基于ASPEN及FLUENT的危險廢棄物焚燒工藝模擬及應用

雷祖磊，劉曉燕，張 相，田 圃，趙琛杰，周俊虎

（1.浙江百能科技有限公司，浙江 杭州 3 1 1 1 0 0；2.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

0 引 言

隨著社會不斷發展，人們生活水平的不斷提高，危險廢棄物的產量也不斷增加。 這些危險廢棄物來源廣泛、性質復雜，具體明顯的物理、化學及生物危害特性，如若不妥善處理將給人體健康及環境安全帶來巨大隱患[1-2]。 危險廢棄物處置原則是“減量化、資源化、無害化”，常用的處理技術包括物理處理、化學處理、物化處理、生物處理、及熱處理等[3]。 在眾多的處理技術中，以焚燒為代表的熱處理技術同時具有優異的減容、減量及去毒特性，是目前主流的危廢處理技術[4 -6]。

我公司正在舟山綠色石化基地工業固體廢物處置中心建設一危廢焚燒處置項目，危廢種類包括含油污泥、生化污泥、干化污泥、廢溶劑、添加劑、精餾殘渣、散裝固體、桶裝固（液）廢物、柔性韌性包裝廢棄物等。 主體工藝包括預處理系統、焚燒系統、余熱回收系統及尾氣凈化系統，其中焚燒系統為工藝的核心，設備采用回轉窯+二燃室的組合形式。 焚燒工藝段工藝參數的準確選擇對于危廢的焚燒起著至關重要的作用，有必要借助理論模擬軟件對焚燒工藝進行模擬研究，以分析找出最佳的工藝參數。

1 項目概況

危廢處置規模：5 t/h。

危廢工業分析及元素分析數據如表1 所示。

表1 危廢工業分析及元素分析

如表1 所示，危險廢棄物的含水量不穩定，在30% ～50%之間波動，這直接導致了原料熱值的波動。

2 基于ASPEN的燃燒段工藝模擬

2.1 ASPEN軟件

ASPEN是一款集化工設計、動態模擬于一體的大型通用過程模擬軟件，能夠對工藝過程進行嚴格的質量和能量平衡計算，也能夠預測物流的流量、組成及性質。 ASPEN主要包括物性數據庫、單元操作模塊及系統實現策略三大部分，廣泛地應用于化工、石化、環境工程等領域[7-8]。 ASPEN自帶的吉布斯反應器模塊根據分相后吉布斯自由能最小化的原則計算平衡，不需要規定化學反應計量數，適合模擬回轉窯內危廢燃燒及二燃室內天然氣補燃過程。

2.2 ASPEN模擬危廢焚燒工藝模型

危險廢棄物首先通過配伍系統預處理后進入回轉窯內，在通入空氣的條件下，危廢在回轉窯內隨著溫度的上升依次發生水分蒸發、小分子氣體析出、氣化、揮發分及固定碳燃燒過程[4]。 從回轉窯出來的高溫煙氣進入二燃室，二燃室內設置燃氣燃燒器，通過補加天然氣的方式進一步抬升煙氣溫度。 在使用ASPEN模擬危廢焚燒時，重點關注各個單元操作的物流及能量流情況，在保證模擬準確性的前提下，從簡化模型的角度做如下假設[4，7]：

（1）危廢焚燒過程中發生的水分蒸發、小分子氣體析出、氣化、揮發分及固定碳燃燒過程全部在吉布斯反應器內完成；

（2）灰分視為惰性物質，全程不參與反應；

（3）忽略傳質過程對化學反應的影響、忽略燃燒過程中實際的溫度及壓力變化。

基于上述假設，以5 t/h 處理規模的危廢焚燒項目為原型，建立如圖1 所示的焚燒段工藝模型。

圖1 危廢焚燒ASPEN模型

模型所用到的單元模塊及物流、能量流說明如表2 所示。

表2 單元模塊及物流、能量流說明

2.3 ASPEN模擬危廢焚燒工藝結果

2.3.1 操作參數對焚燒溫度的影響

根據我國《危險廢物焚燒污染控制標準（GB 18484—2020）》要求，危險廢棄物焚燒工藝中煙氣處于溫度≥1100 ℃的高溫段停留時間≥2 s。受限于原料熱值及散熱損失，回轉窯出口煙氣溫度有時不能達到1100 ℃，此時就需要在二燃室內補加燃料進一步抬高煙氣溫度，并通過合理的二燃室結構設計來保證高溫煙氣的停留時間。 針對于本研究對象而言，影響回轉窯出口煙氣溫度的因素主要為原料含水量及過量空氣系數。 通過ASPEN探究操作參數對焚燒溫度的影響，結果如圖2 所示。

