垃圾焚燒發(fā)電廠爐排爐數(shù)值模擬研究進(jìn)展

闕正斌，李德波，肖顯斌，苗建杰，劉鵬宇，陳兆立，陳智豪，馮永新

(1.華北電力大學(xué) 生物質(zhì)發(fā)電成套設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080；3.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

焚燒發(fā)電是我國(guó)主流的生活垃圾處置方式，據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年焚燒處理的垃圾量占城市生活垃圾總量的60%以上，行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模龐大[1]。國(guó)家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部組織編制的《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類(lèi)和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》指出整體上國(guó)內(nèi)中西部地區(qū)生活垃圾焚燒處理率較低，局部上大多地級(jí)城市和縣城的生活垃圾焚燒處理能力仍有較大缺口[2]，垃圾焚燒行業(yè)市場(chǎng)空間廣闊，具有良好的發(fā)展前景。

我國(guó)垃圾焚燒發(fā)電廠的主要爐型為爐排爐和流化床焚燒爐，其中爐排爐應(yīng)用最廣泛，市場(chǎng)占比超75%，而流化床焚燒爐的應(yīng)用正逐漸減少[3]。與流化床焚燒爐相比，爐排爐具有原料預(yù)處理簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、可靠性高、飛灰產(chǎn)量少、運(yùn)營(yíng)成本低和技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)未來(lái)仍是垃圾焚燒行業(yè)的首選爐型。然而，爐排爐焚燒垃圾過(guò)程中還存在燃燒效率較低、燃燒溫度不高、燃燒不充分、二噁英等有害污染物生成量較大等問(wèn)題，需深入研究以改善焚燒過(guò)程。目前針對(duì)垃圾焚燒發(fā)電廠爐排爐的研究中，數(shù)值模擬方法相較模型試驗(yàn)和工程試驗(yàn)等方法具有投資小、周期短、效率高和數(shù)據(jù)較詳細(xì)等優(yōu)點(diǎn)，且準(zhǔn)確度較高，成為研究爐排爐中焚燒過(guò)程的重要方法。

數(shù)值模擬方法在燃煤行業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，筆者團(tuán)隊(duì)先針對(duì)前后對(duì)沖旋流鍋爐、四角切圓鍋爐、超超臨界旋流對(duì)沖鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐等多種類(lèi)型的燃煤鍋爐開(kāi)展數(shù)值模擬研究工作，為燃煤電廠的燃燒運(yùn)行提供有效優(yōu)化措施[4-9]。筆者首先針對(duì)垃圾焚燒行業(yè)廣泛應(yīng)用的爐排爐開(kāi)展數(shù)值模擬研究。闡述垃圾焚燒過(guò)程和爐排爐結(jié)構(gòu)組成等，并進(jìn)一步介紹爐排上的氣固燃燒過(guò)程和爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，總結(jié)現(xiàn)有爐排爐建模過(guò)程，重點(diǎn)闡明將不同模型耦合計(jì)算以模擬整個(gè)焚燒過(guò)程的方法。后續(xù)聚焦于采用Fluent軟件開(kāi)展數(shù)值模擬研究，分類(lèi)介紹數(shù)值模擬方法在爐排爐中的研究應(yīng)用情況，具體包括燃料特性、運(yùn)行參數(shù)、爐排爐結(jié)構(gòu)、風(fēng)煙系統(tǒng)等。最后，提出開(kāi)展?fàn)t排爐數(shù)值模擬研究的技術(shù)路線(xiàn)，并進(jìn)行總結(jié)和展望，對(duì)垃圾焚燒電廠爐排爐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供借鑒。

1 垃圾焚燒爐排爐概述

采用數(shù)值模擬研究爐排爐中焚燒過(guò)程，需了解垃圾焚燒的基本過(guò)程與爐排爐的結(jié)構(gòu)組成，使數(shù)學(xué)模型盡可能符合實(shí)際情況，提高研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

1.1 垃圾焚燒過(guò)程

生活垃圾在爐排爐中的焚燒過(guò)程一般分為爐排上的氣固燃燒過(guò)程和爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程，典型的焚燒過(guò)程如圖1所示。

圖1 爐排爐中典型的垃圾焚燒過(guò)程Fig.1 Typical waste incineration process

生活垃圾床層在垃圾焚燒爐排的氣固燃燒過(guò)程分為干燥階段、燃燒階段和燃盡階段[10]。上述幾階段垃圾均未離開(kāi)爐排表面，會(huì)在自身重力和爐排機(jī)械的作用下不斷翻轉(zhuǎn)、移動(dòng)。一般爐排包括多個(gè)子爐排，每個(gè)子爐排上垃圾床層主要反應(yīng)過(guò)程不同。爐排的末端設(shè)置出渣口，大部分爐渣被推動(dòng)掉落到除渣系統(tǒng)。

一次風(fēng)穿過(guò)垃圾床層的過(guò)程中，大部分O2被迅速消耗，因此需補(bǔ)充二次風(fēng)為爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程提供O2。該過(guò)程燃燒的可燃成分包括垃圾床層受熱分解產(chǎn)生的揮發(fā)分中的碳?xì)浠衔顲mHn、H2、CO等，以及部分焦炭不完全燃燒產(chǎn)生的CO等。上述可燃成分與二次風(fēng)會(huì)在爐膛中發(fā)生燃燒反應(yīng)，燃燒后的高溫氣體通過(guò)輻射和對(duì)流的方式將能量傳遞到余熱鍋爐的水冷壁等，后續(xù)可用于發(fā)電，實(shí)現(xiàn)余熱回收利用。

1.2 爐排爐結(jié)構(gòu)組成

垃圾焚燒爐排爐通常由垃圾進(jìn)料裝置、爐排、一次風(fēng)系統(tǒng)、焚燒爐墻體和二次風(fēng)系統(tǒng)等組成?？紤]到數(shù)值模擬研究一般不涉及垃圾進(jìn)料裝置和爐排的具體形狀結(jié)構(gòu)，本文僅重點(diǎn)介紹一次風(fēng)系統(tǒng)、焚燒爐墻體和二次風(fēng)系統(tǒng)。

