垃圾焚燒爐爐膛結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

劉 曉,曹 衛(wèi),何志剛

(1.鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224000;2.江蘇天楹環(huán)保能源成套設(shè)備有限公司,江蘇 海安 226600)

垃圾焚燒爐是垃圾焚燒發(fā)電的主體部分,機(jī)械爐排式垃圾焚燒爐以其單臺(tái)處理量大、運(yùn)行可靠性好、燃盡度好以及故障率低等優(yōu)點(diǎn),成為我國(guó)及全球范圍內(nèi)使用最廣泛的焚燒爐爐型[1]。大型機(jī)械爐排式垃圾焚燒爐運(yùn)行過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)爐內(nèi)溫度分布情況較差、爐內(nèi)湍流擾動(dòng)性較弱等現(xiàn)象,導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)燃燒情況不穩(wěn)定,可燃?xì)怏w無(wú)法充分燃燒,易發(fā)生內(nèi)壁燒灼結(jié)焦,且易產(chǎn)生硫、氮氧化物及二英等有害污染物,因此對(duì)焚燒爐進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化及燃燒規(guī)律探究以最大程度改善爐內(nèi)燃燒狀況具有重要意義[2-3]。

本文以800 t/d爐排式垃圾焚燒爐為研究對(duì)象,利用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,簡(jiǎn)稱CFD)的方法對(duì)焚燒爐進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,探究了焚燒爐爐膛前拱、后拱及后墻板三種結(jié)構(gòu)設(shè)置對(duì)焚燒爐爐內(nèi)流場(chǎng)的影響規(guī)律,并進(jìn)行了其相關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析,以使焚燒爐內(nèi)溫度、速度等分布更為完善,提高焚燒爐燃燒運(yùn)行穩(wěn)定性,使?fàn)t內(nèi)可燃?xì)怏w充分燃燒,進(jìn)一步提高焚燒爐運(yùn)行效率,為此型焚燒爐爐膛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有效參考作用。

1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為某企業(yè)800 t/d機(jī)械爐排式垃圾焚燒爐,爐排分為干燥段、燃燒段和燃盡段三段,各段長(zhǎng)度均為3.78 m,爐排總長(zhǎng)度為11.34 m,寬度為12 m,整體傾斜角度為23°,爐排水平順推式移動(dòng)。焚燒爐一次風(fēng)從爐排下方吹入,總風(fēng)量約為98 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)),三段風(fēng)量比例為3∶5∶2,風(fēng)溫分別為220、180、25 ℃;二次風(fēng)雙排布置在煙道喉口處前后墻上,與水平面呈53°夾角傾斜向下噴入,總風(fēng)量為34 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)),風(fēng)溫為25 ℃。對(duì)焚燒爐爐體部分進(jìn)行簡(jiǎn)化建模,利用有限元分析軟件ANSYS中的Fluent-meshing模塊對(duì)其進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分,對(duì)二次風(fēng)口處進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理,通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,最終選取網(wǎng)格數(shù)量約120萬(wàn)對(duì)原模型進(jìn)行數(shù)值模擬。焚燒爐模型結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

圖1 焚燒爐模型結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分示意圖

焚燒爐給料量約為33.33 t/h,燃料層初始高度為0.6～0.8 m,入爐生活垃圾低位熱值達(dá)到7 200 kJ/kg,其垃圾成分工業(yè)分析及元素分析如表1所示。

2 數(shù)值計(jì)算數(shù)學(xué)模型及邊界條件

在焚燒爐燃燒運(yùn)行過(guò)程中,其燃燒過(guò)程主要分為床層上垃圾的固相燃燒和爐膛內(nèi)部的氣相燃燒兩部分,燃燒過(guò)程非常復(fù)雜。床層上垃圾的固相燃燒利用FLIC軟件進(jìn)行模擬,固相燃燒階段包括床層垃圾的水分蒸發(fā)、揮發(fā)分的析出、揮發(fā)分燃燒、焦炭燃燒幾個(gè)過(guò)程,在此過(guò)程中主要包括垃圾燃燒中質(zhì)量、動(dòng)量、能量及組分輸運(yùn)等一系列守恒方程,垃圾固相燃燒控制方程如式(1)～式(4)所示[4-6]。

