垃圾焚烧锅炉二次风对燃烧过程及NO_x污染控制的影响_邹志坚.pdf

2023 年 第 4 期 化学工程与装备 2023 年 4 月 Chemical Engineering&Equipment 235 垃圾焚烧锅炉二次风对燃烧过程及 NO垃圾焚烧锅炉二次风对燃烧过程及 NOx x污染控制的影响污染控制的影响13 邹志坚1，孙加康2，郑闽锋2，龚凌诸2（1厦门市特种设备检验检测院，福建 厦门 361004；2福建工程学院化工安全研究所，福建 福州 350118）摘 要：摘 要：针对某600td-1城市生活垃圾焚烧锅炉的冷热二次风进行数值模拟，采用UDF编译边界条件和Fluent耦合的方法，研究冷热二次风对焚烧锅炉炉膛内温度、速度、烟气停留时间、NOx浓度的影响。研究表明：热二次风送风方式相较于冷二次风送风方式，锅炉效率提高0.85%，炉膛出口和第一烟道出口温度均提高，对内部流场扰动比较显著，但烟气停留时间有所降低；采用冷二次风送风方式有利于减少NOx的生成，烟气停留时间较长，焚烧炉在实际运行时应根据实际情况选择送风方式，择优选择。关键词：关键词：锅炉；数值模拟；二次风；停留时间；NOx 基金项目：基金项目：福建省市场监督管理局科技项目 FJMS2019043)；福建省能源计量重点实验室开放课题基金资助(NYJL-KFKT-2021-02)；福州市科技局项目(2021-P-046)通讯作者：通讯作者：孙加康 引 言 引 言 近 20 年来，城市生活垃圾产生量呈高速增长趋势，因此对垃圾的无害化处理工作日趋严峻，它直接关系到城市环境的可持续发展。目前，垃圾焚烧发电作为一种清洁能源，不仅可以从根源上解决“垃圾围城”现象，还是一种“变废为宝”的节能措施，具有良好的环境效益和社会效益，是目前以及未来国内外处理垃圾的主要方向，也是未来清洁能源发电技术的发展趋势之一1。目前对垃圾焚烧锅炉运行参数的数值模拟主要集中在一次风、二次风和燃尽风的配比以及二次风喷入的位置对炉膛内可燃组分燃烧状况的影响，通过分析流场变化以此来进行结构和参数优化，研究成果比较多2-5。而通过现场试验得到数值模拟的边界条件，利用程序加载到软件进行计算，然后研究冷热二次风对燃烧过程以及 NOx排放浓度影响的成果比较少。为此，本文对 600td-1城市生活垃圾焚烧锅炉冷热二次风进行了数值模拟,利用 UDF 将床层上方烟气的实际速度、温度、组分作为边界条件加载到 FLUENT 进行耦合计算，得到垃圾焚烧锅炉内流场的分布，通过分析冷热二次风对温度场、速度场、NOx浓度场、停留时间分布的影响，对比冷热二次风的优缺点，进而为焚烧炉二次风运行工况提供可行性的方案。1 研究对象 1 研究对象 本文将福州市某逆推往复式垃圾焚烧锅炉作为研究对象，处理垃圾的能力为 600td-1。为了方便进行模拟，需要对该垃圾焚烧炉进行简化处理。该焚烧锅炉的物理模型如图 1 所示，锅炉炉排为机械炉排，炉排总长为 9.475m，炉排的倾斜角度为 24。二次风通过喷嘴进入焚烧炉，前墙二次风有 21 个风口，风口之间的间距为 0.57m。后墙二次风有 16 个风口，风口之间的间距为 0.74m。焚烧炉所燃烧的城市生活垃圾其元素分析、工业分析如表 1 所示。图 1 焚烧锅炉物理模型 图 1 焚烧锅炉物理模型 表 1 生活垃圾的元素分析和工业分析 表 1 生活垃圾的元素分析和工业分析 工业 参数 重量百分比/%元素参数 重量百分比/%C 55.75 水分 50.14 H 9.25 挥发分 27.26 O 32.03 固定碳 6.03 N 0.35 S 0.57 灰分 16.57 Cl 2.05 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.04.050236 邹志坚：垃圾焚烧锅炉二次风对燃烧过程及 NOx污染控制的影响 2 研究方法 2 研究方法 2.1 网格划分 本文模拟区域覆盖第一烟道顶部至炉排床层的整个烟气流道，炉膛与第一烟道总高度为 27.6m，炉膛的截面为7.6m12.6m，第一烟道截面尺寸为 3.55m12.6m。