垃圾焚烧炉排炉二次风配风的CFD优化模拟

北极星环保网讯:为探究二次风配风对炉排炉中城市固体垃圾焚烧过程的影响，针对某750t/d垃圾焚烧炉排炉，采用数值模拟的方法对炉膛焚烧过程进行热态模拟，就下二次风投、停运，上二次风布置形式和上二次风风速3个因素进行优化分析.模拟结果显示，通过在炉拱下方增加下二次风能对炉膛前、后炉拱形成包覆作用，阻挡高温烟气冲刷，有利于改善炉拱区域的结渣问题;炉膛上二次风对冲布置或适当增大二次风风速(从45m/s增大至65m/s)均能有效促进烟气混合，提高炉膛烟气的充满度，改善温度分布的均匀性;上二次风对冲布置较错列布置能进一步提高烟气停留时间，降低炉膛出口的CO体积分数，从而提高燃烧效率.

关键词：炉排炉;垃圾(MSW)焚烧;计算流体动力学(CFD);数值模拟;二次风;配风优化

国家统计局2014年统计年鉴[1]显示，2013年我国生活垃圾清运量已达17238.6万吨.如何处理日益围城的生活垃圾成为亟待解决的问题.2012年，国务院发布的《“十二五”全国城镇生活垃圾无害化处理设施建设规划》[2]提出：到2015年，全国城镇垃圾焚烧处理设施处理能力达到无害化处理总能力的35%.在国家政策的大力扶持下，生活垃圾焚烧处理已进入市场化全面发展阶段.炉排炉是当前垃圾焚烧的主要型式之一[3].

目前国内已有企业[4-5]通过引进如德国马丁、比利时西格斯、日本田熊、日立等的先进技术，加以吸收创新，实现了焚烧设备的自主化，但其运行的经济性及稳定性仍有待进一步提高.

基于计算流体动力学(computationalfluiddynamics，CFD)的数值模拟方法作为一种低成本、高效率的研究手段，近年来不断被应用于垃圾焚烧炉的设计及优化研究工作中.Kear等[6]对稻草焚烧炉的炉排顶部温度以及组分分布进行了数值计算.Yin等[7-8]采用数值模拟结合试验的方式对燃烧小麦秸秆的88MW炉排炉进行了研究，得到了不同建模方式对计算结果的影响.马晓茜等[9-12]对炉排的燃烧进行分段处理，讨论富氧条件对炉排燃烧的影响，并且采用CFD手段对炉膛燃烧以及炉膛顶部通过选择性非催化还原(ivenon-catalyticreduction，SNCR)方法脱除NOx进行了研究.胡玉梅等[13-14]采用数值手段对炉排炉二次风的作用以及二次风的布置位置进行了研究，通过调整二次风位置来调节燃烧条件，抑制二恶英生成.

上述研究主要以国外引进炉排为研究对象，且单机处理量处于中小水平，国内鲜见关于750t/d大型炉排炉炉内燃烧模拟以及配风优化的公开研究成果.本文以国内某自主研发的750t/d炉排炉为研究对象，采用数值方法对炉排炉内燃烧进行模拟.下文将从下二次风投、停运，上二次风布置形式以及上二次风风速这3个角度对其二次风配风进行优化分析.

1、研究对象及计算模型

研究对象为国内某公司自主研发的750t/d垃圾焚烧炉排炉，炉排长为11.66m，宽为12.56m，运行速度为7.673m/h，即运行周期为90min.炉膛容积为648.47m3，配风分为三级，一次风由炉排下方由高到低分5级灰斗两列配送，总风量为88700Nm3/h，温度为493K.二次风温度为313K，总流量为38000Nm3/h，其中上、下二次风所占质量分数分别为80%、20%.根据炉膛实际结构尺寸，通过GAMBIT建立三维模型如图1所示，炉膛网格均采用六面体网格，二次风入口采用局部加密处理，网格总量为109.91万，网格质量较好.

图1垃圾焚烧炉膛的几何模型

垃圾燃烧过程按水分蒸发、挥发分析出、挥发分燃烧和焦炭燃烧分为多个阶段进行，垃圾燃烧过程的模拟分为两大部分，即炉排上方垃圾固相的燃烧和固相燃烧析出的气相在炉膛内的燃烧.固相燃烧反应采用FLIC软件进行模拟，床层上固相反应由文献[15-17]的运动模型描述.固相控制方程如式(1)～(4)所示，与气相控制方程类似，同时考虑了垃圾床层的移动.

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