連續(xù)性方程:

(1)

動(dòng)量守恒方程:

(2)

能量守恒方程:

(3)

組分輸運(yùn)方程:

(4)

式中:ρsb為床層上的垃圾密度,kg/m3;vs為垃圾顆粒速度,m/s;vb為爐排移動(dòng)速度,m/s;Ss為固體垃圾質(zhì)量源項(xiàng),kg/m3;σ、τ分別為作用在垃圾固體顆粒上的正應(yīng)力、切應(yīng)力,Pa;g為固體顆粒重力,N;A為顆粒間的動(dòng)量交換律,N/m3;Hs為固體垃圾焓值,J/kg;λs為固相垃圾燃燒熱擴(kuò)散率,W/(m·K);Ts為固相垃圾溫度,K;qr為固相垃圾輻射熱流,W/m2;Qs?為固體垃圾熱源,W/m3;Yis為固相組分質(zhì)量分?jǐn)?shù);Ds為組分Yis擴(kuò)散系數(shù),m2/s;Syis為固體顆粒質(zhì)量源項(xiàng),kg/m3。

焚燒爐的數(shù)值模擬計(jì)算方法是先利用FLIC軟件進(jìn)行床層固相垃圾燃燒模擬,然后將得到的氣相數(shù)據(jù)作為爐膛內(nèi)氣相燃燒的入口邊界條件,再利用Fluent軟件進(jìn)行爐內(nèi)氣相燃燒的計(jì)算,通過(guò)兩個(gè)軟件之間的數(shù)據(jù)連接,實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)燃燒氣固相耦合,最終得到較為合適的爐膛內(nèi)部燃燒計(jì)算方案[7-8]。

為了減小模擬難度及提高模擬效率,將固相燃燒產(chǎn)生可燃?xì)庵械奶細(xì)浠衔锝y(tǒng)一為CH4,簡(jiǎn)化模擬過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng),其主要化學(xué)反應(yīng)式如式(5)～式(7)所示:

2CH4+O2→2CO+4H2

(5)

2CO+O2→2CO2

(6)

2H2+O2→2H2O

(7)

在利用Fluent進(jìn)行爐內(nèi)氣相燃燒數(shù)值模擬過(guò)程中,爐內(nèi)氣相流動(dòng)與燃燒反應(yīng)模型采用有限速率及渦耗散模型,粘性模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,壁面函數(shù)選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),爐內(nèi)輻射傳熱計(jì)算選用DO輻射模型,燃燒過(guò)程中采用SIMPLE算法求解壓力速度耦合方程,控制方程利用二階迎風(fēng)方程進(jìn)行求解,設(shè)置爐排段及二次風(fēng)入口為速度入口,煙道出口設(shè)置為壓力出口[9-11]。

3 模擬計(jì)算工況設(shè)計(jì)

對(duì)于此焚燒爐爐膛結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析主要包括爐膛前拱、后拱及后墻板三部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在原焚燒爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,爐膛前拱與水平面的夾角為α=38°,后拱與水平面的夾角為β=30°,第一煙道下方喉口處與后拱連接處的后墻板與水平面的夾角為γ=72°,其爐膛前拱、后拱及后墻板相關(guān)角度與設(shè)置方式如圖2所示。

在原焚燒爐燃燒運(yùn)行數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上,保持一二次風(fēng)等運(yùn)行參數(shù)不變,在一定范圍內(nèi)設(shè)置不同傾角結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)長(zhǎng)度變化,進(jìn)而探究各結(jié)構(gòu)對(duì)爐內(nèi)參數(shù)的影響規(guī)律,以進(jìn)行優(yōu)化分析。針對(duì)爐膛內(nèi)前拱、后拱及后墻板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工況如表2所示,對(duì)于前拱優(yōu)化設(shè)計(jì)了11、12、13三種工況;后拱優(yōu)化在保持后拱長(zhǎng)度不變時(shí)改變其與水平面的夾角,設(shè)計(jì)了21、22、23、24四種工況;后墻板的優(yōu)化在改變其與水平面夾角的同時(shí)改變其相應(yīng)長(zhǎng)度,設(shè)計(jì)了31、32、33、34四種工況,另又設(shè)置了一種爐膛無(wú)后墻板的工況3W。

