焚燒爐數值模擬技術發展及高熱值垃圾焚燒技術探討

劉澤慶 上海環境衛生工程設計院有限公司

1 數值仿真可縮短焚燒技術更新迭代周期

CFD仿真技術主要通過數值離散算法，求解N-S流動、輻射傳熱、物質擴散等方程，實現流場、溫度場、組分場的分析，其實質為真實物理過程再現。垃圾焚燒領域可采用數值仿真對垃圾焚燒爐、煙氣處理中的半干式反應塔、干法反應器、布袋除塵器、濕式洗滌塔等關鍵設備的內部流場及化學反應情況進行分析計算。尤其在垃圾焚燒爐的結構和配風方面，垃圾焚燒爐傳統上采用容積熱負荷、爐排燃燒速率、一煙道平均流速等指標進行爐膛容積、爐排面積計算，爐排各段配風和具體爐型則依據以往的項目經驗進行修改優化；而數值仿真技術，則在一定程度上可實現焚燒工況的數值再現，展現某種設計或運行工況下的煙氣流場、溫度場、組分場，實現爐型及配風的精細化設計。

傳統研發路徑及基于數值仿真的研發路徑對比分析：①傳統研發路徑，在傳統焚燒爐設計過程中，主要采用機理實驗-中試設備-工程驗證-設計修改的研究路徑。中試設備投資大且與工程實際存在較大區別；工程驗證后，如技術方案存在問題，焚燒爐改造費用高；整個研發路徑耗時久，一項技術從研發到應用一般超過3a。②CFD數值仿真技術為核心的研發路徑，采用機理實驗-CFD數值仿真-工程驗證的方式。采用CFD數值仿真驗證技術方案合理性，無需中試工程設備投資；CFD數值仿真可對焚燒爐內流場、溫度場、組分場全方面校核，技術優化后工程實施成功率高；一個設計或者運行工況，通過數值仿真驗證僅需要3～7d，極大的縮短了技術優化時間。

2 國內垃圾焚燒爐開發模型進展

2.1 傳統仿真算法

行業普遍采用國外FLIC軟件模擬垃圾床層異相燃燒，耦合基于fluent的爐膛氣相燃燒，進而實現焚燒爐整體仿真。FLIC軟件采用單組分模型，將垃圾各組分理化特性參數均衡為同一種，依次經歷干燥、揮發分燃燒、固定碳燃燒過程，該模型焚燒爐干燥段著火延遲。根據筆者數十個焚燒廠調研，模型在干燥段溫度比實際垃圾焚燒爐低50～100℃。主要由于在實際焚燒過程中，竹木、紙類、塑料、濕垃圾等多組分理化特性差別大，濕垃圾在干燥段進行干燥的同時，紙類及塑料已經在爐膛火焰輻射的作用下發生燃燒，該過程已經被現場試驗及觀測所證實。

2.2 國內新開發算法情況

國內新開發算法的升級和突破為豐富垃圾物料特性參數，由單組份向多組分模型轉化；實現爐排及垃圾運動仿真與燃燒仿真相互耦合；實現垃圾顆粒內部傳熱傳質過程仿真。華東理工大學利用FLUENT平臺開發爐排氣固兩相流動與燃燒模型,引入顆粒動理學理論(KTGF)描述床層固體的流變性質,考慮垃圾在爐排上的水分蒸發,脫揮發分,揮發分燃燒和焦炭燃盡過程；該模型相比于傳統FLIC軟件，可以進行垃圾焚燒爐段差處的垃圾翻滾混合等過程仿真。同濟大學基于FLUENT平臺，通過動網格技術開發垃圾焚燒爐爐排運動仿真模型，耦合床層燃燒模型，實現不同爐排運動情況下的燃燒仿真。上海交通大學以硬紙板、橡膠、松木和尼龍等典型生活垃圾(MSW)成分為研究對象,分別建立了有限平行反應模型,通過粒子群算法計算相應的動力學參數，同時結合顆粒傳熱傳質模型，完成大顆粒精細化垃圾仿真模型開發；相比于FLIC軟件將垃圾顆粒視做零維模型，該模型在擬合實際焚燒過程細節中有大幅提升。上海環境院通過聯合高校，采用自編程方式，開發垃圾多組分模型，與傳統單一組分模型相比較，能夠精細化實現焚燒過程的再現。經過實爐測試，前、后爐拱和爐膛中心等主要測點溫度及組分偏差低于3%。

3 傳統垃圾焚燒技術仿真優化方向

傳統焚燒技術優化主要內容包括爐拱傾角、配風優化（一次風、二次風及煙氣再循環噴口位置、風量）、SNCR優化等，在國外引進垃圾焚燒爐的基礎上，局部參數的調整優化。有關學者采用Fluent作為工具,通過模擬計算得到后拱高度變化對爐膛內流場的影響。隨后拱高度增加,前拱下方處的渦流強度先增加,有利于前拱處入爐垃圾的干燥和熱解,但當后拱高度達到一定值后,隨后拱高度增加,渦流強度開始減弱,對垃圾的焚燒產生不利影響。相關研究人員，分析了有無二次配風以及二次配風口位置不同時爐膛內溫度場、氣體停留時間分布、湍動能等, 獲得了焚燒爐最優二次配風條件,為焚燒爐的設計和改進提供支撐；建立了還原劑噴射模型,考察了還原劑進入焚燒爐內的蒸發和混合的規律,完成噴氨參數和噴嘴布置方式優化。

