毛细管壁被压缩导致变形，从而使得整个物料 产生体积收缩。 综上所述，含湿多孔介质的收缩特性主要取决于其毛细间架的刚性，刚性低 则在水蒸汽的分压力p 作用下易形成蒸发弯月面，蒸发弯月面形成数量越多，含 7 湿多孔介质的收缩特性越明显。 1 2 3 国内外研究现状 马晓茜等【2 8 】以焚烧炉中垃圾团块的传热问题为背景，研究了高水分多孔介质 物料在高温环境下的传热规律。采用局部容积平均法，导出平均化方程，最后得 到垃圾团块内部气、固两相的温度分布。 冉景煜等【2 9 】考虑垃圾焚烧炉内高温烟气对流及辐射换热，应用有效导热系数 法，对不同形状不同特征尺寸具有多孔介质特性的垃圾团块非稳态传热特性进行 了数值模拟，得到团块内部截面的温度场分布、团块中心单元温度随时间的变化 曲线等。 杨厉、陶斌斌等【3 0 川以玉米颗粒的干燥过程为例，以非平衡态热力学和相平 衡理论为基础，建立了多孔介质干燥内部传热传质的非线性二维数学模型。得到 玉米颗粒干燥过程中内部不同节点处含湿量和温度随时间的变化曲线。 胡国林等【3 2 】引用建立于w l l i t a l ( 盯的体积平均方程和d a r c y 定律基础上的多孔 介质内部热质传递的等效耦合扩散模型，导出关于液体饱和度、温度和气相压力 的新支配方程组，得到坯体温度和平均含湿饱和度随时间的变化曲线。 徐娓等【3 3 】以生姜、胡萝卜为实验材料，引入体积收缩系数和各向同性率的概 念，研究了多孔物料干燥过程的体积收缩特性。 蔡亮等【3 4 1 对生物材料在对流干燥过程中的传热传质机理进行了探讨，就收缩 过程对自由水、边界水和蒸汽运动过程的影响进行了分析。 李蔚等【3 5 】通过对香菇干燥过程的数值模拟，考虑收缩对水分迁移的影响，获 得香菇干燥的收缩规律，得出收缩因子可作为香菇干燥最佳工况的选择判据之一。 h u 觚9 3 6 】对温度梯度作用下的多孔介质的湿份传输进行了研究【5 0 1 。首次对多孔 介质内部各组分单独建立了质量守恒方程，建立了以蒸汽摩尔分数、温度、混合 气体压力和混合气体体积分数四参数来描述传热传质的三方程干燥模型。 n 勰r a l l a l l 和p 黜【3 刀对多孔介质对流干燥液相、蒸汽相和混合气相分别建立质 量守恒方程和多孔介质能量守恒方程。对粘土块的干燥过程进行数值模拟，结果 表明，整个干燥过程可以描述为常速干燥期和降速干燥两个时段。 a l e i l g y e l 【3 8 】对苹果片的干燥过程进行了模拟，建立了温度和含湿量分布的耦 合方程，发现苹果片随着含湿量不断降低，收缩特性明显。 dm i h o u b i 【3 9 】建立了考虑收缩的含湿多孔介质干燥模型，该模型形式简单，由 模型模拟了含湿多孔介质内部含湿量分布场、温度分布场、压力分布场及收缩应 力分布场。 8 n a j m u rr a h m a n 和s u b o d hk u m a r 4 0 4 1 4 2 4 3 】等通过对土豆收缩特性的研究，得出 表面收缩传热传质系数对干燥过程的影响，拟合了收缩传热系数与体积收缩率之 间的无量纲关系式。 m g a v i e i r a , l e s t r e l l a 删等对纸张的干燥收缩特性进行了实验研究，分析了 物料厚度、表面积、体积等收缩特性对干燥过程的影响。 i r e n e u s zb i a l o b r z e w s k i 4 5 】等对苹果片的干燥过程进行了模拟，发现收缩效 应对含湿量、温度辩护均有明显影响。当含湿量越小时，收缩效应对干燥的影响 越大。 z p a k o w s k i 和a a d a m s k i 4 6 运用两种模型对苹果片干燥过程的收缩进行了模 拟，结果与实验吻合较好。 综上所述，目前国内外对含湿多孔介质干燥过程的研究尚未达到令人满意的 程度，各个学派各抒己见，各种模型五花k f 3 ，以致对于同一问题，用不同模型 分析时，计算结果相差甚远。