拉萨地区生活垃圾焚烧炉燃烧过程仿真及优化.pdf
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1、拉萨地区生活垃圾焚烧炉燃烧过程仿真及优化*张志宸,孙贺江,马德刚(天津大学 环境科学与工程学院,天津300072)【摘要】以拉萨地区某生活垃圾焚烧发电厂配套的 500 t/d 炉排炉为研究对象,分别运用 FLIC 和 ANSYSFLUENT 软件来模拟低气压条件下床层固相燃烧过程和炉膛气相组分燃烧过程,并将数值模拟结果与焚烧炉监测数据进行对比,模拟结果与监测数据吻合良好。验证了燃烧模拟方法的正确性后,对垃圾焚烧炉采取正交试验的方法进行配风优化模拟研究。经过方差分析,预测出锅炉处于最佳工况下的运行条件,并确定了影响锅炉运行的主要因素和次要因素为一、二次风量分配比例,一次风室风量分配和送风温度。在
2、低气压环境下运行炉膛温度不满足要求时,优先调整一、二次风量比例和一次风室风量配比,在满足二次燃烧及对燃烧室内烟气扰动的前提下,适当减少二次风量,提高燃烧室烟气温度水平。【关键词】低气压;垃圾焚烧;运行优化;数值模拟中图分类号:X799.3文献标识码:A文章编号:1005-8206(2023)04-0035-06DOI:10.19841/ki.hjwsgc.2023.04.006Simulation and Optimization of Combustion Process of the MSW Incinerator in LhasaZHANG Zhichen,SUN Hejiang,MA
3、Degang(School of Environmental Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin300072)【Abstract】A 500 t/d grate furnace of a domestic waste incineration power plant in Lhasa was taken as the researchobject,FLIC and ANSYS FLUENT software were respectively used to simulate the bed solid-phase combus
4、tion process andfurnace gas-phase component combustion process under low pressure conditions.The numerical simulation results werecompared with the monitoring data of the power plant,and the simulation results were in good agreement with the test data.After verifying the correctness of the combustio
5、n simulation method,the orthogonal test method was adopted to carry out theoptimization simulation research on the air distribution of the waste incinerator.Through variance analysis,the operatingconditions of the boiler under the optimal working conditions were predicted,and the main and secondary
6、factors affected theboiler operation were determined to be the distribution ratio of primary and secondary air volume,and the distribution ofprimary air volume and the supply air temperature,respectively.When the furnace temperature did not meet the requirementsin low pressure environment,it was pro
7、vided that the ratio of primary and secondary air volume and the ratio of primary airvolume could be preferentially adjusted.On the premise of satisfying the secondary combustion and the disturbance to the fluegas in the combustion chamber,the secondary air volume could be appropriately reduced to i
