焚燒爐煙氣再循環(huán)配風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王沛麗，王 進(jìn)，許巖韋，朱真真

(光大環(huán)境科技(中國(guó))有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

我國(guó)垃圾焚燒產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間廣闊[1]，機(jī)械爐排爐由于其技術(shù)成熟、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電的主力爐型[2]。隨著垃圾焚燒污染物排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，氮氧化物(NOx)控制難度越來(lái)越大，脫硝成本居高不下，造成亟需解決的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)矛盾問(wèn)題。煙氣再循環(huán)(Flue Gas Recirculation,簡(jiǎn)稱FGR)基于低氮燃燒[3-4]原理，可以實(shí)現(xiàn)深度的爐內(nèi)NOx脫除，已成為燃煤、燃?xì)忮仩t[5-6]中一種成熟的工程技術(shù)，不僅可以減輕爐后脫硝壓力，而且投資成本低，有必要探索研究其在垃圾焚燒爐中的應(yīng)用。

數(shù)值模擬是一種基于計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD)的研究方法[7]。Scharler[8]、Liuzzo[9]等通過(guò)模擬仿真得出煙氣再循環(huán)可以有效控制CO排放值和爐膛最高溫度，減少熱力型NOx的生成，增加循環(huán)熱效率；王進(jìn)[10]模擬研究了不同煙氣再循環(huán)率對(duì)焚燒爐出口NOx濃度的影響；王克[11]研究了不同煙氣再循環(huán)總量、前后墻流量分配、噴嘴角度等對(duì)焚燒爐內(nèi)燃燒和流動(dòng)組織的影響；陸燕寧等[12]研究了煙氣再循環(huán)與不同位置的二次風(fēng)摻混以及不同再循環(huán)率時(shí)的低氮燃燒效果。

大多數(shù)研究采用煙氣再循環(huán)與二次風(fēng)摻混入爐的配風(fēng)方式，存在煙氣低溫結(jié)露腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，另外在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)造成調(diào)控不夠靈活敏捷。本文對(duì)垃圾焚燒爐進(jìn)行煙氣再循環(huán)配風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用煙氣再循環(huán)和二次風(fēng)同時(shí)供風(fēng)、互相獨(dú)立的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)數(shù)值模擬方法考察不同的再循環(huán)噴口布置方式對(duì)NOx脫除效率、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和燃燼率的影響，尋求最佳的配風(fēng)方案，為煙氣再循環(huán)在垃圾焚燒爐中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供重要參考。

1 計(jì)算方法

1.1 研究對(duì)象

以一典型的日處理垃圾量300 t垃圾焚燒爐排爐為研究對(duì)象，爐型結(jié)構(gòu)如圖1所示。垃圾在焚燒爐排上吸收高溫?zé)煔廨椛錈幔⒃跔t排下方送入的一次風(fēng)作用下依次經(jīng)歷干燥著火、燃燒、燃燼過(guò)程，二次風(fēng)布置于焚燒爐出口，煙氣從焚燒爐出口進(jìn)入余熱鍋爐、煙氣凈化裝置等。

圖1 典型垃圾焚燒爐排爐

采用獨(dú)立的煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，不與二次風(fēng)摻混，維持二次風(fēng)噴口位置不變，抽取凈化后煙氣從再循環(huán)噴口入爐重新參與燃燒。為給煙氣再循環(huán)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，共提出九種再循環(huán)噴口方案：?jiǎn)闻挪贾脮r(shí)如圖2(a)演示，噴口依次位于后拱和喉部后墻不同高度位置，共A1～A6六種方式；雙排布置的方案如圖2(b)演示，噴口依次位于喉部前后墻不同高度位置，共B1～B3三種方式。

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

對(duì)焚燒爐進(jìn)行三維全尺寸建模，如圖1所示，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格+局部加密四面體網(wǎng)格劃分。為了考核網(wǎng)格獨(dú)立性，分別建立了81萬(wàn)、103萬(wàn)、125萬(wàn)、156萬(wàn)的網(wǎng)格系統(tǒng)，模擬分析焚燒爐出口溫度和一煙道出口溫度參量，最后兩組網(wǎng)格參量偏差小于3%，綜合考慮計(jì)算精度和效率，確定采用125萬(wàn)的網(wǎng)格系統(tǒng)。

垃圾在焚燒爐內(nèi)存在爐排上方層狀燃燒以及爐膛氣相空間燃燒兩個(gè)過(guò)程。通過(guò)二維燃料柱程序Flic進(jìn)行床層燃燒計(jì)算，經(jīng)干燥、熱解、燃燒、氣/固相化學(xué)反應(yīng)等模型計(jì)算，得到的床層上方組分、速度及溫度分布等可作為氣相燃燒的邊界條件，通過(guò)商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行氣相燃燒計(jì)算，焚燒爐壁面為絕熱邊界，一煙道/二煙道壁面為恒溫邊界，湍流采用k-ε模型、輻射為DO模型，組分輸運(yùn)和化學(xué)反應(yīng)采用有限速率/渦耗散模型。

