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10t/h垃圾焚烧锅炉炉内过程数值分析
发布时间：2013-07-06 07:58 来源：未知
1、引言
采用垃圾焚烧锅炉，将垃圾在锅炉内焚烧，利用焚烧的热量产生蒸汽，用于供热和发电，是解决垃圾问题的有效途径，也是近30年发展起来的新技术。造纸垃圾焚烧锅炉主要用于燃烧造纸厂生产过程中产生的废弃物，如麦秸、草末、废纸等，使用工业锅炉燃烧造纸垃圾的技术在国内刚刚开始，专门的生产厂家还没有，大多属于锅炉制造厂的附属产品，其系统构成、性能、效果、可靠性、稳定性、环保指标等方面均有许多不足，目前存在的问题主要有燃烧效率低、污染物排放浓度高，除了运行管理不当外，还与锅炉的设计水平有很大关系。
而改善锅炉的设计、运行水平的一个有效途径就是强化燃烧，锅炉的燃烧过程十分复杂，它涉及到湍流流动、传热传质、燃烧释热等过程，理论解析相当困难。在过去几十年中，燃烧技术的发展主要基于锅炉运行所积累的经验以及一些小规模试验装置所测得的数据，这些经验和数据有极大的局限性，随着计算机技术的不断发展，燃烧过程的数值模拟已经成为燃烧理论研究和燃烧装置设计的重要手段，它能够详细地模拟出炉内燃烧所产生的温度场、速度场以及各种组分的分布等，富通新能源销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗粒机压制的木屑生物质颗粒燃料。
本文以一台SZL10 -1.25 - MJ型锅炉为对象，对锅炉的炉内过程进行模拟。模拟过程中，选用比较合适的数学物理模型和几何结构模型，得出了炉膛内的速度场、温度场、压力场及气相浓度场的分布情况。
2、物理模型
2.1物理模型
现己推出的SZL10 -1.25 - MJ造纸垃圾焚烧锅炉采用双纵锅筒、组装水管、小链条炉排的结构型式，锅炉本体上部大件采用上汽包长、下汽包短的双锅筒纵向布置结构，以汽包中心为对称轴，利用对流管束、水冷壁、下降管将锅炉上下汽包、下集箱等受压元件组成一个整体，不需另设钢架支撑。该锅炉在设计上利用了高温高速烟气的特点，科学合理地设计了炉内旋风除尘燃尽室结构，燃尽室内有一个凸起的圆形出口，高温烟气在旋风燃尽室内产生强烈的旋转，使烟气中的可燃气体及燃料与烟气中的氧气强烈混合，有利于燃烧过程的顺利进行，提高了燃烧效率，降低了原始烟尘排放浓度。
2.2模拟对象的设计参数
SZL10 -1.25 - MJ造纸垃圾焚烧锅炉的设计参数如表1所示。
所用燃料各元素的应用基含量、挥发分和其低位发热量如表2所示。
3、数学模型
炉内燃烧过程是伴随着强烈的物质和能量交换的湍流流动过程，它包括水分蒸发、挥发分的释放、焦炭的燃烧、辐射传热气相流动，涉及流体动力学、传热传质及燃烧等多个学科。本文采用适用范围广的标准k一ε湍流模型模拟气相湍流输运，用P-l辐射模型（P -1 radiation model）计算辐射传热。
4、边界条件
4.1入口边界条件
由于链条炉燃料层的燃烧过程极其复杂，本文不考虑燃料的燃烧，以燃料层上表面气体的实际速度、温度和组分作为入口边界条件。
4.2出口边界条件
出口边界定在炉膛的出口截面，本文把出口边界条件取为压力出口条件( Pressure outlet boundarycondition)。显然，炉膛出口截面上的压力比速度容易确定，考虑到实际设计中锅炉炉膛一般处于负压运行，因而取出口压力为- 50Pa（表压力）。
4.3 固壁边界条件
在炉膛壁面附近，由于流体的输运性质发生剧烈变化，需要考虑湍流输运的减弱和层流输运的增强对流体输运性质的影响。为了保证计算精度，同时避免壁面附近过细的网格划分，本文采用成熟的壁面函数法( Wall function method)来考虑壁面的影响。
5、数值模拟结果及分析
