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适应不同热值的垃圾焚烧炉炉型及运行参数研究

2024-11-29 109 上传者：管理员

摘要：国内不同区域垃圾热值变化较大，同时随着垃圾分类的开展，垃圾热值逐步提高趋势明显，有必要对不同热值的垃圾进行焚烧炉设计优化。基于上海某厂基本炉型，通过数值模拟，在再循环烟气量优化基础上，针对四种典型热值垃圾，分析燃烧温度、速度等参数分布，提出运行优化方案。同时针对不同热值垃圾，设计新炉型并完成仿真验证。

关键词：
一次风
垃圾分类
垃圾焚烧炉
数值仿真
炉型
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1、引言

国内不同区域垃圾热值变化较大及国内垃圾热值逐步提高趋势明显，特别是大中城市，随着市民生活饮食结构、消费意识改变和外卖、快递等新兴行业发展[1]，厨余类含量呈下降趋势，纸类、橡塑类呈上升趋势，发热量逐年上升。有必要对不同热值的垃圾进行焚烧炉设计分析。本文针对500吨级基本炉型，完成再循环烟气量优化；针对四种典型垃圾热值：1400 kcal/kg、1800 kcal/kg、2200 kcal/kg、2600 kcal/kg，通过数值模拟，分析燃烧温度、速度等参数分布图，提出炉型优化设计方案，并完成数值仿真验证。

2、仿真模型

仿真模型简介[2]：床层燃烧的仿真模型采用Yang Y.B.等开发的FLIC程序；气相湍流燃烧模拟采用Fluent软件中的模型，湍流模型为标准k-ε模型，压力速度耦合采用SIMPLE算法，气相燃烧反应采用有限速率/涡耗散模型，辐射模型采用DO模型。

本文根据垃圾焚烧炉燃烧的特点和不同软件的功能，采用如下思路进行数值模拟：将整个燃烧空间分为固相、气相两部分，分别使用Flic和Fluent软件进行计算。Flic计算得到垃圾床层固相燃烧状况[2]，包括沿炉排长度烟气温度、流速和各组分浓度分布等参数，将其作为Fluent入口边界条件，进行床层上方的气相燃烧模拟。然后将Fluent计算得到的气相对下方床层的辐射强度反馈给Flic，重新进行固相计算，如此反复迭代多次直到辐射强度不再变化，视为计算收敛。

3、四种典型垃圾热值的设定

分析国内不同地区的垃圾物理组分和热值、灰分、可燃分等理化特性数值，设定四个档次的典型热值，分别是1400 kcal/kg、1800 kcal/kg、2200 kcal/kg、2600 kcal/kg(湿基低位热值)。不同热值的垃圾，对应着相应的物理组分特征，反映出不同城市的经济水平差异，也反映出同一个城市的生活垃圾管理政策在不同阶段实现的效果。

1400 kcal/kg热值的垃圾，或者是低于此热值的垃圾，一般为城市垃圾收运系统末端垃圾，比如填埋场、焚烧厂入厂垃圾，特点是热值偏低，含水率较高，不能直接入炉焚烧。1800 kcal/kg和2200 kcal/kg热值的垃圾，一般是焚烧厂垃圾储坑内经过堆酵3～5天后的垃圾，特点是垃圾中的渗滤液基本渗出，渗滤液产生量约为入厂垃圾的20%～25%，堆酵后的垃圾含水率一般低于50%，具有较高的热值，可以在焚烧炉内自持燃烧，特别是1800 kcal/kg也是当前垃圾焚烧厂普遍采用的MCR设计热值。2600 kcal/kg热值的垃圾，用于模拟未来垃圾分类彻底地区的干垃圾，富含橡胶、塑料、纸类等高热值组分，几乎没有湿垃圾，综合含水率较低，目前国内少数垃圾分类管理较好地区可以达到。

4、500吨级焚烧炉运行参数模拟优化

图1 烟气再循环量

焚烧炉一次风控制在1.3～1.4之间，如果二次风使用空气促进烟气中挥发分的充分燃烧，将增加排烟损失；而使用烟气再循环促进空气中过剩的氧气与挥发分充分混合，同样可以促进挥发分的充分燃烧，同时不引入过量空气，能有效提高锅炉效率。

烟气再循环技术是将布袋除尘器后的低温烟气通过风机再次送入炉膛出口，其目的是改善炉膛出口湍流强度，降低炉内温度和氧浓度，抑制炉膛结焦，并降低NOx等污染物的排放。本文对烟气循环量进行优化，循环烟气量分别设置为总烟气量的10%、11%、12%、13%。

经过对不同烟气再循环量的仿真，由图1可见，随着烟气再循环量的增加，射流速度增大，当增大至12%，炉膛两侧的烟气再循环射流交会在一起，炉膛出口处的内外层烟气能较好地混合，促进挥发分的充分燃烧。

