前、后拱和二次风对垃圾焚烧炉燃烧影响研究.pdf

第 42 卷第 4 期 20 11 年 7 月 锅 炉 技术 B 0 IL E R T E C H N 0 L 0 G Y V o1 42 N O 4 Ju1，2O 11 文章 编号 ： C N 31 1508(2011)07 0070 05 前 、 后拱和二次风对垃圾焚烧炉燃烧影响研 究 赖 志赕，马晓茜，余 昭胜 (华南理工 大学电力学院 ，广东 广州510640) 摘要 ： 针对我 国的垃圾成分特点 ， 选取处 理量为250 t d 的垃圾焚烧 炉排炉 为研究对 象。在垃圾 焚烧炉分 区模型理论的基础上 ， 用数值模拟 的方法对前后拱及二次风布置对 垃圾焚烧炉 燃烧 的影 响进 行研究 。模拟结 果显示 ， 采用前后拱的炉型 比单采用后拱 的炉型炉 内燃烧状况及温度 场较优 ， 前后拱设二 次风风 口， 可以有效 改善炉膛的气流 组 织 ， 优 化 炉膛 的燃 烧 状 况 当第 一 通 道前 墙 离 垃 圾 入 口2 m ， 前 拱 二次 风 风 口高度 为 3 67 m ， 后拱二次风风 口高度 为3 75 rrl时 ， 第 一通道 出 口烟 气平 均温度 为 1 028 4 ， 平均速 度 为8 91 m s， C0 浓 度 为 0 244 g m 。 。 关键词 ： 垃圾焚烧炉 ；数值模拟 ；前拱 ；后拱 ；二次风 中图分类号 ： X 705 文献标识 码 ： A 0 前 言 我 国 与西 方 发 达 国家 的 垃 圾 成 分 有 较 大 差 别 ， 具 有热值 低 、 水分 高 、 燃 烧不 稳定 等 特 点rl 。 我 国垃圾 焚烧技 术起 步 较 晚 ， 目前 大 型垃 圾 焚 烧 炉 的关 键 设 备 与 核 心 技 术 大 部 分 来 源 于 国外 。 因此研 究针 对我 国垃圾 成 分 的垃 圾 焚 烧 技 术 ， 具 有重要的现实意义和经济价值 。C om putati onal F lui d D ynam i c s(CF D )分 析 广泛 应 用 于 大型 垃 圾 焚 烧炉 的数 值 模 拟 计 算 当 中 ， 能 够 进 行 速 度 、 温 度 、 速度矢量和浓度场等计算和预测 。 1 研 究对 象 某 生活 垃圾 焚 烧 发 电 厂 ， 处理 量 为 250 t d。 垃圾 入 口处 高 度 为 1 2 m ； 炉 排 长 8 m ， 宽4 5 m ， 倾 斜 度 为 15。 ； 排 渣 口长 1 2 m ； 炉 体 总高 度 为 13 3 m ， 炉宽 4 5 m ； 前 后 拱 倾 斜 度 均 为 30。 。一 次 风分 4 级 配置 ， 温度 为250 ， 由炉排 下方 送 入 炉内， 二次风温度为23 。空气过量系数为1 8， 一 次风 比例为 68 84 。二次 风均垂 直炉墙 喷 入 ， 在第一通道处形成前后墙对 冲。该生活垃圾 发 电 厂 的 入 炉 垃 圾 平 均 低 位 发 热 量 为 5 205 kJ kg ， 垃圾 元素 分析 见表 1。 表 1 城 市生活 垃圾 的元 素分析 与 工业分 析 2 数学模型及边界条件 垃圾 在 焚烧 炉 内 的燃 烧 过程 是 以 气 相 燃 烧 为 主 、 固相燃 烧 为 辅 的非 均 相 燃 烧 的混 合 过 程 ， 比单 纯气 态 燃 料 、 液 态 燃 料 的 燃 烧 过 程 更 为 复 杂 3。为使 模 拟 结 果 更 接 近 实 际 情 况 ， 对 垃 圾 在 焚 烧 炉 内 的整 个 燃 烧 过 程 进 行 了分 块 计 算 ， 即： 移动炉排上 垃圾燃 料床层 的燃烧 模拟 和床 层释放出的气体作 为边界条 件的上部气相燃烧 模拟 2 个部分。