低气压条件下垃圾焚烧锅炉炉内气相燃烧数值模拟

瞿兆舟

（上海康恒环境股份有限公司，上海 201703）

低气压条件下垃圾焚烧锅炉炉内气相燃烧数值模拟

瞿兆舟

（上海康恒环境股份有限公司，上海 201703）

以拉萨某生活垃圾焚烧发电厂配套的垃圾焚烧锅炉为研究对象分析、验证垃圾焚烧锅炉的性能，通过对低气压条件下垃圾焚烧锅炉炉内气相燃烧数值模拟分析，结果表明垃圾焚烧锅炉在燃烧性能和“3T”准则性能能够达到设计指标。

低气压；垃圾焚烧；数值模拟

生活垃圾焚烧炉及余热锅炉（以下简称垃圾焚烧锅炉）为大型、复杂热工机械设备，具有燃料成分复杂、热值不稳定、烟气具有腐蚀性等特点［1］。在高海拔地区运行的垃圾焚烧锅炉，随着大气压力急剧下降还会对垃圾燃烧性能、炉膛传热及污染物生成等产生影响。笔者以拉萨某生活垃圾焚烧发电厂配套的垃圾焚烧锅炉为低气压条件下炉内气相燃烧数值模拟对象，数值模拟过程中选用合理的数学物理模型，得到炉膛速度场、温度场、各组分浓度场等结果。通过分析数值模拟结果验证垃圾焚烧锅炉的一二次风参数、炉膛结构、污染物生成等是否满足规范及性能要求［2］。

1 数值模拟对象结构及设计参数

拉萨某生活垃圾焚烧发电厂所处海拔3 650 m，空气中年平均含氧量仅占平原地区含氧量的64.3%。该项目焚烧炉采用上海康恒设计、制造的Von Roll机械式炉排，配套余热锅炉为单锅筒、自然循环蒸汽锅炉、卧式布置蒸发器+过热器、后附立式省煤器。炉膛燃烧室前后拱为水冷壁，两侧为护板结构，其中燃烧炉排段侧墙布置空冷墙。前后拱分别布置5个和6个口径为DN80的二次风喷口，其中前拱二次风喷口以一定的角度下倾，后拱6个二次风喷口以水平方向朝炉内喷入。整个炉膛呈上宽下窄布置，在焚烧炉出口集箱处为界。为了保证烟气在850℃以上温度区间至少停留2 s，炉膛出口窗以下区域敷设耐火浇筑料。垃圾焚烧锅炉主要设计参数如表1所示。

表1 垃圾焚烧锅炉设计参数

2 数值模拟模型

2.1 垃圾焚烧锅炉数值模拟概述

由于垃圾燃料层中复杂的物质和能量转换、稀相空间中湍流反应及两者之间强烈的交互作用，所以垃圾炉排炉CFD（Computational Fluid Dynamics） 模拟比煤粉锅炉更加复杂［3］。目前研究炉排炉燃烧特性最流行方法是将床层燃烧与稀相空间燃烧分步模拟。稀相空间模拟主要以实验或经验数据做为边界条件，在改变燃料时，同时结合试验研究数据和相似炉型运行参数，可以充分发挥数值模拟的经济性。CFD模拟软件可以对助燃空气配比、炉膛结构和二次风设计进行验证，通过不同工况下流场、温度场和浓度场的改变来评价整个焚烧炉的燃烧、燃尽、污染物生成等性能。

2.2 数值模拟边界条件及简化假设

数值模拟建立的垃圾焚烧锅炉炉膛气相反应区为全尺寸三维模型，模型研究范围的入口为机械炉排表面（包含垃圾层表面），出口为垃圾焚烧锅炉炉膛出口。利用Ansys-ICEM软件对该模型进行非结构化网格划分，利用Ansys-Fluent软件建立垃圾焚烧锅炉炉膛气相反应区的三维流场模型并进行模拟分析［4］。

为避免网格划分过细，同时为提高计算过程中的收敛性能、保证计算精度，在建模及模拟设置过程中采用以下简化假设：①湍流模型采用标准k-ε模型；②气相燃烧模型采用涡扩散模型；③燃料出入口处作简化处理；④未考虑垃圾厚度；⑤为防止计算中回流现象，炉膛出口延长2 m。数值模拟计算时输入参数如表2所示。

表2 数值模拟输入参数

3 数值模拟结果及分析

由于大气压力降低和单位容积内氧分子数减少，垃圾燃烧反应速度将降低，表现为着火困难和较难于燃尽。同时高海拔低气压使CO2的离解率增加，使烟气中的CO2含量减少，CO含量增加，从而使化学不完全燃烧损失增加。低气压使烟气体积变大，所需过量空气系数α也越大，则燃烧产物炉内停留时间将减少，同时相对增加不完全燃烧损失份额。根据气体黑度公式α=1-e-kps，炉膛内压力会影响气体黑度，从而影响炉膛辐射传热。

数值模拟计算可以得到炉膛内的温度场、速度场、辐射特性、湍流特性及各组分（如O2、CO、CO2、CH4等）浓度场。结合低气压对燃烧及炉膛结构影响，本数值模拟着重分析垃圾焚烧锅炉在大气压力65 kPa条件下的燃烧性能和“3T”准则性能。

