旋渦二次風對垃圾焚燒爐燃燒的影響

霍光，李志波，趙緒平，單東升

（北方重工集團有限公司，沈陽 110141）

大型生活垃圾焚燒發電廠在我國已運行了一段時間，無論是從國外引進還是自主開發，其設備技術水平都在不斷提高。但研究人員將精力主要放在了機械爐排爐的技術水平提高，對提高燃燒效率起到了一定作用。從運行的效果來看，二次風的整體技術仍沿襲了國外早期的技術路徑，成為制約我國垃圾焚燒設備整體水平提高的瓶頸。

二次風對焚燒爐的燃燒效果影響顯著，其作用不但是補充爐內燃燒氧氣，還可以攪動爐內氣流，使煙氣滿足850℃以上停留2s的條件；另外，國內垃圾有高水分低熱值的特點，在前拱下方的二次風旋渦能夠對這種垃圾起到很好的預熱干燥作用。但由于垃圾焚燒爐是一個龐大而復雜的系統，很難通過實驗手段對爐內燃燒狀況進行檢測，從而對二次風位置進行優化布置[1]。采用CFD（Computational Fluid Dynamics）技術對二次風進行優化設計成為主流趨勢。賴志燚等[2]就二次風位置對垃圾焚燒燃燒影響進行了研究。劉瑞媚等[3]對下二次風投入、停運，上二次風布置形式和上二次風風速3個因素進行了優化分析，且提出二次風對沖布置比錯列布置更優。李堅等[4]針對750t/d垃圾焚燒爐二次風噴嘴角度的改變對焚燒爐內燃燒溫度場的影響進行了研究。旋渦二次風國內學者有一些研究，徐秀清等[5]介紹了一種低溫旋渦燃燒技術，文中提到美國華盛頓天主教大學S.Nieh博士領導下正在研究一種水平HTB（低溫旋渦燃燒）技術。劉坤磊等[6]利用增設四角切圓二次風組織旋渦燃燒來提高拋煤鏈條爐的效率，降低污染物排放。岑可法等[7]介紹了二次風從切向和割向噴入，形成強旋燃燒，提高氣、固混合和傳熱介質，延長細顆粒在爐內的停留時間。

本文以國內某企業自主研發750t/d垃圾焚燒爐為研究對象，采用數值模擬方法對上層旋渦二次風的投入、停運，下層二次風的投入、停運，上層、下層二次風同時投入三種狀態進行優化分析。

1 研究對象及計算模型

原始研究對象為國內某企業自主研發的750t/d垃圾焚燒爐排爐，爐排分為干燥段、燃燒段、燃燼段，爐排總長14.83m、寬9.97m，三段爐排傾角均為15°。垃圾在爐排上的停留時間為1.5～2h，配風分為三級，一次風通過灰斗進行配送，總風量87,460Nm3/h，溫度為453.1K，一次風在干燥段、燃燒段、燃燼段的分配比為0.15、0.75、0.1。二次風風量20,020Nm3/h，風溫503.1K。二次風從爐膛的喉口處噴出，前拱13個噴口，后拱12個噴口，如圖1所示。為優化爐膛二次風配置，優化模型中加入了上層旋渦二次風，前墻11個噴口，后墻12個噴口，如圖2所示。用Solidworks建立三維模型，導入AnsysWorkben軟件，共劃分網格90.1014萬，網格質量較好。

圖1 垃圾焚燒爐膛原始幾何模型

圖2 垃圾焚燒爐膛優化幾何模型

爐膛氣相燃燒過程計算采用Fluent軟件，該過程建立在四個基本守恒方程上。

（1）質量守恒方程：

（2）動量守恒方程：

（3）能量守恒方程：

（4）組分運輸方程：

式中：Sm為離散項增加到連續相中的質量；p為靜壓；為應力張量；為重力體積力；為其它體積力；keff為有效導熱系數；為組分J的擴散流量；Sh為包含化學反應熱和其它體積熱源項；Yi為物質i的質量分數；Ri為化學反應的凈產生速率；Si為離散相及用戶定于的源項導致的額外產生速率。

本文研究的重點是二次風對燃燒的影響，且不同爐排上方氣體分布、溫度分布變化不大。故不考慮垃圾床層的燃燒，以文獻[8]得到的爐排上方氣體分布、溫度分布作為入口邊界條件。

