CFD在垃圾焚燒爐膛設計上的應用

郭天宇， 張瑛華， 姚 心， 楊培培， 劉海威， 劉 誠

(1.中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038； 2.中國科學院過程工程研究所， 北京 100190)

0 引言

焚燒爐膛內的垃圾燃燒反應和過程非常復雜，涉及有機垃圾干燥脫水、燃燒反應和燃燼成灰，爐膛內固相氣相交互作用，一直以來是國內外行業內的研究難點。

由于爐膛內燃燒溫度高，化學成分復雜，化學反應復雜[1]，很難用測量元器件直觀測量爐膛內溫度場和速度場及各生成組份含量；同時，采用有限元數值模擬技術，由于爐膛內固相氣相交互作用，大量的數學模型、物理模型建立、邊界條件的簡化、假設和網格劃分等，對數值計算的計算機要求也較高。

為此，本文針對爐膛內垃圾燃燒過程進行模擬，簡化模型，提高效率，初步分析了焚燒爐結構對垃圾爐內燃燒的影響，對焚燒爐型提出優化建議，對焚燒爐運行控制提出可行性優化措施。

1 計算模型

1.1 幾何模型

本文的研究對象為某生活垃圾焚燒發電廠處理能力為400 t/d的日立造船Von Roll L型機械爐排焚燒爐。爐排共分為3段，即干燥段、燃燒段和燃燼段。每段爐排均可以單獨調整運動，通過爐排運動速度來調整爐排上方垃圾厚度，進而達到調整垃圾的混合長度和爐排上停留時間的目的。

圖1為焚燒爐結構示意圖。垃圾焚燒爐幾何模型在ANSYS Workbench中建立，選用ANSYS軟件中ICEM-MESHING模塊軟件進行網格劃分。

圖1 焚燒爐結構圖

圖2 焚燒爐二維模型

本文網格劃分主要采用四邊形單元，局部采用三角形單元，形成單元數量及節點數量分別為56 635和57 319。

1.2 數學模型

連續性方程(質量守恒)：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

2 邊界條件

生活垃圾焚燒爐中的燃燒過程很復雜，固體床層多相燃燒的數值計算較為復雜，為簡化計算，本文對復雜的爐排燃燒區域進行簡化，用緊靠爐排的揮發分氣體作為入口邊界條件，采用Fluent軟件對焚燒爐中的氣相燃燒進行模擬計算。進口邊界條件是Frey[2]等通過實驗測量爐排上方煙氣的溫度曲線及組份濃度分布，該數據已為許多研究者所借鑒驗證[3-6]。推料器速度為0.08 m/s，干燥段及燃燒段速度為0.1 m/s，燃盡段速度0.08 m/s。推料器及干燥段料層厚度是80 cm，燃燒段、燃盡段料層厚度分別是40 cm和30 cm。入口采用速度進口，出口采用壓力出口邊界條件。

本文重點分析爐拱對爐內燃燒的影響，設定二次風溫為220 ℃，前后墻二次風風速分別為76 m/s和91 m/s。計算分析以下5種工況見表1。

3 結果與討論

3.1 原始設計爐內燃燒仿真結果及分析

圖3所示為該項目原始設計爐型的模擬結果。模擬結果可以直觀反映設備結構、尺寸對燃燒、氣體運動、反應進行、污染物分布的影響。模擬結果表明在二次風風速較高時，原始設計(工況一)的前后拱角度(前拱15°、后拱41°)合適。隨著二次風的噴入，爐內氣流擾動混合加大，爐膛內高溫區更集中于燃燒段，有利于垃圾的燃燒反應，出口處溫度場均勻，流場湍流度很好，有利于可燃氣體的完全燃燒，有利于煙氣在850 ℃以上停留時間超過2 s，減少二噁英的生成，有利于抑制熱力型的NOx生成。

表1 工況條件列表

圖3 原始設計焚燒爐內仿真結果

3.2 設計二爐型爐內燃燒仿真結果及分析

設計二爐型后拱高而長，基本覆蓋了爐膛1/2面積，即覆蓋了燃燼段和1/2燃燒段面積，且與前拱拐角高度基本相平。由溫度、速度仿真結果(見圖4)可以看到該設計爐型將后拱下燃盡段煙氣引導至燃燒段，充分利用爐膛后拱輻射換熱和氣體對流換熱，且可以使被吹起的灼熱灰粒和碳粒回流落到垃圾層表面，保證爐膛內垃圾的充分燃燒，具有一定的引燃作用。

圖4 設計二爐型爐內仿真結果

3.3 設計三爐型爐內燃燒仿真結果及分析

圖5所示為設計三焚燒爐內仿真結果，設計三爐型前拱低而短，覆蓋了干燥段面積，溫度分布、速度分布及生成物濃度分布結果表明設計二增強了前拱的再輻射作用，延長了高溫煙氣爐膛內的停留時間，極大地加強對垃圾的干燥能力，此結構非常有利于高水份垃圾的干燥熱解，壁面水份大量進入燃燒段，使燃燒點后移。

圖5 設計三爐型爐內仿真結果

3.4 設計四爐型爐內燃燒仿真結果及分析

圖6為設計四爐型爐內燃燒仿真結果。設計四爐型前后拱基本覆蓋爐膛3/4面積，尤其是后拱覆蓋了爐膛1/2面積，二次風作用在爐膛內形成對稱漩渦。由于后拱角度過小，結合二次風布置，未形成氣流對沖，爐膛出口氣流偏流，流場不均勻。對比之前結果可以得到，后拱角度變化對爐膛燃燒影響更大。

圖6 設計四爐型爐內仿真結果

3.5 設計五爐型爐內燃燒仿真結果及分析

圖7為設計五爐型爐內燃燒仿真結果。該爐型設計后拱角度過大，仿真結果表明，該爐型設計結合二次風布置，也未形成氣流對沖，爐膛出口氣流同樣偏流，流場不均勻，且爐膛燃燒后氣流停留時間過短，擾動小，充分燃燒效果差。

對比五種設計爐型內燃燒情況及溫度、速度分布，可以看到隨著前拱角度依次增加(0°、15°、30°)，爐膛出口處平均煙氣溫度依次升高；前拱角度過小，爐膛出口處氣流偏前墻；前拱角度過大，爐膛出口處氣流偏后墻。隨著后拱角度依次增加(31°、41°、51°)，爐膛出口處平均煙氣溫度依次降低；后拱角度過小，爐膛出口處氣流偏后墻；后拱角度過大，爐膛出口處氣流偏前墻。

圖7 設計五爐型爐內仿真結果

4 結論

本文通過模擬計算五種不同垃圾焚燒爐型內燃燒過程，直觀驗證焚燒爐膛的設計(前后拱設計)對燃燒、溫度分布、氣體運動、污染物停留的影響。

垃圾焚燒爐膛前拱的設計應結合我國生活垃圾含水率高的特點，設計低而短，長度考慮覆蓋干燥段。后拱對爐膛燃燒影響較大，應結合爐排角度和二次風布置，合理設計角度、長度和高度。

表2 五種爐型模擬結果對比列表如下