圖2 操作參數對焚燒溫度的影響

從圖2 可以看出，對于同一水分的原料，隨著過量空氣系數的增加，回轉窯出口煙氣溫度呈現先升高后降低的趨勢，并且在過量空氣系數為1時，溫度達到極值。 窯內溫度上升的主要原因是危險廢棄物中的固定碳與氧氣反應放熱所致，且單位質量的碳與氧氣反應生成CO2所釋放的熱量遠高于生成CO所釋放的熱量。 在過量空氣系數小于1 之前，危險廢棄物由于處于欠氧狀態，在回轉窯內處于氣化階段，此時固定碳與氧氣反應生成CO，隨著過量空氣系數的增加，固定碳與氧氣反應生成CO2的量越多，釋放的熱量也越高，溫度也因此呈現快速上升的趨勢。 當過量空氣系數超過1 以后，危險廢棄物的可燃組分已經燃燒完全，隨著空氣的不斷加入，相當于在高溫煙氣中不斷通入冷卻惰性氣體，由此造成溫度的逐漸下降。 進一步地，在相同過量空氣系數的條件下，隨著原料含水量的上升，回轉窯煙氣出口溫度逐漸降低。 這是由于所有工況條件下，入爐的原料質量是一定的，含水量越高的原料含有的可燃質越少，燃燒的溫度相應越低。

為了更好地描述過量空氣系數小于1 時和大于1 時的區別，統計了過量空氣系數對CO2質量流量的影響。 結果如圖3 所示。

圖3 操作參數對CO2 質量流量的影響

從圖3 可以看出，CO2質量流量隨過量空氣系數增加呈現先增加后穩定的趨勢，并在過量空氣系數為1 時達到最大，這也說明了當過量空氣系數小于1 時回轉窯內發生氣化反應，過量空氣系數大于1 時，回轉窯內發生燃燒反應，并在過量空氣系數為1 時，燃燒完全。 但在工程實際中，考慮到傳質的影響，過量空氣系數并不選擇為1，而是選擇在1.2 ～1.6 范圍內。

回轉窯內溫度的控制對于整個危險廢棄物焚燒工藝的穩定運行起著至關重要的作用，過高的窯內溫度不僅對設備材質要求更高，還會導致NOx生成量的增加，過低的窯內溫度則會導致燃燒不充分，影響熱灼減率。 相關學者的研究表明回轉窯內溫度應保持在700 ℃以上，1200 ℃以下[9]。 對于本項目研究對象而言，在過量空氣系數1.2 ～1.6 范圍內，對于水分含量低的原料，需要采用較高的過量空氣以保證回轉窯煙氣出口溫度在1200 ℃以下，對于水分含量高的原料，則適宜采用較低的過量空氣系數，以保證較高的回轉窯出口煙氣溫度，以便減少二燃室補充燃料的添加量。

2.3.2 操作參數對煙氣流量的影響

進一步考察過量空氣系數對煙氣流量的影響，結果如圖4 所示。

圖4 操作參數對回轉窯出口煙氣流量的影響

從圖4 可以看出，對于不同含水量的原料來說，燃燒產生的煙氣流量隨著水分的增加而減少，這說明危險廢棄物中可燃質燃燒產生的煙氣量大于同等質量水分的流量。 同時對于同一水分的原料來說，隨著過量空氣系數的增加，煙氣量逐漸上升。 需要指出的是，對于同一水分的原料，過量空氣系數小于1 時標況流量的增加幅度（近似于直線的斜率）略小于過量空氣系數大于1 時標況流量的增加幅度；過量空氣系數小于1 時工況流量的增加幅度大于過量空氣系數大于1 時工況流量的增加幅度。 造成上述現象的原因在于標況流量主要與物料平衡有關，而工況流量主要與能量平衡有關。 當過量空氣系數大于1 時，燃燒完全，相同的過量空氣系數變化量只是引入了相應的量的惰性空氣，即引入了單位量的氧氣；當過量空氣系數小于1 時，簡化描述回轉窯內反應為CO與O2反應生成CO2，該反應為體積減少的反應，變化相同量的空氣系數時，增加的單位量的氧氣與CO反應，比不發生化學反應的情況下體積減少，由此造成標況流量的增加幅度是略小于過量空氣系數大于1 的情況。 而對于工況流量而言，它受溫度的影響很大，當過量空氣系數小于1 時，變化相同量的空氣系數，增加的單位量的氧氣參與反應釋放的熱量很大使煙氣溫度快速上升，而過量空氣系數大于1 時，變化相同量的空氣系數將導致整體煙氣溫度逐漸下降，由此造成過量空氣系數小于1 時工況流量的增加幅度大于過量空氣系數大于1 時工況流量的增加幅度。