為比較上層旋渦二次風的投入、停運對爐膛燃燒的影響，計算了3種工況，僅投入上層旋渦二次風，標記為SC，旋渦二次風噴口代號示意如圖3所示，旋渦二次風噴口風速如下表所示。q1～q11噴口布置在前墻，h1～h12噴口布置在后墻；僅投入下層二次風，標記為XC；上層、下層二次風同時投入，標記為SX。

圖3 上層旋渦二次風噴口代號

旋渦二次風噴口風速表

2 計算結果及分析

從跡線分布可看出整個流場的分布狀態，尤其是旋渦產生的效果；溫度分布能夠反應燃燒的效果，速度矢量圖能夠分析風速的分布及方向。

圖4為三種工況跡線分布的對比。圖中的右下角為僅投入下層二次風（XC）工況跡線分布，該工況即為焚燒爐二次風原始布置。從圖中可看出，跡線在整個爐膛分布不均勻，在上部爐膛前墻部分，跡線分布稀疏，雖在前拱下方形成一個局部弱旋渦，有利于進料口垃圾的干燥，但在爐膛上方并未形成有效的旋渦，煙氣停留時間較短，煙氣停留2s的條件不能保證。圖中右上角為僅投入上層旋渦二次風（SC）工況跡線分布，跡線在整個爐膛上部分布均勻，跡線彌散飽滿，形成了有效的旋渦，但由于受沒有投入下層二次風的影響，在前拱下方沒有形成有效的旋渦區，對進料口垃圾的干燥作用較弱。圖中左方為上層旋渦二次風、下層二次風同時投入（SX）工況跡線分布，較SC工況，跡線更加彌散飽滿，較（XC）工況，前拱下方的旋渦區更加強烈。這是因為，由于上層旋渦二次風的加入，起到風簾作用，下層二次風分流較少，能量更加集中。同時上層二次風的風簾，從兩方面延長了煙氣的停留時間，一是風簾對下層煙氣上升起到了有效的阻擋作用，延長了煙氣停留時間；二是下層煙氣在經過風簾區后，跡線由垂直上升形態轉變為螺旋上升形態，跡線加長，煙氣停留的時間延長。

圖4 三種工況跡線分布對比

圖5為三種工況中心截面溫度分布對比。圖中的右下角為僅投入下層二次風（XC）中心截面的溫度分布云圖，在爐膛下部溫度分布不均勻，在爐膛上部溫度分布較均勻，且平均溫度大于850℃，溫度條件滿足了有效控制二英產生的要求。圖中右上角為僅投入上層旋渦二次風（SC）工況中心截面的溫度分布，由于下層二次風沒有投入，爐膛下部高溫區域有所擴展，這對于進料口處推料器的液壓缸是不利的。圖中左方為上層旋渦二次風、下層二次風同時投入（SX）工況中心截面的溫度分布，較XC工況，高溫區域變化較小，較SC工況，高溫區域向后拱方向移動，有利于進料口處推料器液壓缸避免高溫影響。

圖5 三種工況中心截面溫度分布對比

圖6為三種工況中心截面速度矢量圖對比。圖中右下角為XC工況、右上角為SC工況、左方為SX工況，三種工況中的部分風量沿后墻上升，從出口排出。SX工況中，上層二次風雖然是水平噴射，但受下層上升氣流的影響，風速主方向爐膛上方偏轉，為爐膛上方螺旋上升的氣流產生提供條件。

圖7為三種工況中心截面CO質量濃度對比。圖中右下角為XC工況、右上角為SC工況、左方為SX工況。從圖中可看出，CO主要在燃燒段生成，這是因為此處的垃圾燃燒不充分，生成了大量的CO，后由于二次風的引入，CO和O2進行充分混合，實現二次燃燒，在爐膛出口處的CO濃度進一步降低。XC工況，在爐膛后拱上部CO濃度明顯降低，此處實現了二次燃燒，但爐膛上部的CO濃度依然較高，SC工況，在爐膛后墻CO濃度降低，這是由于上層二次風的引入，使得此處二次燃燒發生。SX工況，爐膛中煙氣充分混合，爐膛上方的CO濃度較SC、XC工況明顯降低。