一次風(fēng)從爐排底部進(jìn)入后，能將垃圾干燥預(yù)熱并提供O2，同時(shí)對(duì)爐排起冷卻保護(hù)作用。由于每段子爐排上垃圾床層的反應(yīng)過(guò)程不同，對(duì)一次風(fēng)量的需求不同，因此實(shí)際上一次風(fēng)在供給爐排前會(huì)按一定比例分配，通過(guò)互不相連的風(fēng)室供給不同的子爐排段。

焚燒爐墻體是指包裹住整個(gè)爐排的部分，按具體結(jié)構(gòu)不同，焚燒爐墻體從上到下可分為二燃室的墻體、結(jié)合部位和爐拱。爐拱是最重要部位，對(duì)煙氣在爐排爐內(nèi)的流動(dòng)影響較大，按照煙氣流動(dòng)形式分為交流式爐拱、回流式爐拱、逆流式爐拱和順流式爐拱[10]。爐排爐不同結(jié)構(gòu)形式的爐拱結(jié)構(gòu)如圖2所示。一般而言，交流式和回流式爐拱可細(xì)分為前拱和后拱，逆流式爐拱僅有后拱結(jié)構(gòu)，而順流式爐拱僅有前拱結(jié)構(gòu)。

對(duì)于不同爐型結(jié)構(gòu)，二次風(fēng)系統(tǒng)的布置位置和命名方法不同，為便于理解，本文將一次風(fēng)以外的送風(fēng)統(tǒng)稱(chēng)為總二次風(fēng)，并將總二次風(fēng)進(jìn)一步按照布置位置細(xì)分，具體為前拱二次風(fēng)、后拱二次風(fēng)、結(jié)合部二次風(fēng)和煙道二次風(fēng)等。垃圾焚燒爐排爐需根據(jù)爐型結(jié)構(gòu)選擇合適的二次風(fēng)布置方案，一般較少在煙道位置布置二次風(fēng)。

2 垃圾焚燒爐排爐模型

垃圾焚燒爐排爐中的實(shí)際反應(yīng)過(guò)程較復(fù)雜，需進(jìn)行一定簡(jiǎn)化得到近似數(shù)學(xué)模型，后續(xù)根據(jù)數(shù)學(xué)模型等情況選擇合適的工具建模開(kāi)展數(shù)值模擬研究。

2.1 垃圾焚燒過(guò)程反應(yīng)模型

垃圾焚燒爐排爐內(nèi)的焚燒過(guò)程包含復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，是一個(gè)多輸入多輸出的非線(xiàn)性系統(tǒng)，因此難以完整描述其反應(yīng)過(guò)程[11]，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化和假設(shè)。

針對(duì)爐排上垃圾床層的氣固燃燒過(guò)程，考慮到加熱爐排上垃圾床層的熱量主要來(lái)自爐膛中煙氣的對(duì)流傳熱和輻射傳熱，一般認(rèn)為垃圾床層的反應(yīng)過(guò)程從上到下進(jìn)行，包括干燥、垃圾受熱分解析出揮發(fā)分及燃燒、焦炭燃燒和燃盡4個(gè)過(guò)程。但濕度很高并引入預(yù)熱空氣時(shí)，反應(yīng)會(huì)在床層內(nèi)部附近開(kāi)始并向上傳播，即床層內(nèi)部溫度比表面溫度高。上述2種反應(yīng)模式的對(duì)比如圖3所示[12-13]。

圖3 爐排上的2種垃圾床層反應(yīng)模式對(duì)比[12-13]Fig.3 Comparison diagram of two waste bed reaction modes on grate[12-13]

目前，第1種反應(yīng)模式描述爐排上的氣固燃燒過(guò)程應(yīng)用較廣泛。各模式主要區(qū)別在于垃圾床層溫度的分布情況，4個(gè)過(guò)程的主要反應(yīng)一致。爐排上垃圾床層發(fā)生的總反應(yīng)及不同過(guò)程發(fā)生的主要反應(yīng)見(jiàn)表1，后續(xù)可選取或建立不同數(shù)學(xué)方程組定量描述每個(gè)反應(yīng)過(guò)程，建立完整的數(shù)學(xué)模型。

表1 垃圾床層在不同過(guò)程主要進(jìn)行的反應(yīng)

一般針對(duì)爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的反應(yīng)模型較簡(jiǎn)單，僅考慮主要成分即CO、H2、CmHn等與O2的燃燒反應(yīng)過(guò)程，忽略其他成分及反應(yīng)過(guò)程，且其中CmHn通常以CH4代替，不考慮其他復(fù)雜的有機(jī)物組分反應(yīng)過(guò)程。簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)模型更易開(kāi)展計(jì)算研究，但存在忽略的煙氣成分較多、計(jì)算結(jié)果誤差較大、應(yīng)用范圍較小等問(wèn)題?？紤]到目前數(shù)值模擬方法的飛速發(fā)展，計(jì)算能力和計(jì)算速度均得到較大提升，今后研究在確保計(jì)算時(shí)間滿(mǎn)足要求的前提下，應(yīng)當(dāng)細(xì)化氣相燃燒過(guò)程模擬工作，盡可能還原實(shí)際過(guò)程，具體可考慮補(bǔ)充CmHn的反應(yīng)過(guò)程、污染物成分(NOx、SO2、HCl等)的生成過(guò)程反應(yīng)、粉塵顆粒物運(yùn)動(dòng)情況等。

2.2 爐排爐模型

2.2.1 爐排上氣固燃燒過(guò)程

由于受垃圾進(jìn)料成分含量波動(dòng)、垃圾顆粒間大小和組成等差異、床層分布不均勻、爐排攪拌作用導(dǎo)致顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡無(wú)法預(yù)測(cè)等因素影響，針對(duì)爐排上垃圾床層的氣固燃燒過(guò)程建立準(zhǔn)確的模型較困難。

