浅谈一台850t/d垃圾焚烧炉的设计与CFD模拟验证

2021-12-06余笑枫

科学与生活 2021年23期

余笑枫

摘要：本文阐述了一台850t/d生活垃圾焚烧炉的设计过程，并以计算流体动力学（computational fluid dynamic，CFD）的数值模拟方法作为研究手段，达到优化该垃圾焚烧炉的目的。所开发的焚烧炉具有燃料适应性强、燃烧彻底稳定、污染物生成量少等特点，并具备较强的防高温腐蚀能力，相比目前市场主流生活垃圾焚烧炉有一定优势。

关键词：垃圾处理，机械炉排，炉膛结构，CFD

文章主要阐述了本单位一台850t/d垃圾焚烧炉的研发设计及CFD模拟，验证焚烧炉炉膛结构设计的可靠性。

1设计燃料特性

收到基成份：碳Car=23.78%，氢Har=3.27%，氧Oar=12.28%，氮Nar=0.15%，硫Sar=0.15%，氯Clar=0.37%，灰Aar=17.18%，水Mar=42.82%，收到基低位热值Qnet.v.ar=9000kJ/kg。垃圾焚烧量B=35417kg/h。

2炉排设计

2.1炉排型式

本台炉采用顺推、空冷、倾斜、有阶梯的五级机械炉排。

2.2炉排机械负荷计算

（1）炉排机械负荷是表示单位炉排面积的垃圾燃烧速度的指标，是垃圾焚烧炉设计的重要指标。

综合考虑垃圾单位时间产生的低位发热量与炉排面积热负荷之比，及单位时间内垃圾处理量及炉排机械燃烧强度之比，炉排面积取两者中较大值。即：

Fb=max{Q/QR，F/Qf}

Q——单位时间内垃圾及辅助燃料产生的低位发热量，kJ/kg

QR——炉排允许面积热负荷，kJ/（m2·h），（1.25～3.75）×106 kJ/（m2·h）

Fb——炉排所需面积，m2

Qf——炉排机械负荷，kg/（m2·h）

F——垃圾处理率，kg/h

根据以上原则，结合现有焚烧炉系列产品设计经验，确定该台焚烧炉的宽度10.8米，长度15米，炉排面积Fb为162平方米。炉排机械负荷219 kg/（m2·h），炉排面积热负荷QR 为1.968×106 kJ/（m2·h），在允许推荐范围之内。

3炉膛计算

3.1炉膛容积计算

垃圾焚烧炉炉膛尺寸主要是由燃烧室允许的容积热强度和废物焚烧时在高温炉膛内所需的停留时间这两个因素决定。方法是同时考虑垃圾的低位发热量与燃烧室容积热负荷的比值，及燃烧烟气产生率与烟气停留时间的乘积，取两者较大值。即

V=max{Q/Qv， Gtr}

G=mgF/3600r

Q——单位时间内垃圾及辅助燃料产生的低位发热量，kJ/kg

Qv——燃烧室允许体积热负荷，kJ/（m3·h），（34～63）×104 kJ/（m3·h）

G——废气体积流量，m3/s

tr——气体停留时间，s

mg——燃烧室废气产生率，kg/kg

r——燃烧气体平均密度，kg/m3

F——垃圾处理率，kg/h

根据上述公式计算得出，本台炉的炉膛容积为865立方米。

3.2燃烧室容积热负荷计算

燃烧室容积热负荷指燃烧室内单位时间、单位体积的设计热容量。燃烧室容积热负荷可按下式确定：

qv ——燃烧室容积热负荷，KW/m³;

B ——垃圾焚烧量，kg/h;

Qdy ——垃圾低位热值，kJ/kg;

V ——燃烧室体积，m³;

A ——单位燃烧空气量，Nm³/kg;

Ca ——空气定压比热，kJ/（N·m³·℃）;

ta ——加热空气温度，℃;

t0 ——大气温度，℃;

F ——辅助燃料量，kg/h;

Qf ——辅助燃料的低位发热量，kJ/kg。

根据公式计算得出，燃烧室容积热负荷qv为37×104 kJ/（m3·h），在允许推荐范围之内。

4 炉膛结构设计与CFD数值模拟验证

4.1炉膛结构设计

炉内燃烧是一个复杂的热化学反应过程，炉拱搭配合理与否直接决定燃烧的好坏。研究表明锅炉前后拱的合理配合，可使烟气中的可燃气体和过剩的氧气在喉口充分混合，减少不完全燃烧损失。图2为炉膛尺寸图。炉膛设计三排二次风管，第一烟道二次风吹入截面以上的炉膛宽度为9800 mm，炉排长度15000mm;二次风风速为45 m/s。侧墙水冷壁下拉至距离底部2米处，前后拱增加水冷壁。过量空气系数为1.6，一次风的比例为0.65。

4.2炉膛温度场分布

模拟结果表明，温度更集中于炉膛中部，二次风吹入截面形成切圆，切圆效果理想，可有效防止烟气冲刷第一烟道壁面。不同高度4个截面的平均温度均≥850 ℃，均满足《生活垃圾焚烧污染控制标准》。

排放烟气中氮氧化物：100.7 mg/m3（1小时均值），一氧化碳：5.9 mg/m3（1小时均值），所有工况均符合《生活垃圾焚烧污染控制标准》。

4.3炉膛速度场对比与分析

一次风从炉排风孔进入炉膛内部，与燃料发生燃烧化学反应。燃烧产生的高温烟气沿第一烟道往上流动，在二次风入口处被二次风射流冲击作用下形成两股圆柱旋流。在上升过程中，伴随着烟气中可燃成分与二次风充分接触，烟气温度和流速再次上升，故图3中在第一烟道存在两个烟气加速区，分别为二次风喷入区域和第一烟道上部。第一烟道上部的烟气高速流动区域更集中于第一烟道中部，从而减弱烟气对炉膛壁面的冲刷作用。

4.4烟气停留时间

本台焚烧炉设计点的烟气停留时间计算如下：

烟气平均温度 θg.ave=（1070+870）/2 =970 ℃

烟气量Vg = 172504 Nm3/h

平均路径L = 20 m

截面积F=54.88 m2

烟气流速Wg= Vg（（970+273）/273）/（3600F）=3.98m/s

烟气停留时间T =L/ Wg =5.03 s>2 s

烟气满足标准要求，在该区域的停留时间不低于2 s。

4.5残碳量

对设计燃料的过量空气系数和一、二次风配比进行25个工况计算，残碳率都小于3 %。

5设计总结