在已发表的文献中，针对不同问题建立的多孔介质 干燥数学模型各有侧重，通常从不同水分迁移机制出发，忽略多孔介质的收缩特 性，得到其近似干燥特性；全面考虑水分迁移机制的数学模型则存在大量干燥特 性系数难以确定的问题；考虑收缩特性的干燥模型主要集中在农作物和果蔬等低 温干燥工况。对于焚烧炉条件下典型城市生活垃圾的干燥过程，尚没有模拟计算 的报导。在已有的少量文献中，有些只对混合垃圾团块进行简单的传热模拟，而 且并未考虑我国高含湿量城市生活垃圾基元的收缩特性，导致模拟结果与实验存 在较大误差。 1 3 本文的研究意义和研究内容 目前对含湿多孔介质干燥过程规律的认识还不完善，而干燥过程又是垃圾焚 烧能否顺利进行的关键，因此有必要对垃圾焚烧的干燥过程进行针对性研究。 有研究表明燃烧混合垃圾团块时的干燥特性可用单组分垃圾的干燥特性的叠 加来表示【4 7 】，虽然某些混合组分之间会表现出相互影响，但一般来说并不强烈。 由此，本文工作作为课题组国家自然基金项目“焚烧炉中城市生活垃圾干燥过程 的实验与理论研究 的一部分，通过数值模拟的方法，分别建立描述可收缩和不 可收缩垃圾基元干燥过程的传热传质模型，分析不同种类垃圾基元的干燥特性、 不同工况对其干燥特性的影响、收缩特性对干燥过程的影响，以及对传热传质过 程进行分析，为后续研究打下基础。 本文利用马弗炉来模拟物料在链排炉上的干燥过程。因为垃圾在链排炉内进 行干燥焚烧时，由于链排的传送速度较慢，当炉排底部送风较小时，可以认为物 9 料在其上做近似平动。 本文的研究内容主要包括： 1 ) 研究对象的选取：以单一成分、不同尺寸的生物质和非生物质垃圾基元为 代表，以保证研究结果的典型性、可重复性和一致性。本文研究的垃圾基 元有：土豆片、西瓜皮和湿纸板。 2 ) 选择合适的数学模型，设计垃圾基元干燥过程的模拟程序，开发计算平台。 考虑焚烧炉条件下垃圾基元干燥过程的收缩和不收缩效应，分别对炉内垃 圾基元干燥过程的干燥特性、传热传质特性进行模拟计算。 3 ) 垃圾基元干燥特性的计算与分析：将模拟结果与实验进行比较，验证模拟 的可行性和适用性；分析垃圾基元平均含湿量、平均温度、平均干燥速率 随干燥时间的变化规律；分析垃圾基元的含湿量、温度和干燥速率的分布 规律；分析可收缩垃圾基元的收缩规律。 4 1 垃圾基元干燥特性影响因素分析。分析选取不同工况、不同种类垃圾基元 时，对干燥特性的影响；收缩效应对干燥特性的影响。 5 ) 垃圾基元干燥过程传热传质特性的计算与分析。不同生物质垃圾基元传热 传质特性的比较；生物质和非生物质垃圾基元传热传质特性的比较；可收 缩垃圾基元与不收缩垃圾基元传热传质特性的比较。 1 0 2 焚烧炉条件下垃圾基元干燥过程的传热传质模型 2 1 数学模型的推导 随着干燥过程的进行，生物质垃圾基元发生明显的收缩现象，此时物料内部 的干燥特性集中了收缩变形和加热过程的耦合作用，故其干燥模型需考虑收缩效 应，应对现有模型进行修正【4 8 】。在实际的垃圾焚烧过程中，垃圾入炉前都要进行 压制成块的预处理，故本文研究的垃圾基元均为块状，且厚度小于长宽。 针对本文的研究对象，提出以下假设： a ) 传热过程和传质过程均为一维； b ) 所取垃圾基元均为各向同性物质； d 干燥过程中不发生化学反应，即垃圾基元的化学性质不发生改变； 将垃圾基元制成厚度为b 的薄块状，初始温度为室温r o ，初始含湿量为 靠。 上表面暴露在马弗炉内，发生辐射换热和自然对流换热作用，其中辐射换热为主 要换热方式。下表面紧贴炉下壁，可认为绝热。则垃圾基元在马弗炉内干燥过程 的物理模型见图2 1 。 