目前，典型的爐排上氣固燃燒過(guò)程模型是YANG等[14-16]開(kāi)發(fā)的二維穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，后續(xù)被開(kāi)發(fā)為Fluid dynamics Incinerator Code(FLIC)軟件，經(jīng)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)計(jì)算所得邊界條件模擬結(jié)果較準(zhǔn)確，已廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒爐排爐的數(shù)值模擬研究。后續(xù)較多學(xué)者基于近似反應(yīng)機(jī)理，采用不同工具得到新的計(jì)算模型或?qū)υ撚?jì)算模型進(jìn)一步完善，相關(guān)研究工作包括更換更準(zhǔn)確的計(jì)算方程組、開(kāi)發(fā)三維模型、采用其他更方便的軟件建立模型等[11,17-18]。但由于計(jì)算過(guò)程中，該類(lèi)模型一般將垃圾床層看作多個(gè)整體，假設(shè)其中的垃圾成分、厚度、熱值等性質(zhì)相同，忽略水平方向的不均勻性、垃圾顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、顆粒破碎和熔融等情況與實(shí)際過(guò)程存在差異。采用該方法建立的爐排爐模型并不能準(zhǔn)確描述垃圾床層內(nèi)的燃燒過(guò)程，僅得到與實(shí)際情況近似的床層表面的傳質(zhì)和傳熱等數(shù)據(jù)結(jié)果，因此在實(shí)際應(yīng)用中，一般被用于計(jì)算較準(zhǔn)確的垃圾床層表面的煙氣情況，作為后續(xù)爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程模型研究所需邊界條件。

另外一種方法是基于強(qiáng)大且快速的計(jì)算能力，以離散元的方法將垃圾床層表示為大量能相互反應(yīng)的顆粒，計(jì)算出每個(gè)顆粒間的碰撞、顆粒的對(duì)流換熱和輻射換熱、顆粒與氣相之間的作用力和各種物理化學(xué)過(guò)程(干燥、受熱分解與燃燒、焦炭燃燒)，以便充分考慮顆粒質(zhì)量、組成和溫度的變化[19-21]。SOMWANGTHANAROJ等[21]基于此方法采用Fluent軟件建立模型，將垃圾顆粒假設(shè)為長(zhǎng)度0.15 m和直徑0.15 m的圓柱顆粒，計(jì)算所得邊界數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差僅6%。但此方法計(jì)算量過(guò)于龐大，為簡(jiǎn)化計(jì)算仍需進(jìn)行垃圾顆粒粒徑均勻一致等假設(shè)，無(wú)法準(zhǔn)確模擬垃圾床層內(nèi)的燃燒過(guò)程，僅能用于開(kāi)展簡(jiǎn)單的垃圾床層內(nèi)燃燒過(guò)程研究工作，以及提供更準(zhǔn)確的垃圾床層表面的邊界條件。

綜上所述，目前大部分針對(duì)爐排上垃圾床層的氣固燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬研究并不注重垃圾床層的燃燒變化情況，而進(jìn)行較多的假設(shè)以簡(jiǎn)化內(nèi)部反應(yīng)過(guò)程計(jì)算，重點(diǎn)關(guān)注垃圾床層邊界的傳質(zhì)和換熱等，并將結(jié)論用于研究后續(xù)爐膛內(nèi)氣相燃燒等研究。

2.2.2 爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程

由于建立爐排爐爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的模型可參考燃煤鍋爐模型等相關(guān)內(nèi)容，因此針對(duì)該過(guò)程的模型研究開(kāi)發(fā)方法已較為成熟。

爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程涉及的主要控制方程包括質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、能量守恒方程和組分輸運(yùn)方程[22]，如式(1)～(4)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，p為氣體壓力，Pa；t為時(shí)間，s；ρ為氣體密度，kg/m3；V為氣體體積，m3；Sm為進(jìn)入連續(xù)相的質(zhì)量源項(xiàng)，kg/m3；τ為應(yīng)力張量，N；g為重力加速度，m/s2；F為外部力，N；E為氣體能量，kJ/mol；hi為物種i的焓，J/kg；Ji為物種i的擴(kuò)散流量，kg/s；Sh為熱源項(xiàng)，kJ/m3;Yi為物種i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Ri為物種i的凈反應(yīng)生成速率，kg/(m2·s)；Si為物種i生成速率，kg/(m2·s)。

ANSYS軟件中的Fluent常被用于爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的模型計(jì)算，可搭配多種模型建立及網(wǎng)格化工具使用。采用Fluent計(jì)算過(guò)程中，控制方程采用Simple算法求解，氣相燃燒采用渦耗散概念(EDC)模型，黏性模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，輻射模型為DO模型。此外ANSYS軟件中的CFX[23]以及其他模擬軟件，在選取合適的模型和參數(shù)后，也可用于氣相燃燒過(guò)程的模型研究。

2.2.3 整體焚燒過(guò)程

爐排上的氣固燃燒過(guò)程和爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的模型需進(jìn)行耦合計(jì)算，才能完整表示垃圾在爐排爐內(nèi)的焚燒過(guò)程[14-16]。具體是將爐排上的氣固燃燒過(guò)程模擬計(jì)算出的氣相溫度、煙氣速度、各組分濃度數(shù)據(jù)作為入口邊界條件導(dǎo)入爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程中模擬計(jì)算，后者計(jì)算得到的床層輻射溫度作為邊界條件迭代至前者，經(jīng)多次迭代至結(jié)果收斂。上述2個(gè)過(guò)程耦合計(jì)算原理如圖4所示。

圖4 耦合迭代計(jì)算過(guò)程Fig.4 Coupled iterative calculation process

目前，此方法已成熟，一般采用FLIC耦合Fluent軟件作為建模工具，廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒爐排爐的數(shù)值模擬過(guò)程。此外，少部分研究者考慮到爐排上氣固燃燒過(guò)程的復(fù)雜性和準(zhǔn)確度，選擇不設(shè)置床層模型，而是將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)或文獻(xiàn)數(shù)據(jù)等作為邊界條件輸入Fluent，后續(xù)僅對(duì)爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程開(kāi)展詳細(xì)模擬。

3 爐排爐數(shù)值模擬

基于數(shù)值模擬方法對(duì)垃圾焚燒爐排爐開(kāi)展研究，可以較短時(shí)間和較低成本得到較準(zhǔn)確的煙氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和煙氣成分等模擬數(shù)據(jù)，因此廣泛用于研究各參數(shù)變化對(duì)爐排爐運(yùn)行效果的影響，為垃圾焚燒發(fā)電廠的設(shè)計(jì)建造和優(yōu)化運(yùn)行提供參考。目前大部分相關(guān)研究常采取控制變量的方式，僅研究單一參數(shù)對(duì)爐排爐運(yùn)行過(guò)程的影響，因此本文將按照具體的參數(shù)分類(lèi)闡述。

