垃圾焚烧水冷炉排冷却技术与数值模拟研究

2019-12-30韩乃卿李磊付志臣邵哲如

绿色科技 2019年22期

韩乃卿李磊付志臣邵哲如

摘要：指出了垃圾焚烧发电厂主要采用炉排及流化床。对于炉排炉而言，无论顺推或逆推大都采用空冷形式，对于高热值垃圾，普通空冷炉排无法满足冷却效果，造成炉排寿命降低。为此，通过数值模拟及实验的方法研究了一种水冷炉排，结果显示，通过内部添加导流板可有效解决内部通道水流死区问题，数值模拟结果与实验相符。

关键词：垃圾;高热值;炉排;水冷;压损

中图分类号：X799.3 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）22-0209-03

1 引言

随着居民生活水平的不断提高，城市生活垃圾产量越来越大，据统计年垃圾增长率在8%～10%[1]。垃圾圍城现象仍然屡见不鲜，因此垃圾处理已经成为亟待解决的社会问题。另一方面，生活垃圾热值也在不断提高[2]。垃圾炉排因其技术完善可靠，处理规模大，垃圾适应性好等特点，已经被广泛应用于垃圾焚烧行业[3]。随着垃圾热值提高，在同样处理量情况下，焚烧炉超负荷运行，造成炉膛内部温度上升，从而垃圾焚烧炉运行环境更加恶劣，导致炉排寿命降低，从而缩短生产运行周期。

因此，开发适合高热值垃圾焚烧炉排是解决该问题的关键，必须引起重视。

2 空冷炉排现状

空冷炉排是目前炉排炉应用最广泛的炉排形式，比利时西格斯、德国马丁公司均采用该技术，国内垃圾焚烧炉制造厂家也均采用空冷炉排。据运行经验及金属性质，一般顺推炉排可耐受垃圾热值大约9000kJ/kg，而对于逆推炉排因其运动方式，耐受的垃圾热值最高约18000kJ/kg。当垃圾热值高或者由于运行过程中误操作造成垃圾炉排暴露在高温烟气下时，由于高温的作用，炉排性能极易被破坏。金属表面处于高温状态下时，金属耐磨性下降，在一次风出风口处，由于风速高极易造成炉排出风口腐蚀变大，另一方面由于上层垃圾的磨损，也会造成炉排表面损坏如图1所示。通过数值模拟定性分析了垃圾炉排在不同情况下表面温度分布情况，如图2所示。

炉排运行时，垃圾炉排最高运行温度不得超过450℃，通常现场运行人员将运行最高运行温度控制在350℃以下。由图2可知，当炉排上层由垃圾覆盖时，炉排表面温度最高温度约400℃，满足炉排运行要求。但是当炉排头部一旦暴露，该部分温度迅速上升至525℃，超过炉排允许运行温度。

3 水冷炉排简介

3.1 斯特福水冷炉排简介

水冷炉排作为适合高热值垃圾焚烧技术，在国外已经研究多年，且有运行经验。因此水冷炉排研发以国外先进技术为基础，优化开发适合中国垃圾特色的水冷炉排。水冷炉排以斯特福水冷炉排为代表，与传统铸造炉排不同，该水冷炉排以焊接组装为主可有效降低炉排成本（图3）。

斯特福水冷炉排采用炉排顶部出风，一次风通道穿过水流通道，该技术可有效保证出风均匀性，但是，对于加工复杂。通过数值模拟手段，检测内部流场发现，在部分位置，其设计存在不合理处，存在优化空间（图4）。

由图4可知，在炉排转弯处，存在水流死区。造成该部分流动差，炉排温度高。

3.2 水冷炉排优化设计

通过对比分析，目前顺推垃圾炉排及斯特度水冷炉排，对炉排出风方式及内部通道进行优化，运用CFD技术及实验方式对炉排流动特性进行模拟研究，研究表明，模拟结果与实验结果相符（图5）。

优化后炉排采用炉排前端平吹出风，内部焊接导流板，相对于斯特度水冷炉排进一步降低生产难度，采用非定常数值方法，对各时间点炉排内部水流进行模拟，如图6所示，导流板与水流方向存在一定夹角，在通道中起到一定的扰动左右，因此可有效改善旋流及水流死角问题。

3.3 炉排压损实验

加工炉排单元并进行通水水压及水流压损测试，炉排单元如图7所示。

数值模拟结果显示，随着水冷炉排人口水流量的增加，水冷压降也随之增加。通过对比实验数据，数值模拟与实验结果吻合较好（图8）。