爐排垃圾焚燒爐燃燒系統(tǒng)仿真研究

李 祥,王廷舉,許加達(dá)

(1.安徽皖能環(huán)保發(fā)電有限公司,安徽 合肥 230000;2.博努力(北京)仿真技術(shù)有限公司,北京 100085)

城市生活垃圾的處理問題是目前環(huán)保領(lǐng)域廣泛存在的問題,各地紛紛建設(shè)垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組,通過焚燒垃圾實(shí)現(xiàn)垃圾無害化處理、減產(chǎn)、資源化利用,而相關(guān)的從業(yè)人員(尤其是機(jī)組的運(yùn)行人員)缺乏垃圾焚燒爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),急需通過培訓(xùn)來提高從業(yè)人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn),建立垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組的仿真培訓(xùn)系統(tǒng)是較為有效的方法[1-6]。

垃圾焚燒機(jī)組仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是垃圾焚燒爐的燃燒系統(tǒng)仿真建模,垃圾焚燒爐燃燒過程的數(shù)值模擬已被充分記錄[7-14],大多使用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFD來進(jìn)行模擬計(jì)算,但這些CFD模型均是從機(jī)理上探討垃圾焚燒爐的燃燒問題,如溫度場的分布、燃燒產(chǎn)物組分、爐內(nèi)的換熱等,沒有從實(shí)時(shí)仿真的角度來討論。文獻(xiàn)[13]建立了垃圾焚燒爐5個(gè)區(qū)域的質(zhì)量或能量仿真模型,并進(jìn)行仿真計(jì)算,取得了良好的效果。但沒有給出相對(duì)完整的仿真模型,而且不同區(qū)域采用不同的方程,在仿真計(jì)算中存在大量的模型切換,很難保證模型運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性。

本文以某電廠爐排型垃圾焚燒爐為研究對(duì)象,開發(fā)的垃圾焚燒爐的燃燒系統(tǒng)仿真模型包括物料質(zhì)量平衡模型、垃圾的干燥、揮發(fā)分析出與爐內(nèi)流動(dòng)、碳燃燒反應(yīng)模型、能量平衡方程的仿真模型。通過全工況的仿真計(jì)算,表明該模型良好地模擬了垃圾焚燒爐的燃燒過程,該項(xiàng)目已通過驗(yàn)收,正式投入運(yùn)行。

1 仿真對(duì)象簡介

1.1 垃圾焚燒爐基本結(jié)構(gòu)

某電廠垃圾焚燒機(jī)組由2臺(tái)500 t/d焚燒爐組成。爐型為馬丁逆推傾斜式,整個(gè)爐排片向下傾斜,無階段下降,爐排片前方設(shè)有通風(fēng)口,有自清潔作用,固定排片與移動(dòng)排片處于上下重疊的位置,爐排片的交互配置呈階梯狀,由于重力原因,垃圾的位置會(huì)持續(xù)下降,會(huì)導(dǎo)致存在爐排底部的垃圾出現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)推力的現(xiàn)象,從而沖至上層進(jìn)行達(dá)到翻攪、攪拌和混合,在此過程中,能夠與空氣充分的接觸,從而實(shí)現(xiàn)完全燃燒。焚燒爐爐排寬度為9 m,長度為9.745 m,設(shè)計(jì)垃圾在1/3長度上即能完成燃燒,而剩下的爐排用于后燃燒,為垃圾在爐內(nèi)提供了充分的停留時(shí)間,對(duì)垃圾的干燥、燃燒、燃盡提供了可靠保證。

1.2 垃圾的成分說明

入焚燒爐的垃圾是城市生活垃圾,包括居民生活垃圾和城市道路清掃保潔垃圾。垃圾的工業(yè)分析如表1所示。

表1 垃圾工業(yè)分析結(jié)果 %

2 垃圾焚燒爐燃燒仿真模型

2.1 模型及簡化假設(shè)

