生活垃圾在爐排爐內(nèi)燃燒過程的有限元分析

時(shí)間：2015-04-21 來源：瓦房店市永寧龍達(dá)機(jī)械爐排有限公司

北極星節(jié)能環(huán)保網(wǎng)訊:近年來，隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，生活垃圾的產(chǎn)量呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而城市生活垃圾的有效處理與處置成為了制約地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。目前，常采用的四種(填埋、堆肥、熱解和焚燒)垃圾處理方法中，焚燒處理工藝具有較好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。垃圾焚燒后減重可達(dá)到80%～90%，減容90%，焚燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)回收利用可以發(fā)電和供熱，焚燒煙氣凈化后無害排放，避免了垃圾的二次污染，使垃圾處理實(shí)現(xiàn)無害化、減量化、資源化。

但是，由于目前中國(guó)城市生活垃圾熱值低、含水率高、灰土含量大，造成其在爐膛內(nèi)燃燒情況復(fù)雜。為了從機(jī)理上研究城市生活垃圾的焚燒特性，搭建了垃圾焚燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并采用CFD技術(shù)，對(duì)焚燒爐內(nèi)的燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以期為相關(guān)課題的研究提供參考。

研究對(duì)象

搭建處理量為10 kg/h的爐排型垃圾焚燒實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該焚燒爐爐膛為400 mm×400 mm×700 mm的長(zhǎng)方體，內(nèi)布K型熱電偶若干，采用橫河MX100巡檢儀監(jiān)測(cè)其溫度;爐排間的空隙作為助燃空氣的入口;將紙類、纖維等易燃品填入底層，塑料、橡膠等置于其上(不宜直接放在爐排上)，細(xì)小物品置于頂層;采用德國(guó)約克公司生產(chǎn)的NOVA2000型煙氣分析儀實(shí)施監(jiān)測(cè)煙道內(nèi)的O2、CO、NO、NO2、SO2、煙氣溫度和煙氣壓力等主要參數(shù)。

數(shù)學(xué)模型

由于模擬的物理模型比較規(guī)則，故采用ANSYS ICEM CFD自帶的模塊進(jìn)行幾何建模。網(wǎng)格劃分采用分塊劃分、局部加密的方法：爐膛主體采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，助燃空氣入口和煙氣出口采用三棱柱網(wǎng)格生成邊界層，并對(duì)入口處網(wǎng)格加密。整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)為986 138。

采用ANSYS CFX軟件來模擬爐內(nèi)的燃燒過程。熱量傳輸采用熱焓模型，燃燒過程采用渦耗散模型，輻射傳熱采用P-1輻射模型，氣相湍流采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型�？刂品匠痰碾x散采用有限元體積法，差分格式采用高階求解模式。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 流速分布

可以明顯看出流速分布的主流處于爐膛中心位置，這主要是由于助燃空氣沿爐排間空隙進(jìn)入爐膛，在引風(fēng)機(jī)的作用下快速穿過爐膛，而設(shè)計(jì)的爐膛結(jié)構(gòu)中沒有類似遮煙角之類的遮擋物干擾其運(yùn)行;另外，由于煙氣向上運(yùn)動(dòng)過程中碰到爐膛頂壁，使得煙氣出口附近靠近后墻處形成明顯的回流區(qū)域，這對(duì)于延長(zhǎng)煙氣在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間，提高燃料的燃燒效率都是有益的;從圖2中還可以看出煙氣出口處流速呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，這主要是因?yàn)閿?shù)學(xué)建模過程中，出口設(shè)置為壓力出口且壓力取為0造成的。

3.2 溫度分布

焚燒爐爐膛中心截面上的溫度分布如圖3所示。截面平均溫度為430 ℃，煙氣出口平均溫度達(dá)400 ℃。溫度分布整體特征呈現(xiàn)由截面從下至上逐漸增大，這主要是因?yàn)闋t膛內(nèi)部沒有類似水冷壁之類的吸熱部件，而燃料的可燃揮發(fā)分在向上運(yùn)動(dòng)過程中與空氣混合、燃燒及煙氣進(jìn)行的強(qiáng)烈輻射使得熱量逐漸累積造成的。另外，從圖3中還可以看出在爐膛頂部靠近后壁處煙氣溫度明顯高于前壁對(duì)稱位置的溫度值，這主要是因?yàn)樵诖颂幮纬傻臒煔饣亓魉�致�？梢姡�延長(zhǎng)煙氣停留時(shí)間，可促進(jìn)可燃組分更加有效的燃燒，從而提高爐膛的溫度。