3.1 燃料特性的數(shù)值模擬

3.1.1 水分含量與熱值

我國(guó)的生活垃圾水分含量較高(40%～60%)，導(dǎo)致燃燒延后等問(wèn)題，不利于垃圾焚燒[24-26]。采用數(shù)值模擬方法可進(jìn)一步分析水分干燥過(guò)程，研究不同措施降低水分的效果。白焰等[27]基于Adobe Flash CS3 Professional仿真平臺(tái)建立了垃圾焚燒爐內(nèi)水分干燥動(dòng)態(tài)模型，提出“水線(xiàn)”概念，明確水分含量的不利影響，發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)溫度和壓力有利于水分干燥過(guò)程，但作用有限。其他學(xué)者也采用數(shù)值模擬方法得到類(lèi)似結(jié)論[28]，發(fā)現(xiàn)難以抑制垃圾水分含量高的不利影響，因此需側(cè)重控制垃圾原料中水分含量。

垃圾原料來(lái)源復(fù)雜，其成分含量受多因素影響，而成分變化會(huì)改變垃圾熱值等參數(shù)，進(jìn)而影響焚燒過(guò)程。一般而言，垃圾熱值在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，對(duì)爐排爐焚燒過(guò)程的影響較小。然而，由于摻燒工業(yè)垃圾、垃圾分類(lèi)政策推廣和社會(huì)生活水平提高等因素，垃圾熱值變化較大，可能導(dǎo)致焚燒過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題。韓乃卿等[29]采用Fluent軟件模擬高熱值垃圾在爐排爐中的焚燒過(guò)程，發(fā)現(xiàn)爐膛的前、后拱更易結(jié)焦，提出通過(guò)調(diào)整一次風(fēng)和二次風(fēng)的布局緩解結(jié)焦現(xiàn)象。劉先榮等[30]通過(guò)耦合FLIC和Fluent軟件，建立900 t/d的爐排爐模型，以燃燒高熱值垃圾為前提，研究前、后拱的角度和煙道位置的影響。施子福等[31]則針對(duì)某650 t/d爐排爐建立模型，重點(diǎn)研究燃燒高熱值生活垃圾時(shí)調(diào)整二次風(fēng)溫度和布置方式等措施對(duì)焚燒過(guò)程的影響，得到緩解結(jié)焦、避免高溫腐蝕和回火等問(wèn)題的可行方案。

垃圾水分含量和熱量等燃料特性變化對(duì)爐排爐焚燒過(guò)程影響較大，采用數(shù)值模擬方法可深入了解，還可研究燃料特性變化后采取的優(yōu)化調(diào)整措施。

3.1.2 摻燒污泥

垃圾焚燒過(guò)程中摻燒污泥是當(dāng)前較合理的污泥處置方式之一，具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景。但污泥的成分和含量與垃圾區(qū)別較大，摻燒會(huì)造成進(jìn)爐燃料特性發(fā)生變化，主要是水分、熱值、組成等方面，進(jìn)而影響燃燒過(guò)程。

喻武等[22]重點(diǎn)研究摻燒污泥后垃圾焚燒爐排上的氣固燃燒過(guò)程，對(duì)比無(wú)摻燒、摻燒5%和摻燒10%污泥時(shí)垃圾床層表面的溫度分布和主要?dú)怏w組分分布情況如圖5所示。分析發(fā)現(xiàn)摻燒污泥主要影響床層熱解氣化與燃燒過(guò)程，導(dǎo)致整體上燃燒和揮發(fā)分析出等過(guò)程延后，但是變化趨勢(shì)和峰值大小基本一致，后續(xù)將結(jié)合氣相燃燒過(guò)程進(jìn)一步說(shuō)明摻燒污泥對(duì)其的影響。

圖5 不同摻燒污泥比例下垃圾床層的溫度、CH4和CO分布情況[22]Fig.5 Distribution of temperature,CH4 and CO in bed under different proportions of mixed sludge[22]

馮琳琳等[32]采用Fluent軟件建立國(guó)內(nèi)某825 t/d垃圾焚燒爐排爐模型，計(jì)算后分別得到燃燒垃圾與摻燒10%污泥的情況，具體包括速度、溫度和主要煙氣成分的物質(zhì)的量濃度分布，其中典型爐膛中心界面溫度分布如圖6所示，分析可知摻燒污泥導(dǎo)致燃燒過(guò)程延后，燃燒中心范圍擴(kuò)大，但整體來(lái)看影響不大，可適當(dāng)摻燒污泥。

圖6 摻燒污泥前后的溫度場(chǎng)對(duì)比[32]Fig.6 Comparison of temperature field before and after burning sludge[32]

數(shù)值模擬方法還可用于對(duì)比和確定具體的污泥摻燒方案，為工程實(shí)際提供參考。污泥的含水率和摻燒比例是污泥摻燒的重要參數(shù)。曾祥浩等[33]對(duì)摻燒比例在0～15%的6個(gè)工況進(jìn)行模擬，爐膛中心界面的溫度分布如圖7所示，可知隨摻燒比例的提高，燃燒劇烈程度及火焰充滿(mǎn)程度越來(lái)越差。

圖7 不同污泥摻燒工況的溫度場(chǎng)對(duì)比[33]Fig.7 Comparison of temperature field under different sludge blending conditions[33]

整體而言，摻燒污泥比例變化對(duì)爐排爐燃燒過(guò)程影響較大，摻燒量不能過(guò)多；降低污泥含水率可有效降低摻燒對(duì)焚燒過(guò)程的影響。此外，XU等[34]和楊栩聰?shù)萚35]也針對(duì)垃圾焚燒爐排爐摻燒污泥的規(guī)程開(kāi)展數(shù)值模擬研究，研究過(guò)程與結(jié)論類(lèi)似。

綜上所述，在垃圾焚燒爐排爐中摻燒約10%的污泥對(duì)整體爐排爐燃燒過(guò)程影響較小，因此可作為污泥處置的合理方式之一，降低污泥含水率后可增加摻燒污泥比例。筆者認(rèn)為具體摻燒比例應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定，可參考數(shù)值模擬方法開(kāi)展研究，重點(diǎn)關(guān)注溫度場(chǎng)和煙氣流場(chǎng)等變化。此外考慮到污泥成分非常復(fù)雜，還應(yīng)進(jìn)一步研究摻燒污泥后對(duì)二噁英、重金屬和NOx等污染物生成的影響。

