（热能工程专业论文）城市垃圾清洁焚烧过程数值模拟研究

使燃烧充分，提高燃烧效率，减小灰渣的热灼减量。

燃尽段将燃烧段送过来的固定碳索及燃烧炉渣中未燃尽部分完全燃烧。

这个阶段垃圾应该在炉排上有一定的停留时间，一方面可以燃尽炉渣中的可燃物，减少灰渣的热灼减量；另一方面应维持适当的燃烧，不致产生烧结块，以顺利排除炉渣。

１．５．２对床层上方气相燃烧的理论分析与实验研究
Ｈａｎｓ—ＨｅｉｎｚＦｒｅｙ”１等人通过实验和数值模拟的方法研究了城市生活垃圾在炉排炉中的燃烧过程，通过试验设备到可以监测燃烧室内燃烧床表面的温度和燃烧产物。

计算模拟步骤如下：由试验得到的沿炉排方向的分布函数，如：烟气温度函数、燃料床的温度函数、炉篦的温度函数，这些数据作为床层上面气相燃烧室的热和流动模拟的入口边界，再用软件对整个流动区域来进行数值计算，从而得出整个流动区域内的物质浓度分布和温度分布。

实验装置示意图如下：
图１．３Ｈａｎｓ—ＨｅｉｎｚＦｒｅｙ等人的实验装置示意图
实验装置示意图包括炉体和烟气处理装置，但它的主要研究对象是炉体下部空间垃圾燃烧区域内的温度分布和浓度分布。

计算结果包括区域内的温
图１５Ｖ．ＮＡＳＳＥＲＺＡＤＥＨ等人模拟的炉型及矢量图
他们对二次风的位置进行了大胆的设想，从纯设计方面做了调整，如果考虑到制造和运行方面可能还会有实现起来的困难，但是他们在不同工况下，通过流场、温度场和浓度场的改变来评价整个焚烧炉的燃烧性能的这个方法是很值得学习和借鉴的，他代表了当今对焚烧炉燃烧模拟评价的一个潮流。

同样，从这几个方面考虑焚烧炉性能的还有英国的Ｊ．Ｓｗｉｔｈｅｎｂａｎｋ“”３、丹麦奥尔堡大学的ＳｓｒｅｎＫ．Ｋｍｒ“”、韩国的ＪＡＥ—ＨＹＵＮＨＡＮ。

”等等。

以上的做法都是把整个垃圾焚烧过程分成两块来计算的，即床层的燃烧计算和上部空间的气相的燃烧模拟计算，一般上部空间的气相的燃烧计算模拟都是借助于成熟的商业软件来计算的，它是以床层的计算结果作为边界条件的，这也是通行的办法。

但是除了以上的做法之外，也有人曾大胆设想，把整个垃圾焚烧过程归结为～个过程来计算，即通过商业软件把两个过程综合在一起来计算，大概的想法是这样的，气相燃烧还是在上部燃烧，还是采取原来的模型，床层部分的计算作为基本方程（质量守恒、动量守恒、能量守恒方程）的源项处理，这种做法的难点在于对床层部分燃烧过程的描述上，因为床层部分的燃烧过程是很复杂的，它要包含床层子模型中的燃料干燥、挥发分解和焦炭的氧化等等。

下面是Ｈｕｔｔｕｎｅｎ，Ｍ”１等人的在这方面的研究成果，他研究的对象为一个热处理能力为ＩＭＷ的炉
排炉，模型示意图及对床层部分的模拟结果如下：
图１．６Ｈｕｔｔｕｎｅｎ，Ｍ［３］等人研究的炉排炉模型示意图
｛ａ｝伪）
图１．７ｌｔｕｔｔｕｎｅｎ，Ｍ等人的研究结果（床层部分）
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根据国际、国内以往的工程实际经验，生活垃圾焚烧炉的首选目标是机械炉排炉，尤其是往复式炉排炉。

甲方在借鉴国外先进炉排结构和国内垃圾焚烧运行经验的基础上，结合我国城市生活垃圾的特点，与有关单位合作首先开发了国产往复逆推式炉排炉，经实际运行证明这种炉排的结构形式可以适应我国低热值混合生活垃圾焚烧的特殊要求。

在此基础上，他们又开发了如图２．１所示的二段往复式垃圾焚烧炉排，其核心是针对我国高水分、低热值的生活垃圾特点，通过逆推加顺推的二段式炉排使垃圾得到更充分的燃烧，以进一步降低灰渣的热灼减率。

用于助燃的一次风经过蒸汽和烟气两级预热使温度达到２５０。

Ｃ以上，从而使刚入炉的垃圾能快速干燥、着火和燃烧。

焚烧炉的过量空气系数设计在１．６以上，以保持炉内充足的氧量，减少二恶英的生成。

在焚烧炉的上方，通过高温二次风的高速喷入，使烟气得到充分的扰动，延长其在炉膛内的停留时间，改善燃烧状况，确保炉膛中烟气温度达到８５０℃以上，并停留２秒钟以Ｅ。

图２．ｉ二段往复炉排示意图
２．１．２国内炉排炉的发展状况
国内炉排炉技术的发展已有近２０年，深圳清水垃圾焚烧厂是较早时期的代表。

该厂３＃焚烧炉是引进日本三菱重工的技术产品，除马丁炉排外，８５％的设备已国产化，单台日焚烧处理垃圾１５０吨，饱和蒸汽发电，尾气
Ｙｐ‘≤１１．２２５
２．２．５计算结果与分析
２．２．５．１湍流强度
为了得到优化的炉膛设计，在完全相同的边界条件下分别对以上三种炉膛结构进行了冷态模拟。

