生活垃圾在炉排炉内燃烧过程的有限元分析-北极星电力新闻网

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近年来，随着中国城市化进程的加快，生活垃圾的产量呈现高速增长的趋势，而城市生活垃圾的有效处理与处置成为了制约地方经济发展的重要因素。目前，常采用的四种(填埋、堆肥、热解和焚烧)垃圾处理方法中，焚烧处理工艺具有较好的环境效益和社会效益。垃圾焚烧后减重可达到80%～90%，减容90%，焚烧产生的高温烟气经回收利用可以发电和供热，焚烧烟气净化后无害排放，避免了垃圾的二次污染，使垃圾处理实现无害化、减量化、资源化。

但是，由于目前中国城市生活垃圾热值低、含水率高、灰土含量大，造成其在炉膛内燃烧情况复杂。为了从机理上研究城市生活垃圾的焚烧特性，搭建了垃圾焚烧实验台，并采用CFD技术，对焚烧炉内的燃烧过程进行数值模拟，以期为相关课题的研究提供参考。

研究对象

搭建处理量为10 kg/h的炉排型垃圾焚烧实验台。该焚烧炉炉膛为400 mm×400 mm×700 mm的长方体，内布K型热电偶若干，采用横河MX100巡检仪监测其温度;炉排间的空隙作为助燃空气的入口;将纸类、纤维等易燃品填入底层，塑料、橡胶等置于其上(不宜直接放在炉排上)，细小物品置于顶层;采用德国约克公司生产的NOVA2000型烟气分析仪实施监测烟道内的O2、CO、NO、NO2、SO2、烟气温度和烟气压力等主要参数。

数学模型

由于模拟的物理模型比较规则，故采用ANSYS ICEM CFD自带的模块进行几何建模。网格划分采用分块划分、局部加密的方法：炉膛主体采用非结构化的四面体网格，助燃空气入口和烟气出口采用三棱柱网格生成边界层，并对入口处网格加密。整个计算域网格总数为986 138。

采用ANSYS CFX软件来模拟炉内的燃烧过程。热量传输采用热焓模型，燃烧过程采用涡耗散模型，辐射传热采用P-1辐射模型，气相湍流采用标准k-ε模型。控制方程的离散采用有限元体积法，差分格式采用高阶求解模式。

3 模拟结果与分析

3.1 流速分布

可以明显看出流速分布的主流处于炉膛中心位置，这主要是由于助燃空气沿炉排间空隙进入炉膛，在引风机的作用下快速穿过炉膛，而设计的炉膛结构中没有类似遮烟角之类的遮挡物干扰其运行;另外，由于烟气向上运动过程中碰到炉膛顶壁，使得烟气出口附近靠近后墙处形成明显的回流区域，这对于延长烟气在炉膛内的停留时间，提高燃料的燃烧效率都是有益的;从图2中还可以看出烟气出口处流速呈现增大趋势，这主要是因为数学建模过程中，出口设置为压力出口且压力取为0造成的。

3.2 温度分布

焚烧炉炉膛中心截面上的温度分布如图3所示。截面平均温度为430 ℃，烟气出口平均温度达400 ℃。温度分布整体特征呈现由截面从下至上逐渐增大，这主要是因为炉膛内部没有类似水冷壁之类的吸热部件，而燃料的可燃挥发分在向上运动过程中与空气混合、燃烧及烟气进行的强烈辐射使得热量逐渐累积造成的。另外，从图3中还可以看出在炉膛顶部靠近后壁处烟气温度明显高于前壁对称位置的温度值，这主要是因为在此处形成的烟气回流所致。可见，延长烟气停留时间，可促进可燃组分更加有效的燃烧，从而提高炉膛的温度。