3.2 爐排運(yùn)行參數(shù)的數(shù)值模擬

3.2.1 運(yùn)行負(fù)荷

垃圾焚燒電廠的負(fù)荷一般根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況設(shè)計(jì)選取。然而受城市化率提高、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展、垃圾分類(lèi)政策實(shí)施推廣、居民生活水平提高等影響，垃圾總量波動(dòng)較大，導(dǎo)致生活垃圾處理實(shí)際需求與現(xiàn)有垃圾焚燒設(shè)施的負(fù)荷不符，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有焚燒爐普遍存在超燒或負(fù)荷不足等問(wèn)題[36]。

運(yùn)行負(fù)荷發(fā)生變化后的基本影響已經(jīng)試驗(yàn)和實(shí)踐檢驗(yàn)，而采用數(shù)值模擬方法可得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果。喻武等[36]采用FLIC耦合Fluent軟件對(duì)國(guó)內(nèi)某500 t/d垃圾焚燒爐開(kāi)展數(shù)值模擬研究，在驗(yàn)證100%工況與實(shí)際情況結(jié)果較吻合后，對(duì)比不同負(fù)荷下?tīng)t排爐中心界面溫度和湍流強(qiáng)度的情況，如圖8所示。與試驗(yàn)研究等結(jié)論一致，隨負(fù)荷提升，爐內(nèi)溫度水平整體呈上升趨勢(shì)，湍流中心有向上提升的趨勢(shì)。

圖8 不同運(yùn)行負(fù)荷下?tīng)t膛的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)對(duì)比[36]Fig.8 Comparison of temperature field and flow field of furnace under different operating loads[36]

考慮到爐排爐結(jié)構(gòu)固定且基于100%負(fù)荷設(shè)計(jì)，結(jié)論應(yīng)分為低于設(shè)計(jì)負(fù)荷和高于設(shè)計(jì)負(fù)荷2種。低于設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，進(jìn)入爐排爐的垃圾原料量減少，進(jìn)入的空氣量也隨之減少，爐膛容積過(guò)大導(dǎo)致整體溫度明顯降低，湍流中心下移且強(qiáng)度降低，煙氣回流較弱導(dǎo)致停留時(shí)間縮短。高于設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，進(jìn)入爐排爐的空氣量增加，溫度升高且湍流強(qiáng)度增加，但由于整體煙氣流速加快，溫度升高并不明顯，易出現(xiàn)燃燒不完全等情況，整體的煙氣停留時(shí)間降低。單朋等[18]與宋順鑫等[37]分別針對(duì)不同負(fù)荷下的爐排爐開(kāi)展數(shù)值模擬研究，得到了一致結(jié)論。

綜上所述，垃圾焚燒電廠的負(fù)荷應(yīng)盡可能維持在設(shè)計(jì)負(fù)荷范圍內(nèi)，以確保運(yùn)行穩(wěn)定。但在需改變實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷時(shí)，筆者認(rèn)為，負(fù)荷在一定范圍內(nèi)變化，影響較小時(shí)可忽視；若需長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)荷條件下運(yùn)行，需采取措施提高爐膛溫度，增加湍流強(qiáng)度，延長(zhǎng)停留時(shí)間；若長(zhǎng)時(shí)間在高負(fù)荷條件下運(yùn)行，需重點(diǎn)關(guān)注溫度升高引起的腐蝕結(jié)渣等問(wèn)題，采取措施優(yōu)化流場(chǎng)，解決不完全燃燒等問(wèn)題。后續(xù)優(yōu)化結(jié)果可采用數(shù)值模擬方法分析研究。

3.2.2 爐排運(yùn)行速度

爐排運(yùn)行速度的變化能直接影響爐排上的氣固燃燒過(guò)程，并通過(guò)影響揮發(fā)分等生成間接影響爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程。一般情況下，運(yùn)行速度增大，爐排上的燃燒中心將向后移動(dòng)，易導(dǎo)致燃燒不充分等問(wèn)題；運(yùn)行速度減小，燃燒相對(duì)充分，但會(huì)導(dǎo)致局部高溫等問(wèn)題。

林海等[38]采用數(shù)值模擬方法，以FLIC軟件對(duì)某750 t/d的垃圾焚燒爐排建模，對(duì)比3種運(yùn)行速度下垃圾床層表面溫度和主要生成物情況，如圖9和圖10所示?？芍獱t排運(yùn)行速度不宜過(guò)快或過(guò)慢，22 m/h時(shí)燃燒特性最優(yōu)。最優(yōu)運(yùn)行速度因爐排爐結(jié)構(gòu)、燃料特性等不同而存在差異。劉先榮等[39]采用FLIC軟件研究某900 t/d爐排爐的爐排運(yùn)行速度的影響效果，所得結(jié)論基本一致，但最優(yōu)爐排運(yùn)行速度在10～15 m/h。另外，考慮到運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)入爐排爐的垃圾總量一般不變，因此爐排的運(yùn)行速度與垃圾床層厚度呈反比。

圖9 不同爐排運(yùn)行速度的床層表面煙氣溫度[38]Fig.9 Flue gas temperature on bed surface at different grate operating speeds[38]

圖10 不同爐排運(yùn)行速度的床層表面主要生成物[38]Fig.10 Main products on the bed surface at different grate operating speeds[38]

綜上所述，爐排運(yùn)行速度(垃圾床層厚度)需控制在合適范圍，過(guò)低或過(guò)高均不利于燃燒，具體可參考數(shù)值模擬結(jié)論選取，后續(xù)再根據(jù)爐排爐實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)整優(yōu)化。

3.3 爐排爐結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

爐拱是垃圾焚燒爐排爐的重要部件之一，分為前拱和后拱。一般認(rèn)為，前拱主要影響第1段子爐排上的干燥過(guò)程，后拱影響煙氣與垃圾換熱過(guò)程，后拱能讓部分被吹起的灼熱灰粒和碳粒回流落到垃圾層表面上，結(jié)合數(shù)值模擬方法可進(jìn)一步得到詳細(xì)數(shù)據(jù)。

