摘要：採用計算流體力學(CFD)技術，對一臺750t/d的生活垃圾焚燒爐建立模型，模擬爐內的氣相燃燒過程，研究了爐內燃燒過程對二噁英控制及SNCR設計的影響。模擬得到的餘熱鍋爐出口平均煙溫和煙氣組分濃度與設計值符合良好，表明模擬結果合理；焚燒爐煙氣燃燒充分，滿足二噁英控制的要求；餘熱鍋爐高10~26m區域滿足選擇性非催化還原(SNCR)技術的需要。
關鍵詞：垃圾焚燒爐；二噁英；選擇性非催化還原；數值模擬
引言焚燒法是解決城市生活垃圾圍城問題的有效方法。爐排式焚燒爐具有技術可靠、容量大、對垃圾適應性強、執行維護方便等優點，適合中國熱值低、含水率高的垃圾[1]。垃圾焚燒過程會產生二噁英、NOX等汙染物。透過控制煙氣在爐膛內的停留時間和溫度，使垃圾充分燃燒，可以減少二噁英在爐內形成。選擇性非催化還原(SNCR)脫硝技術在垃圾焚燒電廠應用較多，它以爐膛為反應器，把氨還原劑噴入爐膛900~1100的區域內進行脫硝[2]。獲取垃圾焚燒爐爐內溫度和煙氣組分分佈規律是二噁英控制與SNCR技術實施的關鍵。由於垃圾焚燒爐是一個龐大和複雜的系統，很難透過實驗手段對爐內燃燒狀況進行檢測。計算流體力學(CFD)技術花費小，週期短，適用性強，已廣泛應用於垃圾焚燒爐燃燒模擬及SNCR設計[3-5]。
廣州某垃圾焚燒電廠在建的750t/d爐排式垃圾焚燒爐是國內單臺容量最大的焚燒爐，採用SNCR技術進行脫硝。本文利用CFD技術，對焚燒爐的燃燒過程進行數值模擬，研究爐內燃燒過程對二噁英控制及SNCR設計的影響，為SNCR設計提供理論支援，同時為了解和掌握大容量垃圾焚燒爐爐內燃燒過程及其規律，提高同類型鍋爐的設計、執行與改造水平提供有益的參考。
1模擬物件
本文的模擬物件為一臺基於Volund技術製造的機械爐排式垃圾焚燒發電鍋爐，處理能力為750t/d，圖1為垃圾焚燒爐示意圖。爐排為空氣冷卻式，分為4段，每段長3m。一、二段爐排傾斜角度為15，三、四段爐排傾斜角度為7.5。每段爐排都可以單獨地調整它的運動，透過改變頻率和振幅來調整垃圾的混合程度和在爐排上的停留時間。
1-垃圾給料斗；2-爐排；3-吹風；4-出渣口；5-氣相燃燒邊界；6-爐膛；7-餘熱鍋爐；8-二次風吹槍圖1垃圾焚燒爐示意爐排下一次風分別由各自燃燒空氣區單獨控制。爐排燃燒空氣區由一次風單獨調節。二次風透過燃燒室尾部的數個噴嘴直接噴入爐膛內。二次風噴入速度很高(50~90m/s)，以便與煙氣有效混合。2數值模擬方法模擬區域向下至鍋爐冷灰鬥入口，上至餘熱鍋爐頂部，爐膛與餘熱鍋爐高31.6m，爐膛橫截面尺寸為13.9m×9m，餘熱鍋爐橫截面尺寸為5.1m×9m。圖2為垃圾焚燒爐的模擬計算模型，採用Gambit建模，網格劃分採用分塊劃分、區域性加密的方法。在保證計算精度的條件下，減少網格的總體數量，提高了計算速度。採用非結構化的四面體網格，總網格數為815654。
圖2焚燒爐模擬區域與網格劃分利用Fluent軟體來模擬垃圾床層上的氣相燃燒過程。氣相湍流流動採用k-RNG模型，輻射模型選用DO模型，各種氣體組分的質量分數由組分輸運(Species-Transport)模型求解，採用湍流-化學反應相互作用(Eddy-Dissipation)模型來模擬氣相燃燒反應，壁面採用標準壁面函式(Standard-Wall-Functions)來處理。採用SIMPLE演算法求解壓力-速度耦合方程，控制方程的離散採用一階迎風格式，方程採用離散求解。NOX形成模擬採用後處理方法。在模擬中考慮了熱力型NOX和燃料型NOX，熱力型NOX的生成採用廣義的Zeldovich機理進行計算；燃料型NOX以實驗測得的垃圾床層表面NOX濃度作為入口邊界條件，實驗樣品為廣州模化有機垃圾，其幹基組分與工業分析見表1和表2[6]。表1生活垃圾幹基組分%
