垃圾焚燒爐協(xié)同焚燒工業(yè)固廢的數(shù)值模擬研究

蔡鵬濤, 陳 彤, 2,*, 張光學(xué), 陳 貝, 王宇春

(1. 浙江大學(xué) 熱能工程研究所,浙江 杭州 310027;2. 浙江大學(xué) 嘉興研究院,浙江 嘉興 314051;3. 中國計(jì)量大學(xué) 能源工程研究所,浙江 杭州 310018)

0 引 言

工業(yè)固體廢物的處置是現(xiàn)代社會(huì)面臨的最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境問題之一。在我國,僅紡織行業(yè)每年產(chǎn)生固廢量超過2 000萬t。工業(yè)固體廢物處置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題,包括土壤和水污染、溫室氣體排放和疾病傳播。對(duì)于大體量的工業(yè)固廢,大多數(shù)處理方式的效果都十分有限[1-3]。摻燒是處理高熱值工業(yè)固廢最簡單、有效的方法[4-5]。采用摻燒的方式協(xié)同處置工業(yè)固廢可實(shí)現(xiàn)快速高效處置大體量工業(yè)固廢,降低有毒污染物的排放,并通過高熱值燃料的添加提升焚燒過程的整體效率。然而,工業(yè)固廢與城市生活垃圾(Municipal Solid Waste,MSW)的組分有所區(qū)別,元素組成也不同,混合過程可能會(huì)增加污染物的排放[6-8]。不同類型工業(yè)固廢的燃燒行為與MSW有顯著差異,因此,在摻燒不同工業(yè)固廢時(shí)需要相應(yīng)地調(diào)整操作參數(shù),以確保焚燒爐的穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

數(shù)值模擬在協(xié)同焚燒研究中具有重要意義,可對(duì)涉及的物理和化學(xué)過程進(jìn)行深入了解。它可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)在不同條件下的行為,有助于制定優(yōu)化的焚燒策略。此外,數(shù)值模擬還可以深入了解有毒污染物的形成和排放,指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)過程中的污染物排放控制。目前已有不少研究聚焦于協(xié)同焚燒效果的數(shù)值模擬研究,張軍紅等[9]通過模擬發(fā)現(xiàn)添加不同比例的工業(yè)廢塑料會(huì)使燃煤鍋爐的高溫區(qū)域遷移,并影響污染物的濃度,實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果與模擬一致。譚建平[10]通過數(shù)值模擬研究了工業(yè)電子廢品摻燒對(duì)爐內(nèi)NOx生成特性的影響,并發(fā)現(xiàn)工業(yè)廢物的摻燒會(huì)影響整體燃燒效率并增加有毒污染物的排放。

因此,本文通過分析垃圾在爐排爐內(nèi)的物化反應(yīng),對(duì)垃圾爐排爐協(xié)同焚燒工業(yè)固廢過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究,獲得協(xié)同焚燒工業(yè)固廢對(duì)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的影響以及煙氣中SO2、CO2等污染物濃度的變化規(guī)律,并在處置量12 t/d的爐排爐上進(jìn)行了驗(yàn)證,研究結(jié)果可為垃圾焚燒行業(yè)轉(zhuǎn)型摻燒工業(yè)固廢提供參考。