燃燒仿真模型需要適用機(jī)組全工況運(yùn)行過程,且滿足仿真培訓(xùn)的實(shí)時(shí)性要求,本文采用分段計(jì)算的方法,將爐排分為120個(gè)子段,其中包括干燥段、燃燒段、燃盡段三個(gè)大段,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化分配,建立一套統(tǒng)一的適用于每個(gè)子段的質(zhì)量、能量、燃燒等相關(guān)方程,仿真計(jì)算時(shí)不存在模型的切換問題,保證了動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算的連續(xù)性。

對(duì)于垃圾焚燒爐的燃燒模型建立,做了以下幾個(gè)簡化假設(shè):

(1)燃料在前進(jìn)過程中,全程保持均勻姿態(tài),前進(jìn)方向穩(wěn)定與爐排運(yùn)動(dòng)方向保持同步;

(2)爐內(nèi)熱量的傳遞和氣固流動(dòng)的變化速率在同一數(shù)量級(jí);

(3)不考慮空氣與煙氣的紊流流動(dòng);

(4)熱解的產(chǎn)物主要為CO和H2;

(5)碳的燃燒速率與氧氣的擴(kuò)散速率具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,且在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量CO與CO2。

圖1為經(jīng)過簡化的焚燒爐燃燒仿真模型圖。

圖1 焚燒爐燃燒系統(tǒng)仿真模型圖

2.2 數(shù)學(xué)模型建立

1)垃圾的干燥過程

垃圾進(jìn)入爐內(nèi)的初始階段是受熱干燥,水分的蒸發(fā)量與所處區(qū)域的熱量變化成正比。

(1)

式中:Wwi為i子段的水分蒸發(fā)量,kg/s;Qpi為i子段熱量的變化量,kJ/s;Mi為i子段垃圾的質(zhì)量,kg/s;cp為垃圾的定壓比熱容,kJ/(kg·℃);Ts為水的飽和溫度,℃;ti為i子段垃圾料層的溫度,℃;r為水的汽化潛熱,kJ/kg。當(dāng)垃圾溫度大于水的飽和溫度時(shí),垃圾水分的蒸發(fā)量為Wwi=Qpi/r。

2)揮發(fā)分的析出過程

垃圾的揮發(fā)分析出過程十分復(fù)雜,垃圾熱解的速度隨著溫度的升高而加快,一般從200 ℃開始熱解,當(dāng)接近300 ℃時(shí),熱解速度達(dá)到最大,隨后降低[15-16]。垃圾焚燒揮發(fā)分釋放的累積份額與熱解時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系:

(2)

式中:t為熱解時(shí)間,s;Vi為t時(shí)刻i子段已釋放的揮發(fā)分總量,%;Vio為i子段原始揮發(fā)分的量,%;a和b為與垃圾的性質(zhì)及爐溫有關(guān)的參數(shù)。

3)碳燃燒的模擬

基于碳顆粒表面積的整體反應(yīng)速率模型和碳表面積的本征反應(yīng)速率模型,碳的非均相反應(yīng)速率可用來描述碳的燃燒過程,碳燃燒的機(jī)理建模可以準(zhǔn)確反映垃圾中的碳燃盡過程,并準(zhǔn)確模擬爐排料層溫度分布、灰渣含碳量等。

碳是一種多孔顆粒,在垃圾焚燒爐條件下的燃燒主要受氧氣的擴(kuò)散控制,選用的模型不同,碳反應(yīng)速率模型也有所不同。模型采用的碳反應(yīng)模型如下。

(3)

式中:dci為i子段碳顆粒的粒徑,m;c1i為i子段顆粒相氧氣濃度,kmol/m3;kc為碳的燃燒反應(yīng)速率常數(shù),m/s。

碳的燃燒反應(yīng)速率常數(shù)與氧氣擴(kuò)散速率和碳燃燒的本征反應(yīng)速率有關(guān):

