垃圾焚燒爐高溫低氧燃燒技術可行性仿真研究

劉澤慶，林 瑜

(1.上海環境衛生工程設計院有限公司，上海 200232；2.霍尼韋爾中國研發中心，上海 201203)

0 前 言

《上海市生活垃圾管理條例》(以下簡稱“條例”)自2019年7月1日起施行。條例實施以后，干垃圾含水率明顯降低，2019年1～6月混合垃圾含水率為56.99%，7月干垃圾的含水率為17.38%，相比于混合垃圾下降了69.50%[1]，從而使干垃圾熱值提升約30%以上。

生活垃圾管理和處置方式的變化和由此導致的垃圾熱值的提升，對于垃圾焚燒爐的設計和運行提出了新的要求。計算流體力學(CFD)數值模擬為科學合理的爐膛改造和運行優化提供了有效的手段，可大幅度提高焚燒爐設計和改造的成功率。此前的數值模擬研究成果包括：陳濤等[2]基于床層燃燒的一維非穩態模型，結合爐膛空間的稀相燃燒模擬，分析了焚燒爐防結焦的結構優化措施；林海等[3]通過數值模擬研究了垃圾厚度和著火時間的關系，并對各種一次風配風方案進行了比較；李秋華等[4]模擬并評估了降低爐膛后拱和加裝擋板等措施的效果；張欽華、曾祥浩等[5-6]對爐膛上部的切圓二次風的布置方案進行了詳細仿真；王進等[7-8]通過CFD仿真，研究了采用低溫循環煙氣的二次風，以及二次風擴張角、二次風率、二次風層數和二次風傾角等因素對焚燒爐高度方向上的溫度和CO分布、前后墻結焦和耐材交變應力，以及NOX的排放等的影響規律；馮淋淋等[9]對協同焚燒污泥的工況進行了模擬，還考慮了回流煙氣的噴射效果；楊栩聰等[10]則對垃圾摻燒污泥的過程及一煙道內選擇性非催化還原脫硝(SNCR)的過程進行了仿真研究。

在垃圾分類和垃圾熱值顯著提升的大背景下，現有焚燒爐如不作調整，則燃燒段中心溫度將超過1 673 K，熱力型NOX會大量生成，由此會造成爐膛熱負荷偏離設計、結焦和污染物超排等一系列嚴重問題。高溫低氧燃燒技術是在低氧稀釋條件下進行燃燒(甚至可調節至無焰燃燒)，以最大程度實現均質化燃燒和溫度場的均勻分布，從而有效避免局部高溫[11]，NOX及CO等污染物排放水平也很低。現有文獻中，有采用低溫循環煙氣作為二次風的[7]，但該項措施對于主燃區的燃燒效果影響很小。至于在主燃區(爐排燃燒段區域)噴入高溫低氧助燃空氣的做法，則很少有文獻涉及。為此，本文將利用CFD數值仿真技術，探索在垃圾焚燒爐的主燃區采用高溫低氧燃燒技術的可行性，通過對爐內氣流組織、組分場和溫度場均勻性等方面的考察，分析該技術對主燃區燃燒組織和溫度場調節，以及抑制熱力型NOX生成的效果，從而為紓解垃圾分類(干濕分離)后高熱值垃圾燃燒處置的困難提供一種解決方案。

1 研究目標及模型簡介

分類后干垃圾熱值相比于混合垃圾增幅超過35%，燃燒中心火焰溫度大幅提升將進一步加劇焚燒爐結焦及NOX原始生成濃度，而傳統煙氣再循環技術僅能控制NOX低于200 mg/Nm3。針對上述問題，本項目在普通垃圾爐排爐的基礎上，在其前拱設置若干高速噴口，溫度為1 073 K，噴出流速分別為60、50、40、30 m/s。通過高溫低氧燃燒仿真研究，模擬不同噴口流速下的爐內參數分布，并將溫度場和組分場分布的均勻性作為評價噴口設計效果的主要指標。通過考察高溫低氧燃燒技術對爐內燃燒組織的影響，形成垃圾焚燒爐內高溫低氧燃燒技術的設計思路和初步方案，為后續的工程應用與推廣給予理論支撐。

仿真模型簡介：床層燃燒的仿真模型采用Yang Y. B.等開發的FLIC程序[12-15]；氣相湍流燃燒模擬采用Fluent軟件中的模型，湍流模型為標準k-ε模型，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，氣相燃燒反應采用有限速率/渦耗散模型，輻射模型采用DO模型。本文根據垃圾焚燒爐燃燒的特點和不同軟件的功能，采用如下思路和流程進行數值模擬(如圖1所示)：FLIC計算得到垃圾床層固相燃燒結果，由此獲得煙氣溫度、流速和各組分濃度沿爐排長度方向的分布曲線，將其作為入口邊界條件導入Fluent，以此為基礎再進行床層上方的氣相燃燒模擬。然后將Fluent計算得到的氣相對下方床層的輻射強度反饋給FLIC，重新進行床層上方固相燃燒計算。此即FLIC和Fluent的雙向耦合計算，如此反復迭代多次直到輻射強度不再變化，視為計算收斂。