3.3 O2分布

焚燒爐爐膛中心截面上的O2質(zhì)量濃度分布如圖4所示。從圖4中可以看出在煙氣的主流區(qū)域，O2質(zhì)量濃度由下至上逐漸減少，這主要是因?yàn)殡S著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，助燃空氣中的O2被逐漸消耗的結(jié)果;從爐膛中心向四周，O2質(zhì)量濃度也呈現(xiàn)逐漸減少的規(guī)律，這主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的焚燒爐助燃空氣從爐排之間的縫隙進(jìn)入爐膛，而在爐膛壁上沒有開二次風(fēng)的進(jìn)氣孔，使得爐膛內(nèi)的空氣分布不均勻，在爐膛四周位置助燃空氣量不足，垃圾焚燒不充分，這也是造成爐膛四周溫度較低的主要原因。

另外，從圖4還可以看出，爐膛出口處煙氣中O2含量達(dá)7%，結(jié)合爐膛入口處助燃空氣O2含量，可以算得過量空氣系數(shù)α=1.7，較高的過量空氣系數(shù)有利于垃圾的充分燃燒。解海衛(wèi)[4]研究表明：α不宜過大，隨過量空氣系數(shù)的增大，爐膛的溫度會(huì)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，這是由于隨著過量空氣系數(shù)增大，煙氣流量增大，導(dǎo)致爐膛出口煙氣熱損失增大，因而爐膛內(nèi)溫度降低。

由于城市生活垃圾含水量較高，本次實(shí)驗(yàn)用垃圾含水量高達(dá)46.7%，這對(duì)垃圾的焚燒是一個(gè)極其重要的影響，因此有必要對(duì)焚燒過程中水蒸汽的遷移擴(kuò)散過程進(jìn)行深入研究。焚燒爐爐膛中心截面上的水蒸汽含量分布如圖5所示。從圖5中可以看出在燃燒的主流區(qū)域，水蒸汽從垃圾中大量的析出，而非主流區(qū)域，由于燃燒的不充分，水蒸汽含量較低。

另一方面，由于水蒸汽吸收了大量的汽化潛熱，影響了爐內(nèi)垃圾的充分燃燒，使得爐膛內(nèi)的溫度值不是很高。因此，建議在城市生活垃圾焚燒前，在條件允許的情況下，要進(jìn)行垃圾的預(yù)干燥工藝，以盡可能地使其含水量較低。

3.5 二噁英生成預(yù)測(cè)

已被證實(shí)的垃圾焚燒過程中PCDD/Fs的形成機(jī)理主要有3種方式：高溫氣相生成、從頭合成前驅(qū)物合成。一般來說，當(dāng)溫度大于800 ℃時(shí)，焚燒爐內(nèi)主要反應(yīng)是二噁英、氯酚等有機(jī)物的高溫分解和燃燒，氯酚聚合生成二噁英的反應(yīng)速率小于二噁英的分解速率，高溫氣相過程生成的二噁英比例極小，因此，對(duì)于入爐的城市生活垃圾來說，抑制其合成的主要措施是：保證爐膛溫度高于800 ℃。

但是，由于中國(guó)城市生活垃圾熱值低、含水率高，使得其在爐膛內(nèi)的燃燒溫度很難達(dá)到800 ℃。如圖3所示，本次模擬的結(jié)果顯示爐膛溫度只有430 ℃。鑒于此，很多城市生活垃圾焚燒工藝中都摻燒了煤粉或天然氣.但這樣在處理垃圾的同時(shí)浪費(fèi)了其它資源，運(yùn)行成本較高，環(huán)境污染加重，經(jīng)濟(jì)效益較差。相對(duì)于煤、石油等常規(guī)能源，生物質(zhì)具有揮發(fā)分高、炭活性高，N、S含量低，灰分低，熱值高，生命周期內(nèi)燃燒過程CO2零排放等特點(diǎn)，特別適合燃燒轉(zhuǎn)化利用，是一種優(yōu)質(zhì)燃料。因此，建議在城市生活垃圾焚燒過程中摻燒生物質(zhì)，以提高爐膛溫度，減少PCDD/Fs的生成。

4 結(jié)語

由于煙氣激烈的湍流運(yùn)動(dòng)，使得流速分布的主流區(qū)域?qū)α骱洼椛渥饔妹黠@加強(qiáng)，燃料燃燒更加充分。因此，在焚燒爐的設(shè)計(jì)計(jì)算中氣流組織的計(jì)算至關(guān)重要。垃圾焚燒不同于一般物料的燃燒，為保證其有較好的燃燒工況，需要較大的過量空氣系數(shù)。城市生活垃圾的含水量較高，燃燒過程中水蒸汽的產(chǎn)生及其分布對(duì)爐膛溫度場(chǎng)的分布有很大影響。因此，垃圾焚燒前應(yīng)采取適宜的干燥措施，以降低其含水量。由于城市生活垃圾熱值較低，導(dǎo)致其燃燒溫度較低�？梢圆扇�摻燒生物質(zhì)的辦法，以達(dá)到提高爐膛溫度、較低運(yùn)行成本、減少環(huán)境污染的目的。