氣體停留時間模擬採用示蹤方法。在入口處注入示蹤氣體脈衝，在氣體出口處設定監測面，獲得氣相停留時間分佈曲線。本文不考慮垃圾床層的燃燒，以床層表面的實際速度、溫度和組分作為入口邊界條件[7]。使用使用者自定義方程在入口邊界輸入氣相組分質量濃度及溫度的函式，入口CH4、CO、H2、O2、CO2與H2O平均體積分數分別為0.13%、1%、0.01%、10.6%、12.2%與10.6%，入口平均溫度為1056K。入口速度取常數1.7m/s。二次風為常溫壓縮空氣，噴射速度為80m/s，溫度為293.15K。出口邊界採用Outflow方式。
3數值模擬結果與討論3.1爐內燃燒過程模擬結果3.1.1溫度與停留時間分佈圖3為垃圾焚燒爐中心截面的溫度分佈圖。截面平均溫度為1190K，鍋爐整體溫度較高。出口平均溫度為1165K，與設計值1156K符合較好，表明計算比較合理。二次風對氣相燃燒作用明顯，含有可燃揮發分的煙氣與二次空氣充分混合、燃燒，使爐內溫度進一步升高，在二次風噴槍前爐膛中心部位的爐溫最高，最高溫度為1623K。
圖3焚燒爐溫度分佈對於可燃成分是否燃燒完全，煙氣在燃燒室內的停留時間是一個重要的引數[8]。較長的停留時間可使爐內煙氣中的可燃成分獲得最大程度的燃盡。圖4為焚燒爐爐膛內的煙氣停留時間分佈圖。
圖4爐膛氣體的停留時間分佈由圖4可知，大部分煙氣的停留時間為2~5s，煙氣平均停留時間3.7s，煙氣在爐膛內停留時間較長。鍋爐二次風設計比較合理，可提供較好的煙氣混合，使煙氣在爐膛的高溫區停留較長時間，從而使爐膛內可燃組分更有效地燃燒。3.1.2煙氣組分分佈圖5為焚燒過程較為關注的CO與O2質量濃度分佈圖。
圖5焚燒爐CO與O2濃度分佈從CO濃度分佈圖可知，CO主要在二、三段爐排生成，該區域為垃圾焚燒主燃區，溫度最高。主燃區揮發性氣體析出較多，缺氧現象嚴重，燃燒不充分，CO大量生成，並釋放到上層煙氣中，在二次風作用下，與O2混合進行二次燃燒。對比CO和O2濃度圖可以清楚看出，在CO濃度高的地方也是O2含量最少的地方。第4段爐排為燃盡區，爐排上垃圾成分主要為灰渣，垃圾及煙氣中可燃組分較少，CO基本不生成，O2含量較高。另外，通過出口煙氣中的O2含量可以判斷燃燒狀況，當出口煙氣中O2含量較高時，有利於煙氣中可燃組分充分燃燒。從O2濃度分佈圖可看出鍋爐出口處O2充足，體積分數為4.7%，與設計值5%~6%基本吻合，能保證CO等可燃物的充分燃燒。出口處CO燃燒完全，濃度基本為零。3.2爐內過程對二噁英的影響為有效防止二噁英類汙染物的生成，垃圾焚燒爐應滿足煙氣溫度在1123K以上，停留時間大於2s這個標準。由圖3可知，從爐內溫度分佈來看，大部分割槽域溫度在1123K以上，鍋爐的整體溫度滿足二噁英控制的溫度要求。由圖4可知，大部分煙氣的停留時間在2s以上，鍋爐的平均停留時間為3.7s，滿足二噁英控制的停留時間要求。結合圖3、圖4與圖5可知，爐膛內燃燒溫度較高，煙氣停留時間較長，可有效控制二噁英在爐內的生成，同時也有利於可燃組分充分燃燒。3.3爐內過程對SNCR的影響SNCR技術適合於垃圾焚燒煙氣的脫硝。該技術實施的關鍵是選擇合適的溫度區。根據計算結果，可知餘熱鍋爐區溫度滿足SNCR狹窄的溫度窗。因此，選取SNCR設計區域為餘熱鍋爐入口至折焰角區，高度為鍋爐10~26m處，如圖6所示。