表2 爐膛結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算工況設(shè)計(jì)方案

4 焚燒爐數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 爐膛前拱結(jié)構(gòu)對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響

如圖3所示為原焚燒爐及工況11、12、13三種前拱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案在鉛錘平面上的爐膛中心截面溫度分布云圖,圖4所示為相應(yīng)工況速度分布云圖。在爐膛前拱優(yōu)化方案中,幾種工況爐內(nèi)溫度分布大致相同,從速度分布云圖可以看出爐膛上方煙道喉口位置處湍流擾動(dòng)區(qū)域不斷擴(kuò)大,使可燃?xì)怏w更為充分地混合燃燒;當(dāng)α=90°時(shí),工況13爐內(nèi)湍流擾動(dòng)區(qū)域最大,使得爐膛內(nèi)爐排燃燒段上方處的燃燒區(qū)域較大,這可能是由于豎直的前拱設(shè)置對(duì)爐膛內(nèi)高溫火焰具有較強(qiáng)的輻射作用,使得大量可燃?xì)怏w在爐排燃燒段上方燃燒消耗;當(dāng)α=60°時(shí),其爐內(nèi)溫度及速度分布與原工況焚燒爐十分相似,燃燒區(qū)域與湍流區(qū)域范圍大小十分接近。

圖3 不同前拱結(jié)構(gòu)焚燒爐中心截面溫度分布云圖

圖4 不同前拱結(jié)構(gòu)焚燒爐中心截面速度分布云圖

在焚燒爐中心截面溫度分布云圖上提取爐膛內(nèi)從爐排燃燒段上方到第二煙道出口的煙道中間線上的煙氣軌跡溫度,做出此段煙氣軌跡線長(zhǎng)度上的溫度分布曲線如圖5所示,由于焚燒爐煙道頂部溫度較低,一二煙道接口處溫度高于煙道頂部溫度,所以在煙氣軌跡溫度下降過(guò)程中出現(xiàn)了一小段煙氣溫度波動(dòng)的現(xiàn)象。由圖5可知,不同前拱設(shè)置時(shí),爐內(nèi)煙氣軌跡溫度曲線差別不大,當(dāng)α=20°時(shí),第一煙道內(nèi)溫度較低,可能是較低的前拱設(shè)置并不能為爐膛內(nèi)可燃?xì)怏w的燃燒提供更多的熱量輻射造成的;當(dāng)α=90°時(shí),其第一煙道內(nèi)的溫度略微高于其他工況。

圖5 不同前拱設(shè)置爐內(nèi)煙氣軌跡線上的溫度

總體來(lái)看,不同爐膛前拱結(jié)構(gòu)的焚燒爐內(nèi)溫度分布情況大致相同,前拱角度α的變化并沒(méi)有在很大程度上改變爐內(nèi)燃燒情況。α=20°時(shí),與其他工況相比煙道內(nèi)溫度較低;α=90°時(shí),湍流擾動(dòng)區(qū)域較大,且溫度較其他工況略高,豎直設(shè)置的前拱易發(fā)生內(nèi)壁燒灼結(jié)焦等現(xiàn)象。因此,在滿足煙氣較為充分燃燒且能保持爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定的情況下,前拱角度設(shè)置在α=38°～60°更為合適。