圖1 FLIC與Fluent的耦合計算方法Fig.1 Couple calculation methodology between FLIC and Fluent

2 研究對象及邊界條件

研究對象：爐排爐，垃圾熱值10 000 kJ/kg，日處理量為500 t/d。

爐膛三維模型，如圖2所示，爐排依次分為干燥段、燃燒段、燃盡段。焚燒爐為保障垃圾充分燃燒，采用絕熱壁面。垃圾從料斗下料后依次經過干燥段、燃燒段、燃盡段，再通過落料口進入除渣器，該燃燒過程一般持續1.5～2 h。一次風溫度473 K，在干燥段、燃燒段、燃盡段風量配比為0.15∶0.70∶0.15，過量空氣系數為1.4。為探索高溫低氧技術在垃圾焚燒爐上使用的可行性，特別在爐前拱布置11個高溫低氧噴口，噴口方向對準爐排中的燃燒段，噴口直徑為0.12 m。本文主要考察噴口流速的影響，流速分別設置為60、50、40、30 m/s，噴射氣流溫度為1 073 K，氣體中氧氣濃度5%(體積分數)。射流氣體的流量和氧濃度根據爐內配風量和配風比例計算得到，通過高溫煙氣回流與空氣混合來獲得所需的氧濃度，低氧射流的目的是抑制燃燒段NOX的生成。

圖2 生活垃圾焚燒爐及高溫低氧噴口設置示意圖Fig.2 Schematic diagram of domestic waste incinerator and the set of high temperature and low oxygen nozzles

3 仿真結果分析

本文對流速60、50、40、30 m/s這四種工況下高溫低氧噴口在爐排爐上的使用效果進行考察，通過對比不同工況下燃燒段上方燃燒區域的組分場及溫度場分布的均勻性，進而找出較優的噴口氣流設計方案，從而為高溫低氧燃燒技術在焚燒爐上的應用提供理論層面的借鑒。

3.1 原爐型的爐內流場、溫度場及組分場分析

先對不采用高溫低氧燃燒技術的原有焚燒爐(原型爐)進行仿真。圖3為原爐型的爐內流場、溫度場及組分場分析。

由圖3(a)可見，固體床層附近，在爐膛長度約1/2處為火焰中心，最高溫度約1 300～1 400 K，蒸發干燥段和燃盡段溫度相對較低。垃圾經過干燥段降低水分后，在燃燒段爐排表面進行均相和非均相燃燒，燃燒熱量一方面提高了煙氣溫度，同時使得垃圾快速熱解。垃圾在爐排上熱解、燃燒后，揮發分及煙氣從床層頂端逸出進入燃燒室，未完全燃燒的可燃性揮發分氣體繼續與O2發生反應，在爐膛空間及其上方的一通道內釋放出大量的熱量。

由圖3(c)可見，垃圾床層上的O2高濃度區域主要分布在蒸發干燥段和燃盡段。燃燒段氧氣濃度急劇降低，因為燃燒段內垃圾劇烈燃燒，絕大部分氧氣在該區域被消耗掉，同時燃燒段兩側的氧氣由于擴散動力學限制不能有效進行補充。

由圖3(d)可見，在干燥段，大量水分蒸發，因此在干燥段爐排上方的水蒸氣濃度較高。在燃燒段中部，整個干燥過程已進行完畢，水蒸氣濃度明顯減小。另外，對比圖3(a)可見，由于干燥段水分大量蒸發，蒸發吸熱作用導致干燥段上方煙氣溫度也相對較低。

從圖3看，不采用高溫低氧燃燒技術的傳統焚燒爐，燃燒段及其上方的空間內，溫度場和組分場的不均勻性比較明顯。

3.2 高溫低氧燃燒技術對應的流場分析

圖4為采用高溫低氧燃燒技術的爐內流場分布。由圖4可見，噴口流速分別為60、50、40、30 m/s 時，射流前端與爐排面的垂直距離分別為0.5、0.5、1.0、1.5 m，顯然較高速的噴射氣流對固體床料的影響更大。高溫氣體(1 073 K)的高速射流引起周圍氣流的旋流和卷吸，由此導致燃燒段爐排上方局部高溫的揮發性氣體和煙氣被卷吸、裹挾。高溫射流氣體和爐排上方氣氛的這種高速摻混和互相作用，將極大地促進不同溫度及組分氣體的有效混合，從而有利于爐排上方床料的著火和燃燒。

