1、二次风对焚烧炉燃烧影响的模拟摘 要:通过对垃圾焚烧炉二次配风的数值模拟与仿真,可获得和预测炉膛内气体燃烧的状况,从而为焚烧炉二次风的设计和改进提供参考。利用 CFD 技术,对某处理能力为 750 t/d 的垃圾焚烧炉建立模型,模拟炉内的气相燃烧过程,研究二次风对焚烧炉燃烧过程的影响。结果表明:无二次风时,焚烧炉内燃烧不完全;通过对二次风喷嘴的优化布置,可燃组分在锅炉内燃烧状况良好,停留时间及温度分布满足二噁英控制的需要。 关键词:二次风;焚烧炉;气相燃烧;流场模拟 中图分类号：TE963 文献标识码：A 文章编号： 炉排型焚烧炉以其技术完善可靠 、容量大 、对垃圾适应性强 、运行维护方便 、适
2、合我国热值低、含水率高的垃圾等特点 ,在国内垃圾焚烧发电厂含水率高的垃圾等特点 ,在国内垃圾焚烧发电厂中得到广泛应用 1 。 垃圾焚烧炉中二次风对炉子燃烧有着重要作用 ,它可以补充炉内燃烧氧气 ,加强烟气混合 ,调整炉内温度场的分布 。由于垃圾焚烧炉是一个非常庞大和复杂的系统 ,很难通过实验手段对炉内燃烧状况进行检测 ,从而对二次风位置进行优化布置 。随着计算机技术的不断发展 ,数值模拟已成为燃烧过程研究及二次风设计的重要手段 。应用 CFD 技术可以方便地对焚烧炉内燃烧状况进行模拟计算 ,并且可以方便的在炉内不同位置布置二次风喷嘴 ,花费小 、周期短 、适用性强 ,因而备受关注 2 。 本文
3、利用 CFD 技术 ,对广州某垃圾焚烧电厂在建的国内单台容量最大的 750 t / d 垃圾焚烧炉建立模型 ,研究二次风对焚烧炉燃烧过程的影响 ,并对二次风喷嘴的位置进行优化布置 。 1 计算网格与数值模拟方法 研究对象为一台丹麦 Vo lund 制造的顺流式垃圾焚烧发电锅炉 ,处理能力为 750 t / d。炉排为空气冷却式 ,设计为四段 ,第一段是干燥区和点火区 ,第二段是垃圾燃烧区 ,第三 、四段是燃烬区 。炉排的四段全部为风冷式 。两段燃烧炉排斜角为 15,燃烬炉排斜角为 7. 5。选取的计算域下至锅炉冷灰斗入口 ,上至余热锅炉顶部 ,炉膛与余热锅炉高 31. 6 m ,炉膛横截面尺寸
4、为 13. 9 m 9 m ,余热锅炉横截面尺寸为 5. 1 m 9 m。 网格划分采用分块划分的方法 ,既可以根据计算要求 ,对锅炉不同的区域划分为不同尺度的网格 ,又可减少整个锅炉网格的总体数量 ,在保证计算精度条件下提高了计算速度 。网格采用非结构化四面体网格 ,并对二次风喷嘴附近的网格进行了局部加密 ,以降低伪扩散引起的数值误差 ,网格总数为 815 654,网格划分如图 1 所示 。 焚烧炉垃圾床层上的气相燃烧过程利用 Flu2ent 进行模拟 。流场计算采用 RNG k - 湍流模型 ,辐射模型选用 DO 模型 ,壁面采用标准壁面函数 ,各种气体组分的质量分数由组分输运模型求解 ,
5、采用湍流 化学反应相互作用模型来模拟气相燃烧反应 。采用 Simp le 算法求解压力 速度耦合方程 ,控制方程的离散采用一阶迎风格式 ,采用 segregated求解器进行方程的求解 。 图 1 焚烧炉网格划分 本文不考虑垃圾床层的燃烧 ,以试验所得到炉排上方紧贴燃料层的气体成份分布 、温度分布作为 入 口 边 界 条 件 3 。使 用 用 户 自 定 义 方 程( udf)在入口边界输入气相组分及温度的函数 ,入口CH4、CO 、H2、O2、CO2 与 H2O 平均质量浓度分数分别为 0. 13% 、1%、0. 01%、10. 6%、12. 2%与 10. 6% ,入口平均温度为 1 05
6、6 K。速度取常数 1. 7 m / s。二次风为常温压缩空气 ,速度为 60 m /s,温度为 293. 15 K。余热锅炉出口采用 outflow 方式 。 2 计算结果与讨论 烟气停留时间与温度是反映焚烧炉性能的重要指标 。较长停留时间与较高的温度 ,能保证可燃组分在焚烧炉内的充分燃烧 。同时 ,为有效防止二噁英类污染物的生成 ,垃圾焚烧炉应满足烟气温度在 850即 1 123 K 以上 ,停留时间大于 2s 这个标准 。在前述计算方法下 ,计算得到了无二次风及有二次风情况下焚烧炉的的温度 、烟气停留时间及组分浓度分布 。 2. 1 无二次风情况下 为便于分析对比 ,首先计算了无二次风时