3.1 燃烧性能分析

垃圾进入炉排后经高温烟气辐射加热，开始干燥和析出挥发分，然后着火和燃尽，以上各阶段主要在干燥炉排、燃烧炉排和燃尽炉排相继进行。在干燥炉排上垃圾被烘干，整体温度较低，图1中炉膛左下部（干燥炉排区域）温度为700～900℃。从图1和图2可以看出，炉膛下部（燃烧炉排区域） 出现大于1 200℃的高温区域同时O2充足，由此可以说明垃圾能够顺利着火燃烧。

图1 炉膛温度场

图2 炉膛O2浓度场

一次风从炉排下漏渣斗送入，穿透炉排和料层后参与燃烧，因此O2浓度从炉排往上逐渐降低趋于为0。O2浓度在二次风喷入后增大，然后由于烟气中可燃物质的进一步燃烧O2浓度再次降低，炉膛出口O2浓度（湿基） 为6.7%。图2反映了炉膛中O2浓度由大到小再变大最后变小的整个过程。从图3可以看出炉膛出口CO浓度接近为0，结合炉膛O2浓度分布特性，说明炉膛结构和二次风设计满足垃圾燃尽要求。

图3 炉膛CO浓度场

3.2 “3T”准则性能分析

垃圾焚烧过程中控制不当会产生二恶英类有机污染物，对人和动物有剧毒，是当今已知毒性最强的有机化合物。根据GB/T 18750—2008生活垃圾焚烧炉及余热锅炉要求，垃圾焚烧炉及余热锅炉正常运行时，其内部应存在同时满足烟气温度不应低于850℃、有足够的湍流强度确保均匀混合、产生的烟气在该区域的停留时间不低于2 s的气相空间高温区域，即垃圾焚烧锅炉须满足“3T”准则。

“3T”准则中一般认为炉膛内温度分布为最关键因素，模拟结果中炉膛出口温度为915℃（如图1所示），与按热力计算得到的炉膛出口温度为896℃基本吻合。图4、图5分别为炉膛内烟气速度场及速度矢量模拟结果，根据体积平均方法，把炉膛内进出口空间内的烟气垂直向上流动的速度根据加权平均得到网格平均流速为2.69 m，相应炉内停留时间为6.7 s。所以炉膛结构满足烟气在850℃以上温度区间停留时间大于2 s。

图4 炉膛内烟气速度场

图5 炉膛内烟气速度矢量图

二次风喷口设置在炉膛前后拱区域，其中前拱二次风喷口以一定角度下倾，后拱二次风喷口水平布置。二次风设计风量为11 500 m3/h，设计温度20℃，在给定风压下二次风喷口风速高达71.2 m/s［5］。图6、图7分别为炉膛前后拱水平截面速度矢量图，二次风的喷入在炉膛内形成很强的湍流，促使炉膛内各组分均匀混合，有效遏止二恶英类有机污染物生成。

图6 前拱水平截面速度矢量图

图7 后拱水平截面速度矢量图

3.3 变工况数值模拟结果及分析

垃圾焚烧锅炉热负荷变化为60%～110%，在不助燃情况下入炉垃圾最低低位发热量为5024kJ/kg。因此需对垃圾处理量385t/d、低位发热量7320kJ/kg，垃圾处理量210 t/d、低位发热量7 320 kJ/kg，垃圾处理量350 t/d、低位发热量5 024 kJ/kg这3种典型变工况进行数值模拟。由表3可知，3种典型变工况下，炉排及炉膛结构均满足垃圾燃烧、燃尽和“3T”准则，变工况3必要时投入辅助燃烧器以保证烟气在850℃以上温度区间至少停留2 s。

表3 变工况数值模拟结果

4 结论

通过提高一次风温、合理布置二次风及优化炉膛结构等措施，垃圾焚烧锅炉在大气压力65 kPa条件下能连续稳定运行，燃烧、“3T准则”等关键性能指标全部合格。

［1］ 白良成.生活垃圾焚烧处理工程技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［2］ Kær S K.Numerical modelling of a straw-fired grate boiler［J］.Fuel，2004，83（9）：1183-1190.

［3］ Klason T，Bai X S.Combustion process in a biomass grate fired industry furnace：a CFD study ［J］.Prog Comput Fluid Dy，2006，6（4）：278-286.

［4］ Nasserzadeh V，Swithenbank J，Jones B.Three-dimensional modelling of a municipal solid-waste incinerator［J］.J Inst Energy 1991，64（460）：166-175.

［5］ Nasserzadeh V，Swithenbank J，Jones B.Effect of high speed secondary air jets on the overall performance of a large MSW incinerator with a vertical shaft［J］.Combust Sci technol，1993，92（4/6）：389-422.

Numerical Simulation of Waste Incinerator Chamber under Low Atmospheric Pressure with Gas Combustion

Qu Zhaozhou
（Shanghai SUS Environment Co.Ltd.，Shanghai201703）

One incineration and power plant of urban domestic waste was located in Lasa city，the western plateau region of China.Through numerical simulation of waste incinerator chamber under low atmospheric pressure with gas combustion，the performance of waste incineration boiler of the power plant was analyzed and validated.Results showed that the waste incineration boiler combustion performance can meet design index and the rule of“3T”.

low atmospheric pressure；waste incineration；numerical simulation

X705

B

1005-8206（2017）05-0084-04

2016-12-06

瞿兆舟（1982—），工程师，主要从事环境工程技术研发和管理。

E-mail：quzz@shjec.cn。