韩乃卿 周国顺 付志臣 邵哲如

（1. 光大环境科技（中国）有限公司，江苏南京 210007；2. 光大环保技术研究院（南京）有限公司，江苏南京 210007）

1 引言

随着我国工业的不断发展，产生的工业垃圾也随之增多，工业垃圾处置迫在眉睫。焚烧法是当前解决垃圾问题最有效的方法。

垃圾在炉排上的燃烧主要经历3 个阶段：第1阶段为垃圾干燥脱水、热解和着火。在此阶段垃圾通过与炉膛内高温烟气对流和辐射换热完成干燥，然后其中的低密度的有机质挥发出来，垃圾开始缓慢燃烧。第2 阶段为高温剧烈燃烧。干燥的垃圾在一次风的作用下开始剧烈的燃烧，此时的燃烧温度在900 ℃左右。第3 阶段为燃烬阶段。此时垃圾经过完全燃烧后变成炉渣，温度降低，最终在出渣口被排出［1-2］。

本文通过数值模拟的方法对我国典型造纸垃圾和纺织垃圾在炉排上的燃烧过程进行了模拟计算，炉膛结构以光大国际吴江项目为模型。模拟过程中主要通过调节垃圾燃烧过程中的配风、炉排的移动速度等参数对燃烧状况进行优化，对高热值垃圾的焚烧起一定的指导作用。

2 模拟计算基本条件

计算燃料为造纸和纺织工业垃圾，其工业元素分析见表1。造纸垃圾的收到基水分为42.8%，纺织垃圾的收到基水分18.8%；造纸垃圾灰分高于纺织垃圾。造纸垃圾挥发分低，但其固定碳高。造纸垃圾的热值相比于纺织垃圾低1 300 kcal/kg 左右。

表1 燃料的工业分析和元素分析

3 燃烧区域模拟

通过分析可知，垃圾在炉排床层上燃烧和垃圾在床层上方的空间区域燃烧是不同的燃烧方式。在炉排床层表面上燃烧的基本原理是，垃圾与来自炉排下方的一次风发生剧烈燃烧反应，其属于火床层燃烧方式；床层上方的空间区域燃烧的基本原理是，部分垃圾在前端干燥过程中析出部分挥发分以及床层燃烧反应过程中因不完全燃烧产生的一氧化碳，在二次风的搅动下和来自炉排下的一次风充分混合燃烧。

因此，在研究炉排燃烧过程中需要将这两面的燃烧进行单独研究，床层表面上主要是固态垃圾的反应区域，床层上方主要是以气体及部分颗粒燃烧为主的气态反应区域。所以在模拟计算过程中需要对固态反应区域和气态反应区域进行单独的计算研究。

3.1 燃烧过程的数学描述模型

在床层表面上垃圾的燃烧属于火床层燃烧方式，与常规的煤燃烧的方式较为相似，将燃烧分为4个过程，主要包括水分从垃圾中析出，挥发分析出以及半焦的形成，烃类化合物在气相空间的燃烧，最后是半焦可气化［3-6］。在具体的过程中这4 个部分可能反应之间有相互叠加，对于每部分的数学描述模型如下。

3.1.1 水分蒸发模型

垃圾中的水分蒸发是垃圾入炉燃烧的第一步，其过程主要分为2 个步骤：当垃圾的温度低于100 ℃时，水分蒸发速率主要由对流传质控制；当垃圾的温度超过100 ℃时，水分蒸发速率由传热速率控制。水分蒸发速率Revp表达式为：

式中，Sa为颗粒单位体积所对应比表面积；hs为传质系数；Cw，s为颗粒表面的水汽密度；Cw，g为颗粒周围气相中的水汽密度；Hevp为水的汽化潜热；Qcr为颗粒吸收热量，包括热传导和辐射换热，其可以通过下面的公式进行计算：

式中，hs′为固体和气体之间的对流换热系数；Tg为气体的温度；Ts为固体的温度；εs为系统发射系数；σb为玻尔兹曼辐射常数；Tenv为环境温度；Ts为固体温度。

3.1.2 挥发分析出与燃烧模型

以上2 种工业垃圾中的挥发分含量远远高于普通煤中的挥发分含量，并且挥发分析出的主要产物为烃类化合物CO，CO2，H2，O2和其他一些微量化合物，如下式所示：

同时，挥发分析出的速率Rvol可以根据一阶化学反应模型进行计算，其表达式为：

式中，A 为指前因子；E 为活化能；R＝min（Re，Rmix），其中Re和Rmix分别表示反应速率和气体混合速率，两者中的较小数值即为上述方程式中的R；Y 为固体中剩余的挥发分质量分数。

