邢哲理 李春東 龍洋波 趙夢(mèng)宇 邢 巖 房電偉

青島某小型垃圾焚燒站熱解間通風(fēng)模擬研究

邢哲理 李春東 龍洋波 趙夢(mèng)宇 邢 巖 房電偉

（軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院 北京 100036）

為討論青島某小型垃圾焚燒站熱解間內(nèi)通風(fēng)措施的降溫效果，采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件Airpak搭建了垃圾焚燒站熱解間的數(shù)值計(jì)算模型，基于湍流模型和有限體積法研究了垃圾焚燒站熱解間內(nèi)的溫度分布和流場(chǎng)特性。結(jié)果表明，某小型垃圾焚燒站熱解間合理設(shè)置百葉窗和風(fēng)機(jī)等通風(fēng)措施后，熱解間內(nèi)2m高度以下區(qū)域溫度小于30℃，工作人員在地面工作時(shí)比較安全，并且熱解間內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)和溫度分布具有相似性。

垃圾焚燒站；通風(fēng)；模擬；小型

0 引言

隨著人民生活水平的提高和物質(zhì)生活的不斷豐富，生產(chǎn)生活產(chǎn)生的垃圾量也與日俱增，垃圾處理成為世界各國(guó)面臨的普遍問題[1-3]。傳統(tǒng)的生活垃圾處理有焚燒、堆肥、填埋等技術(shù)，基于垃圾分類和焚燒基礎(chǔ)上的垃圾資源化利用成為目前研究的熱點(diǎn)[4-6]，而垃圾焚燒站就是利用焚燒和凈化等設(shè)備將垃圾焚燒后產(chǎn)生的熱量通過發(fā)電或供暖等方式進(jìn)行資源化利用[7,8]。

青島某小型垃圾焚燒站包括一燃室、二燃室、余熱鍋爐、除酸塔、除塵器等設(shè)備，垃圾在一燃室和二燃室順序燃燒后產(chǎn)生高溫?zé)煔猓酂徨仩t利用高溫?zé)煔獾臒崃慨a(chǎn)生熱蒸汽，熱蒸汽被送入換熱站通過供暖對(duì)垃圾焚燒熱量進(jìn)行利用。煙氣通過余熱鍋爐后經(jīng)過除酸塔和除塵器的無害化處理進(jìn)而排出室外。焚燒設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)向周圍散熱，人員工作區(qū)域的溫度對(duì)工作安全具有重要影響，一般采用通風(fēng)措施降低焚燒站等工業(yè)廠房?jī)?nèi)的環(huán)境溫度[9,10]。本文通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件Airpak搭建垃圾焚燒站熱解間的數(shù)值計(jì)算模型，研究通風(fēng)條件下垃圾焚燒站熱解間內(nèi)的溫度分布和流場(chǎng)特性。

1 模型建立

1.1 工程簡(jiǎn)介

小型垃圾焚燒站建筑面積922m2，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，耐火等級(jí)為二級(jí)。由于辦公和功能房間通往熱解間的門平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，因此本文只對(duì)熱解間的通風(fēng)進(jìn)行模擬研究，熱解間內(nèi)主要有一燃室、二燃室、余熱鍋爐、除酸塔、除塵器等設(shè)備，熱解間設(shè)側(cè)墻式軸流風(fēng)機(jī)機(jī)械排風(fēng)、自然進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)次數(shù)5次/h，根據(jù)室外通風(fēng)參數(shù)控制排風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)。

1.2 幾何模型

本章采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件Airpak對(duì)焚燒站內(nèi)熱解間的通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，根據(jù)建筑尺寸通過Airpak建立幾何模型，圖1為幾何模型的軸側(cè)圖，圖中X（-14m～14m）為長(zhǎng)度方向，Z（-9m～9m）為寬度方向，Y（0～14m）為高度方向。在前側(cè)墻體處設(shè)三個(gè)百葉窗（1.5m×2.7m），左窗框距左側(cè)墻體1.4m。在后側(cè)墻體不同高度分別設(shè)了三組百葉窗（1.8m×0.9m）和兩組軸流風(fēng)機(jī)（3750m3/h/臺(tái)），每組百葉窗和軸流風(fēng)機(jī)同一水平高度均包含三個(gè)，高度最低一組的百葉窗中心距地2.5m，高度方向每組間距2.5m，X方向相鄰中心間距為5.6m，最左側(cè)的百葉窗和風(fēng)機(jī)中心距左側(cè)墻體為4.7m。

圖1 幾何模型軸測(cè)圖

1.3 參數(shù)和網(wǎng)格設(shè)置

模型環(huán)境條件采用青島夏季空氣計(jì)算參數(shù)，最多風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，室外平均風(fēng)速為4.6m/s，通風(fēng)室外計(jì)算溫度為27.3℃，通風(fēng)室外計(jì)算相對(duì)濕度為73%，氣壓為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，空氣密度為1.225kg/m3，焚燒設(shè)備外壁面溫度為50℃，垃圾焚燒過程中設(shè)備通過外壁面向環(huán)境釋放熱量，焚燒站的外墻設(shè)有百葉窗和軸流風(fēng)機(jī)，通過對(duì)焚燒站通風(fēng)將設(shè)備散發(fā)的熱量帶出焚燒站，降低焚燒站內(nèi)空氣溫度。焚燒站的網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量274832。

