低氣壓條件下垃圾焚燒鍋爐爐內氣相燃燒數值模擬

瞿兆舟

（上海康恒環境股份有限公司，上海 201703）

低氣壓條件下垃圾焚燒鍋爐爐內氣相燃燒數值模擬

瞿兆舟

（上海康恒環境股份有限公司，上海 201703）

以拉薩某生活垃圾焚燒發電廠配套的垃圾焚燒鍋爐為研究對象分析、驗證垃圾焚燒鍋爐的性能，通過對低氣壓條件下垃圾焚燒鍋爐爐內氣相燃燒數值模擬分析，結果表明垃圾焚燒鍋爐在燃燒性能和“3T”準則性能能夠達到設計指標。

低氣壓；垃圾焚燒；數值模擬

生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐（以下簡稱垃圾焚燒鍋爐）為大型、復雜熱工機械設備，具有燃料成分復雜、熱值不穩定、煙氣具有腐蝕性等特點［1］。在高海拔地區運行的垃圾焚燒鍋爐，隨著大氣壓力急劇下降還會對垃圾燃燒性能、爐膛傳熱及污染物生成等產生影響。筆者以拉薩某生活垃圾焚燒發電廠配套的垃圾焚燒鍋爐為低氣壓條件下爐內氣相燃燒數值模擬對象，數值模擬過程中選用合理的數學物理模型，得到爐膛速度場、溫度場、各組分濃度場等結果。通過分析數值模擬結果驗證垃圾焚燒鍋爐的一二次風參數、爐膛結構、污染物生成等是否滿足規范及性能要求［2］。

1 數值模擬對象結構及設計參數

拉薩某生活垃圾焚燒發電廠所處海拔3 650 m，空氣中年平均含氧量僅占平原地區含氧量的64.3%。該項目焚燒爐采用上海康恒設計、制造的Von Roll機械式爐排，配套余熱鍋爐為單鍋筒、自然循環蒸汽鍋爐、臥式布置蒸發器+過熱器、后附立式省煤器。爐膛燃燒室前后拱為水冷壁，兩側為護板結構，其中燃燒爐排段側墻布置空冷墻。前后拱分別布置5個和6個口徑為DN80的二次風噴口，其中前拱二次風噴口以一定的角度下傾，后拱6個二次風噴口以水平方向朝爐內噴入。整個爐膛呈上寬下窄布置，在焚燒爐出口集箱處為界。為了保證煙氣在850℃以上溫度區間至少停留2 s，爐膛出口窗以下區域敷設耐火澆筑料。垃圾焚燒鍋爐主要設計參數如表1所示。

表1 垃圾焚燒鍋爐設計參數

2 數值模擬模型

2.1 垃圾焚燒鍋爐數值模擬概述

由于垃圾燃料層中復雜的物質和能量轉換、稀相空間中湍流反應及兩者之間強烈的交互作用，所以垃圾爐排爐CFD（Computational Fluid Dynamics） 模擬比煤粉鍋爐更加復雜［3］。目前研究爐排爐燃燒特性最流行方法是將床層燃燒與稀相空間燃燒分步模擬。稀相空間模擬主要以實驗或經驗數據做為邊界條件，在改變燃料時，同時結合試驗研究數據和相似爐型運行參數，可以充分發揮數值模擬的經濟性。CFD模擬軟件可以對助燃空氣配比、爐膛結構和二次風設計進行驗證，通過不同工況下流場、溫度場和濃度場的改變來評價整個焚燒爐的燃燒、燃盡、污染物生成等性能。

2.2 數值模擬邊界條件及簡化假設

數值模擬建立的垃圾焚燒鍋爐爐膛氣相反應區為全尺寸三維模型，模型研究范圍的入口為機械爐排表面（包含垃圾層表面），出口為垃圾焚燒鍋爐爐膛出口。利用Ansys-ICEM軟件對該模型進行非結構化網格劃分，利用Ansys-Fluent軟件建立垃圾焚燒鍋爐爐膛氣相反應區的三維流場模型并進行模擬分析［4］。

為避免網格劃分過細，同時為提高計算過程中的收斂性能、保證計算精度，在建模及模擬設置過程中采用以下簡化假設：①湍流模型采用標準k-ε模型；②氣相燃燒模型采用渦擴散模型；③燃料出入口處作簡化處理；④未考慮垃圾厚度；⑤為防止計算中回流現象，爐膛出口延長2 m。數值模擬計算時輸入參數如表2所示。

表2 數值模擬輸入參數

3 數值模擬結果及分析

由于大氣壓力降低和單位容積內氧分子數減少，垃圾燃燒反應速度將降低，表現為著火困難和較難于燃盡。同時高海拔低氣壓使CO2的離解率增加，使煙氣中的CO2含量減少，CO含量增加，從而使化學不完全燃燒損失增加。低氣壓使煙氣體積變大，所需過量空氣系數α也越大，則燃燒產物爐內停留時間將減少，同時相對增加不完全燃燒損失份額。根據氣體黑度公式α=1-e-kps，爐膛內壓力會影響氣體黑度，從而影響爐膛輻射傳熱。

數值模擬計算可以得到爐膛內的溫度場、速度場、輻射特性、湍流特性及各組分（如O2、CO、CO2、CH4等）濃度場。結合低氣壓對燃燒及爐膛結構影響，本數值模擬著重分析垃圾焚燒鍋爐在大氣壓力65 kPa條件下的燃燒性能和“3T”準則性能。