但是过大的烟气循环量会使烟气温度过低，降低锅炉换热效果，风机的负荷也提高。表1可见，加入烟气循环后，出口NOx有明显的降低，在循环烟气量为12%时，NOx降低效果最好。主要是由于再循环量低时，不能使烟气较好混合，而再循环量过大时，烟气温度降低，自生NH3只有在合适的温度窗口才会起到还原NOx作用。最优工况为循环烟气量12%。

表1 循环烟气量对焚烧炉出口NOx的影响

5、500吨级基本炉型对不同热值垃圾的适应性

5.1 不同热值垃圾在焚烧炉内热解产物和燃烧温度分布

采用基本炉型(上海某焚烧厂炉型)，分析不同热值垃圾的燃烧特性。垃圾热值分别设置为1400 kcal/kg、1800 kcal/kg、2200 kcal/kg、2600 kcal/kg，焚烧量500 t/d，一次风温度200℃，空气过量系数1.4，各段配风比例为0.15∶0.25∶0.30∶0.30∶0.25∶0.15。

采用数值模拟方法，研究垃圾床层热解组分(CnHm)分布情况。由图2可见，随着热值的提高，着火点提前，分别相距约0.2m。同时，随着垃圾热值提高，CnHm质量百分数峰值提高幅度较大，热值2600 kcal/kg、2200 kcal/kg、1800 kcal/kg、1400 kcal/kg的CnHm质量百分数峰值分别为8.5%、6%、5.2%、2.5%。主要原因：新鲜垃圾进入焚烧炉首先要经过干燥，高热值垃圾水分含量低，缩短了这一过程，导致着火点提前。同时高热值垃圾水分含量少，燃烧剧烈，CnHm峰值较高。

图2 不同热值垃圾在基本炉型内CnHm沿炉排长度分布

一次风温对焚烧炉内热解产物和燃烧温度分布的影响

根据《生活垃圾焚烧处理工程技术》一次空气加热温度与垃圾低位热值的关系，重新调整一次风温度：1400 kcal/kg、1800 kcal/kg、2200 kcal/kg、2600 kcal/kg热值的垃圾，一次风分别为：240℃、200℃、20℃、20℃。经过垃圾焚烧床层数值仿真，图3可见对于高热值垃圾，降低一次风温度，可以有效地降低CnHm峰值，同时拓宽峰的宽度，有效增强与空气的混合接触。对于高热值垃圾，降低一次风使得燃烧火焰延后、垃圾过火面积增大，在保证燃烧的同时不需要使用蒸汽预热一次风，有助于减少投资及提高全厂发电效率。

图3 不同热值垃圾调整一次风温度后CnHm沿床层分布

垃圾热值为1400 kcal/kg、1800 kcal/kg、2200 kcal/kg、2600 kcal/kg时，焚烧炉出口平均流速分别为3.0 m/s、3.2 m/s、4.3 m/s、4.8 m/s，热负荷分别为42.57×104kJ/h、53.57×104kJ/h、59.19×104kJ/h、69.9×104kJ/h，炉膛出口CO浓度分别为14 mg/Nm3、10 mg/Nm3、33 mg/Nm3、50 mg/Nm3。

对于2200 kcal/kg、2600 kcal/kg两种垃圾，容积热负荷过大，减少了烟气在焚烧炉停留时间，一氧化碳未能充分燃烧。通过以上分析，对于2200 kcal/kg、2600 kcal/kg的垃圾，需要增大炉膛出口开度，降低焚烧炉出口烟气流速，同时增大炉膛容积，增加烟气停留时间，保证垃圾充分燃烧。

6、针对不同热值垃圾的焚烧炉炉型设计

6.1 针对不同热值垃圾焚烧需求的500 t/d焚烧炉炉型设计

要保证垃圾高效燃烧，需要选择合适的容积热负荷。容积热负荷是指单位时间、单位体积的设计热容量。

燃烧室容积热负荷可按下式确定：

式中，qv-燃烧室容积热负荷，kW/m3;B-垃圾焚烧量，kg/h;Qdy-垃圾低位热值，k J/kg;V-燃烧室体积，m3;A-单位燃烧空气量，Nm3/kg,Ca-空气定压比热，k J/(N*m3*℃)；ta-加热空气温度，℃；t0-大气温度，℃；F-辅助燃料量，kg/h;Qf-辅助燃料的低位发热量，k J/kg。

