垃圾焚燒爐爐拱改造與燃燒優(yōu)化的數(shù)值模擬

　　爐排式垃圾焚燒爐在處理比設(shè)計(jì)水分高、熱值低的垃圾時(shí)，容易出現(xiàn)著火位置滯后、垃圾“燒不透”、殘?zhí)亢扛叩葐?wèn)題。采用FLIC軟件的床層模型和商業(yè)軟件FLUENT，對(duì)焚燒爐爐排和爐膛燃燒過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算。結(jié)合某城市生活垃圾焚燒爐存在的燃燒不完全問(wèn)題，通過(guò)一系列的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，探索后拱高度和擋板的有無(wú)對(duì)燃燒過(guò)程的影響。比較了爐拱輻射強(qiáng)度、揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度沿爐排長(zhǎng)度方向的分布以及爐膛內(nèi)的速度矢量圖。結(jié)果表明，降低后拱高度或增加擋板均可使著火位置有不同程度的前移;同時(shí)降低爐拱高度和增加擋板可使著火位置前移約1.1 m，提前進(jìn)入穩(wěn)定燃燒階段。

　　引言

　　城市生活垃圾的無(wú)害化、減量化和資源化處理是能源與環(huán)境領(lǐng)域的重要研究課題?，F(xiàn)階段，生活垃圾焚燒發(fā)電是一種較為有效的處理方式。其中， 爐排式焚燒方法是目前應(yīng)用最廣的垃圾焚燒技術(shù)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)一些城市陸續(xù)引進(jìn)了國(guó)外的爐排燃燒設(shè)備。由于國(guó)內(nèi)城市生活垃圾分類(lèi)處理較差，廚余垃圾較多，含水量大、熱值低、灰分高且成分復(fù)雜，實(shí)際運(yùn)行中，存在著火位置滯后、爐膛內(nèi)燃燒不均勻、爐溫偏低、殘?zhí)亢枯^高等一系列問(wèn)題。

　　Yang等將垃圾在爐排上的燃燒過(guò)程分為干燥、揮發(fā)分釋放、焦炭形成、揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燼4個(gè)階段。濕垃圾在爐排上干燥和揮發(fā)分釋放過(guò)程所需要的熱量一部分來(lái)自一次風(fēng)的對(duì)流傳熱，另一部分則來(lái)自爐膛火焰和爐拱的輻射熱。從原理上，調(diào)整一次風(fēng)的配比和預(yù)熱溫度，可以一定程度上改善垃圾在爐排上的燃燒過(guò)程。但是，對(duì)于高水分的低質(zhì)垃圾，爐膛內(nèi)火焰的輻射較弱，調(diào)整一次風(fēng)并不能徹底解決問(wèn)題，因此，必須設(shè)法借助爐拱改造等措施，改善爐膛輻射熱對(duì)濕垃圾的干燥。根據(jù)爐排焚燒爐的特點(diǎn)可知：其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于爐膛，而爐膛設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是爐拱，故改造焚燒爐爐拱也是工程上調(diào)整燃燒的手段之一。

　　近年來(lái)，計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dy­namics, CFD) 方法得到了快速的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)。劉效洲等通過(guò)對(duì)速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬給出了垃圾焚燒爐的設(shè)計(jì)原則和相應(yīng)的改進(jìn)措施;趙穎等運(yùn)用PHOENICS軟件對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，研究了爐拱形狀和尺寸對(duì)流場(chǎng)的影響，完成了對(duì)二段往復(fù)爐排焚燒爐爐拱的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　英國(guó)謝菲爾德大學(xué)廢物焚燒中心，開(kāi)發(fā)了床層燃燒模擬軟件FLIC，Ruy等用此軟件研究了水分、脫揮發(fā)分速率和一次風(fēng)熱流密度對(duì)燃燒的影響，并取得了較好的結(jié)果。作者也采用該軟件模擬垃圾在爐排上的燃燒過(guò)程，將得到的煙氣溫度、速度和各組分的濃度沿床層長(zhǎng)度方向的分布作為爐膛入口的邊界條件，進(jìn)而采用商業(yè)軟件Fluent 6.3對(duì)爐膛空間的輻射強(qiáng)度和流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析了后拱高度和擋板的有無(wú)對(duì)著火位置的影響。

　　研究對(duì)象

　　研究對(duì)象是單機(jī)日設(shè)計(jì)處理量500t(實(shí)際運(yùn)行處理量為400t/d)的某城市生活垃圾焚燒爐，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。爐排為鏈條爐排，一次風(fēng)預(yù)熱至498K，從爐排下方的5個(gè)風(fēng)室分別送入爐膛，各段 分配比例為：0.2：0.24：0.24：0. 2：0.12，文中沒(méi)有考慮二次風(fēng)。