4.2 爐膛后拱結(jié)構(gòu)對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響

如圖6所示為工況21、22、23、24四種后拱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案在鉛垂平面上的爐膛中心截面溫度分布云圖,圖7所示為相應(yīng)工況速度分布云圖。從原工況及四種后拱優(yōu)化工況溫度與速度分布云圖可以看出,隨著后拱角度的不斷增大,爐膛內(nèi)高溫燃燒區(qū)域也不斷擴(kuò)大,當(dāng)β=20°時(shí),后拱角度較低,大大壓縮了爐膛空間,導(dǎo)致工況21爐內(nèi)燃燒區(qū)域最小,且由于較小的爐膛空間,使二次風(fēng)湍流作用增強(qiáng),在爐膛及煙道喉口處形成了較大湍流區(qū)域;當(dāng)β=40°時(shí),較大的后拱角度增大了爐膛空間,使得工況24燃燒區(qū)域較之前工況有了明顯擴(kuò)大,高溫燃燒火焰長(zhǎng)度較長(zhǎng),爐膛及煙道內(nèi)溫度較高,爐內(nèi)湍流區(qū)域較原工況及其他工況有了明顯擴(kuò)大;當(dāng)β=25°及30°時(shí),工況22與工況23模擬結(jié)果較為相似,其中工況23爐內(nèi)溫度分布略高,工況22與原焚燒爐模擬結(jié)果最為接近。

圖7 不同后拱結(jié)構(gòu)焚燒爐中心截面速度分布云圖

根據(jù)焚燒爐數(shù)值模擬結(jié)果,做出爐內(nèi)相應(yīng)煙氣軌跡溫度曲線如圖8所示。由煙氣軌跡溫度曲線可以看出,當(dāng)β=20°時(shí),爐內(nèi)總溫度與其他工況相比較低,最高燃燒溫度也較低;當(dāng)β=35°時(shí),爐內(nèi)最高溫度及煙道溫度分布均較高,到第二煙道內(nèi)溫度大大降低,僅略微高于原工況及工況22溫度;β=40°時(shí),溫度分布最高,最高溫度超過(guò)1 800 K,煙道內(nèi)溫度均較其他工況高出許多;當(dāng)β=25°時(shí),其煙氣軌跡曲線與原工況最為接近,煙氣軌跡溫度曲線幾乎重合。

圖8 不同后拱設(shè)置爐內(nèi)煙氣軌跡線上的溫度

總體來(lái)看,爐膛后拱結(jié)構(gòu)相較于前拱對(duì)焚燒爐爐內(nèi)燃燒情況影響更為明顯,較小的后拱角度改變即可對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。由模擬結(jié)果分析可知,后拱角度設(shè)置為β=25°～30°更為合適,此范圍內(nèi)的爐膛后拱設(shè)置既可以保持爐內(nèi)溫度及速度等燃燒參數(shù)的相對(duì)穩(wěn)定,又可以在爐內(nèi)可燃?xì)怏w充分燃燒的情況下避免爐膛內(nèi)壁因較大的湍流強(qiáng)度或較高的溫度導(dǎo)致其發(fā)生腐蝕及燒灼結(jié)焦等現(xiàn)象。

4.3 爐膛后墻板結(jié)構(gòu)對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響

如圖9所示為工況31、32、33、34四種后墻板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案及無(wú)后墻板設(shè)置的工況3W在鉛垂平面上的爐膛中心截面溫度分布云圖,圖10所示為相應(yīng)工況速度分布云圖。從原工況及四種后墻板結(jié)構(gòu)優(yōu)化工況溫度與速度分布云圖可以看出,當(dāng)γ=45°及無(wú)后墻板設(shè)置時(shí),工況31及工況3W爐膛內(nèi)部空間較大,高溫燃燒區(qū)域也相應(yīng)較大,工況3W燃燒最高溫度達(dá)到將近1 800 K,且兩工況在爐膛喉口處的湍流區(qū)域與原工況相比也較大;當(dāng)γ=60°時(shí),工況32爐內(nèi)溫度及速度分布與原工況最為接近,爐內(nèi)空間分布相差不大,湍流強(qiáng)度及區(qū)域也較為相似;當(dāng)γ=90°時(shí),工況33爐膛空間進(jìn)一步縮小,豎直設(shè)置的后墻板結(jié)構(gòu)也在一定程度上通過(guò)輻射及一定的反射作用增大了湍流區(qū)域的面積;當(dāng)γ=105°時(shí),此時(shí)后墻板在爐膛內(nèi)形成了折焰角結(jié)構(gòu),對(duì)爐內(nèi)燃燒流場(chǎng)有較強(qiáng)的導(dǎo)流作用,可以看出,工況34的高溫燃燒區(qū)域在折焰角的壓制下相比之前工況較小,最高燃燒溫度相比其他工況較低,但由于折焰角向爐膛內(nèi)部的凸形設(shè)置,使得其對(duì)二次風(fēng)的反射及輻射作用較強(qiáng),使此工況爐內(nèi)湍流區(qū)域明顯增大。