垃圾在移动炉排上 的燃烧 模拟 计 算 采用 了 Y B Y angl_4 的 运 动 模 型 ， 炉 排 处 收稿 日期 ： 20 10 0 3 05 ； 修 回日期 ： 2010 08 10 作者简介： 赖志 赕(19 85 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 ， 主要从事高效 低污染燃烧 的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 赖志皴 ， 等 ： 前 、 后拱 和二次 风对 垃圾 焚烧炉燃烧影响研究 71 采用 F lui d D ynam i c Inc i nerator C ode (F LIC )进 行 模 拟 计 算 ， 将 F L IC 计 算 得 到 的 结 果 导 入 FL U E N T 进行气相及热辐射 模拟计 算 ， 再将其 结果作为边界条件对 FL IC 进行计算 ， 反复迭代 至结果 收敛 。 在炉排部分 ， 运 动较为复杂 ， 其 床层 内固相 主要 控制 方程 为 ： 连续 性 方程 ： + v E(p b(g s- V e)-1一S (1) 动 量方 程 ： + Psb(g s- V 一 一 r+ p。 bg + A (2 ) 能 量方 程 ： + Ps (g s- V B)H ls一 ( 。 T 。 )+ g + Q h (3) 组 分运输 方 程 ： + (g s- V 一 ED (10 bY i 。 )+ S i (4) 在炉膛内 ， 主要是气相燃烧 。气相燃烧模 拟 采用 了有限速率 涡旋耗散 反应模型 ， 粘性模 型 为 R N G k e 湍流模型 ， 辐射传热采用离散坐标 辐射模型。由于 垃圾焚烧炉燃烧炉 膛 内烟气 的 水蒸汽含量高达30 ， 因此对燃烧混合气体的吸 收 系数 采 用 了基 于 网格 的灰 度 气 体 加 权 求 和模 型来 求 解 。二 次 风 口上 方 的 炉 墙 四 周 都 布 满 了 水冷壁 ， 计算时将其 近似处理为定温 边界条件 ， 壁面温度取 为667 K 。控 制方程采用 Si m ple 算 法求 解 。 3 前 、 后 拱比例对燃烧影 响模拟 为 了分析 前 后拱 比例 对 炉 内燃 烧 的影 响 ， 选 取 了 5 个 不 同 的炉型 进行 模拟 ， 具 体见 表 2。 表 2 前后 拱对 燃烧 影 响算例 二次风的喷入速度为 80 m s， 第一通道二次 风 口高度为4 39 m 。模拟结果 ， 在第一通道出 口 处 ， 其 主要参数见表 3。 表 3 前 、 后 拱 比例 变化 对 第一通 道 出 口主 要参 数 的影响 算例出口平 均 C 温度出 S - 速度 1) g 典型算例炉内的温度场 ， 见图 1， 图 2。 图 1算例 N O 1 炉内温度场 图 2 算例 N O 3 炉 内温度场 2 种典 型 算 例 的 炉 内 温 度 场 ， 具 体 的 对 比见 表 4。 从模拟 的 结 果来 看 ， 垃 圾 焚 烧 炉需 要 有 一 定 的前拱 。当选取第 一通 道 前墙 与 垃圾进 口距离 为 2 m 的炉型时， 可以有效 的促进垃圾水分的蒸发， 降低污染 物的 排放 ， 炉 内温度 场均 匀 ， 有 利 于维 持 炉内的稳定燃烧， 该炉型较其余 4 种炉型更优。 4 二次风位置对燃烧影 响模拟 二次风的位 置对炉 内的气流组 织 ， 补充炉 内的 燃烧需氧量起到十分重要的作用 。为了分析二次 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 72 锅炉技术 第 42 卷 前 热 辐 射 利 用 鑫 莫 嚣 羹 薯 射 后 拱 高 温 辈 錾 鬟 器 高 10温0 黼N,射 有NN利 垃圾人 口回火现象 垃圾人 121温 度过 高 ， 达 1 100 ， 容易 发生 垃圾人 I： 1与前拱 间有个长 的温度过渡 区， 垃圾入 13 温度 及液压系统安全性回火现象 ， 不利 于液压 系统 的安全运行 较低 ， 可 以有效 防止 IN 火 现象 ， 提高液压系统安全 炉内温度场均匀性炉 内温度均匀性较差 炉 内温度均匀性较优 N O 控制 第一通道有高温区 ， 不利于抑制热力型 N 高温区域范 围较小 ， 有利 于抑 制热力型 N O 生成 二 恶 英 控 制 譬 性 较 差 ， 不 利 于 确 保 烟 气 炉 内 温 度 场 较 均 匀 ， 有 利 于 确 保 烟 气 炉 内 停 留 超 过2 风风 口位 置 对炉 内燃 烧 的影 响 ， 选 取 了算例 N O 3、 N O 4 的炉 型结构 ， 进行 了如下的模拟 ， 见表 5。 