針對(duì)前拱結(jié)構(gòu)，賴(lài)志焱等[40]采用FLIC耦合Fluent建立爐排爐模型，對(duì)比不同前拱長(zhǎng)度對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)垃圾焚燒爐需要有一定的前拱，以促進(jìn)垃圾水分蒸發(fā)，降低污染物排放，維持爐內(nèi)溫度場(chǎng)均勻；針對(duì)爐排爐的后拱，李秋華等[41]采用FLIC耦合Fluent軟件建立爐排爐模型，研究增加后拱長(zhǎng)度的影響，發(fā)現(xiàn)爐膛火焰中心前移，對(duì)床層的輻射強(qiáng)度增加，提高對(duì)濕垃圾的干燥能力，使揮發(fā)分釋放和著火提前，保證垃圾的充分燃燒。由于后拱主要起增強(qiáng)煙氣與垃圾間換熱和減少煙氣中顆粒物的作用，增設(shè)擋板以增強(qiáng)回流是可行的改造措施。

劉先榮等[30]采用FLIC耦合Fluent軟件的數(shù)值模擬方法針對(duì)某臺(tái)900 t/d高熱值垃圾焚燒爐，對(duì)比分析14個(gè)不同爐拱結(jié)構(gòu)的燃燒工況，研究前后拱角度、煙道位置的影響。此外，陳濤等[42]與郭天宇等[43]也采用數(shù)值模擬方法，研究爐拱結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒過(guò)程的影響，但局限性較大。

整體而言，爐拱結(jié)構(gòu)對(duì)垃圾焚燒爐排爐的焚燒過(guò)程影響較大，需對(duì)前后拱的長(zhǎng)度和角度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，還可通過(guò)增加擋板等進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化爐拱結(jié)構(gòu)。針對(duì)爐拱的改造方案很多，研究對(duì)象主要為混合式爐排爐，其他爐型相關(guān)研究較少。后續(xù)研究應(yīng)盡可能針對(duì)多種爐型和工況開(kāi)展研究，以得到較全面的數(shù)值模擬結(jié)果。

3.4 風(fēng)煙系統(tǒng)的數(shù)值模擬

3.4.1 一、二次風(fēng)配比

配風(fēng)系統(tǒng)對(duì)垃圾焚燒過(guò)程具有重大影響，主要包括一次風(fēng)系統(tǒng)和二次風(fēng)系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)整體配風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，得到合理的運(yùn)行工藝參數(shù)設(shè)置范圍。實(shí)際情況下，燃燒空氣總量一般不會(huì)發(fā)生變化，過(guò)量空氣系數(shù)設(shè)置為1.8左右，因此一次風(fēng)和二次風(fēng)的分配是重要影響因素之一。

風(fēng)量配比對(duì)溫度場(chǎng)和煙氣流場(chǎng)的影響較復(fù)雜，需考慮均勻性、穩(wěn)定性等基本特征，同時(shí)比較煙氣停留時(shí)間、平均溫度、關(guān)鍵區(qū)域溫度等，確定合適的風(fēng)量配比。李龍君等[44]構(gòu)建爐排爐的燃燒模型，分析不同一、二次風(fēng)風(fēng)量比工況下?tīng)t內(nèi)溫度場(chǎng)，特定位置溫度和煙氣停留時(shí)間等主要參數(shù)，確定較優(yōu)的風(fēng)量配比為0.688∶0.312。

而對(duì)于煙氣中CO、二噁英、NOx等污染物含量，需研究一次風(fēng)量對(duì)其生成過(guò)程的影響，以及二次風(fēng)擾動(dòng)作用對(duì)高溫燃燒/分解過(guò)程的促進(jìn)作用，盡可能實(shí)現(xiàn)充分燃燒，減少爐膛出口煙氣污染物含量。陳鵬等[45]采用數(shù)值模擬研究風(fēng)量配比對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的影響，以確定最優(yōu)風(fēng)量配比；還重點(diǎn)關(guān)注了一次風(fēng)量和二次風(fēng)擾動(dòng)作用對(duì)煙氣成分CO濃度的影響，CO濃度分布如圖11所示，通過(guò)分析CO濃度間接判斷二噁英含量的變化情況，認(rèn)為一次風(fēng)和二次風(fēng)配比為0.75∶0.25時(shí)更優(yōu)。YANG等[46]則采用數(shù)值模擬方法重點(diǎn)研究配風(fēng)比對(duì)NOx生成量的影響，對(duì)比7種一次風(fēng)與二次風(fēng)比例對(duì)NOx生成量的影響，見(jiàn)表2，發(fā)現(xiàn)降低一次風(fēng)比例能顯著減少NOx生成，對(duì)比65%的一次風(fēng)占比與78%的一次風(fēng)占比情況，發(fā)現(xiàn)NOx生成量降低8.39%。

表2 不同一次風(fēng)與二次風(fēng)比例下的NOx 出口質(zhì)量濃度[46]

綜上，筆者分析發(fā)現(xiàn)最優(yōu)風(fēng)量配比約為7∶3，數(shù)值因焚燒爐結(jié)構(gòu)、優(yōu)化目標(biāo)等不同而存在較大差異，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在該比例附近細(xì)化，研究不同比例的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及CO生成情況，確定主要優(yōu)化目標(biāo)，綜合對(duì)比選出最優(yōu)的一、二次風(fēng)分配比方案。

3.4.2 一次風(fēng)系統(tǒng)

一次風(fēng)通常取自垃圾貯存系統(tǒng)，經(jīng)分配后從風(fēng)室送到各段子爐排。不同爐排段主要過(guò)程不同，所需的適宜空氣量不同。一次風(fēng)量在不同爐排段的適宜分配比例會(huì)因爐型結(jié)構(gòu)等不同而存在差異，常選取爐排上方的煙氣溫度、灰渣中可燃物含量(焦炭)、CO排放、整體煙氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)作為綜合對(duì)比一次風(fēng)分配方案的參數(shù)[38,47]。另外，潘揚(yáng)等[48]研究爐排爐一次風(fēng)短路現(xiàn)象，對(duì)比短路與非短路工況的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)短路會(huì)降低垃圾料層的干燥速度與固相燃燒速度，使料層燃盡位置后移。因此，需合理分配一次風(fēng)量，避免出現(xiàn)一次風(fēng)短路。