以一台SZL10 -1.25 - MJ造纸垃圾焚烧锅炉为例，模拟出锅炉运行时炉膛的温度场、压力场、速度场、密度场、辐射特性、湍流特性及燃烧产物各组分如02、N2、C0、C02、H2、CH。的浓度场等，为研究炉内过程提供了依据，其中炉膛温度场、O，浓度场、CO，浓度场、压力场及炉膛出口处的温度分布和速度分布如图1~图6所示。
燃料在进入炉膛后，受到辐射加热，开始烘干和析出挥发分，继之着火和燃尽，很明显，以上各阶段是沿炉排长度相继进行的。燃料被烘干，析出挥发分以至挥发分着火的区段称之为准备区段，在这个区段中燃料层需要吸热，热量的供应主要依靠炉膛中火焰和高温炉墙的辐射热，整体温度较低，图1中炉膛左下部的温度在700~ 900K。当进一步加热，燃料被加热到着火温度，引起燃烧，于是燃料层进入主要燃烧阶段，这个区域的温度很高，在炉膛的中下部达到1300K，燃烧相当强烈。最后为燃尽阶段，此处，燃料燃尽形成灰渣，称为灰渣燃尽区段，温度也逐渐下降，但由于主燃区温度的扩散，温度下降不是很明显。
在链条炉中，由于燃料是沿炉排长度分区段燃烧的，因此从火床中放出的气体，其成分也是沿炉排长度不断改变的。燃料受到加热烘干时，通过燃料层空气中氧气的浓度基本上保持不变，其容积成分约为21%，然后挥发分不断析出，开始着火燃烧，放出CO、C02，因此炉排上部气体中氧气的成分减少以至为0，当燃烧结束，不再需要氧气，氧气的含量又增加，图2表现出了氧气浓度由大到小再到大的变化趋势。
图3为炉膛内部的CO．浓度分布。燃料进入炉膛受到加热烘干时，没有产生CO2，然后开始着火燃烧，放出CO，，炉排上部气体中CO2成分不断增加。反应消耗了大量的氧气，直至耗尽，与此相对应的，出现了第一个CO2最高点。其后，随着主要燃烧区段中还原区的出现和加厚，气体中CO和H，成分不断增多，CO2成分逐渐减少，缺氧情况相当严重，以至连挥发分中的可燃气体也无法燃尽，随着燃料层部分烧成灰渣，当还原区消失时，出现了第二个CO，最高点。此后，灰渣不断增多，CO2产生量减少，所需氧气量减少，因此燃料层上氧气成分不断增加，而CO，成分不断减少。
为了防止烟气的泄漏和向外喷火，锅炉要求微负压运行，一般负压量在几十帕斯卡左右，图4中整个炉膛的表压力在-45~-55Pa之间，炉膛出口的表压力在-49.5~-50.3Pa之间，较符合实际情况。
炉膛出口参数是锅炉设计运行的重要指标，也是人们所关心的，SZL10 -1.25 - MJ垃圾焚烧锅炉炉膛出口的烟气温度、速度沿高度方向的分布情况如下所述。
该锅炉设计炉膛出口烟温为1173K，在运行中，经实际测量得到出口烟温在1070~1200K之间。图5中横坐标为炉膛出口从上到下的距离，整个炉膛出口高度为1.2 m。可以看出，随着高度的降低炉膛出口的烟温逐渐升高，最低温度为1163K，最高温度为1238K，无论从定性上还是从定量上，模拟结果都表现出了与设计值及测试值较好的一致性。
在10t/h垃圾焚烧锅炉运行中，经测量炉膛出口烟气的速度为4~5m/s。图6中横坐标的意义同图5中一样，随着高度的降低出口速度逐渐减小，最大速度为5.1 m/s，最小速度为3.3m/s，但绝大部分在4~5m/s，速度在4 m/s以下的则集中在距炉膛顶部1.05～1.2 m的下部出口处，因此该模拟结果是可以接受的。
6、结论
本文用所建模型预测了SZL10 -1.25 - MJ造纸垃圾焚烧锅炉的炉内过程，得到了锅炉运行中炉膛的温度场、压力场以及炉膛出口的温度和速度分布，定性上合理，定量上接近，所预测的各参数的变化趋势也能够从实际测量中得到验证。从模拟的气相浓度图中可以看出，在炉排的头、尾两区段，燃料层内气体氧气有余，而在中部区段，氧气却相当缺乏。建议在以后的锅炉设计中可以考虑根据氧气的实际需要量分段送风，即在头、尾两段减少风量，而在中部增加风量，以满足燃料完全燃烧所需要的氧气量。
总之，该模拟结果为了解和掌握造纸垃圾焚烧锅炉炉内过程及其规律，提高该锅炉的设计、运行与改造水平提供了参考。