表 5 二次 风位 置对 燃烧 影响 算例 二次 风 的喷入 速度 为 8O m s， 第 一通 道 二次 风 口高度 为4 39 m 。模 拟 结 果 ， 在第 一通 道 出 口 处 ， 烟气 的主 要参 数见 表 6。 典型算例的速度场和温度场分布见图 3， 图 4。 图 3算 例 5 的温度场 图 4算例 7 的温度场 表 6 二次风 喷入位 置 对 第 一通道 出 口主要 参数 的影 晌 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 赖 志赕 ， 等 ： 前、 后拱和二次风对垃圾 焚烧 炉燃 烧影响研 究 73 炉内温度场后拱二次 风 风 口布置 过 低 ， 炉 内温 度 场 均 匀 均匀性 性差 N。 控 制 器 第 一 通 道 有 高 温 区 不 利 于 二 恶英控制 匀性较差 不利于确保 烟气 炉 内停 留 高速气流从前、 后拱喷人 ， 造成气流卷吸 ， 形成旋流区 ， 产 生高温 区域 ， 温度可达 1 300 ， 可以有效利用热辐射 后拱处二次风风 口， 能够有 效 的配 合热解 段 的位置 ， 炉 内温度场均匀 温度场分布均匀 ， 有 利于抑制热力型 N O 生 成 温度场较均匀 ， 有利 于确保烟气炉内停留超过 2 S 2 种典型算例 的炉 内温度场 ， 具体对 比见表 7。 从 2 种不 同的炉 型的模 拟结果 来看 ， 前拱 喷入 的二次 风有效起 到气帘 的作 用 ， 可 以有 效防止 回火 现象 ， 有利 于液压 系统 的安 全运行 。当二次风风 口 高度为2 75 m 时 ， 高速的二次风直接吹到热解段 上方 ， 扰 乱挥发 段 的气 流 的上升 状 态 ， 同时低 温 的 二次风降低挥发段上部的温度， 不利于挥发分及热 解产 物的燃烧 ， 燃烧 产 物在 第一 通 道剧 烈 燃烧 ， 温 度过高。因此二次风风 口高度要适中， 不能太高， 也不 宜过低 。鉴 于城市生 活垃圾成 分复杂多 变 ， 尤 其是其 含水量 随着季节有 较大 的变 化 ， 因此炉排 的 干燥段 、 热解段 、 残余 炭 燃烧 段 长度 会受 垃 圾成 分 影 响而有变化 ， 在后 拱 处适 宜 布置 若 干排 风 口， 以 便根 据实际运行 状况进行选 用 。 从 2 种 不同 的炉 型的模拟结果 来看 ， 前拱 喷人 的二 次风有效起 到气帘 的作 用 ， 可 以有效防止 回火 现象 ， 有 利于液压 系统 的安 全运行 。当二次风风 口 高度为2 75 ITI时 ， 高速的二次风直接吹到热解段 上方 ， 扰乱挥发段的气流的上升状态， 同时低温的 二次 风降低挥发 段上部 的温度 ， 不利 于挥发分及 热 解产 物的燃烧 ， 燃烧 产 物在 第一 通 道剧 烈 燃烧 ， 温 度过 高 。因此 二次 风 风 口高度 要 适 中 ， 不 能太 高 ， 也不 宜过低 。鉴 于城市生 活垃圾成 分复杂多 变 ， 尤 其是其 含水量 随着 季节有较 大 的变化 ， 因此炉排 的 干燥段 、 热解段 、 残余 炭燃 烧 段 长度会 受 垃圾 成 分 影响 而有变化 ， 在后 拱 处适 宜布 置 若干 排 风 口， 以 便根据 实际运行状 况进行选 用 。 第一通道 出口处烟气的平均参数显示 ， 对 于 N O 3 炉 型 ， 当 后 拱 处 的 二 次 风 风 口 高 度 为 3 75 m 、 3 5 m 以及3 m 时， C O 的摩尔分数较小 ， 高度 为 3 25 m 、 2 75 m 时 C 0 含 量 明显 较 大 。