焚燒爐煙氣再循環配風優化設計研究

王沛麗，王 進，許巖韋，朱真真

(光大環境科技(中國)有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

我國垃圾焚燒產業發展空間廣闊[1]，機械爐排爐由于其技術成熟、適應性強等特點，成為我國垃圾焚燒發電的主力爐型[2]。隨著垃圾焚燒污染物排放標準日趨嚴格，氮氧化物(NOx)控制難度越來越大，脫硝成本居高不下，造成亟需解決的環境與經濟矛盾問題。煙氣再循環(Flue Gas Recirculation,簡稱FGR)基于低氮燃燒[3-4]原理，可以實現深度的爐內NOx脫除，已成為燃煤、燃氣鍋爐[5-6]中一種成熟的工程技術，不僅可以減輕爐后脫硝壓力，而且投資成本低，有必要探索研究其在垃圾焚燒爐中的應用。

數值模擬是一種基于計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)的研究方法[7]。Scharler[8]、Liuzzo[9]等通過模擬仿真得出煙氣再循環可以有效控制CO排放值和爐膛最高溫度，減少熱力型NOx的生成，增加循環熱效率；王進[10]模擬研究了不同煙氣再循環率對焚燒爐出口NOx濃度的影響；王克[11]研究了不同煙氣再循環總量、前后墻流量分配、噴嘴角度等對焚燒爐內燃燒和流動組織的影響；陸燕寧等[12]研究了煙氣再循環與不同位置的二次風摻混以及不同再循環率時的低氮燃燒效果。

大多數研究采用煙氣再循環與二次風摻混入爐的配風方式，存在煙氣低溫結露腐蝕風險，另外在實際運行中會造成調控不夠靈活敏捷。本文對垃圾焚燒爐進行煙氣再循環配風優化設計，采用煙氣再循環和二次風同時供風、互相獨立的設計思路，通過數值模擬方法考察不同的再循環噴口布置方式對NOx脫除效率、流場、溫度場和燃燼率的影響，尋求最佳的配風方案，為煙氣再循環在垃圾焚燒爐中的設計及應用提供重要參考。

1 計算方法

1.1 研究對象

以一典型的日處理垃圾量300 t垃圾焚燒爐排爐為研究對象，爐型結構如圖1所示。垃圾在焚燒爐排上吸收高溫煙氣輻射熱，并在爐排下方送入的一次風作用下依次經歷干燥著火、燃燒、燃燼過程，二次風布置于焚燒爐出口，煙氣從焚燒爐出口進入余熱鍋爐、煙氣凈化裝置等。

圖1 典型垃圾焚燒爐排爐

采用獨立的煙氣再循環系統，不與二次風摻混，維持二次風噴口位置不變，抽取凈化后煙氣從再循環噴口入爐重新參與燃燒。為給煙氣再循環設計提供依據，共提出九種再循環噴口方案：單排布置時如圖2(a)演示，噴口依次位于后拱和喉部后墻不同高度位置，共A1～A6六種方式；雙排布置的方案如圖2(b)演示，噴口依次位于喉部前后墻不同高度位置，共B1～B3三種方式。

1.2 數值計算方法

對焚燒爐進行三維全尺寸建模，如圖1所示，采用結構化網格+局部加密四面體網格劃分。為了考核網格獨立性，分別建立了81萬、103萬、125萬、156萬的網格系統，模擬分析焚燒爐出口溫度和一煙道出口溫度參量，最后兩組網格參量偏差小于3%，綜合考慮計算精度和效率，確定采用125萬的網格系統。

垃圾在焚燒爐內存在爐排上方層狀燃燒以及爐膛氣相空間燃燒兩個過程。通過二維燃料柱程序Flic進行床層燃燒計算，經干燥、熱解、燃燒、氣/固相化學反應等模型計算，得到的床層上方組分、速度及溫度分布等可作為氣相燃燒的邊界條件，通過商業軟件Fluent進行氣相燃燒計算，焚燒爐壁面為絕熱邊界，一煙道/二煙道壁面為恒溫邊界，湍流采用k-ε模型、輻射為DO模型，組分輸運和化學反應采用有限速率/渦耗散模型。

該方法經過大量的應用和驗證[13-14]，目前被較為廣泛的應用于生活垃圾焚燒爐的仿真、設計過程中。對本文中的原始工況進行數值模擬，計算結果與山東某300 t/d垃圾焚燒項目運行實際相比較，爐排上方火焰位置、焚燒爐出口溫度等均較為吻合，數值計算具有相當的精度和可信度。

1.3 計算工況

入爐垃圾燃料特性如表1所示，計算工況如表2所示。原始工況編號Base，無煙氣再循環，一、二次風配比8∶2。再循環工況編號A、B系列，維持一次風量不變，減少二次風量，總過量空氣系數(簡稱過空)隨之降低，以創造低氮燃燒條件；再循環率均為15%，是指再循環煙氣量與煙囪排煙量之比。

表1 入爐垃圾的元素分析和工業分析

表2 計算工況的配風設置

當再循環煙氣從后拱入爐，設計噴口與水平方向夾角10°，接近水平，這是為了避免再循環煙氣射流直接沖擊料層，影響料層燃燒，同時可以保證再循環煙氣與燃燒煙氣的充分混合，經過試計算，該設計角度使用效果較好；再循環從喉部入爐時，設計噴口參考二次風，與水平方向夾角20°。

