机械炉排垃圾焚烧炉内气固两相焚烧过程的协同研究

丁孝荣

摘要：机械炉排垃圾焚烧炉的结构复杂，运行操作繁复，而计算流体力学（CFD）在其中的应用，有利于深入研究机械炉排垃圾焚烧炉内的燃烧传热和烟气流动特性。作为一种辅助预测方法，运用CFD 进行数值模拟计算可以更为方便地预测垃圾焚烧炉整个炉膛空间内的温度场、速度场、烟气各组分的浓度场以及传热特性。因此，本文探讨了机械炉排垃圾焚烧炉内气固两相焚烧过程。

关键词：机械炉排垃圾焚烧炉；气相；固相；焚烧过程

近年来，随着经济社会的发展，生活垃圾逐渐增多，填埋是固废的最终处置方式，而机械炉排炉是世界上比较常用的炉排式生活垃圾焚烧炉炉型。其结构复杂，运行操作繁复，对其进行工程实验需要耗费大量的人力、物力和财力，受限于测量条件和基于安全考虑，往往只能获得炉内局部点的信息，而且不便于对其进行结构改造研究。计算流体力学（CFD）在机械炉排垃圾焚烧炉上的应用，有利于解决以上难题，进一步深入研究机械炉排垃圾焚烧炉内的燃烧传热和烟气流动特性。对于城市生活垃圾在机械炉排炉内的燃烧传热过程的数值模拟研究，均采用分块模拟计算方法，即先计算垃圾料层的固相燃烧，将计算结果作为入口边界条件，再进行气相燃烧传热计算。

1物理模型

本研究的物理模型为海安项目250t/d的焚烧炉系统。该焚烧炉的炉型为顺推式，炉内烟气先后经过燃烧室、余热锅炉、保护性蒸气器、过热器、省煤器和除尘器，最后通过引风机由烟囱排向大气，其中焚烧炉燃烧室和第一烟道统称为垃圾焚烧炉炉膛。

炉膛内燃烧所需的空气主要分为两部分供给，分别是一次风和二次风，一次风由引风机从垃圾储料仓内部吸入供给，经过预热后，通过炉排下方的风室提供给垃圾床层部分，由于整个垃圾床层分为三部分：干燥段、燃烧段和燃烬段，三段的一次风温度各不相同。针对250t/d的项目，风温依次为493K，458K和293K。二次风则在喉口上部，通过常温高速射流进入炉膛内，风速约为60m/s。其二次风管布置为对称交错排列，速度方向均为斜向下20o。

2 燃料组分及边界条件

2.1 燃料组分

众所周知，生活垃圾的成分是千变万化的，而垃圾成分的特性分析是生活垃圾焚烧长设计、建设和运行管理的关键基础材料，不同的垃圾特性势必将导致焚烧炉的燃烧状况不同。本研究所采用的垃圾理化特性参数基于天楹公司提供的实际工况数据。

2.2 边界条件

模拟所采用的边界条件如下：

1）垃圾处理量：250t/d炉；

2）在炉排入口处，垃圾料层初始厚度为960mm；

3）垃圾燃烧的过量空气系数：1.9；

4）一次助燃空气温度220℃；

5）二次助燃空气温度为室温或者150℃；

6）垃圾在床内停留时间120min；

7）一次风机和二次风机流量分别为为24125 Nm?/h和9300 Nm?/h，其中一次风又通过3个风仓吹入炉排内。

3 炉排气相、固相燃烧模拟结果分析

3.1固相燃烧模拟结果

湿垃圾投入焚烧炉内，水分在炉膛火焰的辐射热和一次风对流传热的双重作用下开始蒸发，干燥过程完成后垃圾进入热解过程，挥发分释放，燃烧过程中释放大量热量，炉排上的垃圾质量显著减少。床层表面气相的温度随着水分的蒸发、挥发分与焦炭的燃烧而不断升高。随着挥发分的燃尽，垃圾进入燃尽状态，气体温度显著下降。在炉排的前1/3段，来自一次风的热量主要用于垃圾水分的干燥。随着热解过程的开始，挥发分燃烧等途径的热量开始输入固体垃圾，带动了固体垃圾的燃烧，固体温度约在炉排长度的2/3处达到最大值。气相燃烧带动了固相的燃烧，炉排温度的最大值出现在总长度的2/3处。

此外，垃圾的成分对炉排上的燃烧特性有着重要的影响，高水分和低热值垃圾需要较长的干燥蒸发段，在一定炉排长度的情况下，有可能出现垃圾烧完全，热灼减率升高的不良结果。

3.2 气相燃烧模拟结果

垃圾在炉排热解燃烧后，气体从床层顶端逸出，进入燃烧室，未完全燃烧的可燃气体继续反应，释放出大量的热量。在炉膛内烟气温度最高约为1300K左右，较高温度区主要集中于炉排中部，高温区和高速区基本吻合。在炉膛喉部随着二次风的射入，未完全燃烧的可燃气体得到补氧进行了充分燃烧，最高温度1720K（约1450℃），在第一烟道尾部随着水冷壁的吸热和燃烧的完成，烟温约在1400K。在喉口部由于二次风射入的合流作用，使得此处烟温分布不均匀，在喉部二次风口上的回旋区烟温较低。

CO和CmHn的高浓度区域分布在第二级炉排及其上方，主要来源于床层垃圾的热解过程，而在其它区域的含量甚微。由于在喉口部二次风的射入，有足够的氧气和可燃气体充分的混合，可燃份的反应逐渐趋于完全。

焚烧炉内的氧气低浓度区域，主要是分布在第二级炉排上方和二次风射流区域。二次风射流带来充足的氧气，并压制其下方的烟气，烟气中的可燃颗粒在其附近燃烧，故而氧气含量在该区域较低。进入第一烟道后，燃尽风的供入保证了可燃气体的燃烬，进一步提高了烟气中的氧气浓度，第一烟道出口处氧气含量约达到6%。

可以看出：针对垃圾焚烧过程的数值模拟能够得到可信的结果，可以借此对焚烧炉的结构优化和规模放大进行研究。

4结语

机械炉排垃圾焚烧炉的结构复杂，而CFD在其中的应用，有利于深入研究机械炉排垃圾焚烧炉内的燃烧传热和烟气流动特性。本文将天楹公司海安250t/d项目通过数值模拟复现了其中的物理和化学进程。研究发现，结果吻合良好，验证了气固两相协同焚烧模型的准确性，为装备结构优化和规模放大提供了理论基础。

参考文献

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（作者单位：江苏天楹环保能源成套设备有限公司）