圖6 三種工況中心截面速度矢量對比

圖7 三種工況中心截面CO質量濃度對比

圖8為三種工況中心截面O2質量濃度對比。圖中右下角為XC工況、右上角為SC工況、左方為SX工況。三種工況在燃燼段的O2濃度較高，說明該段燃燒基本結束。SX、XC工況較SC工況，干燥段上方的氧氣濃度明顯減少，這里發生了二次燃燒，對干燥垃圾是有利的。綜上所述，下層二次風對進爐垃圾的干燥作用明顯。

3 旋渦二次風的形態分析

圖8 三種工況中心截面O2質量濃度對比

圖9為僅投入上層旋渦二次風（SC）工況上層二次風噴口截面速度矢量圖。從圖中可清晰地看出對稱雙旋渦的出現，旋渦形態為長圓形，左邊旋渦為順時針方向，右邊旋渦為逆時針方向，這取決于噴口的速度配置。上方噴口對應前墻q1～q11噴口，中間q6噴口對應35mm/s向兩側逐漸降低，到q1和q11達到10mm/s；下方噴口對應后墻h1～h12噴口，中間h6噴口對應10mm/s向兩側逐漸升高，到h1和h12達到35mm/s。在左右兩側有微小旋渦，但并不構成主要旋渦。

圖9 SC工況上層二次風噴口截面速度矢量圖

圖10為上層旋渦二次風、下層二次風同時投入（SX）工況上層二次風噴口截面速度矢量圖。與SC工況對比，發現由于下層二次風的加入，上層二次風的對稱雙旋渦形態發生了改變，右側的旋渦明顯強于左側的旋渦，同時在圖中兩側各有一個局部旋渦區，四個大小不等的旋渦區構成了其主要特征。

圖10 SX工況上層二次風噴口截面速度矢量圖

4 結語

（1）下層二次風的投入對入爐垃圾的預熱干燥作用顯著，同時保護了推料器的液壓驅動裝置，對爐膛前拱下方處煙氣的攪動作用明顯，對爐膛上方煙氣攪動作用有限。

（2）上層旋渦二次風的投入，爐膛上方煙氣攪動明顯，煙氣呈螺旋上升形態，有效延長了煙氣的停留時間，CO濃度顯著降低，燃燒更加充分，能滿足二英的分解排放條件。

（3）通過調整噴口速度的分布，上層二次風構成了對稱雙旋渦區域，下層二次風的加入，上層二次風呈現了四旋渦區域。旋渦的存在，在空間形成強旋渦區域，強化了該區域的燃燒。

上述研究對國內大型垃圾焚燒爐的爐膛設計提供了理論參考，尤其對于二次風的配風配置提供了新的思路。通過下層二次風、上層旋渦二次風的投入、停運行的靈活配置，保證了爐膛煙氣在850℃以上停留2s的二英分解排放條件。本文未深入探討上層旋渦二次風的風速分布、風速大小對爐膛燃燒的影響，進一步地優化工作可考慮從以上角度開展。

[1] 黃昕，黃碧純，紀辛，葉代啟，羅翠紅.二次風對垃圾焚燒爐燃燒影響的數值模擬[J].華東電力，2010，38（6）：0931.

[2] 賴志燚，馬曉茜，余昭勝.前、后拱和二次風對垃圾焚燒爐燃燒影響研究[J].鍋爐技術，2011，42（4）：70-74.

[3] 劉瑞媚，劉玉坤，王智化，等.垃圾焚燒爐排爐二次風配風的CFD優化模擬[J].浙江大學學報（工學版），2017，51（3）：500-507.

[4] 李堅，夏梓洪，吳亭亭，等.二次風噴嘴角度對爐排式垃圾焚燒爐內燃燒及選擇性非催化還原脫硝的影響[J].環境工程學報，2016，10（10）：5907-5913.

[5] 徐秀清，曾瑞良，馮俊凱.低溫旋渦燃燒技術在動力工程中的應用[J].能源研究與利用，1989（4）：17-21.

[6] 劉坤磊，金保升.旋渦燃燒技術的工業應用[J].能源研究與利用，1995（4）：21-23.

[7] 岑可法，方建華，李曉東，等.環形旋渦流化床燃燒—一種新型高效清潔燃煤技術[J].動力工程，1996，16（5）：15-21.

[8] 林海.基于CFD的城市生活垃圾焚燒爐優化運行及煙氣排放特性試驗研究[D].廣州：華南理工大學，2012.