2.3.3 操作參數對天然氣補加量的影響

從圖2 還可以看出，針對原料含水量為50%的原料，其熱值較低，燃燒后的煙氣溫度達不到1100 ℃，此時就需要二燃室補加燃料以進一步提升煙氣溫度。 本項目模型中，采用燃氣燃燒器補加天然氣的方式來提高煙氣的溫度。 燃燒器過量空氣系數為1.1，一次風占比30%，二次風占比70%。 由于回轉窯出口煙氣中含有大量的氧氣，二燃室二次風并不起到空氣分級的作用，主要是為了加強擾動作用，使燃燒器燃燒產生的高溫煙氣與回轉窯出口煙氣混合均勻。 在過量空氣系數1.2 ～1.6 范圍內，為了滿足二燃室煙氣溫度達到1100 ℃，需要補加的天然氣量如圖5 所示。

圖5 操作參數對天然氣補加量的影響

如圖5 所示，天然氣補加量隨著過量空氣系數的增加呈現線性增加的趨勢。

3 基于ELUENT的二燃室燃燒模擬

3.1 FLUENT軟件

從回轉窯出來的煙氣進入二燃室，在二燃室內補加天然氣以進一步抬高煙氣溫度。 實際上煙氣溫度上升情況不僅與加入的燃料量有關還跟二燃室結構及燃燒器布置位置有關，合理的燃燒器布置才能保證燃燒器出口高溫煙氣與回轉窯出口煙氣混合均勻，避免出現煙氣嚴重偏溫的現象。以原料含水率50%，回轉窯過剩空氣系數1.3 條件下回轉窯出口煙氣參數為基準，采用模擬計算軟件FLUENT探究二燃室燃燒器布置方式對二燃室內溫度場及流場的影響。

FLUENT是當今市面上CFD仿真領域最為全面的軟件包之一，擁有模擬流動、傳熱、化學反應等廣泛物理現象的能力，十分適用于工程燃燒領域[10]。 本項目主要借助FLUENT模擬二燃室內天然氣的燃燒及煙氣的混合過程，計算模型采用湍流標準k-ε模型，壁面采用標準壁面函數處理；燃燒模型采用非預混燃燒模型；煙氣入口邊界條件及燃料、一次風、二次風入口條件均為速度入口，出口邊界條件為壓力出口；在求解過程中，湍流動能、湍流動能耗散率、動量方程采用一階迎風格式算法，壓力和速度耦合采用SIMPLIC算法[11-13]。

3.2 FLUENT模擬危廢焚燒工藝模型

對二燃室模型按照1 ∶1 的比例建模，最終模型如圖6 所示。

圖6 二燃室及燃燒器模型

如圖6 所示，二燃室上端為圓形煙道，底部為矩形煙道，回轉窯出口及燃燒器布置在矩形煙道內，規定回轉窯出口位置為二燃室前墻，其正對面為后墻，燃燒器為旋流燃燒器設置成兩個，分別布置在兩個側墻，且間隔一段距離。

3.3 FLUENT模擬危廢焚燒工藝結果

本項目重點關注的是燃燒器布置位置對二燃室內溫度場及流場的影響，布置位置包括豎直方向的差異和相對間距的差異，變化范圍如圖7 所示，以回轉窯出口中心截面為基準線，燃燒器布置在豎直方向的位置為0.8R、R以及1.2R（R為回轉窯出口圓截面半徑），水平方向間隔距離為B，B=0.2 A、0.25 A、0.3 A（A為側墻長度）。 以基準線以上的某截面為參考面1，以二燃室出口為截面2，統計其溫度及速度的相對標準偏差作為判據以判斷各個工況條件下二燃室內溫度場及速度場分布情況，結果如表3 所示。