马弗炉 2 1 1 质量守恒方程 图2 1 垃圾基元干燥过程的物理模型 f i g 2 lp h y s i c a lm o d e lo f d r y i n gp r o c e s s 为建立质量守恒方程，先假定垃圾基元内一个厚度为出的控制体，该控制体 c v 内的质量守恒方程可写为： ( c 矿得到的含湿量一c 矿失去的含湿量) + 化学反应产生含湿量= c v 含湿量 的变化量( 2 1 ) 控制体c v 由扩散作用引起的含湿量变化 叫肛小叫啦么掣叫像2 ， 一去( 出= 一( 彳出) p d 等 类似的，由收缩效应引起的含湿量变化 = e + 出彳一v 一彳2p ( m + 埘) “一p u m a ( 2 - 3 ) = p 训删 因此，控制体c 矿含湿量的变化量 ：一p 舭r 塑( 2 - 4 ) 由于干燥过程不考虑化学反应的影响，故由化学反应产生的含湿量变化为零， 结合方程( 1 ) ( 3 ) 得质量守恒方程为： 彳伽罂o x 一刚埘= 出警 ( 2 - 5 ) 优 丝+ “_ o m ：d 罂 ( 2 - 26 一) 一+ “一= d - ( 一) o t锄缸2 m 垃圾基元的干基含湿量，g g _ 1 ( d a ) ； “沿x 方向的收缩速率，m $ ； d 有效质扩散系数，m 2 知； t 干燥时间，j 方程( 2 6 ) 中的有效质扩散系数d 不是常数【4 9 1 ，而是随着干基含湿量m 的变 化而变化。有研究表明，在含湿多孔介质干燥过程中，物料的收缩体积十分接近 于脱去的水分体积【5 0 1 ，因此解决收缩影响的一种方法是将体积收缩率考虑进扩散 系数变化规律中。结合实际干燥情况，引出有效收缩质扩散系数巩的概念。有效 收缩质扩散系数巩综合反应了物料内部各种传输机制对水分扩散过程的影响，其 大小主要取决于垃圾基元内部的温度和含湿量值。于是，实际干燥过程中，质量 守恒方程为： 塑+ 砧a m ：d sh a 2 m o t 栅i 2 依一(2-7) 巩可由下式得到： 老= ( 鲁) 2 像8 ) 不考虑收缩特性时的有效质扩散系数，m 2 厶，具体值由实验拟合得 1 2 到。 厚度变化规律由下式得到5 1 】： 嘲l l 盟p 。+ m 堕o p s j 协” 玩垃圾基元的初始厚度，所； b 垃圾基元收缩后的厚度，m ； 风水的密度，姆m 3 ； 只干物料的密度，瞎m 3 ； m 。初始时刻平均干基含湿量，g g 1 ( d ) ； m 干燥过程中的平均干基含湿量，g g 1 ( j ) 基于各项同性假设，可认为垃圾基元内各节点的收缩速率符合线性变化规律 1 5 2 ，则垃圾基元中任意点的收缩速率可表示为： “( x ) = “( 6 ) 妻 ( 2 1 0 ) 石内部节点到原点的距离，m ； 蒸发表面的收缩速率为： “( 6 ) ：b - b ( o l d ) ( 2 - 1 1 ) 、7 a t b ( o l d l 边界点上一时刻的厚度，册； 不考虑收缩时，相应的质量守恒方程为： 警= 警 协 2 1 2 能量守恒方程 类比质量守恒方程可得能量守恒方程的形式： a ta ta 2 t a t缸缸2 a 热扩散率( 又称导温系数) ，1 2 厶。 不考虑收缩时，相应的能量守恒方程为： a 丁a 2 r a t 缸2 2 1 3 初始和边界条件的确定 1 3 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 由于各向同性，在干燥初始时刻，垃圾基元内含湿量的分布均匀。马弗炉内 垃圾单元紧贴炉底，可认为下边界绝热，则方程( 2 6 ) 和( 2 1 3 ) 的初始和边界 条件如下： 方程( 2 6 ) 的初始条件： m l f = 0 = m o ( 2 1 5 ) 边界条件： z ：o 时，丝l ：0 ( 2 1 6 ) o xi 。；o x = 6 时， 吨警i+ “m 乙= k ( m 一心) l ( 2 - 1 7 ) o i j = 6 一。 “” 方程( 2 1 3 ) 的初始条件： 孔= 0 = r o ( 2 一1 8 ) 边界条件f 5 3 1 ： x ：o 时，娑i ：0 ( 2 - 1 9 ) a xi x = o x = b 时， ( 每鸭“札= o 0 6 ( 乒r 4 ) l 1 叫m 圳k l 脚 协2 。) 2 垃圾基元导热系数，w ( 小k ) ； r 垃圾基元温度，k ； 勺定压比热容，( 姆k ) ； 磐蒂銎一连冬兹曼常数，t r o = 5 6 7 0 1 0 q 吖( 埘2 k 4 ) ； 毛垃圾基元黑度 k 表面传质系数，m y ； j i l 摩蒸发焓，姆； 疋干燥温度，k ； 丝_ 平衡干基含湿量，g g q ( d a ) 表面传质系数吒根据刘易斯( 1 e w i s ) 关系来确定蚓： k = 旦 ( 2 2 1 ) h 辐射换热系数，叫m 2 k 辐射换热系数h 由牛顿冷却公式推导得： j l = q ( 巧+ 乃) ( z + 乃) ( 2 2 2 ) 方程( 2 1 2 ) 的初始条件： m b = m o ( 2 - 2 3 ) 边界条件： 1 4 x = 0 时， 剿：o 缸l 脚 尚时，警= 吒( 心一丝) 方程( 2 1 4 ) 的初始条件： r | f = 0 = 写 边界条件： 刎时，要i ：o x = b 时， 五乱硼( 弘丁4 ) 卜圳m 也) 吆l ，曲 2 2 模型的离散化 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 2 2 8 ) 根据有限差分方法【5 5 1 ，空间定义域为0s 石6 ，时间定义域为t 0 ，分割有 限差分网格，如图2 2 ，对上述控制方程和边界条件进行离散。 m m ：一m ：m 盖。 f a x 图2 - 2 有限差分网格模型 f i g 2 - 2m o d e lo ff i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d 2 2 1内节点的离散化 对于方程( 2 7 ) ，根据l a p l a c e 算法推到出来的二阶，整理得： c 警矿型脚， ( 掣) j 芦：必+ o ( 工：) 、叙7 一2 x 。、7 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) (3=2m；、：型二三驾丝(2-32)jj 、苏2 , n ( 石) 2 其中o ( a x 2 ) 和d ( f ) 是高阶无穷小，所以可以忽略近似为零，将以上公式带入 整理得： m j + o = 。r 。d 万 h a t 牡2 a x m + l + 1 - 丽2 d , h a t r ，( 【- i ( d 硝5 h a t + “盖弦2 弼， = l r ( 研a a t 一“卷m j 2 a a t 叫( 矿a a t “坐2 a x 喇协3 4 ， 矽k 篙喇+ i 卜脊p + 筹础 q 。5 ， 矿u 2 裔喇+ 【卜嚣p 斋喇 协3 6 ， 2 2 2 边界节点的离散化 砂_ ：竺二生掣监型丝+ 悟竺一k 2 d 硝a a t m r ( ) 。q 。3 8 ) 矿1 = 石+ 5 3 8 6 5 矿鲁p + ( 虿) 2 ( r + 虿) l ( r 一石) 一等( 嵋一必) l + 一“虿筹 1 6 ) = 警”l - 一并一2 a t h , , a x 聃酉2 d w a t 础 方程( 2 - 1 4 ) 边界节点的离散化： x = 0 时，离散得：墨( “) = z ! ”) 工= 6 时，广利用“粤，点 法求得： 2 【- 卜器p + 嚣删一警( ) 4 + 警( t ) 4 2 2 3 模型中参数分析 ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) 本文选取高水分城市生活垃圾基元中的生物质垃圾厨余( 土豆片、西瓜