4 垃圾分類背景下的焚燒廠面臨問題及技術探討

4.1 焚燒爐超溫結焦及處理量下降原因分析

隨著垃圾分類的開展，垃圾熱值快速提升。以上海為例，2019年7月《上海市生活垃圾管理條例》實施以后，首月干垃圾熱值已經超過了3100 kcal/kg，相較于2018年平均值提升了約35%。現有焚燒爐爐型主要為適應低熱值垃圾設計，受納高熱值垃圾后，出現結焦加重、處理量下降等問題。

4.2 采用藥劑控制結焦存在與物料混合差

燃燒結焦控制主要有兩類技術措施。一類是結焦藥劑，如王樹眾等發明的焚燒爐清灰藥劑，主要含有氯化鈉、硝酸鈉、硼砂、氧化鋅和蛭石等物質，其中硼砂和蛭石有較強的焦塊疏松作用，促進焦塊快速脫落，進而避免焦塊過大影響焚燒爐運行安全。結焦藥劑的開發往往源于煤粉鍋爐控焦技術，在煤粉燃燒爐，藥劑可與煤粉充分混合，實現控焦目標。但是焚燒爐為層燃爐，垃圾顆粒大且不規則，如藥劑直接從料斗添加，混合效果差，且在爐排運動過程中宜掉落于爐排；如藥劑噴入爐膛內，則僅能控制噴口及以上區域（煙氣從噴口向上流動區域），很難實現全覆蓋，對于局部控焦有一定實用價值。如何有效利用控焦藥劑，實現焚燒爐大范圍控焦需要進一步探索。另一類是焚燒爐爐拱、配風優化。垃圾焚燒爐爐膛出口設置煙氣再循環裝置，再循環煙氣可以有效降低焚燒爐出口煙氣溫度，從而極大改善焚燒爐出口后端（一煙道）結焦情況。對于焚燒爐內部結焦，主要采用噴水降溫，效果雖好，但是影響余熱鍋爐蒸發量。

4.3 無焰燃燒技術控焦效果好

無焰燃燒技術在燃氣、燃油行業廣泛應用，控制局部高溫（控制結焦）、控制源頭NOX排放效果顯著，但在垃圾焚燒行業暫時未有應用。由于在運行的垃圾焚燒爐，主要針對低熱值混合垃圾設計，前后拱覆蓋面積大，主要為保障焚燒爐中心火焰溫度（高于1100℃），提升垃圾揮發分燃盡及降低焚燒底渣的熱灼減率。在低熱值混合垃圾條件下，無焰燃燒采用高速射流等方式，均化爐膛溫度，會極大降低焚燒中心溫度（低于900℃），影響二噁英控制及焚燒底渣的熱灼減率達標。在垃圾分類背景下，以上海某焚燒廠為例，爐膛中心溫度超過1200℃，如應用無焰燃燒技術，預估爐膛中心高于950℃，能有效保障焚燒各項參數，由此可知垃圾分類為焚燒爐應用無焰燃燒技術提供了契機。

4.4 垃圾焚燒爐無焰燃燒技術仿真研究情況

上海環境院開發垃圾焚燒爐無焰燃燒技術，最大程度實現燃燒均質化和溫度場均勻分布，有效緩解焚燒爐內的結焦情況。該技術相比于傳統煙氣再循環噴口設置于焚燒爐出口（促進焚燒爐出口煙氣混合），垃圾焚燒爐無焰燃燒技術將一定燃燒氣氛（煙氣與空氣某種混合比例）射流噴口設置于前拱或后拱，高速氣流直接作用于燃燒段高溫火焰，由于卷吸作用，該技術可以直接調控高溫區域的組分場、溫度場。

在常規垃圾焚燒爐的前拱處，設置11個高速氣流噴口，對流速分別為30、40、50、60m/s的4種工況進行模擬仿真。結果表明，隨著噴口速度增大，射流對焚燒爐內煙氣的卷吸能力更強，流速高于50m/s，高速射流的尾端基本可達爐排垃圾層的表面，形成的氣流旋渦基本覆蓋燃燒區域局部高溫段；噴口流速50、60m/s，爐排燃燒段上方的氣體組分混合較為均勻，主燃區氧氣體積分數為6.5%～7.0%；噴口流速50、60m/s，主燃區溫度場均勻（約為1200 K），局部高溫區僅在爐排垃圾層表面較小范圍內。該技術可有效緩解焚燒爐內的結焦情況，避免焚燒爐非計劃停爐。同時，由于燃燒中心氧氣濃度、溫度降低，該技術可大幅降低焚燒爐NOX源強。

5 結論

①以CFD數值仿真技術為核心的研發路徑，相比于傳統的“機理實驗-中試設備-工程驗證-設計修改”研究路徑，無需中試工程設備投資、優化后工程實施成功率高，且通過數值仿真驗證僅需要3～7d，極大的縮短了技術優化時間。②傳統焚燒爐數值模擬采用國外FLIC軟件進行床層異項燃燒仿真，該模型為單組份模型，與實際測試結果相差較大，在干燥段溫度比實際垃圾焚燒爐低50～100℃。③國內新開發算法主要在3方面升級和突破，即豐富垃圾物料特性參數，由單組份向多組分模型轉化；實現爐排及垃圾運動仿真與燃燒仿真相互耦合；實現垃圾顆粒內部傳熱傳質過程仿真。④提出垃圾焚燒爐無焰燃燒技術，并通過模擬仿真，分析該技術對溫度場及污染物原始生成濃度的影響，為垃圾分類背景下的焚燒技術發展提供了新思路。