陳 鵬，李 軍，陳 竹

（中國(guó)天楹股份有限公司，江蘇 南通 226600）

1 焚燒爐模型的建立與計(jì)算條件的設(shè)定

1.1 幾何尺寸

以600 t/d垃圾焚燒爐排爐為研究對(duì)象，爐排總長(zhǎng)為15.40m，爐排寬度8.64m，整個(gè)爐型自出渣口到鍋筒頂部為27.85 m，爐排傾斜角度為18.45°，上部鍋筒深度為15.89 m。一次風(fēng)自爐排底部通過引風(fēng)機(jī)噴入，干燥段、燃燒段以及燃燼段的進(jìn)風(fēng)比例為0.3∶0.5∶0.2，二次風(fēng)自喉口上方直徑80 mm的風(fēng)口斜下方20°射入，2排交錯(cuò)排列，每列布置8個(gè)風(fēng)管，溫度為313 K。本文參考的垃圾焚燒爐過量空氣系數(shù)為1.2，垃圾低位熱值6200 kJ/kg，元素分析如表1所示。

根據(jù)垃圾焚燒爐的實(shí)際尺寸對(duì)物理模型進(jìn)行等比例的繪制，并將整套模型劃分為14塊進(jìn)行網(wǎng)格處理，其中二次風(fēng)口、喉口上下以及近床層處等氣流湍動(dòng)較為急劇的部位，適當(dāng)?shù)貙?duì)其網(wǎng)格加密，分塊后的每處單元網(wǎng)格均采用Hex元素，類型為Map，繪制的網(wǎng)格總數(shù)為119萬，如圖1所示。

表1 600 t/d焚燒爐生活垃圾元素分析

圖1 600 t/d垃圾焚燒爐物理模型及網(wǎng)格

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立與邊界條件的設(shè)置

不考慮床層的固相燃燒，以床層的實(shí)際入口速度將氣體組分與濃度通過自定義用戶作為邊界條件代入，入口溫度為1100 K，床層氣相燃燒通過組分輸運(yùn)方程編寫化學(xué)方程式。爐膛內(nèi)部流體控制方程包括質(zhì)量守恒方程（公式（1））、動(dòng)量守恒方程（公式（2））、能量守恒方程（公式（3））、組分質(zhì)量守恒方程 （公式 （4））［1］：

以上控制方程中，ρ是物質(zhì)密度，t是時(shí)間，V為速度矢量源項(xiàng)，Sm是加入到連續(xù)相的質(zhì)量；p為微元體上作用的壓力，表示所受到的重力體積力，表示包含其他外部體積力作用的模塊，為微元體表明因分子粘性作用產(chǎn)生的應(yīng)力張量；在能量方程中E為流體微團(tuán)總能，即內(nèi)能與動(dòng)能總和：

組分j的可感焓定義為：

本研究計(jì)算所用的粘性模型采用的是k-ε湍流模型，組分輸運(yùn)與化學(xué)反應(yīng)采用的是有限速率渦耗散Eddy-Disspation模型；爐膛及鍋筒四周均采用絕熱壁，燃料自床層底部由一次風(fēng)帶入發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)二次風(fēng)口射入常溫空氣對(duì)煙氣進(jìn)行均勻混合，鍋筒上端作為出口，設(shè)為outflow，暫不考慮水平煙道部分。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 3種不同一二次風(fēng)配比的工況條件

在保證總風(fēng)量不變的情況下，通過改變一二次風(fēng)配風(fēng)比例，共設(shè)計(jì)3種運(yùn)行工況，3種工況依次降低一次風(fēng)所占比例，因而二次風(fēng)比例提高，其他條件包括燃料配比、進(jìn)風(fēng)溫度等均相同。表2給出3種配風(fēng)工況比值。