可 能是 因为风 口位 置为 3 25 m 时 ， 从 后 拱 喷 入 的二 次风直接吹到热解段 的上方 ， 扰乱了该区域 的气 流轨线 ， 热解产物直接被 吹走 ； 同时低温 的二次 风使得热阶段上方区域温度下降， 不利于燃烧 的 进行 。对 于 高度 为2 75 m 时 的二 次风 口 ， 喷 入 的 冷二次风同时影响热解段和残余炭燃烧段 ， 见算 例 5 温 度 场 。当 第 一 通 道 前 墙 离 垃 圾 入 口 为 2 m ， 前 拱二 次 风风 口高度 为3 67 m ， 后 拱 二次 风 风 口高度为3 75 m 时， 第一通道 出口烟气平均温 度 为1 028 4 ， 平 均 速 度 为 8 91 m s， C O 浓 度 为0 244 g m 。 。对 于 N O 4 炉 型 ， 后 拱 处 的二 次 风 风 口高度 为3 ITI时 ， CO 的摩 尔较 低 。 从 图 2 和 图 4 可 以看 出 ： 增 加斜 拱 的二 次 风 喷 口， 可以增加气流的扰动混合 ， 增强传热传质， 改 善炉 内的燃 烧 状 况 ， 使 温 度 场 更 加 均 匀 ， 对 于 垃圾 的干燥 、 热解 ， 维 持 炉 内 的稳 定 燃 烧 、 减 少 污 染 物排 放有 着重要 的作 用 。 5 结 论 对 处理 量为 250 t d 的垃 圾 焚烧 炉 的前 后 拱 及 二次 风布 置对 燃烧 影 响 进 行 了数 值 模 拟 分 析 ， 得 出 以下几 点结论 和建 议 ： (1) 前 拱 可 以较 好 的利 用 热 辐 射 效 应 ， 有 效 减少 或 者避 免垃 圾进 口处 出现 回火 现 象 ， 保 证 液 压 系统 的安 全工 作 。后 拱 区 域温 度 较 高 ， 强 烈 的 热 辐射 效应 有 利 于 垃 圾 的干 燥 、 热 解 ， 对 于 维 持 炉 内 的稳 定 燃 烧 和 降 低 污 染 物 排 放 具 有 重 要 的 作用 。当采用 第 一通道 前 墙 离 垃圾 进 口2 1TI的炉 型 时 ， 炉 内燃 烧状 况较 佳 。 (2) 二 次风 主要 补充 燃烧 的需 氧量 以及 改 变 炉 内 的气 流 组 织 。在 斜 拱 处 喷 人 二 次 风 将 有 利 于优 化 炉 内气 流 组 织 及 温 度 场 据 本 文 模 拟 结 果 ， 前 拱 二 次 风 风 口高 度 为 3 82 rn ， 后 拱 二 次 风 风 口高度为3 5 rn时 ， 有利于炉 内燃烧的优化。 (3) 前 拱处 二 次 风 可 以 产 生气 帘 的作 用 ， 可 以避 免 垃圾人 口处 出现 回火 现象 ， 保 护 垃 圾 入 口 的液压系统 ； 同时在前拱 区域产生 回流 ， 形成 高 温 区 ， 有 利于 热辐 射 的利 用 。 (4) 适 宜在 后 拱 多 布 置若 干排 二 次 风 风 口， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 74 锅 炉 技术 第 42 卷 以便 于根 据 垃圾 成 分 的 变 化 来 调 节 二 次 风 喷 人 位置 ， 优 化炉 内 的燃 烧 。 (5) 当第一通道前墙离垃圾人 口为2 m ， 前拱 二次 风风 口高 度为 3 67 m ， 后 拱二 次 风 风 口高 度 为 3 75 m 时 ， 第 一 通 道 出 口 烟 气 平 均 温 度 为 1 028 4 ， 平 均 速 度 为 8 91 m s， C O浓 度 为 0 2 44 g m 。 。 符号 说 明 ： p sb V 。一 B g H 。 一 盯 S 。 Q h t r 吼 T 床层的大体积密度 ， kg m 。 ； 垃圾 颗 粒 的平 均运 动速 度 ， m s； 炉 排 的运动速 度 ， m s； 重力 加速 度 ， N kg ； 固体颗粒中各组分(水分 、 挥发分、 焦 碳 、 灰 分 )的 的焓 ， J kg ； 料层 内的法线 压力 张量 ； 垃圾 水分 蒸发 、 热解 、 焦 碳燃 烧 速率 ， kg m 。 ； 垃圾 料层 的导 热率 ， W m k ； 垃圾 固相 热源 ， W m 。 ； 时 间 ， S； 料层 内 的剪切 力张量 ； 辐射 热流 ， w m 。 ； 垃圾 料层 温度 ， K ； S yi y J A D 源项 ， kg m 。 S； 颗粒 中各 组 分 (水 分 、 挥 发 分 、 焦 碳 、 灰分 )的质 量分 数 ； 源项 ， N m 。 ； 固体颗粒的混合系数 ， m 。 s。 参 考 文献 ： Eli吕亮， 丁艳军 ， 朱琳 ， 吴 占松城市 生活 垃圾 焚烧 炉 的仿真 J动力工程 ， 2006 ， 26(5) ： 634 637 E22 马晓茜 ， 卢苇 ， 张笑 冰， 沈 文生垃 圾焚 烧炉 热力 模型 研究 EJ3化学工程 ， 2000 ， 28(4) ： 36 40 3 马晓茜 ， 刘 国辉 ， 余昭胜基于 C F D 的城市生活 垃圾 焚烧炉 燃烧优化 EJ3华 南理工 大学 学报 (自然科 学 版)， 2008， 36 (2 ) ： 1 0 1 1 0 6 E4 Y ang Y B ， Y am auc hi H ，N asserzadeh V ， et a1E ffec ts of fu e l d ev o la ti li sa ti on o n th e c o m b u s ti o n o f w o o d c h i p s a n d i n c i n e rati o n o f si m u la ted m u n i c i pa l s o li d w a stes i n a p ac k ed b ed JjF uel， 2003 ，82 ： 220 5 222 1 5 C hang K ook R yu ，Sangm i n C hoi 3-D i m ensi on al Si m ulati on of A i r M i xi ng i n th e M S W Inc i nerators EJ2C o m busti on Sc i e n c e a n d te c h n olo g y ，19 9 6 ，1 1 9 ： 1 55 17 0 6 朱颖 ， 金保升 ， 王小芳 ， 张 华钢 平衡计算 法研究 出事生 活垃 圾焚烧炉运行参数EJ锅炉技术 ， 2007 ， 38(3) ： 62 66 E73 马晓茜 ， 卢 苇， 沈文生焚烧炉气相燃烧工况条件优化 的分析 与计算LJ上海环境科学 ， 1999 ， 18 (3) ： 135 138 S tu d y O ff th e Influ e nc e o f A rc h a n d S ec o n d a ry A i r o n th e C o m b u s t i o n i n a M S W In c i n e ra to r L A I Z h i yan g 。 MA X i aoqi an 。 Y U Z haosh en g (S c ho ol of E lec tri c P o w er ，S ou th C hi na U n i v ersi ty of T ec h no log y ，G u ang zho u 510 640 ，C h i n a) A b st ract ：A c c ordi n g to th e c h arac teri sti c s of MSW，a i n c i n erator ，w hi c h di sp oses 250 ton s of w a ste dai ly ，i s tak en fo r stud y In th i s pap er ，b ased on th e p arti ti on m od el th eory ，n u m eri c al si m ulati o n w as ap pli ed to an alysi s th e i n fluen c e w h en th e fron t arc h len gth ，rear arc h