焚烧炉数值模拟技术发展及高热值垃圾焚烧技术探讨

刘泽庆 上海环境卫生工程设计院有限公司

1 数值仿真可缩短焚烧技术更新迭代周期

CFD仿真技术主要通过数值离散算法，求解N-S流动、辐射传热、物质扩散等方程，实现流场、温度场、组分场的分析，其实质为真实物理过程再现。垃圾焚烧领域可采用数值仿真对垃圾焚烧炉、烟气处理中的半干式反应塔、干法反应器、布袋除尘器、湿式洗涤塔等关键设备的内部流场及化学反应情况进行分析计算。尤其在垃圾焚烧炉的结构和配风方面，垃圾焚烧炉传统上采用容积热负荷、炉排燃烧速率、一烟道平均流速等指标进行炉膛容积、炉排面积计算，炉排各段配风和具体炉型则依据以往的项目经验进行修改优化；而数值仿真技术，则在一定程度上可实现焚烧工况的数值再现，展现某种设计或运行工况下的烟气流场、温度场、组分场，实现炉型及配风的精细化设计。

传统研发路径及基于数值仿真的研发路径对比分析：①传统研发路径，在传统焚烧炉设计过程中，主要采用机理实验-中试设备-工程验证-设计修改的研究路径。中试设备投资大且与工程实际存在较大区别；工程验证后，如技术方案存在问题，焚烧炉改造费用高；整个研发路径耗时久，一项技术从研发到应用一般超过3a。②CFD数值仿真技术为核心的研发路径，采用机理实验-CFD数值仿真-工程验证的方式。采用CFD数值仿真验证技术方案合理性，无需中试工程设备投资；CFD数值仿真可对焚烧炉内流场、温度场、组分场全方面校核，技术优化后工程实施成功率高；一个设计或者运行工况，通过数值仿真验证仅需要3～7d，极大的缩短了技术优化时间。

2 国内垃圾焚烧炉开发模型进展

2.1 传统仿真算法

行业普遍采用国外FLIC软件模拟垃圾床层异相燃烧，耦合基于fluent的炉膛气相燃烧，进而实现焚烧炉整体仿真。FLIC软件采用单组分模型，将垃圾各组分理化特性参数均衡为同一种，依次经历干燥、挥发分燃烧、固定碳燃烧过程，该模型焚烧炉干燥段着火延迟。根据笔者数十个焚烧厂调研，模型在干燥段温度比实际垃圾焚烧炉低50～100℃。主要由于在实际焚烧过程中，竹木、纸类、塑料、湿垃圾等多组分理化特性差别大，湿垃圾在干燥段进行干燥的同时，纸类及塑料已经在炉膛火焰辐射的作用下发生燃烧，该过程已经被现场试验及观测所证实。

2.2 国内新开发算法情况

国内新开发算法的升级和突破为丰富垃圾物料特性参数，由单组份向多组分模型转化；实现炉排及垃圾运动仿真与燃烧仿真相互耦合；实现垃圾颗粒内部传热传质过程仿真。华东理工大学利用FLUENT平台开发炉排气固两相流动与燃烧模型,引入颗粒动理学理论(KTGF)描述床层固体的流变性质,考虑垃圾在炉排上的水分蒸发,脱挥发分,挥发分燃烧和焦炭燃尽过程；该模型相比于传统FLIC软件，可以进行垃圾焚烧炉段差处的垃圾翻滚混合等过程仿真。同济大学基于FLUENT平台，通过动网格技术开发垃圾焚烧炉炉排运动仿真模型，耦合床层燃烧模型，实现不同炉排运动情况下的燃烧仿真。上海交通大学以硬纸板、橡胶、松木和尼龙等典型生活垃圾(MSW)成分为研究对象,分别建立了有限平行反应模型,通过粒子群算法计算相应的动力学参数，同时结合颗粒传热传质模型，完成大颗粒精细化垃圾仿真模型开发；相比于FLIC软件将垃圾颗粒视做零维模型，该模型在拟合实际焚烧过程细节中有大幅提升。上海环境院通过联合高校，采用自编程方式，开发垃圾多组分模型，与传统单一组分模型相比较，能够精细化实现焚烧过程的再现。经过实炉测试，前、后炉拱和炉膛中心等主要测点温度及组分偏差低于3%。

3 传统垃圾焚烧技术仿真优化方向

传统焚烧技术优化主要内容包括炉拱倾角、配风优化（一次风、二次风及烟气再循环喷口位置、风量）、SNCR优化等，在国外引进垃圾焚烧炉的基础上，局部参数的调整优化。有关学者采用Fluent作为工具,通过模拟计算得到后拱高度变化对炉膛内流场的影响。随后拱高度增加,前拱下方处的涡流强度先增加,有利于前拱处入炉垃圾的干燥和热解,但当后拱高度达到一定值后,随后拱高度增加,涡流强度开始减弱,对垃圾的焚烧产生不利影响。相关研究人员，分析了有无二次配风以及二次配风口位置不同时炉膛内温度场、气体停留时间分布、湍动能等, 获得了焚烧炉最优二次配风条件,为焚烧炉的设计和改进提供支撑；建立了还原剂喷射模型,考察了还原剂进入焚烧炉内的蒸发和混合的规律,完成喷氨参数和喷嘴布置方式优化。