(4)

碳燃燒的本征反應(yīng)速率ks可以用Arrhenius公式表示,由于物料的不同,燃燒產(chǎn)生的碳也存在一定差異,具體表現(xiàn)在本征反應(yīng)活化能E和因子k0。仿真建模中,ks可以表示如下:

(5)

式中:k0為熱解速率常數(shù);E為活化能;R為氣體摩爾常數(shù),8.314 J/(mol·K);T為熱力學(xué)溫度,K。

4)碳質(zhì)量平衡方程

垃圾焚燒爐在運(yùn)行過程中,隨著垃圾不斷加入,其碳質(zhì)量與燃燒反應(yīng)消耗的碳質(zhì)量會(huì)直接影響到物料的碳質(zhì)量動(dòng)態(tài)平衡,由于在燃燒過程中存在飛灰與排渣的現(xiàn)象,因此還需要考慮碳質(zhì)量損失Wfli。

(6)

式中:Mci為i子段碳的總質(zhì)量,kg;Ci為從上一段流入的物料含碳量;Rci為i子段碳的燃燒反應(yīng)速率,kg/s;β為物料的平均含碳量,kg/s;Wii為流入i子段垃圾質(zhì)量,kg/s;Wouti為流出i子段的垃圾量,kg/s。

5)能量平衡方程

在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量飛灰與灰渣,從而導(dǎo)致熱量大幅度被帶走,其中包括揮發(fā)分燃燒釋放的熱量、對(duì)受熱面釋放的熱量、料碳燃燒釋放的熱量以及垃圾熱解吸收的熱量,這是由于能量平衡方程中對(duì)送風(fēng)袋的物理熱進(jìn)行了考慮。

(7)

式中:Ti為爐溫, ℃;Qci為燃料碳燃燒放出的熱量,kJ/s;Qairi為空氣的物理熱,kJ/s;Qsi為垃圾的物理熱,kJ/s;Qouti為灰渣和飛灰?guī)ё叩臒崃?kJ/s;Qri為對(duì)受熱面的放熱量,kJ/s;Qvi為揮發(fā)分燃燒放出的熱量,kJ/s;Qpi為垃圾熱解吸收的熱量,kJ/s。

6)物料的質(zhì)量平衡方程

(8)

式中:Wii為進(jìn)入i子段的垃圾質(zhì)量流量,kg/s;Woi為流出i子段的質(zhì)量流量,kg/s;R為i子段反應(yīng)的流量(最好與前面的反應(yīng)常數(shù)R區(qū)分開),kg/s;Wleaki為i子段的泄漏量,kg/s。

7)爐排運(yùn)動(dòng)模擬

隨著爐排的運(yùn)動(dòng),單位時(shí)間進(jìn)入爐膛的垃圾量,等于垃圾的厚度及爐排的運(yùn)動(dòng)速度的乘積。

Wii=LHiVρi

(9)

式中:Wii為進(jìn)入i子段的垃圾量,kg/s;L為爐排的寬度,m;Hi為i子段垃圾的厚度,m;V為爐排的運(yùn)動(dòng)速度,m/s;ρi為i子段垃圾的堆積密度,kg/m3。

8)爐內(nèi)空氣與煙氣流動(dòng)方程

爐內(nèi)空氣的流動(dòng)對(duì)燃燒的影響十分復(fù)雜,各區(qū)域的空氣與燃燒產(chǎn)物的流動(dòng)狀態(tài)通過流體網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)求解,計(jì)算爐內(nèi)的各點(diǎn)壓力分布,以及各區(qū)域的質(zhì)量傳遞,雖然相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力與流量可表述為

p1-p2=f(Wgas)

(10)

式中:p1、p2、Wgas分別為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的壓力及質(zhì)量流量,但由于燃燒產(chǎn)物的組分很復(fù)雜,需要構(gòu)建相對(duì)復(fù)雜的f(Wgas)函數(shù),不在此處詳細(xì)討論。

