二次风对焚烧炉燃烧影响的模拟.pdf

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1、二次风对焚烧炉燃烧影响的模拟二次风对焚烧炉燃烧影响的模拟摘 要:通过对垃圾焚烧炉二次配风的数值模拟与仿真 ,可获得和预测炉膛内气体燃烧的状况,从而为焚烧炉二次风的设计和改进提供参考。利用 CFD 技术,对某处理能力为750 t/d的垃圾焚烧炉建立模型,模拟炉内的气相燃烧过程,研究二次风对焚烧炉燃烧过程的影响。结果表明:无二次风时,焚烧炉内燃烧不完全;通过对二次风喷嘴的优化布置,可燃组分在锅炉内燃烧状况良好,停留时间及温度分布满足二噁英控制的需要。关键词:二次风;焚烧炉;气相燃烧;流场模拟炉排型焚烧炉以其技术完善可靠 、容量大 、对垃圾适应性强 、运行维护方便 、适合我国热值低、含水率高的垃圾等

2、特点 ,在国内垃圾焚烧发电厂含水率高的垃圾等特点 ,在国内垃圾焚烧发电厂中得到广泛应用 1 。垃圾焚烧炉中二次风对炉子燃烧有着重要作用 ,它可以补充炉内燃烧氧气 ,加强烟气混合 ,调整炉内温度场的分布 。由于垃圾焚烧炉是一个非常庞大和复杂的系统 ,很难通过实验手段对炉内燃烧状况进行检测 ,从而对二次风位置进行优化布置 。随着计算机技术的不断发展 ,数值模拟已成为燃烧过程研究及二次风设计的重要手段 。应用 CFD 技术可以方便地对焚烧炉内燃烧状况进行模拟计算 ,并且可以方便的在炉内不同位置布置二次风喷嘴 ,花费小 、周期短 、适用性强 ,因而备受关注 2 。本文利用CFD 技术 ,对广州某垃圾焚

3、烧电厂在建的国内单台容量最大的750 t / d 垃圾焚烧炉建立模型 ,研究二次风对焚烧炉燃烧过程的影响 ,并对二次风喷嘴的位置进行优化布置 。1 计算网格与数值模拟方法研究对象为一台丹麦Vo lund 制造的顺流式垃圾焚烧发电锅炉,处理能力为 750 t / d。 炉排为空气冷却式 ,设计为四段 ,第一段是干燥区和点火区 ,第二段是垃圾燃烧区 ,第三 、四段是燃烬区 。炉排的四段全部为风冷式 。两段燃烧炉排斜角为 15,燃烬炉排斜角为 7. 5。选取的计算域下至锅炉冷灰斗入口 ,上至余热锅炉顶部 ,炉膛与余热锅炉高 31. 6 m ,炉膛横截面尺寸为 13. 9 m9m ,余热锅炉横截面尺寸

4、为5. 1 m 9 m。网格划分采用分块划分的方法 ,既可以根据计算要求 ,对锅炉不同的区域划分为不同尺度的网格 ,又可减少整个锅炉网格的总体数量 ,在保证计算精度条件下提高了计算速度 。网格采用非结构化四面体网格 ,并对二次风喷嘴附近的网格进行了局部加密 ,以降低伪扩散引起的数值误差 ,网格总数为 815 654,网格划分如图 1 所示 。焚烧炉垃圾床层上的气相燃烧过程利用 Flu2ent 进行模拟 。流场计算采用RNG k - 湍流模型 ,辐射模型选用 DO 模型 ,壁面采用标准壁面函数 ,各种气体组分的质量分数由组分输运模型求解 ,采用湍流 化学反应相互作用模型来模拟气相燃烧反应 。采用

5、 Simp le 算法求解压力 速度耦合方程 ,控制方程的离散采用一阶迎风格式 ,采用 segregated 求解器进行方程的求解 。图 1 焚烧炉网格划分本文不考虑垃圾床层的燃烧,以试验所得到炉排上方紧贴燃料层的气体成份分布 、温度分布作为 入 口 边 界 条 件 3 。使 用 用 户 自 定 义 方程( udf)在入口边界输入气相组分及温度的函数 ,入口 CH4、CO 、H2、O2、CO2与 H2O 平均质量浓度分数分别为0. 13% 、1%、0. 01%、10. 6%、12. 2%与10. 6% ,入口平均温度为 1 056 K。 速度取常数 1. 7 m / s。 二次风为常温压缩空气

6、 ,速度为 60 m /s,温度为 293. 15 K。余热锅炉出口采用 outflow 方式 。2 计算结果与讨论烟气停留时间与温度是反映焚烧炉性能的重要指标 。较长停留时间与较高的温度 ,能保证可燃组分在焚烧炉内的充分燃烧 。 同时 ,为有效防止二噁英类污染物的生成 ,垃圾焚烧炉应满足烟气温度在 850即1 123 K以上 ,停留时间大于 2s 这个标准 。在前述计算方法下 ,计算得到了无二次风及有二次风情况下焚烧炉的的温度 、烟气停留时间及组分浓度分布 。2. 1 无二次风情况下为便于分析对比 ,首先计算了无二次风时炉膛内气相燃烧情况 ,得到了炉膛内气体的流线及温度 、停留时间的分布情况