7、炉膛内气相燃烧情况 ,得到了炉膛内气体的流线及温度 、停留时间的分布情况 结果表明 ,气体在炉膛内的轨迹比较平滑 ,没有紊流现象 ;在炉膛与余热锅炉连接的拐角处有涡流产生 ;大部分气体在焚烧炉内轨迹比较平滑 ,没有形成湍流 ,不利于可燃气体的充分燃烧 。 无二次风时焚烧炉温度分布显示，锅炉中心截面烟气平均温度为 1 143 K,大于 1 123 K,但锅炉内温度分布很不均匀 ,不能满足二噁英有效控制的要求 。可燃组分在炉膛内没有充分燃烧 ;随着烟气流动 ,可燃组分与氧化剂不断混合 ,在余热锅炉区进一步燃烧 ;在余热锅炉的中下部 ,温度达到最高 ,最高温度为 1 634 K。 图 2 为无二次风
8、炉膛内气体停留时间 。由于炉膛尺寸较大 ,烟气在炉膛内停留时间较长 。大部分气体的停留时间在 4. 5 s 以内 ,平均停留时间为 2. 8 s,但有相当部分的烟气停留时间小于 1. 5 s,这不利于二噁英的有效控制 。 图 2 无二次风时气体的停留时间分布 2. 2 有二次风情况下 二次风对增强炉内扰动 ,加强湍流具有十分重要的作用 。为取得更好的焚烧效果 ,对焚烧炉二次风系统进行了优化布置 。 二次风通过喷嘴喷入焚烧炉 ,在炉膛前拱部经过优化的位置布置两排喷嘴 ,每排设置 6 个 ;在余热锅炉入口布置过度燃烧空气喷嘴 ,每边设置 8 个，二次风为常温压缩空气 ,喷射速度为 60 m / s
9、。有二次风时焚烧炉气体流线图显示,二次风提高了锅炉内的烟气混和度 。增加二次风后 ,炉内气体轨迹比不加二次风时要紊乱和复杂的多 。在炉膛前壁喷嘴前 ,在二次风的扰动下 ,气体的轨迹线更加曲折迂回 。二次风使炉内湍流和烟气混合增强 ,并延长了烟气在炉内的停留时间 ,促进了燃烧 。 增加二次风时焚烧炉烟气温度与停留时间分布显示，截面平均温度为 1 190 K,锅炉整体温度较高 。与无二次风相比 ,锅炉的整体温度提高了 47 K。二次风对气相燃烧作用明显 ,含有可燃挥发分的烟气与二次空气充分混合 、燃烧 ,使炉内温度进一步升高 ,在二次风喷枪前炉膛中心部位的炉温达到最高 ,最高温度为 1 623 K
10、。反应过程都需要一定的反应时间 ,因此 ,停留时间也决定着燃尽程度 4 。在有氧条件且温度高于 800,增加烟气的停留时间以提高燃尽度 。 图 3 为判断燃烧是否充分的 CO 与 O2 质量浓度分布图 。从 CO 浓度分布图可知 , CO 主要在二 、三段炉排生成 ,该区域为垃圾焚烧主燃区 。主燃区缺氧现象严重 ,燃烧不充分 , CO 浓度达到最高 。在二次风作用下 ,释放到上层烟气中的 CO 与 O2 充分混合 ,进行二次燃烧 。第四段炉排为燃尽区 ,炉排上垃圾成分主要为灰渣 ,垃圾及烟气中可燃组分较少 , CO 基本不生成 。CO 在炉膛内燃烧充分 ,锅炉出口处 CO 浓度基本为零 。由
11、O2 浓度图可知 ,由于 CO 燃烧过程中消耗大量的 O2,在 CO 浓度高的地方也是 O2 含量最少的地方 。另外 ,通过出口烟气中的 O2 含量可以判断燃烧状况 ,当出口烟气中 O2 含量较高时 ,有利于烟气中可燃组分充分燃烧 。从 O2 浓度分布图可看出锅炉出口处 O2 充足 ,能保证 CO 等可燃物的充分燃烧 。 增加二次风后 ,可燃组分在炉膛内可以进行充分有效燃烧 。二次风布置达到了比较好的效果 ,为焚烧炉提供了更好的燃烧状况 。 图 3 有二次风时焚烧炉 CO 与 O2 质量浓度 3 结语 通过对焚烧炉燃烧的数值模拟 ,可得到烟气在焚烧炉内停留时间与温度及组分分布 ,从而对焚烧炉的
12、燃烧状况及二噁英控制进行有效判断 。 无二次风时 ,可燃组分在炉膛内燃烧不完全 ,温度分布不均匀 ,不利于防止二噁英在炉内生成 。 优化布置二次风喷嘴后 ,可燃组分在锅炉内燃烧状况良好 ,停留时间及温度分布满足二噁英控制的需要 。 参考文献 : 1 孙 锐 ,费 俊 ,张 勇 ,等. 城市固体垃圾床层内燃烧过程数值模拟 J . 中国电机工程学报 , 2007, 27 ( 32) : 126. 2 胡玉梅 ,王传宾 ,朱新才 ,等. 垃圾焚烧炉二次配风优化数值模拟 J . 环境工程学报 , 2009, 3 ( 5) : 9512955. 3 FREYA H H , PETERSA B , HUNSINGER H , et al. Charac2terization of municipal solid waste combustion in a grate furnace J . W aste M anagement, 2003, 23: 689 701. 4 张凤波. 城市垃圾清洁焚烧过程数值模拟研究 D . 哈尔滨 :哈尔滨工程大学 , 2005 作者简介：罗翠红 女 1977 年生，武汉理工大学工学学士，广州环保投资集团有限公司