一次風(fēng)會(huì)與垃圾床層交換熱量，因此一次風(fēng)溫度會(huì)影響垃圾床層的燃燒過(guò)程。YAN等[13]針對(duì)浙江某垃圾焚燒電廠爐排爐進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比4種預(yù)熱方案對(duì)垃圾焚燒過(guò)程的影響，所得溫度分布如圖12所示，分析認(rèn)為加熱一次風(fēng)，爐內(nèi)水分蒸發(fā)和揮發(fā)分釋放速率增大，能有效提高爐內(nèi)的溫度水平，使燃燒更充分，同時(shí)減少二噁英等污染物生成。但預(yù)熱一次風(fēng)會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本，且易導(dǎo)致局部高溫，增加高溫腐蝕結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)，因此需選取合適的預(yù)熱溫度，進(jìn)一步優(yōu)化流場(chǎng)。

圖12 一次風(fēng)溫度不同時(shí)爐膛的溫度場(chǎng)對(duì)比[13]Fig.12 Comparison of temperature field of furnace under different primary air temperature[13]

綜上，一次風(fēng)的分配比例和溫度是影響燃燒過(guò)程的重要因素，采用數(shù)值模擬方法僅能得到較合適的參數(shù)設(shè)置范圍，需結(jié)合垃圾原料、爐排結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式等實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置和調(diào)整。

3.4.3 二次風(fēng)系統(tǒng)

由于二次風(fēng)系統(tǒng)對(duì)燃燒過(guò)程的影響較明顯，眾多學(xué)者已針對(duì)二次風(fēng)系統(tǒng)，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行優(yōu)化研究[40,44,49-57]，相關(guān)研究見(jiàn)表3，基本涵蓋風(fēng)量分配、送風(fēng)溫度、布置位置和運(yùn)行方式等方面。然而，考慮到不同布置方案之間的研究結(jié)論并不通用，后續(xù)研究應(yīng)更全面化和細(xì)致化。上述研究?jī)?nèi)容基本采取控制變量的方法，忽略不同因素的相互影響，實(shí)際上可能存在單因素并非最優(yōu)，但多因素結(jié)合后由于相互影響導(dǎo)致實(shí)際燃燒效果較好的情況。

續(xù)表

綜上所述，二次風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量分配、送風(fēng)溫度、布置位置和運(yùn)行方式等均會(huì)較大程度影響燃燒過(guò)程，目前對(duì)單一因素影響規(guī)律的研究已較深入，研究正向更全面和更細(xì)致的方向發(fā)展。然而，還應(yīng)對(duì)二次風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究，考察不同因素的相互影響，以確定最優(yōu)的二次風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行方案。

3.4.4 煙氣再循環(huán)技術(shù)

煙氣再循環(huán)技術(shù)是一種應(yīng)用廣泛的低氮燃燒技術(shù)，可應(yīng)用于垃圾焚燒爐排爐，以降低煙氣中NOx污染物含量。因此針對(duì)垃圾焚燒爐排爐中煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的模擬主要關(guān)注NOx含量變化，同時(shí)還需考慮加入再循環(huán)煙氣對(duì)煙氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。王進(jìn)等[58]采用FLIC耦合Fluent軟件建立垃圾焚燒爐模型，研究煙氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)焚燒過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能有效降低NOx排放量，進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)研究再循環(huán)率與NOx排放量的關(guān)系，得到的數(shù)據(jù)及擬合關(guān)系曲線(xiàn)如圖13所示。由于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程中SNCR脫硝系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致排放量數(shù)值與模擬結(jié)果存在差異，但二者擬合曲線(xiàn)在形狀趨勢(shì)上基本一致。張政等[59]也指出煙氣再循環(huán)能降低NOx生成量，然而再循環(huán)率過(guò)高不利于煙氣中可燃成分(CO等)完全燃燒，且會(huì)降低焚燒爐出口煙氣溫度，因此實(shí)際過(guò)程中需綜合考慮以選擇合適的煙氣再循環(huán)率。

圖13 不同再循環(huán)率下數(shù)值模擬和實(shí)際運(yùn)行工況的NOx排放[58]Fig.13 Numerical simulation and actual operating conditions of NOx emissions at different recirculation rates[58]

煙氣再循環(huán)技術(shù)對(duì)垃圾焚燒過(guò)程的基本影響規(guī)律一致，但由于燃燒條件、煙氣抽取位置和送入爐膛的方式等存在差異，實(shí)際應(yīng)用中，需借助數(shù)值模擬方法，考慮多方面因素，確定是否采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，以及布置位置和再循環(huán)率等。

3.4.5 富氧燃燒技術(shù)

由于垃圾熱值普遍較低，部分學(xué)者提出采用富氧燃燒技術(shù)以提高爐內(nèi)火焰溫度，從而優(yōu)化燃燒工況、提高燃燒效率、促進(jìn)有害有機(jī)物分解、抑制二噁英等污染物的生成。劉國(guó)輝等[60]建立垃圾焚燒爐排爐燃燒模型，對(duì)比不同氧含量對(duì)燃燒過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)富氧燃燒技術(shù)會(huì)提高燃燒溫度，燃燒中心下移，加快爐排上垃圾的燃燒，但由于需保持總氧量不變，會(huì)導(dǎo)致煙氣流量減少，爐內(nèi)煙氣混合減弱，不利于穩(wěn)定燃燒。王克等[61]在富氧燃燒的基礎(chǔ)上結(jié)合煙氣再循環(huán)技術(shù)，增加爐內(nèi)煙氣流量，模擬結(jié)果表明運(yùn)行效果優(yōu)于單獨(dú)的富氧燃燒過(guò)程。

綜上所述，垃圾焚燒發(fā)電廠應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)時(shí)，應(yīng)采取煙氣再循環(huán)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施，解決煙氣流量減少造成的混合減弱問(wèn)題。

3.5 爐排爐數(shù)值模擬研究與總結(jié)

