750TPD垃圾焚烧炉燃烧过程的数值模拟

750TPD垃圾焚烧炉燃烧过程的数值模拟

【摘要】采用计算流体力学（CFD）技术，对750 TPD的生活垃圾焚烧炉建立模型，模拟炉内的气相燃烧过程，研究了炉内燃烧过程对二恶英控制及SNCR 设计的影响。

【关键词】垃圾焚烧炉；二恶英；选择性非催化还原；数值模拟

广州某垃圾焚烧电厂750 TPD炉排式垃圾焚烧炉是国内单台容量最大的焚烧炉，本文利用CFD技术，对此焚烧炉的燃烧过程进行数值模拟，研究炉内燃烧过程对二恶英控制及SNCR设计的影响，为SNCR设计提供理论支持，同时为了解和掌握大容量垃圾焚烧炉炉内燃烧过程及其规律，提高同类垃圾焚烧炉的设计、运行与改造提供必要的参考。

1.模拟对象

本文的模拟对象为一台基于丹麦V olund技术制造的机械炉排式垃圾焚烧炉，处理能力为750 TPD；炉排为空冷式，分为4段，每段长3m，一、二段炉排倾斜角度为15°，三、四段炉排倾斜角度为7.5°，每段炉排都可以单独地调整它的运动，通过改变频率和振幅来调整垃圾的混合程度和在炉排上的停留时间。

炉排下一次风分别由各自燃烧空气区单独控制。炉排燃烧空气区由一次风单独调节。二次风通过燃烧室尾部的数个喷嘴直接喷入炉膛内。二次风喷入速度很高（50～90m/s），以便与烟气有效混合。

2.数值模拟方法

模拟区域向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31.6 m，炉膛横截面尺寸为13.9 m×9m，余热锅炉横截面尺寸为5.1m×9m。计算模型，采用Cambit建模，网格划分采用分块划分、局部加密的方法。在保证计算精度的条件下，减少网格的总体数量，提高了计算速度。采用非结构化的四面体网格，总网格数为815 654。

气体停留时间模拟采用示踪方法。在入口处注入示踪气体脉冲，在气体出口处设置监测面，获得气相停留时间分布曲线。

本文不考虑垃圾床层的燃烧，以床层表面的实际速度、温度和组分作为入口边界条件[1]。使用用户自定义方程在人口边界输入气相组分质量浓度及温度的函数，入口CH4、CO、H2、Q、Cq与H20平均体积分数分别为0.13%、1%、0. 01%、10.6%、12.2%与10.6%，人口平均温度为1 056 K。入口速度取常数1.7 m/s。二次风为常温压缩空气，喷射速度为80 m/s，温度为293.15K。出口边界采用Oumow方式。

3.数值模拟结果与讨论

3.1炉内燃烧温度与停留时间分布

图1为垃圾焚烧炉模型导出中心截面的温度分布图。截面平均温度为1190 K，锅炉整体温度较高。出口平均温度为l 165K，与设计值1156 K符合较好，表明计算比较合理。二次风对气相燃烧作用明显，含有可燃挥发分的烟气与二次空气充分混合、燃烧，使炉内湿度进一步升高，在二次风喷枪前炉膛中心部位的炉温最高，最高温度为1 623 K。

对于可燃成分是否燃烧完全，烟气在燃烧室内的停留时间是一个重要的参数[2]。较长的停留时间可使炉内烟气中的可燃成分获得最大程度的燃尽。图2为焚烧炉炉膛内的烟气停留时间分布图。

3.2炉内过程对二恶英的影响

为有效防止二恶英类污染物的生成，垃圾焚烧炉应满足烟气温度在1123 K 以上，烟气停留时间应大于2s。

由图1可知，从炉内温度分布来看，大部分区域温度在1123 K以上，锅炉的整体温度满足二恶英控制的温度要求。

由图2可知，大部分烟气的停留时间为2-5 s，烟气平均停留时间3.7 s，烟气在炉膛内停留时间较长。锅炉二次风设计比较合理，可提供较好的烟气混合，使烟气在炉膛的高温区停留较长时间，从而使炉膛内可燃组分更有效地燃烧。

结合图1、图2可知，炉膛内燃烧温度较高，烟气停留时间较长，可有效控制二恶英在炉内的生成，同时也有利于可燃组分充分燃烧。

3.3炉内过程对SNCR的影响

SNCR技术适合于垃圾焚烧烟气的脱硝。该技术实施的关键是选择合适的温度区。根据计算结果，可知余热锅炉区温度满足SNCR狭窄的温度窗。因此，选取SNCR设计区域为余热锅炉人口至折焰角区，高度为锅炉10。26 m处，如图3所示。

3.4温度与停留时间分布对SNCR的影响

SNCR技术脱除NOx效率与反应温度密切相关，温度低于或者高于最佳脱硝温度，脱硝率均迅速下降。图4为SNCR设计区域的温度与速度随高度的分布图。由图4可知，入口处由于燃尽风的喷射，烟气温度与速度有较明显波动。设计区域温度稳定，满足SNCR的温度窗，最低温度在高17 m处，温度为1 211.7 K，大于1173 K。烟气速度为3.3～6.8 m/s，平均速度为3.9 m/s。

SNCR喷枪一般采取分层布置，布置层数为2～3层，布置区应选取烟气速度不是太快的区域。从图4可以看出，在高10～12 m处，烟气速度较快，不适合布置SNCR喷枪。而且烟气速度过快，不利于氨剂对锅炉截面的有效覆盖及与烟气的有效混合。

SNCR还原反应中，在合适的反应温度下，反应时间是保证反应转化率的重要条件。图5为SNCR设计区域烟气平均停留时间。由图5可知，大部分烟气停留时间超过2s，平均停留时间为4.5 s。根据实验结果，SNCR反应较适宜停留时间为1.2 s左右[3]，为满足反应时间要求，SNCR喷枪采取两层布置的方式，选取的布置区域为高13 m吸19 m处。

4结论

（1）余热锅炉出口平均烟温和烟气组成浓度与设计值符合良好，表明模拟结果合理。

（2）由垃圾焚烧炉气体燃烧的温度分布图和气体在炉膛内的停留时间分布图可知，焚烧炉能有效控制二恶英的生成，同时也可以保证可燃组分充分燃烧。

（3）焚烧炉高10。26 m区域温度与组分浓度满足SNCR设计需要。喷枪分2层布置，选取的布置区域为高13 m及高19 m处。

以上模拟结果可以为焚烧炉二恶英控制及SNCR设计提供理论支持与参考。待焚烧炉建成后，按照焚烧炉实际燃烧情况，可以对模型进一步修正，以使模型更贴近实际运行状况。

参考文献

[1]Hans-Heinz Freya，Bernhard Petersa，Hans Hunsin-ger，et al，charac-terizttion of municipal solid waste combustion in a grate funace{H}，Waste Management，2003，23：689-701

[2]张凤波，城市垃圾清洁燃烧过程数值模拟研究（D），哈尔滨，哈尔滨工程大学，2005

[3]韩奎华，路春美，王永征，等，选择性非催化还原脱销特性试验研究{J}，中国电机工程报，2008，28（14）：80-85

作者简介：

罗翠红女1977年生，武汉理工大学工学学士，广州环保投资集团有限公司