1 研究方法和過程

1.1 研究對(duì)象

本文以浙江大學(xué)青山湖能源基地某中試平臺(tái)為對(duì)象,平臺(tái)日處理量12 t/d,處理煙氣量3 000 Nm3/h,由3部分組成,分別是垃圾預(yù)處理系統(tǒng)、智能爐排系統(tǒng)和煙氣多脫系統(tǒng),中試平臺(tái)概覽如圖1所示。垃圾預(yù)處理系統(tǒng)的主體為600型加重型撕碎機(jī),刀盤材質(zhì)42CrMo,刀盤厚度30 mm,單盤直徑320 mm,垃圾破碎后尺寸≤5 cm,進(jìn)料倉尺寸800 mm×900 mm,電機(jī)功率22 kW,長寬高尺寸2 100 mm×1 800 mm×2 200 mm。爐排系統(tǒng)為兩段式順推列動(dòng)爐排。煙氣多級(jí)系統(tǒng)保證了煙氣排放達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn),由半干法脫硫、高溫靜電除塵、活性炭噴射、布袋除塵、催化劑反應(yīng)等模塊組成。針對(duì)摻燒工業(yè)固廢后垃圾熱值升高的現(xiàn)象,中試平臺(tái)采用爐排+流態(tài)化排渣的處理形式,即在爐排上干燥、熱解、氣化,熱解氣化后的產(chǎn)物繼續(xù)流態(tài)化燃燒,為爐排上的化學(xué)反應(yīng)提供熱量,氣化氣在燃盡段繼續(xù)燃燒,這樣的處理方式既可以提高垃圾的燃盡率,也從焚燒源頭減少了污染物排放。

圖1 中試平臺(tái)概覽圖Fig. 1 Overview of pilot platform

爐排爐焚燒所用生活垃圾,取自嘉興某生活垃圾焚燒廠;所用工業(yè)固廢由紡織類與紙類組成,取自嘉興某工廠,燃料分析數(shù)據(jù)見表1。燃燒空氣量為6 570 Nm3/h,過量空氣系數(shù)為1.7,煙氣量為8 267 Nm3/h。

表1 垃圾燃料分析數(shù)據(jù)

1.2 模擬軟件和建模方法的選擇

依據(jù)爐排爐的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸,采用ICEM CFD軟件劃分多面體網(wǎng)格,對(duì)關(guān)鍵部位(床層區(qū)域、二次風(fēng)噴口附近)進(jìn)行網(wǎng)格加密,網(wǎng)格總數(shù)約為68萬,全部網(wǎng)格質(zhì)量均高于0.7,建模效果較好[11]。

為了確保數(shù)值模擬的可靠性和準(zhǔn)確性,進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。在此驗(yàn)證中,以爐膛出口溫度為考察指標(biāo),在三種網(wǎng)格分辨率下(35萬、68萬、102萬)差異小于5%。爐排爐幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 焚燒爐幾何模型及網(wǎng)格Fig. 2 Incinerator geometric modeling and grid

1.3 數(shù)值計(jì)算模型

1.3.1 控制方程

Fluent軟件在處理流動(dòng)問題時(shí),都會(huì)求解質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程,對(duì)于包括熱傳導(dǎo)和可壓性流體的求解,還會(huì)用到能量方程。

質(zhì)量守恒方程的表達(dá)式為:

(1)

式(1)中,ρ為氣體的密度,kg/m3;t為時(shí)間,s;ui為氣體流速在i方向上的分量,m/s;Sm為自定義的源項(xiàng),kg/s。

動(dòng)量方程:

(2)

式(2)中,τij為粘性應(yīng)力,Pa;p是靜壓,Pa;ρgi和Fi分別是重力體積力,N/m3和外部體積力在i方向上的投影力,N;Fi也包括了其他的源項(xiàng),kg/(m2·s),如自定義源項(xiàng)和多孔介質(zhì)。

能量守恒方程:

(3)

式(3)中,cp表示流體的比熱容,J/(kg·K);WsQs為進(jìn)入流體元的凈熱通率,W,包括流體加熱的吸收或散發(fā)、化學(xué)反應(yīng)熱以及自定義熱源等。

1.3.2 湍流模型

垃圾焚燒爐爐內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)是極不規(guī)則的,屬于湍流運(yùn)動(dòng)。Fluent軟件提供了5種湍流模型,分別是單方程(Spalart-Allmaras)模型、標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型、修正的k-ε模型、大渦模型以及雷諾應(yīng)力模型。其中RNG的k-ε模型是工業(yè)應(yīng)用中最為廣泛的模型,其計(jì)算的精度高而且收斂性也符合要求,為此本臺(tái)垃圾焚燒爐的湍流過程的模擬也選取了該模型。