目前，眾多學(xué)者已對(duì)生活垃圾焚燒爐排爐開(kāi)展數(shù)值模擬研究，一般情況下常選擇FLIC耦合Fluent軟件作為研究工具，采取控制變量法，針對(duì)某一種或一類(lèi)參數(shù)，研究其對(duì)焚燒過(guò)程的影響規(guī)律，得到在該條件下的最優(yōu)參數(shù)設(shè)置方案。不同參數(shù)影響燃燒過(guò)程的普遍規(guī)律大部分可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)實(shí)踐等方法獲得，但數(shù)值模擬方法可得到更詳細(xì)的數(shù)據(jù)和結(jié)論，量化不同參數(shù)的影響效果，找到最優(yōu)參數(shù)設(shè)置方案，為設(shè)計(jì)和改造過(guò)程提供參考。然而，由于不同生活垃圾焚燒爐排爐的廠家、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式、所在地區(qū)的垃圾原料成分等不同，得到的最優(yōu)參數(shù)僅對(duì)特定研究對(duì)象有參考價(jià)值。另外，即使同一臺(tái)生活垃圾焚燒爐排爐，不同時(shí)間段垃圾原料成分不同，通過(guò)數(shù)值模擬所得最優(yōu)參數(shù)可能并不一致。

綜上所述，針對(duì)爐排爐開(kāi)展數(shù)值模擬研究可得到較詳細(xì)的數(shù)據(jù)結(jié)果，但局限性較強(qiáng)，因此生活垃圾爐排爐研究應(yīng)注重參考數(shù)值模擬的研究方法和過(guò)程，同時(shí)將以往研究數(shù)據(jù)作為取值參考，快速準(zhǔn)確開(kāi)展數(shù)值模擬工作，為爐排爐設(shè)計(jì)和改造過(guò)程提供數(shù)據(jù)支撐。

4 垃圾焚燒爐排爐設(shè)計(jì)與改造技術(shù)路線(xiàn)

數(shù)值模擬是垃圾焚燒爐排爐設(shè)計(jì)與改造過(guò)程中重要高效的研究手段，應(yīng)用廣泛。但存在研究過(guò)程較簡(jiǎn)單，研究分析不全面、研究結(jié)果準(zhǔn)確度較低等問(wèn)題。目前對(duì)垃圾焚燒電廠爐排爐開(kāi)展設(shè)計(jì)或優(yōu)化改造的過(guò)程中，應(yīng)遵循如下技術(shù)路線(xiàn)(圖14)：

1)明確垃圾焚燒爐排爐的具體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以及邊界條件，采用成熟的建模方法和工具，目前主流建模工具是耦合FLIC和Fluent軟件。

2)開(kāi)展具體數(shù)值模擬研究前，應(yīng)驗(yàn)證模型的有效性。針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程，選取相似的案例進(jìn)行比較分析，確保結(jié)論相對(duì)一致；針對(duì)改造優(yōu)化過(guò)程，應(yīng)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行比較，如爐內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)、出口煙氣溫度、壓力、煙氣成分等數(shù)據(jù)，確保誤差在允許范圍內(nèi)。若誤差較大，則重新考慮選取更合適的數(shù)學(xué)模型。

3)針對(duì)爐排爐的設(shè)計(jì)過(guò)程，數(shù)值模擬可預(yù)見(jiàn)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，因此主要關(guān)注不同設(shè)計(jì)方案的可行性，分別建立模型，判斷是否存在嚴(yán)重運(yùn)行問(wèn)題；而針對(duì)爐排爐的優(yōu)化改造，首先需明確要解決的運(yùn)行問(wèn)題或優(yōu)化目標(biāo)，羅列主要影響因素，分析可行的改造方案，并改進(jìn)原有模型以得到相應(yīng)的數(shù)值模型。

4)針對(duì)不同設(shè)計(jì)方案或改造優(yōu)化方案建立模型后，分析對(duì)比不同方案間的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的均勻性，重點(diǎn)關(guān)注平均溫度、最高溫度、停留時(shí)間、煙氣成分等因素，進(jìn)行綜合分析，選取最優(yōu)設(shè)計(jì)或優(yōu)化方案。

5)根據(jù)方案建立或改造垃圾焚燒爐排爐后，收集相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，確認(rèn)是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。同時(shí)定期跟蹤調(diào)查，確保不會(huì)引發(fā)其他運(yùn)行問(wèn)題。

圖14 垃圾焚燒爐排爐設(shè)計(jì)與改造研究技術(shù)路線(xiàn)Fig.14 Technical roadmap for design and transformation of waste incinerator grate

5 結(jié)語(yǔ)與展望

目前，爐排爐是垃圾焚燒電廠的常用爐型，其數(shù)值模擬方法已較為成熟，一般對(duì)爐排上的氣固燃燒過(guò)程模擬采用FLIC軟件，對(duì)爐膛內(nèi)的氣相燃燒過(guò)程模擬采用Fluent軟件，將二者耦合計(jì)算后可實(shí)現(xiàn)爐排爐整體的數(shù)值模擬。然而，針對(duì)爐排爐的數(shù)值模擬研究仍存在一些不足之處，需進(jìn)一步研究：

1)針對(duì)爐排上氣固燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬研究普遍采用FLIC軟件作為建模工具，所得床層邊界的模擬結(jié)果較準(zhǔn)確。但其僅考慮一維方向上的變化，且假設(shè)進(jìn)料均勻，與實(shí)際情況存在差別。因此，后續(xù)可考慮進(jìn)一步完善數(shù)學(xué)模型，得到更貼合實(shí)際的垃圾床層邊界值。

2)目前，爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬研究?jī)?nèi)容較多，但研究對(duì)象多為單一工藝參數(shù)，鮮少考慮多種參數(shù)的相互作用，以及對(duì)煙氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等的共同作用。因此今后研究中應(yīng)考慮參數(shù)間的相互影響，開(kāi)展對(duì)焚燒效果影響相近參數(shù)組合研究，得到更全面的數(shù)值模擬研究結(jié)果。

3)針對(duì)爐排上氣固燃燒過(guò)程和爐膛內(nèi)氣相燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬一般分開(kāi)進(jìn)行，耦合計(jì)算的耦合程度并不緊密，易出現(xiàn)運(yùn)算故障等問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確的一體化垃圾焚燒爐排爐模型是未來(lái)重要研究方向之一。

4)目前，垃圾焚燒爐排爐模型一般只考慮煙氣中主要成分，忽略其他成分。然而部分煙氣成分，如污染物SO2、HCl、NOx等，受廣泛關(guān)注，因此在今后數(shù)值模擬研究中，可考慮補(bǔ)充這些煙氣成分的計(jì)算數(shù)學(xué)模型，將數(shù)值模擬方法應(yīng)用于爐排爐煙氣污染物治理領(lǐng)域研究。