二次风对垃圾焚烧炉燃烧影响的数值模拟

北极星环保网讯: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。

关键词:二次风;焚烧炉;气相燃烧;数值模拟

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、含水率高的垃圾等特点,在国内垃圾焚烧发电厂中得到广泛应用[1]。

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[2]。

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。

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