1.3.3 輻射模型

Fluent提供了5種輻射模型分別是Rosseland模型、P1模型、Discrete Transfer模型、Surface to Surface模型以及Discrete Ordinate模型。其中只有P1模型和DO模型考慮到了顆粒與氣體之間的熱傳導(dǎo)作用,鑒于P1模型還考慮了發(fā)射率和散射的影響,計(jì)算量相比DO模型也少一些,更加適合鍋爐燃燒計(jì)算。因此本項(xiàng)目采用P1輻射模型。

1.3.4 燃燒模型

CFD常用燃燒模型有非預(yù)混燃燒模型、有限速率模型、預(yù)混燃燒模型、部分預(yù)混燃燒模型以及組分概率密度輸運(yùn)模型[12]。鑒于PDF非預(yù)混燃燒模型能夠更加精確地計(jì)算湍流燃燒過程,且計(jì)算量也較少,本文采用該模型。另外,揮發(fā)分的析出以及固定碳的燃燒分別采用了雙方程模型與動(dòng)力/擴(kuò)散控制模型。本文采用DDPM模型,并將一次風(fēng)進(jìn)口顆粒邊界條件設(shè)為REFLECT,對(duì)顆粒的運(yùn)行軌跡進(jìn)行跟蹤,并對(duì)其熱解及焦炭燃燒過程進(jìn)行模擬。

1.4 邊界條件

將1.1節(jié)中所述燃料作模擬焚燒爐的入爐燃料,生活垃圾、工業(yè)固廢的工業(yè)分析、元素分析、熱值見表1。爐膛設(shè)計(jì)計(jì)算值如下:爐膛容積熱強(qiáng)度qv為800 kW/m3,爐膛容積VL為2.15 m3,爐膛有效高度Hly為0.60 m,燃料與灰渣層高度Hmh為0.3 m,爐膛高度Hl為0.90 m。一、二次風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2,其中爐排送風(fēng)、二次風(fēng)均按冷風(fēng)計(jì)算,溫度為30 ℃。設(shè)計(jì)燃料與灰渣層高度300 mm,運(yùn)行時(shí)床層高度120 mm,包括爐排在內(nèi)的燃料層阻力385.80 Pa,燃料在一級(jí)爐排停留80 s,二級(jí)爐排停留120 s。

表2 一、二次風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

生活垃圾和工業(yè)固廢燃燒過程中按照水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒和固定碳燃燒等多個(gè)階段順次進(jìn)行,爐排爐焚燒過程中的模擬一般可分為爐排上方垃圾固相燃燒和爐排固相燃燒產(chǎn)生的可燃?xì)庀嘟M分在爐膛內(nèi)的燃燒[13]。為對(duì)單獨(dú)焚燒生活垃圾、摻燒工業(yè)固廢和單獨(dú)焚燒工業(yè)固廢三種不同的工況進(jìn)行對(duì)比,控制固廢總輸入熱功率相同。為簡化計(jì)算過程,將氣體組分濃度場(chǎng)簡化為CO、CO2、NOx、H2O、SO2和H2S,忽略氯、氟等少量元素產(chǎn)生的氣體污染物。

2 模擬結(jié)果和分析

2.1 速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

當(dāng)焚燒生活垃圾時(shí)焚燒爐內(nèi)速度場(chǎng)分布情況如圖3所示,摻燒12%工業(yè)固廢時(shí)的爐內(nèi)速度場(chǎng)分布如圖4所示,焚燒工業(yè)固廢時(shí)的爐內(nèi)速度場(chǎng)分布如圖5所示。計(jì)算結(jié)果表明,焚燒三種類型垃圾時(shí)爐內(nèi)速度場(chǎng)分布相似。床層上部區(qū)域的整體流速較低,在后墻折角處存在流速稍高的區(qū)域。以一次風(fēng)室為起點(diǎn)的流線分布情況來看,可見流線分布均勻性較好。

圖3 焚燒生活垃圾爐內(nèi)速度場(chǎng)分布Fig. 3 Distribution of velocity field in the furnace during incineration of municipal solid waste

