協同焚燒污泥對垃圾焚燒爐燃燒過程的影響實驗和模擬研究

喻武，朱浩

（中國環境保護集團有限公司，北京 100082）

0 引言

近年來，隨著我國城市污水處理項目數量的不斷增加以及現有項目的提標改造，城市污水污泥產量大幅增加，到2020年底，含水率為80%的污泥產量突破6 000萬t。污泥中含有大量的有害物質，未經處理任意排放會對環境造成二次污染。《“十三五”全國城鎮生活垃圾焚燒處置能力大幅提升的同時，城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》要求，到2020年底，地級及以上城市污泥無害率要達到90%[1]。

國內外污泥處理的方法主要包括衛生填埋、堆肥、干化和焚燒。與其它污泥處理方式相比，焚燒具有占地小、場地選擇容易、處理時間短、減量化顯著、無害化較徹底和可回收焚燒余熱等優點，在美國和日本等發達國家得到了較廣泛應用[2]。但是，污泥單獨焚燒對技術的可靠性要求較高，一次性投資成本較大，且運行中的煙氣處理成本較高，日常維護工作量較大[3]。根據我國垃圾處理“減量化、資源化、無害化”的政策，國內大多數城市建設了垃圾焚燒發電廠（2018年全國垃圾焚燒處理能力為37萬t/d），將污泥和城市生活垃圾協同混燒成為很有吸引力的處理手段。從2019年開始，國內新建或者擴建的垃圾焚燒發電項目，普遍設計了協同焚燒污泥的能力。但是，生活垃圾協同焚燒污泥時，污泥熱值較低和粒徑小易壓火的物理特性是否會對生活垃圾的燃燒過程，甚至發電廠的發電量造成影響，存在著爭論。

鄭雪艷[4]以處理量為600 t/d的馬丁垃圾焚燒爐為研究對象，進行了生活垃圾焚燒廠摻燒污泥的實驗研究，研究結果表明，摻燒5%的含水率為80%以上的污泥會對燃燒工況產生很大影響，污泥摻燒之前須經過干化使污泥含水率降至80%以下。楊栩聰[5]以處理量為350 t/d的某型垃圾焚燒爐為研究對象，利用CFD（Computational Fluid Dynamics）數值模擬方法研究了摻混半干化污泥（含水率為60%）的燃燒及污染物排放特性，研究結果表明，爐膛溫度與污泥摻混量成反比，且7%的污泥摻混量較合適。

綜上所述，污泥含水率是影響生活垃圾協同污泥燃燒效果的主要因素。本文針對某城市處理量為500 t/d的日立L型垃圾焚燒爐，采用實驗手段和CFD方法對生活垃圾焚燒爐協同焚燒處置干化污泥（含水率為40%）的燃燒過程進行了研究，得到了污泥摻燒比例對焚燒爐內溫度場和流場的影響，從而為垃圾焚燒爐協同焚燒污泥的實際運行提供指導。

1 研究對象及實驗方法

研究對象為國內某城市處理量為500 t/d的日立L型垃圾焚燒爐爐排。爐排分烘干、燃燒、燃燼三段，長度為14.43 m，寬度為6.22 m。爐排分活動梁和固定梁，通過活動梁的動作，爐排反復進行前進和后退動作。一次風溫度為230℃，由爐排下方6個風室送入，然后從活動爐排和固定爐排之間以及設置在爐排片上的通風孔均勻吹出，進行爐排冷卻和助燃。二次風為常溫，從焚燒爐喉口噴入，充分攪拌煙氣，控制燃燒溫度和燃燒效果，一次風和二次風比例為4∶1。

實驗中，在1煙道24.65，26.55，27.90 m位置處各布置3組溫度測點，爐膛溫度取該3組測點的平均值。干化污泥（含水率40%）通過刮板機輸送至焚燒爐的生活垃圾投料口與生活垃圾混合后入爐協同焚燒。實驗分為3組，摻燒污泥比例分別為0，5%和12%，每組重復3次。

垃圾和污泥的工業分析和元素分析結果（以收到基為準）見表1。垃圾和污泥的平均低位熱值分別為7 328，4 918 kJ/kg。

表1 垃圾和污泥的元素分析和工業分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of waste and sludge