3.3 O2分布

焚烧炉炉膛中心截面上的O2质量浓度分布如图4所示。从图4中可以看出在烟气的主流区域，O2质量浓度由下至上逐渐减少，这主要是因为随着燃烧反应的进行，助燃空气中的O2被逐渐消耗的结果;从炉膛中心向四周，O2质量浓度也呈现逐渐减少的规律，这主要是因为设计的焚烧炉助燃空气从炉排之间的缝隙进入炉膛，而在炉膛壁上没有开二次风的进气孔，使得炉膛内的空气分布不均匀，在炉膛四周位置助燃空气量不足，垃圾焚烧不充分，这也是造成炉膛四周温度较低的主要原因。

另外，从图4还可以看出，炉膛出口处烟气中O2含量达7%，结合炉膛入口处助燃空气O2含量，可以算得过量空气系数α=1.7，较高的过量空气系数有利于垃圾的充分燃烧。解海卫[4]研究表明：α不宜过大，随过量空气系数的增大，炉膛的温度会呈现降低的趋势，这是由于随着过量空气系数增大，烟气流量增大，导致炉膛出口烟气热损失增大，因而炉膛内温度降低。

由于城市生活垃圾含水量较高，本次实验用垃圾含水量高达46.7%，这对垃圾的焚烧是一个极其重要的影响，因此有必要对焚烧过程中水蒸汽的迁移扩散过程进行深入研究。焚烧炉炉膛中心截面上的水蒸汽含量分布如图5所示。从图5中可以看出在燃烧的主流区域，水蒸汽从垃圾中大量的析出，而非主流区域，由于燃烧的不充分，水蒸汽含量较低。

另一方面，由于水蒸汽吸收了大量的汽化潜热，影响了炉内垃圾的充分燃烧，使得炉膛内的温度值不是很高。因此，建议在城市生活垃圾焚烧前，在条件允许的情况下，要进行垃圾的预干燥工艺，以尽可能地使其含水量较低。

3.5 二噁英生成预测

已被证实的垃圾焚烧过程中PCDD/Fs的形成机理主要有3种方式：高温气相生成、从头合成前驱物合成。一般来说，当温度大于800 ℃时，焚烧炉内主要反应是二噁英、氯酚等有机物的高温分解和燃烧，氯酚聚合生成二噁英的反应速率小于二噁英的分解速率，高温气相过程生成的二噁英比例极小，因此，对于入炉的城市生活垃圾来说，抑制其合成的主要措施是：保证炉膛温度高于800 ℃。

但是，由于中国城市生活垃圾热值低、含水率高，使得其在炉膛内的燃烧温度很难达到800 ℃。如图3所示，本次模拟的结果显示炉膛温度只有430 ℃。鉴于此，很多城市生活垃圾焚烧工艺中都掺烧了煤粉或天然气.但这样在处理垃圾的同时浪费了其它资源，运行成本较高，环境污染加重，经济效益较差。相对于煤、石油等常规能源，生物质具有挥发分高、炭活性高，N、S含量低，灰分低，热值高，生命周期内燃烧过程CO2零排放等特点，特别适合燃烧转化利用，是一种优质燃料。因此，建议在城市生活垃圾焚烧过程中掺烧生物质，以提高炉膛温度，减少PCDD/Fs的生成。

4 结语

由于烟气激烈的湍流运动，使得流速分布的主流区域对流和辐射作用明显加强，燃料燃烧更加充分。因此，在焚烧炉的设计计算中气流组织的计算至关重要。垃圾焚烧不同于一般物料的燃烧，为保证其有较好的燃烧工况，需要较大的过量空气系数。城市生活垃圾的含水量较高，燃烧过程中水蒸汽的产生及其分布对炉膛温度场的分布有很大影响。因此，垃圾焚烧前应采取适宜的干燥措施，以降低其含水量。由于城市生活垃圾热值较低，导致其燃烧温度较低。可以采取掺烧生物质的办法，以达到提高炉膛温度、较低运行成本、减少环境污染的目的。

原标题：生活垃圾在炉排炉内燃烧过程的有限元分析

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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