生活垃圾在爐排爐內燃燒過程的有限元分析

時間：2015-04-21 來源：瓦房店市永寧龍達機械爐排有限公司

北極星節能環保網訊:近年來，隨著中國城市化進程的加快，生活垃圾的產量呈現高速增長的趨勢，而城市生活垃圾的有效處理與處置成為了制約地方經濟發展的重要因素。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境效益和社會效益。垃圾焚燒后減重可達到80%～90%，減容90%，焚燒產生的高溫煙氣經回收利用可以發電和供熱，焚燒煙氣凈化后無害排放，避免了垃圾的二次污染，使垃圾處理實現無害化、減量化、資源化。

但是，由于目前中國城市生活垃圾熱值低、含水率高、灰土含量大，造成其在爐膛內燃燒情況復雜。為了從機理上研究城市生活垃圾的焚燒特性，搭建了垃圾焚燒實驗臺，并采用CFD技術，對焚燒爐內的燃燒過程進行數值模擬，以期為相關課題的研究提供參考。

研究對象

搭建處理量為10 kg/h的爐排型垃圾焚燒實驗臺。該焚燒爐爐膛為400 mm×400 mm×700 mm的長方體，內布K型熱電偶若干，采用橫河MX100巡檢儀監測其溫度;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)，細小物品置于頂層;采用德國約克公司生產的NOVA2000型煙氣分析儀實施監測煙道內的O2、CO、NO、NO2、SO2、煙氣溫度和煙氣壓力等主要參數。

數學模型

由于模擬的物理模型比較規則，故采用ANSYS ICEM CFD自帶的模塊進行幾何建模。網格劃分采用分塊劃分、局部加密的方法：爐膛主體采用非結構化的四面體網格，助燃空氣入口和煙氣出口采用三棱柱網格生成邊界層，并對入口處網格加密。整個計算域網格總數為986 138。

采用ANSYS CFX軟件來模擬爐內的燃燒過程。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，氣相湍流采用標準k-ε模型。控制方程的離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入爐膛，在引風機的作用下快速穿過爐膛，而設計的爐膛結構中沒有類似遮煙角之類的遮擋物干擾其運行;另外，由于煙氣向上運動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域，這對于延長煙氣在爐膛內的停留時間，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增大趨勢，這主要是因為數學建模過程中，出口設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400 ℃。溫度分布整體特征呈現由截面從下至上逐漸增大，這主要是因為爐膛內部沒有類似水冷壁之類的吸熱部件，而燃料的可燃揮發分在向上運動過程中與空氣混合、燃燒及煙氣進行的強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稱位置的溫度值，這主要是因為在此處形成的煙氣回流所致。可見，延長煙氣停留時間，可促進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域，O2質量濃度由下至上逐漸減少，這主要是因為隨著燃燒反應的進行，助燃空氣中的O2被逐漸消耗的結果;從爐膛中心向四周，O2質量濃度也呈現逐漸減少的規律，這主要是因為設計的焚燒爐助燃空氣從爐排之間的縫隙進入爐膛，而在爐膛壁上沒有開二次風的進氣孔，使得爐膛內的空氣分布不均勻，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7%，結合爐膛入口處助燃空氣O2含量，可以算得過量空氣系數α=1.7，較高的過量空氣系數有利于垃圾的充分燃燒。解海衛[4]研究表明：α不宜過大，隨過量空氣系數的增大，爐膛的溫度會呈現降低的趨勢，這是由于隨著過量空氣系數增大，煙氣流量增大，導致爐膛出口煙氣熱損失增大，因而爐膛內溫度降低。

由于城市生活垃圾含水量較高，本次實驗用垃圾含水量高達46.7%，這對垃圾的焚燒是一個極其重要的影響，因此有必要對焚燒過程中水蒸汽的遷移擴散過程進行深入研究。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域，水蒸汽從垃圾中大量的析出，而非主流區域，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，影響了爐內垃圾的充分燃燒，使得爐膛內的溫度值不是很高。因此，建議在城市生活垃圾焚燒前，在條件允許的情況下，要進行垃圾的預干燥工藝，以盡可能地使其含水量較低。

3.5 二噁英生成預測

已被證實的垃圾焚燒過程中PCDD/Fs的形成機理主要有3種方式：高溫氣相生成、從頭合成前驅物合成。一般來說，當溫度大于800 ℃時，焚燒爐內主要反應是二噁英、氯酚等有機物的高溫分解和燃燒，氯酚聚合生成二噁英的反應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，由于中國城市生活垃圾熱值低、含水率高，使得其在爐膛內的燃燒溫度很難達到800 ℃。如圖3所示，本次模擬的結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浪費了其它資源，運行成本較高，環境污染加重，經濟效益較差。相對于煤、石油等常規能源，生物質具有揮發分高、炭活性高，N、S含量低，灰分低，熱值高，生命周期內燃燒過程CO2零排放等特點，特別適合燃燒轉化利用，是一種優質燃料。因此，建議在城市生活垃圾焚燒過程中摻燒生物質，以提高爐膛溫度，減少PCDD/Fs的生成。

4 結語

由于煙氣激烈的湍流運動，使得流速分布的主流區域對流和輻射作用明顯加強，燃料燃燒更加充分。因此，在焚燒爐的設計計算中氣流組織的計算至關重要。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。城市生活垃圾的含水量較高，燃燒過程中水蒸汽的產生及其分布對爐膛溫度場的分布有很大影響。因此，垃圾焚燒前應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，導致其燃燒溫度較低。可以采取摻燒生物質的辦法，以達到提高爐膛溫度、較低運行成本、減少環境污染的目的。