7、 结果表明 ,气体在炉膛内的轨迹比较平滑 ,没有紊流现象 ;在炉膛与余热锅炉连接的拐角处有涡流产生 ;大部分气体在焚烧炉内轨迹比较平滑 ,没有形成湍流 ,不利于可燃气体的充分燃烧 。无二次风时焚烧炉温度分布显示，锅炉中心截面烟气平均温度为1 143 K,大于 1 123 K,但锅炉内温度分布很不均匀 ,不能满足二噁英有效控制的要求 。可燃组分在炉膛内没有充分燃烧 ;随着烟气流动 ,可燃组分与氧化剂不断混合 ,在余热锅炉区进一步燃烧;在余热锅炉的中下部,温度达到最高 ,最高温度为 1634 K。图 2 为无二次风炉膛内气体停留时间 。由于炉膛尺寸较大 ,烟气在炉膛内停留时间较长 。大部分气体的停

8、留时间在 4. 5 s 以内 ,平均停留时间为2. 8 s,但有相当部分的烟气停留时间小于 1. 5 s,这不利于二噁英的有效控制 。图 2 无二次风时气体的停留时间分布2. 2 有二次风情况下二次风对增强炉内扰动 ,加强湍流具有十分重要的作用 。为取得更好的焚烧效果 ,对焚烧炉二次风系统进行了优化布置 。二次风通过喷嘴喷入焚烧炉 ,在炉膛前拱部经过优化的位置布置两排喷嘴 ,每排设置 6 个 ;在余热锅炉入口布置过度燃烧空气喷嘴 ,每边设置 8 个，二次风为常温压缩空气 ,喷射速度为60 m / s。有二次风时焚烧炉气体流线图显示,二次风提高了锅炉内的烟气混和度 。增加二次风后 ,炉内气体轨迹

9、比不加二次风时要紊乱和复杂的多 。 在炉膛前壁喷嘴前 ,在二次风的扰动下 ,气体的轨迹线更加曲折迂回 。二次风使炉内湍流和烟气混合增强 ,并延长了烟气在炉内的停留时间 ,促进了燃烧 。增加二次风时焚烧炉烟气温度与停留时间分布显示，截面平均温度为 1 190K,锅炉整体温度较高 。与无二次风相比 ,锅炉的整体温度提高了 47 K。二次风对气相燃烧作用明显 ,含有可燃挥发分的烟气与二次空气充分混合 、 燃烧 ,使炉内温度进一步升高 ,在二次风喷枪前炉膛中心部位的炉温达到最高 ,最高温度为1 623 K。反应过程都需要一定的反应时间 ,因此 ,停留时间也决定着燃尽程度 4 。在有氧条件且温度高于 8

10、00,增加烟气的停留时间以提高燃尽度 。图 3 为判断燃烧是否充分的CO 与 O2 质量浓度分布图 。从 CO 浓度分布图可知 , CO 主要在二 、三段炉排生成 ,该区域为垃圾焚烧主燃区 。主燃区缺氧现象严重 ,燃烧不充分 , CO 浓度达到最高 。 在二次风作用下 ,释放到上层烟气中的 CO 与 O2 充分混合 ,进行二次燃烧 。 第四段炉排为燃尽区 ,炉排上垃圾成分主要为灰渣 ,垃圾及烟气中可燃组分较少 , CO 基本不生成 。 CO 在炉膛内燃烧充分,锅炉出口处CO 浓度基本为零。由 O2 浓度图可知,由于CO 燃烧过程中消耗大量的 O2,在 CO 浓度高的地方也是 O2 含量最少的地

11、方 。 另外 ,通过出口烟气中的 O2 含量可以判断燃烧状况 ,当出口烟气中 O2 含量较高时 ,有利于烟气中可燃组分充分燃烧 。 从 O2 浓度分布图可看出锅炉出口处 O2 充足 ,能保证 CO 等可燃物的充分燃烧 。增加二次风后 ,可燃组分在炉膛内可以进行充分有效燃烧 。二次风布置达到了比较好的效果 ,为焚烧炉提供了更好的燃烧状况 。图 3 有二次风时焚烧炉 CO 与 O2 质量浓度3 结语通过对焚烧炉燃烧的数值模拟,可得到烟气在焚烧炉内停留时间与温度及组分分布 ,从而对焚烧炉的燃烧状况及二噁英控制进行有效判断 。无二次风时 ,可燃组分在炉膛内燃烧不完全 ,温度分布不均匀 ,不利于防止二噁

12、英在炉内生成 。优化布置二次风喷嘴后 ,可燃组分在锅炉内燃烧状况良好 ,停留时间及温度分布满足二噁英控制的需要 。参考文献 : 1 孙 锐 ,费 俊 ,张 勇 ,等.城市固体垃圾床层内燃烧过程数值模拟 J .中国电机工程学报 , 2007, 27 ( 32) : 126. 2 胡玉梅 ,王传宾 ,朱新才 ,等.垃圾焚烧炉二次配风优化数值模拟 J . 环境工程学报 , 2009, 3 ( 5) : 9512955. 3 FREYA H H , PETERSA B , HUNSINGER H , et al. Charac2terizationof municipal solid waste combustion in a grate furnace J . W aste M anagement,2003, 23: 689 701. 4 张凤波. 城市垃圾清洁焚烧过程数值模拟研究 D . 哈尔滨 :哈尔滨工程大学 , 2005作者简介：罗翠红 女 1977 年生，武汉理工大学工学学士，广州环保投资集团有限公司