圖6SNCR模擬區域及網格劃分3.3.1溫度與停留時間分佈對SNCR的影響SNCR技術脫除NOX效率與反應溫度密切相關，溫度低於或者高於最佳脫硝溫度，脫硝率均迅速下降。圖7為SNCR設計區域的溫度與速度隨高度的分佈圖。由圖7可知，入口處由於燃盡風的噴射，煙氣溫度與速度有較明顯波動。設計區域溫度穩定，滿足SNCR的溫度窗，最低溫度在高17m處，溫度為1211.7K，大於1173K。煙氣速度為3.3~6.8m/s，平均速度為3.9m/s。
圖7溫度和速度隨高度的變化
SNCR噴槍一般採取分層佈置，佈置層數為2~3層，佈置區應選取煙氣速度不是太快的區域。從圖7可以看出，在高10~12m處，煙氣速度較快，不適合佈置SNCR噴槍。而且煙氣速度過快，不利於氨劑對鍋爐截面的有效覆蓋及與煙氣的有效混合。SNCR還原反應中，在合適的反應溫度下，反應時間是保證反應轉化率的重要條件。圖8為SNCR設計區域煙氣平均停留時間。由圖8可知，大部分煙氣停留時間超過2s，平均停留時間為4.5s。根據實驗結果，SNCR反應較適宜停留時間為1.2s左右[9]，為滿足反應時間要求，SNCR噴槍採取兩層佈置的方式，選取的佈置區域為高13m及19m處。
圖8餘熱鍋爐氣體的停留時間分佈圖3.3.2煙氣組分分佈對SNCR的影響根據反應機理分析可知，氨劑及中間產物與NO、O2之間存在競爭反應，O2濃度對還原反應有重要影響。O2濃度過低不利於NO還原反應的進行，但是過高的O2濃度促進了NH3氧化生成NO的反應，削弱了NH3還原NO的反應，使得NO脫除效率降低。圖9為SNCR設計區域NOX與O2隨高度的分佈圖。由圖可知，煙氣中的O2質量分數為4.7%~5.5%，在此範圍內，既可以保證NH3還原NO的反應進行，又不會對NO的脫除效率產生明顯的負面影響。因此，計算區域O2含量可充分滿足SNCR反應的需求。根據初始NO濃度對脫硝效率的影響，初始NOX濃度越高，脫硝效率越大。研究表明，當初始的NOX水平降到100mg/kg以下時，NOX還原效率降低[10]。由圖9可知，NOX的質量濃度為300mg/kg左右，大於100mg/kg，有利於SNCR反應的進行。
圖9NOX和O2濃度隨高度的變化CO能夠使SNCR最佳脫硝溫度向低溫方向移動，但並不能提高SNCR的最大反應效率[11]。由圖5可知，垃圾焚燒鍋爐中CO燃燒十分充分，出口處CO濃度趨近於零，對SNCR過程基本沒有影響。4結論(1)餘熱鍋爐出口平均煙溫和煙氣組分濃度與設計值符合良好，表明模擬結果合理。(2)由垃圾焚燒爐氣體燃燒的溫度分佈圖和氣體在爐膛內的停留時間分佈圖可知，焚燒爐能有效控制二噁英的生成，同時也可以保證可燃組分充分燃燒。(3)焚燒爐高10~26m區域溫度與組分濃度滿足SNCR設計需要。噴槍分2層佈置，選取的佈置區域為高13m及高19m處。以上模擬結果可以為焚燒爐二噁英控制及SNCR設計提供理論支援與參考。待焚燒爐建成後，按照焚燒爐實際燃燒情況，可以對模型進一步修正，以使模型更貼近實際執行狀況。參考文獻略