3.1 燃燒性能分析

垃圾進入爐排后經高溫煙氣輻射加熱，開始干燥和析出揮發分，然后著火和燃盡，以上各階段主要在干燥爐排、燃燒爐排和燃盡爐排相繼進行。在干燥爐排上垃圾被烘干，整體溫度較低，圖1中爐膛左下部（干燥爐排區域）溫度為700～900℃。從圖1和圖2可以看出，爐膛下部（燃燒爐排區域） 出現大于1 200℃的高溫區域同時O2充足，由此可以說明垃圾能夠順利著火燃燒。

圖1 爐膛溫度場

圖2 爐膛O2濃度場

一次風從爐排下漏渣斗送入，穿透爐排和料層后參與燃燒，因此O2濃度從爐排往上逐漸降低趨于為0。O2濃度在二次風噴入后增大，然后由于煙氣中可燃物質的進一步燃燒O2濃度再次降低，爐膛出口O2濃度（濕基） 為6.7%。圖2反映了爐膛中O2濃度由大到小再變大最后變小的整個過程。從圖3可以看出爐膛出口CO濃度接近為0，結合爐膛O2濃度分布特性，說明爐膛結構和二次風設計滿足垃圾燃盡要求。

圖3 爐膛CO濃度場

3.2 “3T”準則性能分析

垃圾焚燒過程中控制不當會產生二惡英類有機污染物，對人和動物有劇毒，是當今已知毒性最強的有機化合物。根據GB/T 18750—2008生活垃圾焚燒爐及余熱鍋爐要求，垃圾焚燒爐及余熱鍋爐正常運行時，其內部應存在同時滿足煙氣溫度不應低于850℃、有足夠的湍流強度確保均勻混合、產生的煙氣在該區域的停留時間不低于2 s的氣相空間高溫區域，即垃圾焚燒鍋爐須滿足“3T”準則。

“3T”準則中一般認為爐膛內溫度分布為最關鍵因素，模擬結果中爐膛出口溫度為915℃（如圖1所示），與按熱力計算得到的爐膛出口溫度為896℃基本吻合。圖4、圖5分別為爐膛內煙氣速度場及速度矢量模擬結果，根據體積平均方法，把爐膛內進出口空間內的煙氣垂直向上流動的速度根據加權平均得到網格平均流速為2.69 m，相應爐內停留時間為6.7 s。所以爐膛結構滿足煙氣在850℃以上溫度區間停留時間大于2 s。

圖4 爐膛內煙氣速度場

圖5 爐膛內煙氣速度矢量圖

二次風噴口設置在爐膛前后拱區域，其中前拱二次風噴口以一定角度下傾，后拱二次風噴口水平布置。二次風設計風量為11 500 m3/h，設計溫度20℃，在給定風壓下二次風噴口風速高達71.2 m/s［5］。圖6、圖7分別為爐膛前后拱水平截面速度矢量圖，二次風的噴入在爐膛內形成很強的湍流，促使爐膛內各組分均勻混合，有效遏止二惡英類有機污染物生成。

圖6 前拱水平截面速度矢量圖

圖7 后拱水平截面速度矢量圖

3.3 變工況數值模擬結果及分析

垃圾焚燒鍋爐熱負荷變化為60%～110%，在不助燃情況下入爐垃圾最低低位發熱量為5024kJ/kg。因此需對垃圾處理量385t/d、低位發熱量7320kJ/kg，垃圾處理量210 t/d、低位發熱量7 320 kJ/kg，垃圾處理量350 t/d、低位發熱量5 024 kJ/kg這3種典型變工況進行數值模擬。由表3可知，3種典型變工況下，爐排及爐膛結構均滿足垃圾燃燒、燃盡和“3T”準則，變工況3必要時投入輔助燃燒器以保證煙氣在850℃以上溫度區間至少停留2 s。

表3 變工況數值模擬結果

4 結論

通過提高一次風溫、合理布置二次風及優化爐膛結構等措施，垃圾焚燒鍋爐在大氣壓力65 kPa條件下能連續穩定運行，燃燒、“3T準則”等關鍵性能指標全部合格。

［1］ 白良成.生活垃圾焚燒處理工程技術［M］.北京：中國建筑工業出版社，2009.

［2］ K?r S K.Numerical modelling of a straw-fired grate boiler［J］.Fuel，2004，83（9）：1183-1190.

［3］ Klason T，Bai X S.Combustion process in a biomass grate fired industry furnace：a CFD study ［J］.Prog Comput Fluid Dy，2006，6（4）：278-286.

［4］ Nasserzadeh V，Swithenbank J，Jones B.Three-dimensional modelling of a municipal solid-waste incinerator［J］.J Inst Energy 1991，64（460）：166-175.

［5］ Nasserzadeh V，Swithenbank J，Jones B.Effect of high speed secondary air jets on the overall performance of a large MSW incinerator with a vertical shaft［J］.Combust Sci technol，1993，92（4/6）：389-422.

Numerical Simulation of Waste Incinerator Chamber under Low Atmospheric Pressure with Gas Combustion

Qu Zhaozhou
（Shanghai SUS Environment Co.Ltd.，Shanghai201703）

One incineration and power plant of urban domestic waste was located in Lasa city，the western plateau region of China.Through numerical simulation of waste incinerator chamber under low atmospheric pressure with gas combustion，the performance of waste incineration boiler of the power plant was analyzed and validated.Results showed that the waste incineration boiler combustion performance can meet design index and the rule of“3T”.

low atmospheric pressure；waste incineration；numerical simulation

X705

B

1005-8206（2017）05-0084-04

2016-12-06

瞿兆舟（1982—），工程師，主要從事環境工程技術研發和管理。

E-mail：quzz@shjec.cn。