上述模型對(duì)每一個(gè)子段均適應(yīng),通過這些子段模型的計(jì)算,可以得到各個(gè)子段的物理量,如揮發(fā)分、水份、物料、爐溫、能量等均可計(jì)算出來,可以很容易地得到這些物理量的分布情況。將各個(gè)子段的物理量求和,便可得到某一時(shí)刻的水份的蒸發(fā)、揮發(fā)分的析出總量,以及垃圾燃燒釋放的總能量等。

2.3 仿真模型開發(fā)

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型,通過離散化后,二次建模在模擬器中獲得實(shí)際運(yùn)行仿真模型,并在PowerBuilder多分量熱力系統(tǒng)圖形建模環(huán)境下建立了垃圾焚燒爐燃燒系統(tǒng)的仿真模型。為了便于仿真模型的搭建,將爐膛封裝為一個(gè)大模塊,留有配風(fēng)、垃圾、煙氣、換熱等相關(guān)輸入、輸出參數(shù)接口。模型內(nèi)部的計(jì)算會(huì)自動(dòng)將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以滿足各子段模型計(jì)算的需要。這種方式既簡化了仿真建模的復(fù)雜性,又不影響分布式模型的計(jì)算精度。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行

仿真系統(tǒng)在滿工況運(yùn)行下,依據(jù)機(jī)組的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整,具體的參數(shù)如表2所示。

表2 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

按上述參數(shù)調(diào)整后,垃圾焚燒鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定后,記錄各參數(shù)如表3所示。

表3 機(jī)組仿真運(yùn)行參數(shù)

由表3可以看出,燃燒段料層平均溫度、燃燒段上方爐內(nèi)煙氣溫度、焚燒爐出口煙氣溫度的仿真值與設(shè)計(jì)值的誤差均在1%以內(nèi),出口含氧量與設(shè)計(jì)值的誤差僅為3.7%,排煙溫度也在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),表明仿真模型較好地反應(yīng)了垃圾焚燒爐內(nèi)的燃燒與傳熱狀況。

沿爐排運(yùn)動(dòng)的方向,揮發(fā)分析出量的分布如圖2所示,和已有文獻(xiàn)所述的大約在爐排的中間位置(約為L=5 m)達(dá)到最大值不同。揮發(fā)分析出的仿真模型在L=2.5 m處析出量為最大值,然后逐步減少。這是因?yàn)樵谟趯?shí)際焚燒爐在運(yùn)行時(shí),為了便于垃圾盡早著火,調(diào)整了風(fēng)量分配,使垃圾的干燥段較短,垃圾入爐后揮發(fā)分析出得較早。同時(shí)該處上方燃燒產(chǎn)物的溫度相應(yīng)的也有較快上升,表明揮發(fā)分在該區(qū)域快速析出,并燃燒放熱。

圖2 沿爐排運(yùn)動(dòng)方向揮發(fā)分的析出曲線

沿爐排運(yùn)動(dòng)方向,滿載運(yùn)行時(shí),料層的溫度分布如圖3所示。在L<2.0 m時(shí),料層處于干燥段,溫度較低;L>2.0 m后,爐溫快速升高,揮發(fā)分快速大量析出,燃燒劇烈;從L=2.0～5.0 m,爐排處于燃燒段,料層溫度達(dá)到最大值。從L=5.0 m到尾端,爐排處于燃盡段,料層溫度逐步降低,燃盡段的長度較長,物料在爐內(nèi)的停留時(shí)間足夠長,可以達(dá)到垃圾充分燃燒的目的。模擬結(jié)果與焚燒爐的設(shè)計(jì)相一致。

圖3 沿爐排運(yùn)動(dòng)方向料層的溫度分布

3.2 垃圾量的階躍變化

從穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況,將垃圾供給量減少20%,即將垃圾量從22.5 t/h減少到18 t/h,爐內(nèi)各區(qū)域的溫度分布有明顯減少,但燃燒仍比較穩(wěn)定,爐膛出口煙氣溫度、煙氣的含氧量也有較大變化,如圖4所示。