垃圾焚烧锅炉的物理模型使用 UG 进行建模，图 2 为垃圾焚烧锅炉的网格划分，网格的形状采用四面体结构，网格单元数约为3450000，网格划分使用 Meshing 进行划分，由于二次风风口尺寸较小，所以对二次风风口进行局部加密，计算前已进行网格无关性检验。图 2 焚烧锅炉网格划分 图 2 焚烧锅炉网格划分 2.2 边界条件 本文入口边界条件是现场试验得到的床层上方烟气的组分、温度和速度，相较于 FLIC 软件模拟的边界条件，该方法更加符合垃圾实际燃烧时烟气温度、速度、组分沿炉排方向的变化。通过编译 UDF 将入口边界条件加载到数值模拟软件 Fluent 里进行计算。入口边界处的 CH4、CO、O2、CO2与 H2O 的平均质量分数分别为 0.37%、1.43%、11.98%、14.48%、14.18%，平均温度为 727.3，平均速度为 0.73m/s，二次风的入口为速度入口，速度为 42ms-1，冷二次风温度为 28，热二次风温度为 220。第一烟道的出口为压力出口。炉膛内壁采用绝热边界条件，第一烟道的四周采用定温边界条件，温度为 466.8。对于气相燃烧过程，采用 simple 算法求解，炉膛内烟气采用组分运输模型求解，并运用有限速率-涡耗散模型，炉内气相湍流流动采用 RNG k-湍流模型进行模拟6，辐射传热采用 P1 模型进行模拟。垃圾干燥、热解产生的可燃气体主要有 CH4、CO 和 H2，而烟气的主要成分里还含有 N2、CO2、H2O 和 O2。FLUENT 模拟气相燃烧的宏观反应为主要为三个反应：(1)(2)(3)2.3 模型验证 为了验证模拟方法的可行性，以福州市某台处理能力为600td-1的焚烧炉作为模型进行验证。在现场对垃圾焚烧锅炉进行试验，将得到的实际运行值与 Fluent 模拟值进行对比，对比结果如表 2 所示。表 2 焚烧炉模拟结果与实际值结果对比 表 2 焚烧炉模拟结果与实际值结果对比 参数 模拟结果 实际值误差/%第一烟道出口温度/932.1 893.0 4.4 第一烟道中部温度/967.3 1017.64.9 炉膛出口温度/1009.4 1042.03.1 第一烟道出口O2质量分数/%6.47 6.70 3.4 第一烟道出口 NOx浓度/mgm-3 155.45 149.713.8 由表 2 可知，Fluent 软件模拟的结果与现场实验得到的实际值误差较小，其误差分别为 4.4%、4.9%，3.1%、3.4%、3.8%误差均小于 5%，说明模拟方法可行，简化的物理模型满足要求。3 计算结果与讨论 3 计算结果与讨论 3.1 温度场分布 冷热二次风中心截面上的温度分布见图3，从图3可知，在炉排上的高温区域主要在炉排的中部和后部区域，这是因为垃圾在燃烧之前需要进行干燥和热解，此时温度不是很高，而之后垃圾进行燃烧、燃烧放出大量的热，所以炉排的中下部区域温度较高。图 3(b)的中高温区域温度相较于3(a)的中高温区域温度更高，而且烟气沿烟道的高度更高，可以更加有效的保证可燃组分的燃尽。(a)冷二次风(b)热二次风 图 3 冷热二次风中心截面温度云图 图 3 冷热二次风中心截面温度云图 炉膛出口的温度分布见图 4，从图 4 可知，图 4(b)的中高温区域相较于 4(a)的高温区域更加靠近炉膛的中心，锅炉水冷壁附近高温腐蚀较小，但沿炉膛深处方向燃烧连续的连续性较差7。表 3 为炉膛出口与第一烟道出口温度，从 邹志坚：垃圾焚烧锅炉二次风对燃烧过程及 NOx污染控制的影响 237 表 3 可知，热二次风工况的炉膛出口平均温度和第一烟道出口平均温度相较冷二次风工况更高，有利于减少二噁英的生成，所以采用热二次风可以使垃圾焚烧锅炉更加的安全运行。