該方法經(jīng)過(guò)大量的應(yīng)用和驗(yàn)證[13-14]，目前被較為廣泛的應(yīng)用于生活垃圾焚燒爐的仿真、設(shè)計(jì)過(guò)程中。對(duì)本文中的原始工況進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與山東某300 t/d垃圾焚燒項(xiàng)目運(yùn)行實(shí)際相比較，爐排上方火焰位置、焚燒爐出口溫度等均較為吻合，數(shù)值計(jì)算具有相當(dāng)?shù)木群涂尚哦取?/p>

1.3 計(jì)算工況

入爐垃圾燃料特性如表1所示，計(jì)算工況如表2所示。原始工況編號(hào)Base，無(wú)煙氣再循環(huán)，一、二次風(fēng)配比8∶2。再循環(huán)工況編號(hào)A、B系列，維持一次風(fēng)量不變，減少二次風(fēng)量，總過(guò)量空氣系數(shù)(簡(jiǎn)稱過(guò)空)隨之降低，以創(chuàng)造低氮燃燒條件；再循環(huán)率均為15%，是指再循環(huán)煙氣量與煙囪排煙量之比。

表1 入爐垃圾的元素分析和工業(yè)分析

表2 計(jì)算工況的配風(fēng)設(shè)置

當(dāng)再循環(huán)煙氣從后拱入爐，設(shè)計(jì)噴口與水平方向夾角10°，接近水平，這是為了避免再循環(huán)煙氣射流直接沖擊料層，影響料層燃燒，同時(shí)可以保證再循環(huán)煙氣與燃燒煙氣的充分混合，經(jīng)過(guò)試計(jì)算，該設(shè)計(jì)角度使用效果較好；再循環(huán)從喉部入爐時(shí)，設(shè)計(jì)噴口參考二次風(fēng)，與水平方向夾角20°。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 煙氣再循環(huán)對(duì)NOx生成的影響

煙氣再循環(huán)最重要的作用就是降低爐內(nèi)NOx生成量，這也是本研究關(guān)注的重點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)各再循環(huán)工況焚燒爐出口和一煙道出口兩個(gè)特征截面的組分信息，并與原始工況對(duì)比，如表3所示，一煙道出口NOx濃度均低于原始工況，表明煙氣再循環(huán)可以抑制NOx生成。

表3 各工況計(jì)算結(jié)果

將煙氣再循環(huán)與原始工況一煙道出口NOx濃度之比作為脫硝率，不同再循環(huán)噴口布置方式下的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。脫硝率范圍在11%～32%，可以觀察到效率曲線存在兩個(gè)高峰區(qū)，即工況A2、A6下脫硝率高達(dá)30%以上，另外，B1～B3的脫硝率也相對(duì)較高，且較為穩(wěn)定。

圖3 不同再循環(huán)工況的脫硝率

選取脫硝率較高的工況A2，脫硝率較低的A4以及原始工況Base這幾個(gè)典型進(jìn)一步對(duì)比分析。由于O2濃度在NOx生成機(jī)理中具有重要影響，可以觀察爐內(nèi)O2和NO濃度分布，如圖4、圖5所示。工況A2中，再循環(huán)煙氣射流從后拱吹向進(jìn)料口方向，由于摻混角度和時(shí)機(jī)的良好配合，整個(gè)爐排上方空間的氧濃度明顯降低，并持續(xù)至喉部和焚燒爐出口，創(chuàng)造出很大的還原氣氛，有效抑制NO中間產(chǎn)物向NO的轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)為爐排上方燃燒過(guò)程生成的NO量直接大幅度減少。而在工況A4和Base中，爐內(nèi)還原性氛圍空間相對(duì)有限，尤其是喉部后墻附近有明顯的NO生成，表現(xiàn)為NOx濃度整體相對(duì)較高。也就是說(shuō)，優(yōu)化的再循環(huán)配風(fēng)設(shè)計(jì)對(duì)降低爐內(nèi)NOx生成具有重要作用。