2 計算結果與討論

2.1 煙氣再循環對NOx生成的影響

煙氣再循環最重要的作用就是降低爐內NOx生成量，這也是本研究關注的重點。統計各再循環工況焚燒爐出口和一煙道出口兩個特征截面的組分信息，并與原始工況對比，如表3所示，一煙道出口NOx濃度均低于原始工況，表明煙氣再循環可以抑制NOx生成。

表3 各工況計算結果

將煙氣再循環與原始工況一煙道出口NOx濃度之比作為脫硝率，不同再循環噴口布置方式下的計算結果如圖3所示。脫硝率范圍在11%～32%，可以觀察到效率曲線存在兩個高峰區，即工況A2、A6下脫硝率高達30%以上，另外，B1～B3的脫硝率也相對較高，且較為穩定。

圖3 不同再循環工況的脫硝率

選取脫硝率較高的工況A2，脫硝率較低的A4以及原始工況Base這幾個典型進一步對比分析。由于O2濃度在NOx生成機理中具有重要影響，可以觀察爐內O2和NO濃度分布，如圖4、圖5所示。工況A2中，再循環煙氣射流從后拱吹向進料口方向，由于摻混角度和時機的良好配合，整個爐排上方空間的氧濃度明顯降低，并持續至喉部和焚燒爐出口，創造出很大的還原氣氛，有效抑制NO中間產物向NO的轉化，表現為爐排上方燃燒過程生成的NO量直接大幅度減少。而在工況A4和Base中，爐內還原性氛圍空間相對有限，尤其是喉部后墻附近有明顯的NO生成，表現為NOx濃度整體相對較高。也就是說，優化的再循環配風設計對降低爐內NOx生成具有重要作用。

圖4 各工況下爐膛中心截面O2分布

圖5 各工況下爐膛中心截面NO分布

2.2 煙氣再循環對溫度場和流場的影響

根據表3所示結果，焚燒爐出口CO體積分數均小于原始工況，一煙道出口CO體積分數均為零，表明煙氣再循環配合一次風、二次風的組合方式可以提高氣相燃燼率，滿足完全燃燒要求。其中，工況A2、B3都可以實現較高的爐內脫硝率，同時顯著降低焚燒爐出口CO體積分數，是較為理想的設計方案。選取工況A2、B3以及原始工況Base這幾個典型進一步分析爐內溫度場和流場的變化。

各工況的流線分布對比如圖6所示，煙氣再循環入爐后，氣流擾動增強，氣流充滿度提高，原始工況下煙道氣流偏斜現象得到了明顯改善，有利于可燃物質的充分燃燒，這也解釋了氣相燃燼率提高的原因。

為進一步準確分析流場，觀察y=10 m高度煙道截面沿x方向的平均豎直速度vy分布，將同一x坐標下沿爐膛z方向各點的豎直速度統計求得平均值即為vy，如圖7所示，vy>0表示煙氣上行，vy<0表示煙氣回流，豎直虛線是指煙道前墻至后墻的中心。結合圖6可以看出，工況B3的速度分布與原始工況較為相似，前墻附近存在大尺度煙氣回流，但是工況B3回流尺度明顯變小，前后墻處的速度差也減?。还rA2的煙氣速度呈現對稱分布，且整體速度差很小，分布非常均勻，極大的改善了流場。

圖6 各工況下爐膛中心截面的流線分布

圖7 y=10 m高度截面上平均豎直速度分布

圖8為各工況下爐膛中心截面溫度分布，工況B3當再循環煙氣從喉部入爐時，溫度場與原始工況較為相似，燃燒火焰偏向喉部后墻。工況A2時爐排上方的火焰形態發生改變，從集中燃燒變為相對分散燃燒，主燃區局部高溫區溫度降低，喉部貼向后墻的高溫區消失，這是由于再循環煙氣為低溫低氧的凈化后煙氣，再循環煙氣入爐使得主燃區的氧濃度下降，燃燒速率下降，局部高溫區的煙氣溫度降低。同時，生活垃圾進料口區域溫度明顯有所提升，這是由于再循環煙氣射流攜帶高溫煙氣流向著火區，促進了著火區的輻射、對流換熱，有利于垃圾干燥。

圖8 各工況下爐膛中心截面溫度分布

結合y=10 m高度煙道截面溫度分布，如圖9所示，原始工況Base煙道前后墻區域溫差大于100℃，采用煙氣再循環后，后墻附近溫度偏高的現象有所減弱，溫度分布較為均勻，其中工況A2改善效果最佳，即優化的再循環設計還可以在改善爐膛溫度場、流場方面發揮重要作用，這說明煙氣再循環配風設計為焚燒爐的改善和優化提供了一種有效發揮的手段。

圖9 y=10 m高度截面溫度分布

3 結論

(1)垃圾焚燒爐采用獨立的煙氣再循環配風方式，再循環率為15%時，可以達到脫硝率為11%～32%，單排和雙排再循環噴口布置都可以實現有效抑制爐內NOx生成。

(2)不同再循環設計的脫硝效率存在兩個高峰區，對應噴口位置分別在后拱中部與焚燒爐出口附近，主要原因是分別在爐內下部和上部創造出了兩個比較大的還原性氣氛區，使得脫硝效率越高，這為煙氣再循環的設計提供了重要的參考依據。

(3)優化的再循環設計還可以提高氣相燃燼率，增強爐內氣流擾動，改善爐膛溫度場和流場，使得溫度分布、流線分布相比于原始工況更為均勻。