表2 3種工況一二次風(fēng)配比比值

2.2 3種工況溫度分布計(jì)算結(jié)果及分析

基于以上3種工況分別模擬計(jì)算，爐膛內(nèi)部中間切面溫度分布如圖2～4所示。

圖2 1#工況爐膛溫度云圖

圖3 2#工況爐膛溫度云圖

圖4 3#工況爐膛溫度云圖

由圖2～4可以看出，3種運(yùn)行工況下，溫度最高區(qū)域都集中在燃燒段上部火焰處至喉口下段，同時(shí)這一區(qū)域也是溫度梯度變化最為劇烈的部分，其次爐膛后拱至燃燼段空間區(qū)域溫度也較高，但總體分布均勻，鍋爐整體溫度最低區(qū)域集中鍋筒至煙氣出口處，且變化梯度也最小。

同時(shí)，1#工況總體溫度最高，2#工況居中，而3#工況的平均溫度最低，考察整個(gè)床層的溫度梯度看出，3#工況表現(xiàn)的溫度梯度變化最小，這表明3#工況運(yùn)行條件下，床層上側(cè)燃燒溫度與前兩工況比較相對(duì)較為均勻，而1#工況則最為劇烈，干燥段、燃燼段與燃燒段的溫差也最大。

圖5為兩側(cè)二次風(fēng)風(fēng)口中心連線橫向溫度分布?？梢钥闯?，在左右側(cè)二次風(fēng)中間周線上的溫度分布變化梯度較為劇烈，3種工況計(jì)算條件下，從左側(cè)到右側(cè)的溫度梯度都呈現(xiàn)先下降而后再上升，接近右側(cè)風(fēng)口時(shí)繼續(xù)下降而后又一次升高?？傮w而言，接近左側(cè)二次風(fēng)口處煙氣溫度較低，而接近右側(cè)則溫度較高。

圖5 二次風(fēng)風(fēng)口橫向溫度分布

而且1#工況的溫度變化梯度明顯最大，接近右側(cè)風(fēng)口處溫度最高達(dá)到1388 K，接近左側(cè)的最低溫度為1112 K，差值達(dá)到276 K；而3#工況的溫度分布則較為均勻，右側(cè)最高溫度與接近左側(cè)的最低溫度差值僅為113 K。

圖6為喉口處的軸向溫度分布，喉口處位于二次風(fēng)口下側(cè)與干燥段和燃燒段上側(cè)之間，此處溫度梯度變化最為劇烈，存在高溫?zé)煔庖约俺氐亩物L(fēng)強(qiáng)烈擾動(dòng)，保證煙氣中未完全燃燒的氣體充分燃燼。喉口處由左向右過渡的過程中，1#與3#先下降后上升，而2#則持續(xù)上升，其中1#與2#的高溫區(qū)域最大，而3#工況總體溫度較低，根本原因在于3#的一次風(fēng)比例較低而二次風(fēng)供應(yīng)過剩，此外，1#的溫度梯度變化最為劇烈，在喉口橫向坐標(biāo)4.25～5 m段直線上升到1413 K，為3種工況的最大值。

圖7為喉口與煙道中線的溫度分布，3種工況的溫度分布狀態(tài)較為一致，喉口中心的溫度是整條中線的最高點(diǎn)，通過常溫二次風(fēng)時(shí)均勻混合溫度急劇下降，部分未燃盡氣體繼續(xù)燃燒又使得煙氣溫度緩慢上升，第一煙道中心的溫度則趨于恒定。3種工況條件下，1#的煙道溫度最高，約為1180 K而3#工況的煙道溫度最低，為1130 K。

圖6 喉口處橫向溫度分布

圖7 豎直煙道軸向溫度分布

表3給出了3種工況條件下，爐膛內(nèi)部燃燒段、喉口處以及煙氣出口的平均溫度?？梢钥闯?#工況的溫度分布總體更為均勻，溫差較小，尤其是燃燒段上側(cè)至二次風(fēng)下部喉口處?？傮w來看，在總風(fēng)量一致的情況下，3#工況的二次風(fēng)比例最高，因而相對(duì)前兩者，既保證了燃料與空氣混合燃燒后的充分均勻，又促使較高比例的常溫二次風(fēng)與高溫?zé)煔饣旌鲜沟谜w均溫的下降。以上3種運(yùn)行工況中，1#最易出現(xiàn)局部高溫區(qū)域。