图２．３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）分别为三种炉膛结构的湍流强度分布，图２．４（Ａ），（Ｂ），（ｃ）分别为三种炉膛结构湍流强度的概率密度分布值。

（Ａ）（Ｂ）
图２．３湍流强度分布
兽｛”
卦兽１口
ＴｕｒｂｕｌｅｎｔＫｉｎｅｌＪｃＥｎｅｒｇｙｆｋ）ｅｍ２／ｓ２）ＴｕｒｂｕｌｅｎｔＫｉｎ鲥ｃＥｎｅｒｇｙ（均（ｍＺ／ｓ２）
（Ａ）（Ｂ）
：号
加
Ｍ
”持
∞玷踮
幽３．１焚烧炉示意图图３．２炉排示意图
３．２数学模型
输运方程：
昙∽）＋Ｖ．（尸曙）＝－－Ｖｏｚ＋马＋ｓ（３－－１）其中Ｒ．是化学反应的净产生速率，Ｓ为离散相及用户定义的源项导致的额外产生速率，这里为零，ｚ为质量扩散，Ｊ，＝－ｌｐＤ，，ｍ＋兰ＪＶ托在系统中出现Ｎ种物质时，需要解Ｎ－１个这种形式的方程。

由于质量分数的和必须为１，第Ｎ种物质的分数通过１减去Ｎ－１个已解得的质量分数得到。

为了使数值误差最小，第Ｎ种物质必须选择质量分数最大的物质，比如氧化物是空气时的Ｎ：。

能量方程：
导（ｐＥ）＋Ｖ·（旷（ｐＥ＋ｐ））＝Ｖ·（％Ｖ丁一手一，万＋（焉·旷］］＋ｓ（３－－２）其中，ｂ为有效导热率（≈＋ｔ，其中，量为湍流引致的导热率，由模型
哈尔滨工程大学硕士学位论文
表３．１城市生活垃圾工业和化学元素分析表
采样
工业分析（％）元素分析（湿）（％）
灰分挥发分固定碳ＣＨＮＳ０ＣＬ
点
湿千湿干湿干
某地１７．６２３３４０２６．８３５０．８６８．３ｌ１５．７４１８．０９２６７０７４０１】１３５３Ｏ３２３．３．１温度场
图３．３为３号炉温度场的模拟结果
图３．３温度场的模拟结果图３．４温度的切面分布图由图可以看出，炉内的整体温度比较高，大部分区域的温度都在９００—１５７０Ｋ之间，有利于可燃物的充分燃烧。

当垃圾进入主燃段后，温度已经很高，达到了稳定着火的条件，大部分可燃物要在这里烧掉，因此需要消耗大量的氧气，一般都会出现固体垃圾床层主燃区局部氧气不足现象，在高温下挥发出的部分可燃气体释放到床层上部的烟气中。

这部分含有可燃挥发份的烟气与来之于其它区域的富氧气体或二次空气充分混合、燃烧，使炉内温度进一步升高，在炉膛中心部位的炉温最高；随后，烟气温度逐
渐降低。

这是由于一方面，床层固体垃圾中的水分蒸发需要吸收大量的热量，而使干燥区上方的气体温度最低；另一方面，炉膛内布置的水冷壁管要吸收大量的热量，所以沿炉膛高度方向炉内温度逐渐降低，同时由于炉内气体的充分混合而使温度分布趋于均匀。

在标高为１８３００ｍｍ处，温度分布如图３．３所示，高温区为１３２０Ｋ，低温区为１１３０Ｋ，平均温度为１２４６Ｋ（实际测量值约为１３００Ｋ）；在标高为２５４００ｍｍ处，高温区为１１８０Ｋ，低温区为“２０Ｋ，平均温度为１１４０Ｋ（实际测量值约为１１８０Ｋ）；计算与实际测量值基本吻合；第一通道出口处烟气温度大约在１１００Ｋ左右。

图３．４是炉内温度的切面分布图，可以看出沿炉排宽度方向温度分布均匀，有利于可燃物充分燃烧，进行二维计算分析也是合理的。

从整个炉内的温度分布来看，大部分区域的温度都在８５０℃以上，对有效预防二恶英类污染物的生成起了很重要的作用，这样不仅有利于可燃气体的充分燃烧，而且能有效降低污染物的排放。

３．３．２浓度场
在焚烧模拟计算过程中，除了温度场外，还可以得到各物质的浓度场分布。

图３．５为水蒸汽的浓度分布，可以看出在靠近入口区由于固体垃圾中大量水分的蒸发而使床层上部烟气中的含水量最多，同时这部分水分蒸发时需要吸收大量热量而使其烟气的温度最低（如图３．３和３．４所示）。

图３．５水蒸气的浓度分布
图３．６、３．７、３．８为焚烧过程中较为关心的一氧化碳和氧气的摩尔浓度分布：
图３．６一氧化碳的摩尔浓度分布图３．７一氧化碳的ＰＰＭ浓度分布
图３．８氧气的摩尔浓度分布。