二次风对垃圾焚烧炉燃烧影响的数值模拟

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750t/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。

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、含水率高的垃圾等特点,在国内垃圾焚烧发电厂中得到广泛应用。

二次风对锅炉燃烧有着重要作用,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。

本文利用CFD技术,对广州某垃圾焚烧电厂在建的国内单台容量最大的750t/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Volund制造的顺流式垃圾焚烧发电锅炉,处理能力为750t/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31.6m,炉膛横截面尺寸为13.9m×9m,余热锅炉横截面尺寸为5.1m×9m。

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815654,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Flu-ent进行模拟。流场计算采用RNGk-ε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Simple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。

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。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1056K。

速度取常数1.7m/s。二次风为常温压缩空气,速度为60m/s,温度为293.15K。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1123K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。

图2为无二次风时焚烧炉气体流线图。由图可知,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。

图3为无二次风时焚烧炉温度分布图。锅炉中心截面烟气平均温度为1143K,大于1123K,但锅炉内温度分布很不均匀,不能满足二噁英有控制的要求。

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1634K。

图4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。大部分气体的停留时间在4.5s以内,平均停留时间为2.8s,但有相当部分的烟气停留时间小于1.5s,这不利于二噁英的有效控制。

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,如图5所示。二次风为常温压缩空气,喷射速度为60m/s。

图6为有二次风时焚烧炉气体流线图。由图可见,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。

图7与图8为加二次风时焚烧炉烟气温度与停留时间分布。由图8可知,截面平均温度为1190K,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47K。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1623K。

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800℃,增加烟气的停留时间以提高燃尽度。

由图8可得,大部分烟气的停留时间为2～5s,烟气平均停留时间3.7s,较无二次风的2.8s提高了0.9s,烟气在炉膛内停留时间变长。锅炉二次风设计比较合理,可以提供比较好的烟气混合,使烟气在炉膛的高温区停留较长时间,从而保证可燃组分的充分燃烧。

结合图7与图8可知,增加二次风后,焚烧炉烟气的温度与停留时间可充分满足二噁英控制的要求。

图9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。

3结语

(1)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。

(2)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,不利于防止二噁英在炉内生成。

(3)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。

《华东电力》作者：黄昕,黄碧纯,纪辛,叶代启,罗翠红

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