表3 燃燒器布置位置對二燃室內溫度場及速度場分布影響結果 單位：%

圖7 燃燒器布置方式

從表3 可以看出，同一工況條件下，參考面1的溫度相對標準偏差大于參考面2，參考面1 的速度相對標準偏差小于參考面2，這是由于煙氣到達參考面2 位置時的停留時間大于參考面1，煙氣經過更長時間的混合溫度變得更加均勻；同時參考面2 前端有一個變徑段，導致速度場變得不均。 從表3 還能看出，隨著豎直方向距離的增加，兩個參考面溫度及速度相對標準偏差變小，對應更均勻的溫度場及速度場；水平間距的變化對溫度場及流場的影響則沒有表現出嚴格的規律性，但總體趨勢是0.25A的溫度及速度相對標準偏差＜0.2A＜0.3A。 限于篇幅，不將全部工況的溫度分布云圖及速度分布云圖列出，這里只給出最優的結果（1.2R、0.25A）及最差的結果（0.8R、0.3A）以作對比分析。

3.3.1 速度場分布

入口中心截面、參考面1 及參考面2 速度場計算結果見圖8。

從圖8 中可以看出從回轉窯出口而來的煙氣被燃燒器產生的高溫煙氣加熱后經過變徑段進入上部圓筒結構后，整體速度場變得均勻，而二燃室出口位置由于前端存在收縮變徑段導致偏流現象的出現。 對比最優結果和最差結果，最優結果入口中心截面速度場在進口位置的低速區遠小于最差結果，這是由于最優結果的燃燒器布置位置更靠上，燃燒器產生的高溫煙氣能夠擴散到煙氣進口上部的低速區，而最差結果的燃燒器布置在進口煙道標高內部，燃燒器燃燒產生的高溫煙氣被來自回轉窯的煙氣攜帶沖至后墻所致。

圖8 燃燒器布置位置對速度場的影響

3.3.2 溫度場分布

入口中心截面、參考面1 及參考面2 溫度場計算結果如圖9 所示。

從圖9 可以看出，對于最優結果入口中心截面底部存在兩個明顯的高溫區，該區域對應兩個燃燒器燃氣燃燒產生的高溫煙氣，從回轉窯進入到二燃室的煙氣，在上述高溫煙氣加熱作用下，溫度被抬升，從上端圓截面及出口的溫度分布云圖能明顯地看出經過燃燒器后的煙氣，整體煙溫分布平均。 經統計，燃燒器距離上端圓截面煙道3.4 m，該空間平均速度3.2 m/s，該空間內煙氣停留時間約1.1 s，上端圓截面煙道距離煙氣出口約10 m，該空間內煙氣平均流速4.6 m/s，該空間內煙氣停留時間約2.2 s，故從回轉窯進入到二燃室的煙氣被升溫到1100 ℃以上的停留時間為3.3 s，大于2 s，滿足國標要求。 而對于最差結果，燃燒器燃燒產生的高溫煙氣明顯地被進口煙氣攜帶沖至后墻，這會對后墻的使用壽命造成影響，并且其第一參考面的溫度場分布更是明顯差于最優結果。

圖9 燃燒器布置位置對溫度場的影響

進一步地，取兩個燃燒器的中心截面的燃氣濃度分布云圖，以驗證其燃燒模型的可靠性，結果如圖10 所示。

從圖10 可以看出，燃氣進口燃氣濃度分數為1，進入二燃室后，快速擴散并在一次風攜帶的氧氣條件下快速燃燒殆盡，符合預期，模型可靠。

4 結 論

利用數值模擬軟件ASPEN及FLUENT探究了工藝參數對危險廢物焚燒工藝的影響，ASEPEN模擬結果表明：

（1）對于同一含水量的原料，隨著過量空氣系數的增加，回轉窯出口煙氣溫度先上升后下降，并在過量空氣系數為1 時達到最大值；對于不同含水的原料，在相同過量空氣系數條件下，溫度隨著含水率的增加而降低；

（2）CO2質量流量隨過量空氣系數增加呈現先增加后穩定的趨勢，并在過量空氣系數為1時達到最大；

（3）回轉窯出口煙氣工況流量及標況流量隨著過量空氣系數的增加而增加；

（4）針對原料含水量為50%的原料，在過量空氣系數1.2 ～1.6 范圍內，為了滿足二燃室煙氣溫度達到1100 ℃的要求，需要補加的天然氣量隨著過量空氣系數的增加而線性增加。

FLUENT模擬結果表明：

（1）二燃室燃燒器布置位置對二燃室內溫度場及流場分布有決定性作用；

（2）最優的燃燒器布置方式條件下，二燃室內部溫度場及流場均勻，從回轉窯進入到二燃室的煙氣被燃燒器燃料燃燒產生的高溫煙氣加熱升溫到1100 ℃以上的煙氣停留時間為3.3 s，滿足預期要求。 對于類似的危廢焚燒工藝，本研究所提供的燃燒器布置方式具有借鑒意義。