垃圾焚燒爐爐拱改造

　　爐排式垃圾焚燒爐在處理比設計水分高、熱值低的垃圾時，容易出現(xiàn)著火位置滯后、垃圾“燒不透”、殘?zhí)亢扛叩葐栴}。采用FLIC軟件的床層模型和商業(yè)軟件FLUENT，對焚燒爐爐排和爐膛燃燒過程進行了模擬計算。結合某城市生活垃圾焚燒爐存在的燃燒不完全問題，通過一系列的數(shù)值實驗，探索后拱高度和擋板的有無對燃燒過程的影響。比較了爐拱輻射強度、揮發(fā)分質量分數(shù)、溫度沿爐排長度方向的分布以及爐膛內的速度矢量圖。結果表明，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，提前進入穩(wěn)定燃燒階段。

　　引言

　　城市生活垃圾的無害化、減量化和資源化處理是能源與環(huán)境領域的重要研究課題?，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用最廣的垃圾焚燒技術。20世紀80年代以來，我國一些城市陸續(xù)引進了國外的爐排燃燒設備。由于國內城市生活垃圾分類處理較差，廚余垃圾較多，含水量大、熱值低、灰分高且成分復雜，實際運行中，存在著火位置滯后、爐膛內燃燒不均勻、爐溫偏低、殘?zhí)亢枯^高等一系列問題。

　　Yang等將垃圾在爐排上的燃燒過程分為干燥、揮發(fā)分釋放、焦炭形成、揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燼4個階段。濕垃圾在爐排上干燥和揮發(fā)分釋放過程所需要的熱量一部分來自一次風的對流傳熱，另一部分則來自爐膛火焰和爐拱的輻射熱。從原理上，調整一次風的配比和預熱溫度，可以一定程度上改善垃圾在爐排上的燃燒過程。但是，對于高水分的低質垃圾，爐膛內火焰的輻射較弱，調整一次風并不能徹底解決問題，因此，必須設法借助爐拱改造等措施，改善爐膛輻射熱對濕垃圾的干燥。根據爐排焚燒爐的特點可知：其設計的關鍵在于爐膛，而爐膛設計的關鍵是爐拱，故改造焚燒爐爐拱也是工程上調整燃燒的手段之一。

　　近年來，計算流體力學(computational fluid dy­namics, CFD) 方法得到了快速的發(fā)展，廣泛應用于垃圾焚燒爐的優(yōu)化設計。劉效洲等通過對速度場、濃度場和溫度場的數(shù)值模擬給出了垃圾焚燒爐的設計原則和相應的改進措施;趙穎等運用PHOENICS軟件對爐內流場進行模擬，研究了爐拱形狀和尺寸對流場的影響，完成了對二段往復爐排焚燒爐爐拱的優(yōu)化設計。

　　英國謝菲爾德大學廢物焚燒中心，開發(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)分速率和一次風熱流密度對燃燒的影響，并取得了較好的結果。作者也采用該軟件模擬垃圾在爐排上的燃燒過程，將得到的煙氣溫度、速度和各組分的濃度沿床層長度方向的分布作為爐膛入口的邊界條件，進而采用商業(yè)軟件Fluent 6.3對爐膛空間的輻射強度和流場進行模擬，分析了后拱高度和擋板的有無對著火位置的影響。

　　研究對象

　　研究對象是單機日設計處理量500t(實際運行處理量為400t/d)的某城市生活垃圾焚燒爐，基本結構如圖1所示。爐排為鏈條爐排，一次風預熱至498K，從爐排下方的5個風室分別送入爐膛，各段 分配比例為：0.2：0.24：0.24：0. 2：0.12，文中沒有考慮二次風。

　　模擬計算使用垃圾的工業(yè)分析(收到基，質量百分比，%)為：水分59%，揮發(fā)分25.62%，固定碳 2.08%，灰分13.3%。元素分析(收到基，質量百分比，%)為：碳 15.4%，氫 1.56%，氧 9.73%，氮38%，硫0.28%，氯0.33%。此組數(shù)據代表某城市生活垃圾平均性質，其特點是含水量較高，低位熱值只有4328 kJ/kg，比設計值5 680 kJ/kg大幅降低。

　　數(shù)學模型及邊界條件

　　數(shù)學模型

　　對垃圾焚燒爐的模擬主要考慮兩方面的內容：一是垃圾在爐排上燃燒過程的模擬;二是爐膛內氣相燃燒過程的模擬。