1.4 模型求解

焚燒站采用機(jī)械通風(fēng)，站內(nèi)氣流實(shí)際上是湍流，本文采用湍流模型對(duì)站內(nèi)氣流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，Airpak利用有限體積法，把計(jì)算區(qū)域劃分為離散的控制體積網(wǎng)格，在每個(gè)控制體積上積分控制方程，形成計(jì)算變量的代數(shù)方程。本文計(jì)算模型網(wǎng)格數(shù)為291835，圖2所示為計(jì)算模型的收斂曲線，迭代次數(shù)約680次，收斂精度接近10E-3。

圖2 計(jì)算模型收斂曲線

2 結(jié)果與討論

圖3 Z=-6.3m處X-Y平面溫度場(chǎng)分布云圖

圖3所示熱解間內(nèi)后側(cè)外墻處（=-6.3m處X-Y平面）的溫度分布云圖，在環(huán)境溫度為27.3℃的條件下，此處截面的最高溫度為34.2℃，平均溫度為29.6℃，整體溫度未超過40℃，能夠滿足工業(yè)建筑的溫度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在高度2m以下的范圍內(nèi)大部分截面溫度未超28℃，最高溫度未超過31℃，上部百葉窗和風(fēng)機(jī)處溫度較高，說明上部百葉窗和風(fēng)機(jī)起到了較好的熱量排除效果。

圖4 Z=-5m處X-Y平面溫度場(chǎng)分布云圖

圖4所示為=-5m處（介于設(shè)備與后側(cè)外墻之間）X-Y平面溫度場(chǎng)分布云圖，該平面最高溫度為37.4℃，平均溫度為31.1℃。圖中右側(cè)有一長(zhǎng)方形區(qū)域的溫度相對(duì)其他區(qū)域較高，為該截面溫度最高區(qū)域，原因?yàn)樵撻L(zhǎng)方形區(qū)域距離一燃室只有0.4m。=-6.4m處中間一層的百葉窗通過進(jìn)風(fēng)將焚燒站內(nèi)的溫度場(chǎng)總體分為兩部分，上部是中層百葉窗進(jìn)風(fēng)，上層百葉窗和排風(fēng)機(jī)將熱空氣排出，下部區(qū)域是下層的百葉窗進(jìn)風(fēng)，下層的排風(fēng)機(jī)將熱空氣排出，這樣使得焚燒站內(nèi)2m以下的區(qū)域溫度總體接近于環(huán)境溫度，能夠?yàn)楣ぷ魅藛T提供較好的環(huán)境。

圖5 Y=2m處X-Z平面溫度場(chǎng)分布云圖

圖5所示為高度2m處溫度分布情況，此截面平均溫度為30℃，設(shè)備表面溫度為50℃，因此本截面除去距離設(shè)備較近的部分外，其他區(qū)域的溫度均小于30℃，工作人員在地面工作時(shí)比較安全。

圖6 30℃等溫面示意圖

圖6所示為焚燒站內(nèi)30℃等溫面示意圖，由圖可知小于30℃的區(qū)域主要集中在焚燒站下部，由于大部分排風(fēng)窗和風(fēng)機(jī)位于后側(cè)墻體，因此設(shè)備后側(cè)小于30℃區(qū)域的高度大于設(shè)備前側(cè)，30℃的高度的分界線在2m左右。

圖7 X=-13.6m處Y-Z截面氣體流速矢量圖

圖8 X=1.9m處Y-Z截面氣體流速矢量圖

圖7和圖8所示分別為焚燒站左側(cè)外墻截面處和=1.9m處Y-Z截面氣體流速矢量圖，由圖可知室外空氣通過焚燒站前、后外墻底層的百葉窗進(jìn)入焚燒站內(nèi)，被焚燒和凈化設(shè)備加熱后上升到焚燒站上部區(qū)域，焚燒站上部的百葉窗和排風(fēng)機(jī)將熱空氣排出焚燒站外部，這與溫度云圖分布得到的結(jié)果相似，這也說明了焚燒站內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)和溫度分布的相似性。

3 結(jié)論

基于以上分析，垃圾焚燒站熱解間設(shè)置百葉窗和風(fēng)機(jī)等通風(fēng)措施后，熱解間內(nèi)小于30℃的區(qū)域主要集中在熱解間的下部，30℃的高度的分界線在2m左右，工作人員在地面工作時(shí)比較安全，百葉窗和風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)能夠滿足要求，并且熱解間內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)和溫度分布具有相似性。

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Study on Ventilation Simulation of Pyrolysis Room in a Small Refuse Burning Station at Qingdao

Xing Zheli Li Chundong Long Yangbo Zhao Mengyu Xing Yan Fang Dianwei

( Research Institute for National Defense Engineering, Academy of Military Science PLA China, Beijing, 100036 )

In order to discuss the cooling effect of ventilation measures in the pyrolysis room of a small-scale refuse burning station at Qingdao, a numerical calculation model of the pyrolysis room of the waste incineration station was established by using the computational fluid dynamics (CFD) software Airpak. Based on the turbulence model and the finite volume method, the temperature distribution and flow field characteristics in the pyrolysis room of the refuse burning station were studied. The results show that the temperature of the area below 2 m in the pyrolysis room is less than 30 ℃, and the workers work safely on the ground, and the air flow movement and temperature distribution in the pyrolysis room are similar.

refuse burning station; ventilation; simulation; small

1671-6612（2020）06-690-04

TU834

A

邢哲理（1986.9-），男，博士，工程師，E-mail：zheli86@sina.com

李春東（1977.1-），男，本科，工程師，E-mail：13691271599@163.com

2020-03-19