垃圾焚烧炉炉拱改造

　　炉排式垃圾焚烧炉在处理比设计水分高、热值低的垃圾时，容易出现着火位置滞后、垃圾“烧不透”、残炭含量高等问题。采用FLIC软件的床层模型和商业软件FLUENT，对焚烧炉炉排和炉膛燃烧过程进行了模拟计算。结合某城市生活垃圾焚烧炉存在的燃烧不完全问题，通过一系列的数值实验，探索后拱高度和挡板的有无对燃烧过程的影响。比较了炉拱辐射强度、挥发分质量分数、温度沿炉排长度方向的分布以及炉膛内的速度矢量图。结果表明，降低后拱高度或增加挡板均可使着火位置有不同程度的前移;同时降低炉拱高度和增加挡板可使着火位置前移约1.1 m，提前进入稳定燃烧阶段。

　　引言

　　城市生活垃圾的无害化、减量化和资源化处理是能源与环境领域的重要研究课题。现阶段，生活垃圾焚烧发电是一种较为有效的处理方式。其中， 炉排式焚烧方法是目前应用最广的垃圾焚烧技术。20世纪80年代以来，我国一些城市陆续引进了国外的炉排燃烧设备。由于国内城市生活垃圾分类处理较差，厨余垃圾较多，含水量大、热值低、灰分高且成分复杂，实际运行中，存在着火位置滞后、炉膛内燃烧不均匀、炉温偏低、残炭含量较高等一系列问题。

　　Yang等将垃圾在炉排上的燃烧过程分为干燥、挥发分释放、焦炭形成、挥发分燃烧和焦炭燃烬4个阶段。湿垃圾在炉排上干燥和挥发分释放过程所需要的热量一部分来自一次风的对流传热，另一部分则来自炉膛火焰和炉拱的辐射热。从原理上，调整一次风的配比和预热温度，可以一定程度上改善垃圾在炉排上的燃烧过程。但是，对于高水分的低质垃圾，炉膛内火焰的辐射较弱，调整一次风并不能彻底解决问题，因此，必须设法借助炉拱改造等措施，改善炉膛辐射热对湿垃圾的干燥。根据炉排焚烧炉的特点可知：其设计的关键在于炉膛，而炉膛设计的关键是炉拱，故改造焚烧炉炉拱也是工程上调整燃烧的手段之一。

　　近年来，计算流体力学(computational fluid dy­namics, CFD) 方法得到了快速的发展，广泛应用于垃圾焚烧炉的优化设计。刘效洲等通过对速度场、浓度场和温度场的数值模拟给出了垃圾焚烧炉的设计原则和相应的改进措施;赵颖等运用PHOENICS软件对炉内流场进行模拟，研究了炉拱形状和尺寸对流场的影响，完成了对二段往复炉排焚烧炉炉拱的优化设计。

　　英国谢菲尔德大学废物焚烧中心，开发了床层燃烧模拟软件FLIC，Ruy等用此软件研究了水分、脱挥发分速率和一次风热流密度对燃烧的影响，并取得了较好的结果。作者也采用该软件模拟垃圾在炉排上的燃烧过程，将得到的烟气温度、速度和各组分的浓度沿床层长度方向的分布作为炉膛入口的边界条件，进而采用商业软件Fluent 6.3对炉膛空间的辐射强度和流场进行模拟，分析了后拱高度和挡板的有无对着火位置的影响。

　　研究对象

　　研究对象是单机日设计处理量500t(实际运行处理量为400t/d)的某城市生活垃圾焚烧炉，基本结构如图1所示。炉排为链条炉排，一次风预热至498K，从炉排下方的5个风室分别送入炉膛，各段 分配比例为：0.2：0.24：0.24：0. 2：0.12，文中没有考虑二次风。

　　模拟计算使用垃圾的工业分析(收到基，质量百分比，%)为：水分59%，挥发分25.62%，固定碳 2.08%，灰分13.3%。元素分析(收到基，质量百分比，%)为：碳 15.4%，氢 1.56%，氧 9.73%，氮38%，硫0.28%，氯0.33%。此组数据代表某城市生活垃圾平均性质，其特点是含水量较高，低位热值只有4328 kJ/kg，比设计值5 680 kJ/kg大幅降低。

　　数学模型及边界条件

　　数学模型

　　对垃圾焚烧炉的模拟主要考虑两方面的内容：一是垃圾在炉排上燃烧过程的模拟;二是炉膛内气相燃烧过程的模拟。