機械爐排垃圾焚燒爐內氣固兩相焚燒過程的協同研究

丁孝榮

摘要：機械爐排垃圾焚燒爐的結構復雜，運行操作繁復，而計算流體力學（CFD）在其中的應用，有利于深入研究機械爐排垃圾焚燒爐內的燃燒傳熱和煙氣流動特性。作為一種輔助預測方法，運用CFD 進行數值模擬計算可以更為方便地預測垃圾焚燒爐整個爐膛空間內的溫度場、速度場、煙氣各組分的濃度場以及傳熱特性。因此，本文探討了機械爐排垃圾焚燒爐內氣固兩相焚燒過程。

關鍵詞：機械爐排垃圾焚燒爐；氣相；固相；焚燒過程

近年來，隨著經濟社會的發展，生活垃圾逐漸增多，填埋是固廢的最終處置方式，而機械爐排爐是世界上比較常用的爐排式生活垃圾焚燒爐爐型。其結構復雜，運行操作繁復，對其進行工程實驗需要耗費大量的人力、物力和財力，受限于測量條件和基于安全考慮，往往只能獲得爐內局部點的信息，而且不便于對其進行結構改造研究。計算流體力學（CFD）在機械爐排垃圾焚燒爐上的應用，有利于解決以上難題，進一步深入研究機械爐排垃圾焚燒爐內的燃燒傳熱和煙氣流動特性。對于城市生活垃圾在機械爐排爐內的燃燒傳熱過程的數值模擬研究，均采用分塊模擬計算方法，即先計算垃圾料層的固相燃燒，將計算結果作為入口邊界條件，再進行氣相燃燒傳熱計算。

1物理模型

本研究的物理模型為海安項目250t/d的焚燒爐系統。該焚燒爐的爐型為順推式，爐內煙氣先后經過燃燒室、余熱鍋爐、保護性蒸氣器、過熱器、省煤器和除塵器，最后通過引風機由煙囪排向大氣，其中焚燒爐燃燒室和第一煙道統稱為垃圾焚燒爐爐膛。

爐膛內燃燒所需的空氣主要分為兩部分供給，分別是一次風和二次風，一次風由引風機從垃圾儲料倉內部吸入供給，經過預熱后，通過爐排下方的風室提供給垃圾床層部分，由于整個垃圾床層分為三部分：干燥段、燃燒段和燃燼段，三段的一次風溫度各不相同。針對250t/d的項目，風溫依次為493K，458K和293K。二次風則在喉口上部，通過常溫高速射流進入爐膛內，風速約為60m/s。其二次風管布置為對稱交錯排列，速度方向均為斜向下20o。

2 燃料組分及邊界條件

2.1 燃料組分

眾所周知，生活垃圾的成分是千變萬化的，而垃圾成分的特性分析是生活垃圾焚燒長設計、建設和運行管理的關鍵基礎材料，不同的垃圾特性勢必將導致焚燒爐的燃燒狀況不同。本研究所采用的垃圾理化特性參數基于天楹公司提供的實際工況數據。

2.2 邊界條件

模擬所采用的邊界條件如下：

1）垃圾處理量：250t/d爐；

2）在爐排入口處，垃圾料層初始厚度為960mm；

3）垃圾燃燒的過量空氣系數：1.9；

4）一次助燃空氣溫度220℃；

5）二次助燃空氣溫度為室溫或者150℃；

6）垃圾在床內停留時間120min；

7）一次風機和二次風機流量分別為為24125 Nm?/h和9300 Nm?/h，其中一次風又通過3個風倉吹入爐排內。

3 爐排氣相、固相燃燒模擬結果分析

3.1固相燃燒模擬結果

濕垃圾投入焚燒爐內，水分在爐膛火焰的輻射熱和一次風對流傳熱的雙重作用下開始蒸發，干燥過程完成后垃圾進入熱解過程，揮發分釋放，燃燒過程中釋放大量熱量，爐排上的垃圾質量顯著減少。床層表面氣相的溫度隨著水分的蒸發、揮發分與焦炭的燃燒而不斷升高。隨著揮發分的燃盡，垃圾進入燃盡狀態，氣體溫度顯著下降。在爐排的前1/3段，來自一次風的熱量主要用于垃圾水分的干燥。隨著熱解過程的開始，揮發分燃燒等途徑的熱量開始輸入固體垃圾，帶動了固體垃圾的燃燒，固體溫度約在爐排長度的2/3處達到最大值。氣相燃燒帶動了固相的燃燒，爐排溫度的最大值出現在總長度的2/3處。

此外，垃圾的成分對爐排上的燃燒特性有著重要的影響，高水分和低熱值垃圾需要較長的干燥蒸發段，在一定爐排長度的情況下，有可能出現垃圾燒完全，熱灼減率升高的不良結果。

3.2 氣相燃燒模擬結果

垃圾在爐排熱解燃燒后，氣體從床層頂端逸出，進入燃燒室，未完全燃燒的可燃氣體繼續反應，釋放出大量的熱量。在爐膛內煙氣溫度最高約為1300K左右，較高溫度區主要集中于爐排中部，高溫區和高速區基本吻合。在爐膛喉部隨著二次風的射入，未完全燃燒的可燃氣體得到補氧進行了充分燃燒，最高溫度1720K（約1450℃），在第一煙道尾部隨著水冷壁的吸熱和燃燒的完成，煙溫約在1400K。在喉口部由于二次風射入的合流作用，使得此處煙溫分布不均勻，在喉部二次風口上的回旋區煙溫較低。

CO和CmHn的高濃度區域分布在第二級爐排及其上方，主要來源于床層垃圾的熱解過程，而在其它區域的含量甚微。由于在喉口部二次風的射入，有足夠的氧氣和可燃氣體充分的混合，可燃份的反應逐漸趨于完全。

焚燒爐內的氧氣低濃度區域，主要是分布在第二級爐排上方和二次風射流區域。二次風射流帶來充足的氧氣，并壓制其下方的煙氣，煙氣中的可燃顆粒在其附近燃燒，故而氧氣含量在該區域較低。進入第一煙道后，燃盡風的供入保證了可燃氣體的燃燼，進一步提高了煙氣中的氧氣濃度，第一煙道出口處氧氣含量約達到6%。

可以看出：針對垃圾焚燒過程的數值模擬能夠得到可信的結果，可以借此對焚燒爐的結構優化和規模放大進行研究。

4結語

機械爐排垃圾焚燒爐的結構復雜，而CFD在其中的應用，有利于深入研究機械爐排垃圾焚燒爐內的燃燒傳熱和煙氣流動特性。本文將天楹公司海安250t/d項目通過數值模擬復現了其中的物理和化學進程。研究發現，結果吻合良好，驗證了氣固兩相協同焚燒模型的準確性，為裝備結構優化和規模放大提供了理論基礎。

參考文獻

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（作者單位：江蘇天楹環保能源成套設備有限公司）