3.1.3 焦炭气化反应模型

焦炭因为燃烧温度高，其燃烧占据的时间较长。焦炭的化学反应性能主要取决于化学反应速率、气膜扩散速率和灰层扩散速率，其表达式为：

式中，Mchar表示焦炭分质量；Mo2表示氧气分质量；α表示每摩尔氧气消耗的焦炭摩尔量；S 表示颗粒表面积；Yo2表示氧气质量分数；Kr表示化学反应速率；Kd表示气膜扩散速率；Kash表示氧气在灰层中的扩散速率，Kash＝Lash/Dash，Lash是灰层厚度，Lash＝（d－dc）/2，d 是垃圾颗粒直径，dc是未反应焦炭颗粒直径；Dash是氧气在多孔介质灰层中扩散速率。

3.2 床层燃烧模拟计算

根据3.1 介绍的4 个燃烧模型，利用英国谢菲尔德大学Yang 博士基于FLUENT 之UDF 平台开发的床层燃烧软件进行计算。造纸垃圾固相燃烧模拟图见图1。

图1 造纸垃圾固相燃烧模拟图

纺织垃圾固相燃烧模拟图见图2。

图2 纺织垃圾固相燃烧模拟图

图1 和图2 分别表示了造纸垃圾和纺织垃圾在过量空气系数为1.26（空气温度为220 ℃）、辐射热源温度为1 100 ℃时，初始进料质量为750 t 的垃圾床层内水分蒸发、挥发分析出、焦炭气化以及温度分布的模拟结果，从图1-2 中可以看出，2 种垃圾在焚烧炉内经历了干燥、热解、燃烧、燃烬4 个阶段。

首先是水分在炉内的干燥蒸发阶段，此阶段中造纸垃圾和纺织垃圾存在着显著的区别，造纸垃圾的水分含量高，其需要干燥的时间较长，而纺织垃圾的水分含量低，在炉排前1 m 完成水分蒸发干燥。在蒸发层上部为热解和点燃层，其主要始于在水分已经蒸发的垃圾表面之上，温度一般在400 ℃左右。热解产生的部分挥发分在床层内燃烧，自身燃烧放热以及炉膛空间内的辐射热使得床层表面温度达到500～550 ℃。对于造纸垃圾，在沿炉排长度方向6.6 m 左右，挥发分可以全部析出，垃圾内主要存在的是灰分和大量积累的固定碳，而对于纺织垃圾，在炉排前3.5 m 完成挥发分的蒸发。由于靠近炉排处氧气浓度高，并且气流扰动强烈，从而焦炭和空气有较好的混合，导致焦炭迅速燃烧形成高温燃烧区域，此区域温度可以达到900 ℃以上。

3.3 炉膛内气相燃烧计算

3.3.1 气相燃烧计算模型

气相燃烧计算模型采用FLUENT 自带的模型进行计算，见表2。

表2 气相空间模拟计算时的数值计算模型

3.3.2 气相计算结果

将3.2 中床层表面上固相燃烧结果分析处理之后，可以得到其出口的组分浓度分布、速度分布和温度分布，然后将此作为气相燃烧区的入口边界条件在FLUENT 中进行相关设定，同时对壁面条件进行设定，主要将焚烧炉膛喉部以下设定为绝热壁面。在计算初始，关闭辐射、挥发分燃烧和焦炭颗粒燃烧模型，仅打开气相湍流和气固两相流模型，进行计算。当计算收敛之后，再打开辐射传热、挥发分燃烧和焦炭颗粒燃烧模型，重新使计算得以收敛。

图3 为造纸垃圾炉膛空间内燃烧模拟温度分布，其为炉膛中截面。

图3 造纸垃圾气相焚烧图

图4 为纺织垃圾炉膛空间内燃烧模拟温度分布，其为炉膛中截面。

图4 纺织垃圾气相焚烧图

从图3-4 中温度分布可以看出，由于造纸垃圾水分蒸发占据较长时间，导致其燃烧火焰比较偏后，前端温度比较低，后端温度高，从而有在炉膛喉部结焦的可能。因为纺织垃圾水分含量低，入炉的垃圾在较短的时间内可以着火进行燃烧，导致其前端温度较高，从而有在前拱结焦的可能。

4 结论

（1）工业垃圾在炉排上的燃烧同样可以分为水分蒸发、热解、燃烧和燃烬4 个阶段，对于不同种类的工业垃圾，每部分占据的时间大不相同。

（2）现有的生活垃圾焚烧炉在燃烧工业垃圾的过程中可能出现结焦的情况，并且不同的垃圾特性其出现的结焦部位也不相同。

（3）对于工业垃圾的燃烧可以通过综合考虑一次风和二次风的布局来调整其整体结焦的情况。