摘要：採用計算流體力學(CFD)技術，對一臺750t/d的生活垃圾焚燒爐建立模型，模擬爐內的氣相燃燒過程，研究了爐內燃燒過程對二噁英控制及SNCR設計的影響。模擬得到的餘熱鍋爐出口平均煙溫和煙氣組分濃度與設計值符合良好，表明模擬結果合理；焚燒爐煙氣燃燒充分，滿足二噁英控制的要求；餘熱鍋爐高10~26m區域滿足選擇性非催化還原(SNCR)技術的需要。
關鍵詞：垃圾焚燒爐；二噁英；選擇性非催化還原；數值模擬
引言焚燒法是解決城市生活垃圾圍城問題的有效方法。爐排式焚燒爐具有技術可靠、容量大、對垃圾適應性強、執行維護方便等優點，適合中國熱值低、含水率高的垃圾[1]。垃圾焚燒過程會產生二噁英、NOX等汙染物。透過控制煙氣在爐膛內的停留時間和溫度，使垃圾充分燃燒，可以減少二噁英在爐內形成。選擇性非催化還原(SNCR)脫硝技術在垃圾焚燒電廠應用較多，它以爐膛為反應器，把氨還原劑噴入爐膛900~1100的區域內進行脫硝[2]。獲取垃圾焚燒爐爐內溫度和煙氣組分分佈規律是二噁英控制與SNCR技術實施的關鍵。由於垃圾焚燒爐是一個龐大和複雜的系統，很難透過實驗手段對爐內燃燒狀況進行檢測。計算流體力學(CFD)技術花費小，週期短，適用性強，已廣泛應用於垃圾焚燒爐燃燒模擬及SNCR設計[3-5]。
廣州某垃圾焚燒電廠在建的750t/d爐排式垃圾焚燒爐是國內單臺容量最大的焚燒爐，採用SNCR技術進行脫硝。本文利用CFD技術，對焚燒爐的燃燒過程進行數值模擬，研究爐內燃燒過程對二噁英控制及SNCR設計的影響，為SNCR設計提供理論支援，同時為了解和掌握大容量垃圾焚燒爐爐內燃燒過程及其規律，提高同類型鍋爐的設計、執行與改造水平提供有益的參考。
1模擬物件
本文的模擬物件為一臺基於Volund技術製造的機械爐排式垃圾焚燒發電鍋爐，處理能力為750t/d，圖1為垃圾焚燒爐示意圖。爐排為空氣冷卻式，分為4段，每段長3m。一、二段爐排傾斜角度為15，三、四段爐排傾斜角度為7.5。每段爐排都可以單獨地調整它的運動，透過改變頻率和振幅來調整垃圾的混合程度和在爐排上的停留時間。
1-垃圾給料斗；2-爐排；3-吹風；4-出渣口；5-氣相燃燒邊界；6-爐膛；7-餘熱鍋爐；8-二次風吹槍圖1垃圾焚燒爐示意爐排下一次風分別由各自燃燒空氣區單獨控制。爐排燃燒空氣區由一次風單獨調節。二次風透過燃燒室尾部的數個噴嘴直接噴入爐膛內。二次風噴入速度很高(50~90m/s)，以便與煙氣有效混合。2數值模擬方法模擬區域向下至鍋爐冷灰鬥入口，上至餘熱鍋爐頂部，爐膛與餘熱鍋爐高31.6m，爐膛橫截面尺寸為13.9m×9m，餘熱鍋爐橫截面尺寸為5.1m×9m。圖2為垃圾焚燒爐的模擬計算模型，採用Gambit建模，網格劃分採用分塊劃分、區域性加密的方法。在保證計算精度的條件下，減少網格的總體數量，提高了計算速度。採用非結構化的四面體網格，總網格數為815654。
圖2焚燒爐模擬區域與網格劃分利用Fluent軟體來模擬垃圾床層上的氣相燃燒過程。氣相湍流流動採用k-RNG模型，輻射模型選用DO模型，各種氣體組分的質量分數由組分輸運(Species-Transport)模型求解，採用湍流-化學反應相互作用(Eddy-Dissipation)模型來模擬氣相燃燒反應，壁面採用標準壁面函式(Standard-Wall-Functions)來處理。採用SIMPLE演算法求解壓力-速度耦合方程，控制方程的離散採用一階迎風格式，方程採用離散求解。NOX形成模擬採用後處理方法。在模擬中考慮了熱力型NOX和燃料型NOX，熱力型NOX的生成採用廣義的Zeldovich機理進行計算；燃料型NOX以實驗測得的垃圾床層表面NOX濃度作為入口邊界條件，實驗樣品為廣州模化有機垃圾，其幹基組分與工業分析見表1和表2[6]。表1生活垃圾幹基組分%