圖4 摻燒12%工業(yè)固廢爐內(nèi)速度場(chǎng)分布Fig. 4 Distribution of velocity field in the furnace during the co-incineration of 12% industrial waste

圖5 焚燒工業(yè)固廢爐內(nèi)速度場(chǎng)分布Fig. 5 Distribution of velocity field in the furnace during incineration of industrial waste

圖6(a)是焚燒爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況,高溫區(qū)主要出現(xiàn)在前期的揮發(fā)分析出燃燒及后期固定碳燃燒。由圖可知,生活垃圾焚燒主燃區(qū)都發(fā)生在一級(jí)爐排上,說明物料在進(jìn)入到爐內(nèi)后,堆積在入料口,隨著爐排的運(yùn)動(dòng)很快著火燃燒,落入二級(jí)爐排的未燃盡物料較少。一級(jí)爐排溫度在650～1 050 ℃ 間波動(dòng),與爐排實(shí)際溫度分布相符合。火焰最高溫度為1 390 ℃左右,爐膛出口煙溫約為1 000～1 100 ℃。爐膛的輻射換熱量為474.79 kJ/kg,換熱面積為74.2 m2,平均溫度為817 ℃,按輻射火焰高溫溫度為1 300 ℃計(jì)算,模擬得到的爐膛壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.43 W/(℃·m2)。

圖6 爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布Fig. 6 Temperature field distribution in the furnace

圖6(b)是摻燒12%工業(yè)固廢爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況,由于工業(yè)固廢熱值相對(duì)較高,摻燒后火焰最高溫度提升至1 450 ℃左右。爐膛出口煙溫約為1 000～1 100 ℃。高溫區(qū)主要出現(xiàn)在前期的揮發(fā)分析出燃燒及后期固定碳燃燒。爐膛的輻射換熱量為486.08 kJ/kg,換熱面積為74.2 m2,平均溫度為852 ℃,按輻射火焰高溫溫度為1 400 ℃計(jì)算,模擬得到的爐膛壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為13.2 W/(℃·m2)。

圖6(c)是焚燒工業(yè)固廢爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況,由于工業(yè)固廢熱值相對(duì)較高,火焰最高溫度提升至1 500 ℃左右,爐膛出口煙溫約為1 000～1 100 ℃ 。高溫區(qū)域范圍擴(kuò)大,且有所前移。爐膛的輻射換熱量為495.60 kJ/kg,換熱面積為74.2 m2,平均溫度為831 ℃,按輻射火焰高溫溫度為1 500 ℃計(jì)算,模擬得到的爐膛壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為10.8 W/(℃·m2)。摻燒工業(yè)固廢后明顯提高了爐膛壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù),一方面可以加快熱量傳遞的速度,使熱量更快地傳遞到受熱面上,從而提高了熱效率;另一方面可以加快熱量傳遞速度,使得熱量不會(huì)過度集中在設(shè)備局部,從而減少了設(shè)備的腐蝕和磨損,延長了設(shè)備的使用壽命。