4 垃圾分类背景下的焚烧厂面临问题及技术探讨

4.1 焚烧炉超温结焦及处理量下降原因分析

随着垃圾分类的开展，垃圾热值快速提升。以上海为例，2019年7月《上海市生活垃圾管理条例》实施以后，首月干垃圾热值已经超过了3100 kcal/kg，相较于2018年平均值提升了约35%。现有焚烧炉炉型主要为适应低热值垃圾设计，受纳高热值垃圾后，出现结焦加重、处理量下降等问题。

4.2 采用药剂控制结焦存在与物料混合差

燃烧结焦控制主要有两类技术措施。一类是结焦药剂，如王树众等发明的焚烧炉清灰药剂，主要含有氯化钠、硝酸钠、硼砂、氧化锌和蛭石等物质，其中硼砂和蛭石有较强的焦块疏松作用，促进焦块快速脱落，进而避免焦块过大影响焚烧炉运行安全。结焦药剂的开发往往源于煤粉锅炉控焦技术，在煤粉燃烧炉，药剂可与煤粉充分混合，实现控焦目标。但是焚烧炉为层燃炉，垃圾颗粒大且不规则，如药剂直接从料斗添加，混合效果差，且在炉排运动过程中宜掉落于炉排；如药剂喷入炉膛内，则仅能控制喷口及以上区域（烟气从喷口向上流动区域），很难实现全覆盖，对于局部控焦有一定实用价值。如何有效利用控焦药剂，实现焚烧炉大范围控焦需要进一步探索。另一类是焚烧炉炉拱、配风优化。垃圾焚烧炉炉膛出口设置烟气再循环装置，再循环烟气可以有效降低焚烧炉出口烟气温度，从而极大改善焚烧炉出口后端（一烟道）结焦情况。对于焚烧炉内部结焦，主要采用喷水降温，效果虽好，但是影响余热锅炉蒸发量。

4.3 无焰燃烧技术控焦效果好

无焰燃烧技术在燃气、燃油行业广泛应用，控制局部高温（控制结焦）、控制源头NOX排放效果显著，但在垃圾焚烧行业暂时未有应用。由于在运行的垃圾焚烧炉，主要针对低热值混合垃圾设计，前后拱覆盖面积大，主要为保障焚烧炉中心火焰温度（高于1100℃），提升垃圾挥发分燃尽及降低焚烧底渣的热灼减率。在低热值混合垃圾条件下，无焰燃烧采用高速射流等方式，均化炉膛温度，会极大降低焚烧中心温度（低于900℃），影响二噁英控制及焚烧底渣的热灼减率达标。在垃圾分类背景下，以上海某焚烧厂为例，炉膛中心温度超过1200℃，如应用无焰燃烧技术，预估炉膛中心高于950℃，能有效保障焚烧各项参数，由此可知垃圾分类为焚烧炉应用无焰燃烧技术提供了契机。

4.4 垃圾焚烧炉无焰燃烧技术仿真研究情况

上海环境院开发垃圾焚烧炉无焰燃烧技术，最大程度实现燃烧均质化和温度场均匀分布，有效缓解焚烧炉内的结焦情况。该技术相比于传统烟气再循环喷口设置于焚烧炉出口（促进焚烧炉出口烟气混合），垃圾焚烧炉无焰燃烧技术将一定燃烧气氛（烟气与空气某种混合比例）射流喷口设置于前拱或后拱，高速气流直接作用于燃烧段高温火焰，由于卷吸作用，该技术可以直接调控高温区域的组分场、温度场。

在常规垃圾焚烧炉的前拱处，设置11个高速气流喷口，对流速分别为30、40、50、60m/s的4种工况进行模拟仿真。结果表明，随着喷口速度增大，射流对焚烧炉内烟气的卷吸能力更强，流速高于50m/s，高速射流的尾端基本可达炉排垃圾层的表面，形成的气流旋涡基本覆盖燃烧区域局部高温段；喷口流速50、60m/s，炉排燃烧段上方的气体组分混合较为均匀，主燃区氧气体积分数为6.5%～7.0%；喷口流速50、60m/s，主燃区温度场均匀（约为1200 K），局部高温区仅在炉排垃圾层表面较小范围内。该技术可有效缓解焚烧炉内的结焦情况，避免焚烧炉非计划停炉。同时，由于燃烧中心氧气浓度、温度降低，该技术可大幅降低焚烧炉NOX源强。

5 结论

①以CFD数值仿真技术为核心的研发路径，相比于传统的“机理实验-中试设备-工程验证-设计修改”研究路径，无需中试工程设备投资、优化后工程实施成功率高，且通过数值仿真验证仅需要3～7d，极大的缩短了技术优化时间。②传统焚烧炉数值模拟采用国外FLIC软件进行床层异项燃烧仿真，该模型为单组份模型，与实际测试结果相差较大，在干燥段温度比实际垃圾焚烧炉低50～100℃。③国内新开发算法主要在3方面升级和突破，即丰富垃圾物料特性参数，由单组份向多组分模型转化；实现炉排及垃圾运动仿真与燃烧仿真相互耦合；实现垃圾颗粒内部传热传质过程仿真。④提出垃圾焚烧炉无焰燃烧技术，并通过模拟仿真，分析该技术对温度场及污染物原始生成浓度的影响，为垃圾分类背景下的焚烧技术发展提供了新思路。