如圖4(c)和(d)所示，隨著噴口流速降低，高速射流對爐排面上方空間的影響及氣體摻混能力下降，射流對主燃區的氣流和燃燒組織的影響也就較小。

圖3 原爐型的流場、溫度場及組分場分析Fig.3 Analysis of flow,temperature and species fields for the original furnace

圖4 采用高溫低氧燃燒技術的爐內流場分布 (m/s)Fig.4 Flow field profile for the furnace using high temperature and low oxygen combustion technology (m/s)

3.3 高溫低氧燃燒技術對應的氧氣濃度分布分析

圖5為采用高溫低氧燃燒技術的爐內氧氣濃度分布。從圖5可見，由于燃燒段爐排上方燃燒反應劇烈，氧氣濃度明顯較低；而燃燒段兩側的氧氣濃度較高，尤其是燃盡段氧氣濃度最高，因為該段對應的焦炭燃燒速度緩慢。由圖5(a)和(b)可以看出，高溫低氧燃燒噴口的設置，有效加強了燃燒段爐排上方氣體的混合，氣體卷吸和摻混的范圍也明顯加大。與噴口速度較低的圖5(c)和(d)兩工況相比，噴口流速較高時(60 m/s和50 m/s)，燃燒段上方氣相組分混合均勻，氧氣濃度在6.5%～7%(體積分數)。燃燒段區域的氧氣濃度分布越均勻，越有助于垃圾床料的充分燃燒和污染物的徹底分解，也有助于燃燒溫度的均勻及NOX的控制。

3.4 高溫低氧燃燒技術對應的溫度場分析

高溫低氧噴口的高溫高速氣流對主燃區氣相空間的混合能力，決定了爐內溫度的分布情況。圖6為采用高溫低氧燃燒技術的爐內溫度場分布。由圖6可見，噴口流速較低時(40 m/s和30 m/s 的工況)，燃燒段上方的高溫區域(溫度高于1 350 K)范圍較大；而噴口流速較高時(60 m/s和50 m/s的工況)，燃燒段上方的高溫區域范圍較小，且高溫區域僅存在于爐排表面。由圖6(a)和(b)可以看出，燃燒段爐排上方的主要燃燒區域的溫度均勻，約為1 200 K。該溫度低于一般垃圾焚燒飛灰的灰熔點溫度，故高溫低氧燃燒技術將有助于減輕焚燒爐內的結焦情況。

圖5 采用高溫低氧燃燒技術的爐內氧氣濃度分布(體積分數)Fig.5 Oxygen concentration profile for the furnace using high temperature and low oxygen combustion technology (volume fraction)

通過上述高溫低氧噴口在60、50、40、30 m/s射流工況下的CFD仿真及其流場、組分場和溫度場的分析，可以發現：較高速射流(60 m/s和50 m/s)工況下的氣流設計和燃燒組織更為優越，射流前端基本可達爐排表面，這顯然有利于爐排上方垃圾燃料的快速著火燃燒。高速射流氣體的卷吸和摻混能力明顯更強，形成的氣流旋渦覆蓋了主燃區(爐排燃燒段)的高溫段；氣體組分混合均勻，爐排上方主燃區及一通道的氧氣濃度在6.5%～7%(體積分數)。較高速射流(60 m/s和50 m/s)工況，其對應的主燃區溫度也更均勻，約為1 200 K；局部高溫僅存在于爐排表面，由此可有效緩解焚燒爐內的結焦情況，同時有助于抑制NOX的初始生成濃度。

圖6 采用高溫低氧燃燒技術的爐內溫度場分布(K)Fig.6 Temperature field profile for the furnace using high temperature and low oxygen combustion technology (K)

4 結 論

本文在普通垃圾焚燒爐排爐結構的基礎上，在其前拱設置了11個高速噴口，噴射800 ℃、氧氣濃度5%的高溫低氧氣流，噴口方向對準爐排的燃燒段。本文對不同噴口流速(分別為60、50、40、30 m/s)工況下焚燒爐內的高溫低氧燃燒技術進行CFD仿真，模擬得到了各工況下的爐內流場、組分場和溫度場分布，并將氧氣濃度場和溫度場分布的均勻程度作為噴口氣流設計的主要評價指標，以探索噴口氣流設計對高溫低氧燃燒技術使用效果的影響。數值仿真的結果表明：與40 m/s和30 m/s的較低噴口速度相比，60 m/s和50 m/s 較高噴口速度的氣流設計和燃燒組織更為優越，噴射氣流的卷吸和摻混能力強，噴流的前端基本可達爐排表面，形成的氣流旋渦覆蓋了主要燃燒區域(爐排燃燒段)的高溫段。燃燒段上方的氣體組分混合均勻，主要燃燒區域氧氣濃度在6.5%～7%(體積分數)。主要燃燒區域溫度均勻，約為1 200 K，局部高溫僅存在于爐排表面，由此可有效緩解焚燒爐內的結焦情況，同時也有助于抑制NOX的初始生成濃度。