圖4 垃圾量階躍20%的爐溫曲線圖

由于爐內(nèi)物料的堆積量較大,階躍減少20%的垃圾供應(yīng)量后,在大約30 min內(nèi),各參數(shù)的變化不大,之后開始有明顯變化,燃燒室的溫度由1 009 ℃,逐步減少到930 ℃,爐膛出口煙溫從930 ℃減少到865 ℃,煙氣的含氧量也有較大變化,從6.74%增大到9.5%。而鍋爐的蒸發(fā)量也相應(yīng)減少至11.2 kg/s,過熱蒸汽溫度減少至395 ℃,這些數(shù)據(jù)的變化表明燃料量階躍響應(yīng)的仿真結(jié)果基本符合預(yù)期,同時(shí)實(shí)際機(jī)組近似工況的運(yùn)行數(shù)據(jù)也比較貼近,如圖5所示。

圖5 垃圾量階躍20%的氧量曲線

3.3 垃圾的性質(zhì)改變

當(dāng)改變垃圾的性質(zhì),將入爐垃圾的熱值(爐前的垃圾熱值)從7 000 kJ/kg,改變?yōu)? 600 kJ/kg(熱值減少20%)。由于實(shí)際機(jī)組的燃料調(diào)節(jié)靠手動(dòng)完成,因此階躍實(shí)驗(yàn)時(shí)仿真模型的燃料量設(shè)定保持不變。燃燒段的溫度、爐膛出口煙溫及出口氧量的變化如下:階躍實(shí)驗(yàn)開始后,由于爐內(nèi)的垃圾堆積量較大,各參數(shù)沒有明顯變化,大約30 min后,新增垃圾達(dá)到10～12 t時(shí),各參數(shù)開始有明顯變化,燃燒段溫度從1 009 ℃逐步降低到800 ℃,出口煙氣溫度由930 ℃下降到800 ℃左右,出口煙氣的含氧量由6.74逐步升高到9.7左右。然后焚燒爐內(nèi)的燃燒達(dá)到新的平衡,運(yùn)行穩(wěn)定,如圖6所示。表明垃圾焚燒的燃燒特性良好,可以燃燒熱值變化較大的城市垃圾。

圖6 熱值階躍,出口煙氣溫度的變化

比較垃圾供給量與垃圾熱值的兩個(gè)階躍實(shí)驗(yàn)(見圖7),由于爐排的配風(fēng)閥門處于全開位置(與實(shí)際機(jī)組的運(yùn)行相同),在垃圾量減小時(shí),爐排的速度也變慢,由每小時(shí)21圈降為每小時(shí)19圈,垃圾的堆積厚度變化不大,因此,這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的爐排配風(fēng)量變化不大,爐排的溫度、出口煙氣的含氧量的變化結(jié)果也都近似。表明不論是改變?nèi)霠t的垃圾量或燃用不同熱值類型的垃圾,只要入爐的垃圾總熱量一樣,仿真模型計(jì)算的總熱量基本保持不變。

圖7 熱值階躍,出口氧量的變化

4 結(jié) 語

本文針對(duì)垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組仿真培訓(xùn)的需求,建立了分布式垃圾焚燒爐的燃燒仿真模型。從垃圾焚燒爐運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)參數(shù),爐內(nèi)煙氣溫度分布及出口煙氣溫度,煙氣的含氧量;以及垃圾量、垃圾熱值的階躍變化的仿真結(jié)果來看,所建立的燃燒仿真模型基本與實(shí)際垃圾爐的運(yùn)行狀態(tài)一致,滿足垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組培訓(xùn)的要求。同時(shí),可用于垃圾 焚燒爐的性能預(yù)測與設(shè)計(jì)研究。