垃圾焚燒爐排爐二次風(fēng)配風(fēng)的CFD優(yōu)化模擬

北極星環(huán)保網(wǎng)訊:為探究二次風(fēng)配風(fēng)對(duì)爐排爐中城市固體垃圾焚燒過程的影響，針對(duì)某750t/d垃圾焚燒爐排爐，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)爐膛焚燒過程進(jìn)行熱態(tài)模擬，就下二次風(fēng)投、停運(yùn)，上二次風(fēng)布置形式和上二次風(fēng)風(fēng)速3個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化分析.模擬結(jié)果顯示，通過在爐拱下方增加下二次風(fēng)能對(duì)爐膛前、后爐拱形成包覆作用，阻擋高溫?zé)煔鉀_刷，有利于改善爐拱區(qū)域的結(jié)渣問題;爐膛上二次風(fēng)對(duì)沖布置或適當(dāng)增大二次風(fēng)風(fēng)速(從45m/s增大至65m/s)均能有效促進(jìn)煙氣混合，提高爐膛煙氣的充滿度，改善溫度分布的均勻性;上二次風(fēng)對(duì)沖布置較錯(cuò)列布置能進(jìn)一步提高煙氣停留時(shí)間，降低爐膛出口的CO體積分?jǐn)?shù)，從而提高燃燒效率.

關(guān)鍵詞：爐排爐;垃圾(MSW)焚燒;計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD);數(shù)值模擬;二次風(fēng);配風(fēng)優(yōu)化

國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2014年統(tǒng)計(jì)年鑒[1]顯示，2013年我國(guó)生活垃圾清運(yùn)量已達(dá)17238.6萬(wàn)噸.如何處理日益圍城的生活垃圾成為亟待解決的問題.2012年，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《“十二五”全國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾無(wú)害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》[2]提出：到2015年，全國(guó)城鎮(zhèn)垃圾焚燒處理設(shè)施處理能力達(dá)到無(wú)害化處理總能力的35%.在國(guó)家政策的大力扶持下，生活垃圾焚燒處理已進(jìn)入市場(chǎng)化全面發(fā)展階段.爐排爐是當(dāng)前垃圾焚燒的主要型式之一[3].

目前國(guó)內(nèi)已有企業(yè)[4-5]通過引進(jìn)如德國(guó)馬丁、比利時(shí)西格斯、日本田熊、日立等的先進(jìn)技術(shù)，加以吸收創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了焚燒設(shè)備的自主化，但其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及穩(wěn)定性仍有待進(jìn)一步提高.

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computationalfluiddynamics，CFD)的數(shù)值模擬方法作為一種低成本、高效率的研究手段，近年來不斷被應(yīng)用于垃圾焚燒爐的設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究工作中.Kear等[6]對(duì)稻草焚燒爐的爐排頂部溫度以及組分分布進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算.Yin等[7-8]采用數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)的方式對(duì)燃燒小麥秸稈的88MW爐排爐進(jìn)行了研究，得到了不同建模方式對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響.馬曉茜等[9-12]對(duì)爐排的燃燒進(jìn)行分段處理，討論富氧條件對(duì)爐排燃燒的影響，并且采用CFD手段對(duì)爐膛燃燒以及爐膛頂部通過選擇性非催化還原(ivenon-catalyticreduction，SNCR)方法脫除NOx進(jìn)行了研究.胡玉梅等[13-14]采用數(shù)值手段對(duì)爐排爐二次風(fēng)的作用以及二次風(fēng)的布置位置進(jìn)行了研究，通過調(diào)整二次風(fēng)位置來調(diào)節(jié)燃燒條件，抑制二惡英生成.

上述研究主要以國(guó)外引進(jìn)爐排為研究對(duì)象，且單機(jī)處理量處于中小水平，國(guó)內(nèi)鮮見關(guān)于750t/d大型爐排爐爐內(nèi)燃燒模擬以及配風(fēng)優(yōu)化的公開研究成果.本文以國(guó)內(nèi)某自主研發(fā)的750t/d爐排爐為研究對(duì)象，采用數(shù)值方法對(duì)爐排爐內(nèi)燃燒進(jìn)行模擬.下文將從下二次風(fēng)投、停運(yùn)，上二次風(fēng)布置形式以及上二次風(fēng)風(fēng)速這3個(gè)角度對(duì)其二次風(fēng)配風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化分析.

1、研究對(duì)象及計(jì)算模型

研究對(duì)象為國(guó)內(nèi)某公司自主研發(fā)的750t/d垃圾焚燒爐排爐，爐排長(zhǎng)為11.66m，寬為12.56m，運(yùn)行速度為7.673m/h，即運(yùn)行周期為90min.爐膛容積為648.47m3，配風(fēng)分為三級(jí)，一次風(fēng)由爐排下方由高到低分5級(jí)灰斗兩列配送，總風(fēng)量為88700Nm3/h，溫度為493K.二次風(fēng)溫度為313K，總流量為38000Nm3/h，其中上、下二次風(fēng)所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80%、20%.根據(jù)爐膛實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，通過GAMBIT建立三維模型如圖1所示，爐膛網(wǎng)格均采用六面體網(wǎng)格，二次風(fēng)入口采用局部加密處理，網(wǎng)格總量為109.91萬(wàn)，網(wǎng)格質(zhì)量較好.

圖1垃圾焚燒爐膛的幾何模型

垃圾燃燒過程按水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒分為多個(gè)階段進(jìn)行，垃圾燃燒過程的模擬分為兩大部分，即爐排上方垃圾固相的燃燒和固相燃燒析出的氣相在爐膛內(nèi)的燃燒.固相燃燒反應(yīng)采用FLIC軟件進(jìn)行模擬，床層上固相反應(yīng)由文獻(xiàn)[15-17]的運(yùn)動(dòng)模型描述.固相控制方程如式(1)～(4)所示，與氣相控制方程類似，同時(shí)考慮了垃圾床層的移動(dòng).

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