圖4 各工況下爐膛中心截面O2分布

圖5 各工況下爐膛中心截面NO分布

2.2 煙氣再循環(huán)對(duì)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響

根據(jù)表3所示結(jié)果，焚燒爐出口CO體積分?jǐn)?shù)均小于原始工況，一煙道出口CO體積分?jǐn)?shù)均為零，表明煙氣再循環(huán)配合一次風(fēng)、二次風(fēng)的組合方式可以提高氣相燃燼率，滿足完全燃燒要求。其中，工況A2、B3都可以實(shí)現(xiàn)較高的爐內(nèi)脫硝率，同時(shí)顯著降低焚燒爐出口CO體積分?jǐn)?shù)，是較為理想的設(shè)計(jì)方案。選取工況A2、B3以及原始工況Base這幾個(gè)典型進(jìn)一步分析爐內(nèi)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的變化。

各工況的流線分布對(duì)比如圖6所示，煙氣再循環(huán)入爐后，氣流擾動(dòng)增強(qiáng)，氣流充滿度提高，原始工況下煙道氣流偏斜現(xiàn)象得到了明顯改善，有利于可燃物質(zhì)的充分燃燒，這也解釋了氣相燃燼率提高的原因。

為進(jìn)一步準(zhǔn)確分析流場(chǎng)，觀察y=10 m高度煙道截面沿x方向的平均豎直速度vy分布，將同一x坐標(biāo)下沿爐膛z方向各點(diǎn)的豎直速度統(tǒng)計(jì)求得平均值即為vy，如圖7所示，vy>0表示煙氣上行，vy<0表示煙氣回流，豎直虛線是指煙道前墻至后墻的中心。結(jié)合圖6可以看出，工況B3的速度分布與原始工況較為相似，前墻附近存在大尺度煙氣回流，但是工況B3回流尺度明顯變小，前后墻處的速度差也減?。还rA2的煙氣速度呈現(xiàn)對(duì)稱分布，且整體速度差很小，分布非常均勻，極大的改善了流場(chǎng)。

圖6 各工況下爐膛中心截面的流線分布

圖7 y=10 m高度截面上平均豎直速度分布

圖8為各工況下爐膛中心截面溫度分布，工況B3當(dāng)再循環(huán)煙氣從喉部入爐時(shí)，溫度場(chǎng)與原始工況較為相似，燃燒火焰偏向喉部后墻。工況A2時(shí)爐排上方的火焰形態(tài)發(fā)生改變，從集中燃燒變?yōu)橄鄬?duì)分散燃燒，主燃區(qū)局部高溫區(qū)溫度降低，喉部貼向后墻的高溫區(qū)消失，這是由于再循環(huán)煙氣為低溫低氧的凈化后煙氣，再循環(huán)煙氣入爐使得主燃區(qū)的氧濃度下降，燃燒速率下降，局部高溫區(qū)的煙氣溫度降低。同時(shí)，生活垃圾進(jìn)料口區(qū)域溫度明顯有所提升，這是由于再循環(huán)煙氣射流攜帶高溫?zé)煔饬飨蛑饏^(qū)，促進(jìn)了著火區(qū)的輻射、對(duì)流換熱，有利于垃圾干燥。

圖8 各工況下爐膛中心截面溫度分布

結(jié)合y=10 m高度煙道截面溫度分布，如圖9所示，原始工況Base煙道前后墻區(qū)域溫差大于100℃，采用煙氣再循環(huán)后，后墻附近溫度偏高的現(xiàn)象有所減弱，溫度分布較為均勻，其中工況A2改善效果最佳，即優(yōu)化的再循環(huán)設(shè)計(jì)還可以在改善爐膛溫度場(chǎng)、流場(chǎng)方面發(fā)揮重要作用，這說(shuō)明煙氣再循環(huán)配風(fēng)設(shè)計(jì)為焚燒爐的改善和優(yōu)化提供了一種有效發(fā)揮的手段。

圖9 y=10 m高度截面溫度分布

3 結(jié)論

(1)垃圾焚燒爐采用獨(dú)立的煙氣再循環(huán)配風(fēng)方式，再循環(huán)率為15%時(shí)，可以達(dá)到脫硝率為11%～32%，單排和雙排再循環(huán)噴口布置都可以實(shí)現(xiàn)有效抑制爐內(nèi)NOx生成。

(2)不同再循環(huán)設(shè)計(jì)的脫硝效率存在兩個(gè)高峰區(qū)，對(duì)應(yīng)噴口位置分別在后拱中部與焚燒爐出口附近，主要原因是分別在爐內(nèi)下部和上部創(chuàng)造出了兩個(gè)比較大的還原性氣氛區(qū)，使得脫硝效率越高，這為煙氣再循環(huán)的設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

(3)優(yōu)化的再循環(huán)設(shè)計(jì)還可以提高氣相燃燼率，增強(qiáng)爐內(nèi)氣流擾動(dòng)，改善爐膛溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，使得溫度分布、流線分布相比于原始工況更為均勻。