氣體停留時間模擬採用示蹤方法。在入口處注入示蹤氣體脈衝，在氣體出口處設定監測面，獲得氣相停留時間分佈曲線。本文不考慮垃圾床層的燃燒，以床層表面的實際速度、溫度和組分作為入口邊界條件[7]。使用使用者自定義方程在入口邊界輸入氣相組分質量濃度及溫度的函式，入口CH4、CO、H2、O2、CO2與H2O平均體積分數分別為0.13%、1%、0.01%、10.6%、12.2%與10.6%，入口平均溫度為1056K。入口速度取常數1.7m/s。二次風為常溫壓縮空氣，噴射速度為80m/s，溫度為293.15K。出口邊界採用Outflow方式。
3數值模擬結果與討論3.1爐內燃燒過程模擬結果3.1.1溫度與停留時間分佈圖3為垃圾焚燒爐中心截面的溫度分佈圖。截面平均溫度為1190K，鍋爐整體溫度較高。出口平均溫度為1165K，與設計值1156K符合較好，表明計算比較合理。二次風對氣相燃燒作用明顯，含有可燃揮發分的煙氣與二次空氣充分混合、燃燒，使爐內溫度進一步升高，在二次風噴槍前爐膛中心部位的爐溫最高，最高溫度為1623K。
圖3焚燒爐溫度分佈對於可燃成分是否燃燒完全，煙氣在燃燒室內的停留時間是一個重要的引數[8]。較長的停留時間可使爐內煙氣中的可燃成分獲得最大程度的燃盡。圖4為焚燒爐爐膛內的煙氣停留時間分佈圖。
圖4爐膛氣體的停留時間分佈由圖4可知，大部分煙氣的停留時間為2~5s，煙氣平均停留時間3.7s，煙氣在爐膛內停留時間較長。鍋爐二次風設計比較合理，可提供較好的煙氣混合，使煙氣在爐膛的高溫區停留較長時間，從而使爐膛內可燃組分更有效地燃燒。3.1.2煙氣組分分佈圖5為焚燒過程較為關注的CO與O2質量濃度分佈圖。
圖5焚燒爐CO與O2濃度分佈從CO濃度分佈圖可知，CO主要在二、三段爐排生成，該區域為垃圾焚燒主燃區，溫度最高。主燃區揮發性氣體析出較多，缺氧現象嚴重，燃燒不充分，CO大量生成，並釋放到上層煙氣中，在二次風作用下，與O2混合進行二次燃燒。對比CO和O2濃度圖可以清楚看出，在CO濃度高的地方也是O2含量最少的地方。第4段爐排為燃盡區，爐排上垃圾成分主要為灰渣，垃圾及煙氣中可燃組分較少，CO基本不生成，O2含量較高。另外，通過出口煙氣中的O2含量可以判斷燃燒狀況，當出口煙氣中O2含量較高時，有利於煙氣中可燃組分充分燃燒。從O2濃度分佈圖可看出鍋爐出口處O2充足，體積分數為4.7%，與設計值5%~6%基本吻合，能保證CO等可燃物的充分燃燒。出口處CO燃燒完全，濃度基本為零。3.2爐內過程對二噁英的影響為有效防止二噁英類汙染物的生成，垃圾焚燒爐應滿足煙氣溫度在1123K以上，停留時間大於2s這個標準。由圖3可知，從爐內溫度分佈來看，大部分割槽域溫度在1123K以上，鍋爐的整體溫度滿足二噁英控制的溫度要求。由圖4可知，大部分煙氣的停留時間在2s以上，鍋爐的平均停留時間為3.7s，滿足二噁英控制的停留時間要求。結合圖3、圖4與圖5可知，爐膛內燃燒溫度較高，煙氣停留時間較長，可有效控制二噁英在爐內的生成，同時也有利於可燃組分充分燃燒。3.3爐內過程對SNCR的影響SNCR技術適合於垃圾焚燒煙氣的脫硝。該技術實施的關鍵是選擇合適的溫度區。根據計算結果，可知餘熱鍋爐區溫度滿足SNCR狹窄的溫度窗。因此，選取SNCR設計區域為餘熱鍋爐入口至折焰角區，高度為鍋爐10~26m處，如圖6所示。