2 數學模型及計算方法

2.1 數學模型

垃圾在焚燒爐內發生的燃燒可分為爐排上的燃燒反應和爐膛內的氣相燃燒反應[6]～[8]。其中，爐排上的燃燒過程可為4個階段：水分蒸發階段、揮發分氣化階段、揮發分燃燒階段和焦炭燃燒階段。污泥焚燒過程的連續性方程、動量方程、質量方程、組分輸運方程及輻射換熱方程參見文獻[9]，[10]。焚燒爐膛和1煙道的三維模型如圖1所示。網格劃分時，焚燒爐膛為單獨一個區，1煙道分為兩個區。網格以六面體網格為主，并對燃燒和煙氣擾動較大的區域進行局部加密處理，總網格數約為98萬。

圖1 焚燒爐物理模型和分區處理Fig.1 Incinerator physical model and zone processing

計算求解爐膛內的氣相燃燒過程時，涉及的主要控制方程如下所示[11]。

質量方程：

動量方程：

能量守恒方程：

組分輸運方程：

2.2 計算方法

生活垃圾在爐排上的燃燒過程采用FLIC軟件進行模擬[12]，[13]。該軟件求解時假定氣體和固體溫度、物種濃度在爐排的寬度方向上不變，僅沿著爐排運動方向變化。假定揮發分主要成分為CH4，CO，CO2，H2，H2O，O2，其燃燒過程簡化如下：

爐膛的氣相燃燒過程采用Fluent軟件進行計算。焚燒爐膛壁面設置為絕熱邊界條件，煙道壁面采用階梯式壁溫設置。煙道出口邊界條件類型設置為壓力出口，二次風和爐排沿程的入口邊界條件類型設置為速度入口。氣相燃燒反應速率采用有限速率-渦耗散模型，輻射模型采用P1模型，湍流模型采用Relizable k-ε模型，采用SIMPLE算法對壓力-速度耦合方程進行求解[14]。

爐排沿程入口氣體的溫度、速度和組分濃度信息，由爐排床層內燃燒模擬結果提供，反過來爐膛燃燒數值模擬提供床層內模擬所需的頂部輻射溫度分布。如此反復迭代，直到兩個模型收斂。

3 結果及分析

3.1 協同焚燒污泥的實驗結果及分析

表2給出了不同污泥摻燒比工況下，與爐內燃燒相關的鍋爐運行數據。由表2可知：生活垃圾焚燒爐協同處置污泥后，爐膛溫度受到了較大影響，摻燒5%的污泥后，爐膛溫度降低了4.4%；摻燒12%的污泥后，爐膛溫度降低了11.2%。相應的，摻燒污泥后，鍋爐受熱面吸收熱量和鍋爐蒸發量均減少。

表2 不同污泥摻混工況下的鍋爐運行數據Table 2 Boiler operation data of different sludge blending condition

焚燒爐爐渣的灼減率反映了爐內物料的燃燒效果。由表2可知，摻燒污泥后，爐渣灼減率增加，可能是因為污泥由刮板機直接輸送入焚燒爐投料口后，入爐物料混合不均勻，導致物料燃燒不充分，爐渣熱灼減率增加。不同污泥摻燒比例對焚燒爐爐渣的總量影響不大，基本維持在28%左右。

飛灰是垃圾焚燒發電過程中產生的有害廢棄物。由表2可知，摻燒污泥后，飛灰的產量增加，特別是在污泥摻燒比例為12%時，飛灰產量增加了20%。這可能是因為污泥中灰分含量較多，且污泥粒徑較小，燃燒固態產物易跟隨爐內煙氣流動。

3.2協同焚燒污泥的爐排燃燒結果及分析

圖2給出了沿爐排長度方向床層表面的煙氣溫度和殘余垃圾的分布情況。從圖2（a）可以看出：無摻燒時，在爐排長度0～4 m處，煙氣溫度變化不大，此時垃圾主要處于水分蒸發階段；當垃圾移動到爐排長度4 m處時，煙氣溫度突升至810 K，揮發分開始迅速析出并著火燃燒，即進入揮發物氣化和燃燒階段；煙氣溫度在7.7 m處到達第一個峰值，隨后焦炭開始燃燒，產生的熱量，使煙氣溫度在8.7 m處達到1 555 K；隨著焦炭快速燃燼，垃圾運動到9.2 m處后，煙氣溫度下降速度變緩。協同焚燒污泥后，床層表面煙氣溫度的變化主要體現在爐排4～7.7 m處，即揮發物氣化和燃燒階段。隨著污泥摻燒比例的增加，在揮發物氣化和燃燒階段的前段，煙氣溫度增加，后段則溫度下降。從圖2（b）可以看出，在爐排約8.7 m之后，床層表面的殘余固體質量變化不大，協同焚燒污泥對床層表面的垃圾質量減少速率影響不大。