圖9 不同后墻板結(jié)構(gòu)焚燒爐中心截面溫度分布云圖

圖10 不同后墻板結(jié)構(gòu)焚燒爐中心截面速度分布云圖

根據(jù)焚燒爐數(shù)值模擬結(jié)果,做出爐內(nèi)相應(yīng)煙氣軌跡溫度曲線如圖11所示。由曲線圖可知,當(dāng)γ=45°及無(wú)墻板設(shè)置時(shí),由于爐內(nèi)高溫燃燒區(qū)域較大使得爐內(nèi)溫度整體較高;當(dāng)γ=105°有爐膛折焰角設(shè)置時(shí),由于折焰角向內(nèi)凸的壓制作用使燃燒區(qū)域較其他工況縮小,導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)溫度相比其他工況較低;當(dāng)γ=60°、90°時(shí),其曲線與原工況較為相似,其中γ=60°時(shí),其溫度曲線上的最高溫度值及變化趨勢(shì)與原工況最為相似,爐內(nèi)燃燒溫度較為穩(wěn)定。

圖11 不同后墻板設(shè)置爐內(nèi)煙氣軌跡線上的溫度

總體來(lái)看,后墻板的結(jié)構(gòu)設(shè)置也對(duì)爐膛空間有較大的影響,同時(shí)對(duì)爐內(nèi)燃燒煙氣流場(chǎng)具有一定的導(dǎo)流作用,其中折焰角的設(shè)置對(duì)煙氣流動(dòng)的影響更為明顯[12]。通過(guò)對(duì)后墻板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可知,當(dāng)后墻板角度設(shè)置在γ=60°～72°時(shí),溫度曲線變化較小,擬合度較高,爐內(nèi)溫度及速度等分布云圖也未有較大差別,爐內(nèi)燃燒情況較為穩(wěn)定,焚燒爐燃燒運(yùn)行情況相比其他工況角度設(shè)置時(shí)較好。

5 結(jié) 論

利用CFD的方法對(duì)800 t/d焚燒爐處理7 200 kJ/kg熱值垃圾時(shí)的不同爐膛設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,探究了爐膛前拱、后拱及后墻板結(jié)構(gòu)設(shè)置對(duì)焚燒爐內(nèi)燃燒運(yùn)行的影響規(guī)律,并進(jìn)行了優(yōu)化分析,得出以下相關(guān)結(jié)論。

(1)爐膛前拱結(jié)構(gòu)對(duì)焚燒爐內(nèi)燃燒運(yùn)行情況的影響較小,其內(nèi)壁對(duì)前拱處溫度存在較小的輻射作用,對(duì)爐內(nèi)燃燒有一定程度上的微弱影響,當(dāng)設(shè)置前拱角度為38°～60°時(shí),爐內(nèi)燃燒較為穩(wěn)定。

(2)爐膛后拱結(jié)構(gòu)的變化在很大程度上決定了爐膛空間大小,后拱的設(shè)置對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)具有較強(qiáng)的導(dǎo)流及輻射作用,對(duì)焚燒爐燃燒運(yùn)行情況影響較大,為了維持爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定,且避免爐膛內(nèi)壁發(fā)生腐蝕及燒灼結(jié)焦等現(xiàn)象,后拱角度最好設(shè)置在25°～30°。

(3)爐膛后墻板結(jié)構(gòu)的設(shè)置也能夠在一定程度上確定爐膛空間的大小且也具有較大的導(dǎo)流和輻射作用,對(duì)焚燒爐內(nèi)燃燒運(yùn)行情況也具有一定的影響,當(dāng)后墻板角度設(shè)置在60°～72°時(shí),焚燒爐爐內(nèi)燃燒情況較為穩(wěn)定。