圖6SNCR模擬區域及網格劃分3.3.1溫度與停留時間分佈對SNCR的影響SNCR技術脫除NOX效率與反應溫度密切相關，溫度低於或者高於最佳脫硝溫度，脫硝率均迅速下降。圖7為SNCR設計區域的溫度與速度隨高度的分佈圖。由圖7可知，入口處由於燃盡風的噴射，煙氣溫度與速度有較明顯波動。設計區域溫度穩定，滿足SNCR的溫度窗，最低溫度在高17m處，溫度為1211.7K，大於1173K。煙氣速度為3.3~6.8m/s，平均速度為3.9m/s。
圖7溫度和速度隨高度的變化
SNCR噴槍一般採取分層佈置，佈置層數為2~3層，佈置區應選取煙氣速度不是太快的區域。從圖7可以看出，在高10~12m處，煙氣速度較快，不適合佈置SNCR噴槍。而且煙氣速度過快，不利於氨劑對鍋爐截面的有效覆蓋及與煙氣的有效混合。SNCR還原反應中，在合適的反應溫度下，反應時間是保證反應轉化率的重要條件。圖8為SNCR設計區域煙氣平均停留時間。由圖8可知，大部分煙氣停留時間超過2s，平均停留時間為4.5s。根據實驗結果，SNCR反應較適宜停留時間為1.2s左右[9]，為滿足反應時間要求，SNCR噴槍採取兩層佈置的方式，選取的佈置區域為高13m及19m處。
圖8餘熱鍋爐氣體的停留時間分佈圖3.3.2煙氣組分分佈對SNCR的影響根據反應機理分析可知，氨劑及中間產物與NO、O2之間存在競爭反應，O2濃度對還原反應有重要影響。O2濃度過低不利於NO還原反應的進行，但是過高的O2濃度促進了NH3氧化生成NO的反應，削弱了NH3還原NO的反應，使得NO脫除效率降低。圖9為SNCR設計區域NOX與O2隨高度的分佈圖。由圖可知，煙氣中的O2質量分數為4.7%~5.5%，在此範圍內，既可以保證NH3還原NO的反應進行，又不會對NO的脫除效率產生明顯的負面影響。因此，計算區域O2含量可充分滿足SNCR反應的需求。根據初始NO濃度對脫硝效率的影響，初始NOX濃度越高，脫硝效率越大。研究表明，當初始的NOX水平降到100mg/kg以下時，NOX還原效率降低[10]。由圖9可知，NOX的質量濃度為300mg/kg左右，大於100mg/kg，有利於SNCR反應的進行。
圖9NOX和O2濃度隨高度的變化CO能夠使SNCR最佳脫硝溫度向低溫方向移動，但並不能提高SNCR的最大反應效率[11]。由圖5可知，垃圾焚燒鍋爐中CO燃燒十分充分，出口處CO濃度趨近於零，對SNCR過程基本沒有影響。4結論(1)餘熱鍋爐出口平均煙溫和煙氣組分濃度與設計值符合良好，表明模擬結果合理。(2)由垃圾焚燒爐氣體燃燒的溫度分佈圖和氣體在爐膛內的停留時間分佈圖可知，焚燒爐能有效控制二噁英的生成，同時也可以保證可燃組分充分燃燒。(3)焚燒爐高10~26m區域溫度與組分濃度滿足SNCR設計需要。噴槍分2層佈置，選取的佈置區域為高13m及高19m處。以上模擬結果可以為焚燒爐二噁英控制及SNCR設計提供理論支援與參考。待焚燒爐建成後，按照焚燒爐實際燃燒情況，可以對模型進一步修正，以使模型更貼近實際執行狀況。參考文獻略