8、mprove the flue gas temperaturelevel in the combustion chamber.【Key words】low atmospheric pressure;waste incineration;operation optimization;numerical simulation*基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFC1904100)收稿日期:2022-09-01;录用日期:2023-02-100引言拉萨地区由于大气压低、空气含氧量低,对垃圾燃烧性能、炉膛传热及锅炉运行效率会产生较大影响。因此,直接把平原地区成熟而通用的垃圾焚烧技术工艺套用到高
9、原低压缺氧地区可能导致垃圾焚烧不充分、焚烧效率低下。卢原1针对高海拔地区大气压力降低导致的锅炉燃烧反应速度下降和传热减弱的问题,对 1 台 20 t/h 链条垃圾焚烧炉进行了设计优化研究,采用增大炉排面积和烟气流通截面的方法稳定垃圾燃烧,但未见锅炉实际运行结果及相关数据验证。李彩亭等2研究了 1 台在贵阳(88 kPa)运行的 4 t/h 蒸汽锅炉,针对运行时出现的出力不足现象提出需根据大气压力低的特点提高进风量,但对于总风量增大后一、二次风量的分配,一次风各风室的分配比例问题未进行充分研究。瞿兆舟3对低气压条件下垃圾焚烧锅炉炉内气相燃烧进行数值模拟分析,但并未对低压条件下床层固相燃烧进行模拟
10、并与气相燃烧进行耦合,未对一次风量在各风室热化学处理与烟气污染控制第 31 卷第 4 期2023年8月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.4Aug.2023第 31 卷第 4 期2023年8月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.4Aug.2023环境卫生工程2023 年 8 月第 31 卷第 4 期的分配情况进行讨论及优化,从而无法对影响锅炉稳定运行的因素进行优先级排序。目前对于生活垃圾焚烧炉在高原条件下运行性能的认识仍相当不足,缺少科学有效的理论知识和工程经
11、验来指导锅炉的设计和运行。以拉萨某生活垃圾焚烧发电厂为例,单台焚烧炉在设计工况下垃圾处理量为 350 t/d,而该电厂选用了 1台平原地区垃圾处理量为 500 t/d 的大型机械炉排炉,则实际焚烧炉的炉排面积增加了 33.3%,炉膛体积相对增加了 33.3%。因此,以该焚烧炉为研究对象,研究其在低压环境下床层固相燃烧过程和炉膛气相组分燃烧过程。将模拟结果与现场试验数据进行对比后,从一、二次风量分配,一次风室风量分配及送风温度 3 个角度对焚烧炉的燃烧过程进行仿真优化。1材料与方法研究对象为 1 台垃圾处理量 500 t/d 的 VON-ROLL 式 L 型机械往复炉排炉。炉排总长度为14.43
12、 m,宽度为 5.08 m,运行周期为 120 min。一次风由炉排下方 6 个风室配送,二次风由前后墙各 6 只口径为 DN108 mm 的喷口送入炉膛。其中前拱二次风喷口以一定的角度下倾,后拱二次风喷口以水平方向朝炉内喷入。垃圾焚烧系统还配置 1 台中压、单锅筒自然循环水管锅炉和 1 台 15MW 的汽轮发电机组,该汽轮机进汽参数确定为3.9 MPa、390,设计工况锅炉热效率为 80%。根据炉膛实际结构尺寸,通过 GAMBIT 建立三维模型(图 1)。网格划分时,单元采用 Tet/Hybrid,类型采用 Tgrid,二次风入口采用局部加密处理,整个模型总网格数约 101 万。网格质量良好
13、并通过无关性检测。焚烧炉内的垃圾燃烧可分为炉排上床层固相燃烧和炉膛内气相组分燃烧。固相燃烧过程按水分蒸发、挥发分析出及燃烧、焦炭燃烧等多个阶段进行,采用 FLIC 软件进行模拟。FLIC 常用于模拟常压下的固相燃烧,因求解时假定温度和各组分浓度仅沿着炉排运动方向变化,在床层宽度方向上不存在差异,故可根据 Yang 等4提出的一维数学模型描述固相燃烧,固相控制方程如式(1)式(4)所示。1)连续性方程:sbt+sb(VS-VB)=SS(1)2)动量方程:sbVSt+sb(VS-VB)VS=-+sbg+A(2)3)组分输运方程:sbYiSt+sb(VS-VB)YiS=DS(sbYiS)+Syis(