(a)冷二次风(b)热二次风 图 4 冷热二次风炉膛出口温度云图 图 4 冷热二次风炉膛出口温度云图 表 3 炉膛出口与第一烟道出口温度 表 3 炉膛出口与第一烟道出口温度 参数 冷二次风 热二次风 炉膛出口温度/K 1282.55 1297.47 第一烟道出口温度/K 1196.25 1254.96 3.2 烟气停留时间分析 本文采用空气龄算法计算烟气停留时间，相较于示踪剂方法，计算更加便捷。计算结果表明，冷二次风工况条件下，烟气在焚烧锅炉炉膛内停留的时间为 3.8 s，热二次风工况条件下，烟气在焚烧锅炉炉膛内停留的时间为 3.1 s，冷热二次风工况条件下烟气在炉膛内停留的时间相较于 2s 足够长，根据生活垃圾焚烧污染控制标准规定：焚烧锅炉炉膛内的焚烧温度要在 850以上，停留时间要大于 2s。冷热二次风均符合对二噁英控制的停留时间标准8。(a)冷二次风(b)热二次风 图 5 冷热二次风中心截面速度矢量图 图 5 冷热二次风中心截面速度矢量图 3.3 速度场分析 冷热二次风中心截面速度矢量图见图 5，从图 5 可知，热二次风工况条件下速度矢量场形成密集的涡流，对内部流场扰动比较显著，烟气中的可燃组分燃烧更加充分9，对于锅炉热效率提高有积极影响。但由于是热风，所以炉膛内烟气的密度相较于冷风减小，烟气的容积增大，这会造成烟气在炉膛内的停留时间减少，二噁英的生成量稍微有所提高。3.4 NOx浓度分析 垃圾燃烧过程中产生NOx的方式有三种，分别是瞬时型、热力型、燃料型。由于瞬时型 NOx的产生需要富氧的条件,结合垃圾焚烧炉的燃烧状况可知,瞬时型NOx生成量非常少，所以在模拟时主要考虑的是热力型 NOx和燃料型 NOx。污染物 NOx模拟采用后处理的方法，将床层上方 NOx浓度编译成 UDF 加载到 FLUENT 进行仿真计算。冷热二次风中心截面上 NOx浓度分布见图 6，从图 6 可知，NOx的产生主要集中在炉排的中下部区域以及二次风口，这是因为炉排上的焦炭燃烧导致焦炭中的 N 与 O 结合转化为燃料型 NOx，而在二次风口处氧气浓度高，挥发分进行二次燃烧，这也导致挥发分中的 N 与 O 结合转化为燃料型 NOx。而结合图 3 可知，焚烧炉中心截面的温度大部分低于 1773.15K,根据相关研究可知当焚烧炉内的温度低于 1773.15K 时，热力型 NOx生成量较少10。(a)冷二次风(b)热二次风 图 6 冷热二次风中心截面 NO图 6 冷热二次风中心截面 NOx x浓度分布 浓度分布 冷热二次风的第一烟道出口 NOx浓度分别为 155.45 mgm-3、163.67mgm-3。热二次风工况相较于冷二次风工况NOx排放有所升高。从总体上看，冷热二次风工况条件下的NOx排放浓度也相对较低，均符合生活垃圾焚烧污染物控制标准（GB18485-2014）中提出的生活垃圾焚烧炉氮氧化物排放限值要求。3.5 热效率分析 本文锅炉热效率的计算采用反平衡法，通常采用反平衡法计算，因为反平衡法需要先计算各项热损失，然后计算最终热效率，在这个过程中有益于对各部分热损失进行研究，进而研究提高热效率的措施。其公式为：(4)式中：为锅炉热效率(%)；q2为排烟热损失(%)；q3为可燃组分未完全燃烧热损失(%)；q4为固体未完全燃烧热损失(%)；q5为散热损失(%)；q6为灰渣物理热损失(%)。238 邹志坚：垃圾焚烧锅炉二次风对燃烧过程及 NOx污染控制的影响 冷热二次风的热损失计算结果如表 4。从表 4 可知，采用热二次风送风方式相较于冷二次风送风方式锅炉热效率有所提高，提高了 0.85%。结合表 3 可知，热二次风工况下的排烟温度相较于冷二次风工况高这是因为由于热二次风本身温度较高，使得进入焚烧炉的热量热增加11，同时减少二次风加热时所需的热量，有利于可燃组分的充分燃烧。表 4 热损失计算结果 表 4 热损失计算结果 送风方式 冷二次风 热二次风 q2/%7.96 7.28 q3/%0.50 0.47 q4/%5.28 5.13 q5/%1.62 1.63/%84.64 85.49 4 结 论 4 结 论（1）模拟结果与实际运行值的误差小于 5%，说明模拟结果较为符合实际运行值，使用该模拟方案可以有效模拟出垃圾焚烧锅