表3 各工況爐膛各部位平均溫度 K

2.3 3種工況CO濃度計(jì)算結(jié)果及分析

在垃圾焚燒過程中，有效控制二惡英的產(chǎn)生量是目前的重點(diǎn)之一，而CO與二惡英呈現(xiàn)正比關(guān)系，因此通過測(cè)定CO的濃度間接測(cè)得二惡英占煙氣含量。圖8～10為3種工況條件下計(jì)算得到的CO單位立方米kmol濃度分布。

圖8 1#工況CO濃度分布云圖

圖9 2#工況CO濃度分布云圖

圖10 3#工況CO濃度分布云圖

從3種工況的云圖可以看出，越靠近床層處的CO濃度越高，這與邊界條件的設(shè)定是一致的；同時(shí)干燥段的濃度比例較高而燃燒段的比例較低，表明在燃燒過程中燃燒段的總體溫度最高而燃燒相對(duì)更加充分；此外濃度在越靠近喉口處的時(shí)候越小，說明二次風(fēng)的擾動(dòng)導(dǎo)致煙氣中未完全燃燒的氣體得到充分的燃燼，這一處的CO濃度都顯現(xiàn)急劇下降，至煙道中，濃度比例已經(jīng)幾乎趨近于0。

3種工況的濃度分布也存在稍許不同，主要集中在喉口處的截面，圖11為喉口處橫向截面的CO濃度分布數(shù)值，單位為kmol/m3?？梢钥闯?，3種工況濃度值最高都處于喉口左側(cè)，而喉口中心位置卻急劇下降甚至一度接近0，這表明中心位置得到了充分燃燒，同時(shí)這一區(qū)域也是二次風(fēng)擾動(dòng)的強(qiáng)烈部分，但3種工況分布最為均勻的是3#，其CO濃度驟變過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1#和2#，原因在于適當(dāng)?shù)靥岣叨物L(fēng)配比更加均勻地帶來煙氣的混合擾動(dòng)，使得燃燒更為充分。

圖11 喉口處橫向CO濃度分布

3 結(jié)論

1）不同的一二次風(fēng)配比對(duì)于爐膛燃燒的過程影響很大，尤其是溫度分布的變化較為劇烈，適當(dāng)?shù)靥岣叨物L(fēng)的比例，可以促使燃料充分燃燒且爐膛內(nèi)部的溫度分布更為均勻。

2） 通過對(duì)3種工況條件下爐膛內(nèi)CO濃度的分析，在出口煙氣完全燃燒的情況下，燃燒充分的分界處位于喉口，此處是二次風(fēng)與高溫?zé)煔膺M(jìn)一步混合的重點(diǎn)位置，一定比例的提高二次風(fēng)量，可以使燃料燃燒更為充分，3#工況相對(duì)于1#和2#優(yōu)異表現(xiàn)就在于濃度變化梯度較低且最先趨近于0。

3）不同爐型不同日處理量的垃圾焚燒爐，其結(jié)構(gòu)布置各有不同，因此具體的最優(yōu)配風(fēng)比值，須通過整體鍋爐的一二次風(fēng)進(jìn)風(fēng)口位置以及垃圾焚燒量等條件因素加以精確地計(jì)算和分析。

綜上所述，為保證爐膛內(nèi)部溫度分布較為均勻，變化梯度不至于過分劇烈，爐膛一二次風(fēng)配比須有一個(gè)合理的設(shè)計(jì)理論，且具體的計(jì)算應(yīng)根據(jù)鍋爐整體的結(jié)構(gòu)而定，才能得到最優(yōu)方案。

［1］ 于勇.入門與進(jìn)階教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2013.