2.2 摻燒工業(yè)固廢對(duì)組分場(chǎng)的影響

圖7是焚燒生活垃圾爐內(nèi)組分分布,從燃料揮發(fā)分析出及固定碳燃盡情況來看,燃料揮發(fā)分析出峰值發(fā)生在第一爐排1.28～1.54 m處,固定碳燃燒區(qū)域處于第一爐排1.59～2.35 m處。結(jié)合氧氣濃度分布結(jié)果來看,由于垃圾前期揮發(fā)分燃燒大量消耗氧氣,第一風(fēng)室上部出現(xiàn)較明顯的缺氧情況。另外,第二個(gè)風(fēng)室由于固定碳燃盡,也消耗了大量氧氣。大部分CO是伴隨著揮發(fā)分析出時(shí)產(chǎn)生的,還有少量CO在焦炭燃燒過程中生成。爐排爐垃圾焚燒中,90%以上的NOx主要以NO的形式存在。按照氮元素的來源和反應(yīng)過程,該模型NO的生成機(jī)理主要由熱力型和燃料型構(gòu)成,利用平衡方法計(jì)算熱力型NOx,利用氣體燃料模型計(jì)算燃料型NOx[14]。經(jīng)計(jì)算,出口NOx濃度為51.23 mg/m3(30.2 ppm),O2濃度為9.4%。垃圾中的可燃硫受熱部分分解,釋放出H2S及其它含硫揮發(fā)分,這些物質(zhì)較易與氧發(fā)生反應(yīng)生成SO2。從圖中結(jié)果來看,H2S的快速生成區(qū)域發(fā)生在第一爐排前部,即燃燒初期,也與氧氣分布圖中的低濃度區(qū)域相吻合。同時(shí),SO2分布區(qū)域?qū)?yīng)的氧氣濃度也相對(duì)較高。

圖8是摻燒12%工業(yè)固廢爐內(nèi)組分分布,摻燒12%工業(yè)固廢與單獨(dú)焚燒生活垃圾情況相似。燃料揮發(fā)分析出及固定碳燃盡區(qū)域都處于第一爐排中部處。結(jié)合氧氣濃度分布結(jié)果來看,與生活垃圾焚燒不同的是,工業(yè)固廢熱值較高,摻燒后會(huì)使揮發(fā)分析出區(qū)域略有前移。垃圾中的可燃硫受熱部分分解,釋放出H2S及其它含硫揮發(fā)分,這些物質(zhì)較易與氧發(fā)生反應(yīng)生成SO2[15]。因此摻燒工業(yè)固廢會(huì)使含硫揮發(fā)分獲得更多與氧發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會(huì),使其在第一風(fēng)室大量生成SO2。摻燒工業(yè)固廢對(duì)NOx的排放濃度影響不大,出口NOx濃度為51.23 mg/m3(30.2 ppm),出口O2濃度為9.4%,出口CO濃度為1.5%。

圖9是焚燒工業(yè)固廢爐內(nèi)組分分布,從燃料揮發(fā)分析出及固定碳燃盡情況來看,燃料揮發(fā)分析出區(qū)域與固定碳燃燒區(qū)域都處于第一爐排相對(duì)靠后位置。結(jié)合氧氣濃度分布結(jié)果來看,由于垃圾前期揮發(fā)分燃燒大量消耗氧氣,第一風(fēng)室上部出現(xiàn)較明顯的缺氧情況。與生活垃圾焚燒不同的是,工業(yè)固廢在第一爐排尾部區(qū)域接近燃燒完全,在第二風(fēng)室并未出現(xiàn)明顯缺氧情況。大部分CO是伴隨著揮發(fā)分析出時(shí)產(chǎn)生的,主要發(fā)生在第一風(fēng)室,出口CO濃度為0.26%。經(jīng)計(jì)算,出口NOx濃度為39.02 mg/m3(23 ppm),出口O2濃度為9.8%。從圖SO2與H2S分布結(jié)果來看,H2S的快速生成區(qū)域發(fā)生在第一爐排前部,即燃燒初期,也與氧氣分布圖中的低濃區(qū)域相吻合。

圖9 焚燒工業(yè)固廢爐內(nèi)組分分布Fig. 9 Distribution of components in the furnace during incineration of industrial waste