燃烧室容积热负荷是确定炉膛大小的指标[3]，燃烧热负荷过大，则炉膛容积过小，高温烟气在炉膛内停留时间过短，导致CO超标风险；燃烧热负荷过小，则炉膛容积过大，容易降低燃烧温度，垃圾气相挥发分不能充分燃尽。经过计算，重新调整炉膛结构：针对1400 kcal/kg、1800 kcal/kg、2200 kcal/kg、2600 kcal/kg四种热值设计a、b、c、d四种炉型，炉膛出口开度分别为3400 mm、3500 mm、4500 mm、5100 mm，炉膛容积分别为277.6 m3、329.5 m3、359.8 m3、436.8 m3。如图4所示炉膛收缩口上面的横线为炉膛出口，横线下部为保温结构，横线上部为水冷壁结构。

图4 针对不同垃圾热值的炉型调整

6.2 四种焚烧炉炉型的速度场、温度场和污染物浓度分布

数值模拟工况设置：垃圾热值分别设置为1400 kcal/kg、1800 kcal/kg、2200 kcal/kg、2600 kcal/kg，对应炉型分别为a、b、c、d。焚烧量500 t/d，一次风温度分别为240℃、200℃、20℃、20℃，空气过量系数1.4，各段配风比例为0.15∶0.25∶0.30∶0.30∶0.25∶0.15。经过数值仿真，不同热值垃圾对应炉型调整后，温度分布如图5所示。

图5 针对不同热值垃圾调整炉型后温度场分布(k)

通过图5可见，2200 kcal/kg,2600 kcal/kg，燃烧状况较好，火焰中心在燃烧二段中间位置，容积热负荷在50×104kJ/h至55×104kJ/h之间，焚烧炉出口流速在3.0 m/s～3.2 m/s之间，一氧化碳浓度在7 mg/Nm3～9 mg/Nm3之间，燃烧火焰位置居中，均能够实现高效清洁燃烧，相关参数见表2。

表2 针对不同热值垃圾调整炉型后相关参数

6.3 炉型结构对燃烧的影响

为分析不同炉型对燃烧的影响，床层部分统一采用基本工况(热值1800 kcal/kg)相关挥发分、温度和流速参数，上部气相燃烧分别采用a、b、c、d四种炉型。

经过数值仿真，a型和b型焚烧炉，炉膛火焰对炉排的辐射峰值分别为3.71×105w/m、23.75×105w/m2，这是由于a型炉，b型炉炉型较为接近。c型焚烧炉和d型焚烧炉，辐射峰值分别为3.5×105w/m2和3.0×105w/m2，可见随着炉膛出口开度增加，燃烧火焰对床层表面的辐射减弱。主要有两方面原因：(1)炉膛出口开度增加导致前拱和后拱缩短，从而减少了前后拱对床层的间接辐射；(2)前后拱具有导流作用，将干燥段和燃尽段的烟气(氧含量较高)导流至火焰中心，从而促进燃烧，炉膛出口开度增大将降低这种作用。

7、结论

(1)基于500吨级炉型(上海某焚烧厂炉型)，完成烟气再循环量优化。随着烟气再循环量的增加，射流速度增大，当增大至12%，炉膛两侧的烟气再循环射流交会在一起，炉膛出口处的内外层烟气能较好地混合，促进挥发分的充分燃烧。

(2)针对四种典型热值垃圾，采用上海某焚烧厂炉型，研究了同一种炉型对不同热值垃圾的适应性。仿真结果表明：高热值垃圾水分含量少，着火点提前，燃烧火焰中心靠前。根据垃圾热值，重新调整一次风后：对于高热值垃圾，降低一次风温度，可以有效地降低CnHm峰值，同时拓宽峰的宽度，使得垃圾过火面积增大，有效增强与空气的混合接触。但是，高热值垃圾的焚烧炉出口烟气流速及容积热负荷仍然较高，炉膛出口一氧化碳浓度较高，需要对炉型进行调整。

(3)针对四种典型垃圾进行炉型调整，随着垃圾热值的提高，增大炉膛容积及炉膛出口开度。通过仿真及热力计算，容积热负荷在50×104kJ/h至55×104kJ/h之间，焚烧炉出口流速在3.0 m/s～3.2 m/s之间，一氧化碳浓度在7 mg/Nm3至13 mg/Nm3之间，燃烧火焰位置居中，均能够实现高效清洁燃烧。

参考文献:

[1]贾悦,李晓勇,杨小云.上海市1986~2019年生活垃圾理化特性变化规律研究[J].环境卫生工程,2021,29(03):20-25.

[2]刘泽庆,林瑜.垃圾焚烧炉高温低氧燃烧技术可行性仿真研究[J].能源环境保护,2022,36(02):1-7.

[3]李亚猛,周雪花,胡建军,等.生物质颗粒直燃炉灶设计与试验[J].农业机械学报,2017,48(10):280-285.

基金资助:上海城投科技创新计划(CTKY-CYHYD-2021-001);上海市优秀技术带头人计划资助(21XD1434000);

文章来源:武金玉,周洪权,尹丽洁.适应不同热值的垃圾焚烧炉炉型及运行参数研究[J].广东化工,2024,51(22):109-111.