圖2 床層表面的煙氣溫度和殘余垃圾分布Fig.2 Flue gas temperature on bed surface and Residual waste distribution

圖3給出了垃圾在爐排上燃燒時，煙氣中CH4和CO的質量分數沿爐排長度的分布情況。從圖3可以看出：不同摻燒比例下，兩種氣體質量分數的第一個峰值在爐排上出現的位置均相同，表明摻燒污泥對爐排上揮發物氣化的時刻沒有影響；但是，摻燒污泥導致CH4和CO質量分數的第二個峰值出現的位置推遲，這表明爐膛的高溫區域向爐排后段方向移動。

圖3 床層表面的CH4和CO質量分數分布Fig.3 Mass fraction distribution of CH4 and CO on the bed surface

3.3 協同焚燒污泥的爐內氣相燃燒結果與分析

表3給出了不同污泥摻燒比下，爐膛現場檢測溫度和數值模擬計算的平均溫度。由表3可知，計算溫度略低于檢測溫度，誤差較小，說明模擬結果比較合理。

表3 爐膛溫度的檢測和計算結果Table 3 Measurement and calculation result of furnace temperature

圖4給出了不同污泥摻燒比下，模擬得到的爐膛氣相燃燒中心截面的溫度分布。從圖4可以看出：無摻燒時，干燥爐排段由于水分蒸發，爐排上方溫度較低，最高溫度出現在燃燒爐排的后段；高溫煙氣沿著后拱進入1煙道，到喉口附近時，受二次風噴入的影響，與空氣混合形成強烈湍流，并繼續發生反應，煙氣溫度再次上升，爐膛后拱上部出現溫度較高區域。從圖4還可以看出：摻燒5%污泥后，爐內的溫度分布情況不變，溫度整體下降；但污泥摻燒比例由5%增加到12%后，1煙道后壁溫度繼續降低，前壁溫度回升。由于1煙道的溫度分布受煙氣湍流影響較大，可用摻燒污泥后爐內的湍流分布來解釋溫度分布的差異。

圖4 不同摻燒比例下爐膛中心截面的溫度分布Fig.4 Temperature distribution in furnace at different blending proportions

圖5給出了不同污泥摻燒比下，爐膛中心截面的湍流強度分布。從圖5可以看出：無摻燒時，爐內的湍流主要分布在爐膛喉口及以上區域，且在喉口處的湍流最強；摻燒5%污泥后，1煙道湍流整體減弱，但當污泥摻燒比例增加到12%后，1煙道前壁的湍流增強，這可能是造成1煙道前壁溫度回升的原因。

圖5 不同摻燒比例下爐膛中心截面的湍流強度Fig.5 Turbulence intensity of the furnace at different blending proportions

4 結論

①協同處置污泥對爐膛溫度影響較大，摻燒5%的污泥，爐膛溫度降低了4.4%，摻燒12%的污泥，爐膛溫度降低了11.2%；摻燒污泥導致鍋爐蒸發量減少，爐渣灼減率和飛灰產量增加；焚燒爐爐渣的總量受摻燒比例影響不大，基本維持在28%左右。

②床層燃燒模擬結果表明，協同焚燒污泥后，床層表面的煙氣溫度變化主要體現在揮發物氣化和燃燒階段；隨著污泥摻燒比例的增加，在揮發物氣化和燃燒階段的前段，煙氣溫度升高，后段溫度下降；協同焚燒污泥對床層表面垃圾的質量減少速率影響不大，但會造成揮發分中主要可燃物的質量分數峰值出現推遲。

③爐膛氣相燃燒模擬結果顯示，爐排上方最高溫度出現在燃燒爐排的后段；摻燒5%污泥后，爐內的溫度分布情況不變，溫度整體下降；但污泥摻燒比例由5%增加到12%后，1煙道后壁溫度繼續降低，前壁溫度回升。