14、3)4)能量方程:sbVSt+sb(VS-VB)HiS=(STS)+qrQsh(4)式中:sb为垃圾密度,VS和 VB分别为颗粒速度和床层速度,SS为固体颗粒的质量源项,、和 g 分别为作用在固体颗粒上的正应力、切应力和重力,A 表示因颗粒随机运动引起的动量交换,YiS为颗粒组分的质量分数,DS为表征颗粒随机运动的混合系数,Syis为颗粒各组分源项,HiS为颗粒各组分的焓,S与 TS分别为颗粒导热系数和颗粒温度,qr为辐射热流,Qsh为颗粒热源相。图 1焚烧炉几何模型Figure 1Geometric model of incinerator垃圾的元素分析与工业分析作为 FLIC 的边界条件输
15、入,如表 1 所示。表 1元素、工业分析Table 1Elemental and industrial analysis元素分析(湿基)/%Cdaf56.73Hdaf8.57Odaf31.71Ndaf1.42Sdaf0.33Cldaf1.23工业分析(湿基)/%Mar43.38Var28.62FCar8.00Aar20.00低位热值/(kJ/kg)7 955炉膛出口处测温点炉膛下部测温点燃烬炉排燃烧炉排二次风口干燥炉排GyGzGx 36张志宸,等.拉萨地区生活垃圾焚烧炉燃烧过程仿真及优化炉膛内气相燃烧通过 FLUENT 软件进行模拟,湍流模型采用标准 k-模型,辐射模型采用 DO 模型,组分模
16、型采用组分输运模型,湍流-化学反应模型采用有限速率/涡耗散模型5-6如式(5)所示,求解器采用 SIMPLE 算法:通过连续性方程和动量方程推导压力方程;速度场质量守恒的约束通过求解压力方程来实现;通过压力校正的速度场满足连续性。通过迭代求解整个控制方程组,直到解收敛。化学反应如式(6)式(8)所示。(vYi)=+Ri+Si(5)式中:为密度,v 为速度,Yi为质量分数,Ji为扩散通量,Ri为净产生速率,Si为额外产生速率。2CH4+3O2 2CO+4H2O(6)2CO+O2 2CO2(7)2CO2 2CO+O2(8)炉膛壁面采用绝热边界条件,水冷壁为等温条件,温度为 280。设置炉排沿程、二
17、次风口均为速度入口,风速约为 84 m/s,出口设为压力出口。垃圾焚烧炉所在地海拔约为 3 700 m,大气压力约为 65 kPa,空气中氧气质量分数约为 15%。干燥段、燃烧段、燃烬段的长度比为 0.240.38 0.38,风量配比为 0.10.70.2,燃烧段三风室风量配比为 0.200.250.25。输入参数如表 2 所示。表 2输入参数Table 2Input parametersMCR工况一次风二次风送风量/(m3/h)52 37520 136设计温度/220220低压过量空气系数1.661.66注:送风量为 0、1 个标准大气压下的标准流量。为使炉排固相燃烧过程与炉膛气相燃烧过程进
18、行耦合,将 FLIC 计算得到的烟气各组分浓度、速度、温度等数据导入到 FLUENT 中,作为气相燃烧的边界条件。FLUENT 得到的床层辐射温度作为固相燃烧的边界条件导入 FLIC 再次迭代,直至收敛得到垃圾焚烧炉模拟结果。2结果与讨论床层表面烟气温度如图 2 所示。床层最高温度为 1 460 K 左右。生活垃圾的高热值以及大量焦炭充分燃烧这两个因素使得整个炉排燃烧温度都较高。气体温度沿炉排长度的分布主要与一次风的分配有关。床层表面气体组分分布如图 3 所示。反应顶层的 CO 和 CH4浓度随着顶层垃圾挥发分析出过程的开始出现增加,而后由于挥发分与氧气发生燃烧,导致其浓度出现下降趋势,最终随
19、着反应的结束,CO 等可燃气体的质量分数降为 0,燃烧产物 CO2也不再产生,O2的质量分数也回升到 15%左右,说明在燃烬段 O2和 CO 等可燃气体已燃烧完全。1 465.01 281.01 097.0913.1729.0544.9360.914.401.83.65.47.29.010.812.6炉排长度/m气体温度/K图 2床层表面烟气温度Figure 2Flue gas temperature on bed surface51.1542.6234.1025.5717.058.5314.401.83.65.47.29.010.812.6炉排长度/m气体质量分数/%CH4COO2CO2H2
20、O图 3床层表面气体组分分布Figure 3Gas composition distribution on the bed surface宽度中心截面气相模拟结果如图 4 所示。从图 4(a)可以看出,床层前端、中段、末端分别对应干燥段、燃烧段和燃烬段,烟气温度也呈现先升高再降低的趋势。干燥段垃圾水分被烘干,可燃气体析出较少,形成约 400 K 的低温区域。燃烧段由于挥发分析出及焦炭燃烧过程,温度达到峰值 1 650 K 左右,高温烟气上升至炉膛进行二次燃烧,随后在第一烟道内气流逐渐混合,与水冷壁换热后温度逐渐下降并趋于稳定。由图 4(b)所示,炉排中部 O2的低浓度区对应着床层的燃烧段,挥发
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