2.3 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比和驗(yàn)證

實(shí)際焚燒生活垃圾工況焚燒爐內(nèi)各點(diǎn)位的溫度如圖10所示。從圖中可以看出溫度最高的點(diǎn)位主要分布于第一爐排,高溫區(qū)域溫度826.06～876.69 ℃。各點(diǎn)位溫度分布也能表明物料在進(jìn)入到爐內(nèi)后,堆積在入料口,且生活垃圾焚燒主要發(fā)生在一級(jí)爐排。爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布趨勢(shì)與模擬結(jié)果一致。實(shí)際摻燒12%工業(yè)固廢工況焚燒爐內(nèi)各點(diǎn)位的平均溫度如圖11所示。從圖中可以看出,摻入工業(yè)固廢后熱值增加,各點(diǎn)位溫度都有所上升,高溫區(qū)域溫度853.85～903.12 ℃。相比單獨(dú)焚燒生活垃圾工況,豎井區(qū)域溫度提升最大,從587.90～594.48 ℃提升至670.05～670.53 ℃。這個(gè)結(jié)果也從側(cè)面反應(yīng)了部分物料未在第一爐排燃燒完全,部分在一、二級(jí)爐排之間的豎井燃燒。這一點(diǎn)也與模擬結(jié)果一致,數(shù)值模擬得出的溫度場(chǎng)存在部分高溫點(diǎn)位高于實(shí)際測(cè)得的溫度,這是由于數(shù)值模擬結(jié)果是把垃圾焚燒爐內(nèi)部網(wǎng)格化計(jì)算后得出的精細(xì)點(diǎn)位溫度分布,而實(shí)際上,垃圾焚燒爐內(nèi)部的溫度是通過溫度傳感器測(cè)得,這些傳感器僅代表焚燒爐內(nèi)部某一區(qū)域的平均溫度。

圖10 實(shí)際焚燒生活垃圾爐內(nèi)各點(diǎn)位溫度Fig. 10 The temperature of each point in the furnace during actual incineration of municipal solid waste

圖11 實(shí)際摻燒12%工業(yè)固廢爐內(nèi)各點(diǎn)位溫度Fig. 11 The temperature of each point in the furnace during actual co-incineration of 12% industrial waste

兩種工況下(工況一:單獨(dú)焚燒生活垃圾;工況二:協(xié)同焚燒工業(yè)固廢)煙囪處測(cè)得的尾部污染物濃度(折算到標(biāo)況后)見表3。摻燒工業(yè)固廢后尾氣中的SO2濃度略有上升,NOx濃度變化不大,與上述模擬結(jié)果相符。工業(yè)固廢中硫元素含量較高,硫氧比的增加可能是導(dǎo)致SO2濃度上升的重要因素。

表3 不同工況下尾部污染物檢測(cè)結(jié)果(換算到氧濃度11%)

3 結(jié)論和展望

本文以某12 t/d中試生活垃圾爐排爐為對(duì)象,采用數(shù)值模擬的方法對(duì)工業(yè)固廢摻燒時(shí)爐內(nèi)全場(chǎng)傳熱傳質(zhì)情況進(jìn)行了模擬,對(duì)焚燒過程中的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及包括CO、NOx、SO2在內(nèi)的污染物濃度場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行了分析,得出如下結(jié)論:

(1)無論焚燒的是生活垃圾、工業(yè)固廢還是混合摻燒,爐內(nèi)速度場(chǎng)分布都相似。溫度場(chǎng)表明,焚燒主燃區(qū)都發(fā)生在一級(jí)爐排上,摻入焚燒工業(yè)固廢后,高溫區(qū)范圍擴(kuò)大且前移,且明顯提高了爐膛壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù),可以提高熱效率。

(2)摻燒工業(yè)固廢后,熱值較高的工業(yè)固廢會(huì)使揮發(fā)分析出區(qū)域前移,在第一爐排尾部區(qū)域已接近燃燒完全。摻燒工業(yè)固廢會(huì)使含硫揮發(fā)分獲得更多與氧發(fā)生反應(yīng)的機(jī)會(huì),使其在第一風(fēng)室內(nèi)大量生成SO2,而摻燒工業(yè)固廢對(duì)NOx的排放濃度影響不大。

(3)實(shí)際摻燒12%工業(yè)固廢工況下,焚燒爐內(nèi)各點(diǎn)位的溫度都有所上升,豎井區(qū)域溫度提升最大,表明摻入工業(yè)固廢后熱值增加,未完全燃燒的物料在豎井燃燒。摻燒工業(yè)固廢后尾氣中的SO2濃度略有上升,NOx濃度變化不大,與上述模擬結(jié)果相符。