CFD 在大型垃圾焚烧炉优化设计中的应用(1023) - 图文

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CFD在大容量垃圾焚烧炉优化设计中的应用

张卫

(广州环保投资有限公司，广州 510660)

摘 要：本文简单介绍了计算流体力学CFD使用步骤，并通过CFD中的FLUENT对垃圾焚烧炉燃烧模拟的案例，分析烟气流分布对热传递、烟气停留时间、锅炉磨损等因素的影响；从而优化焚烧炉的设计、改善烟气流动速度、控制烟气排放、并可增加垃圾焚烧容量。 关键词：计算流体力学(CFD)，大容量垃圾焚烧炉，烟气流

The Application of CFD in the Design of Large Capacity Waste to

Energy Furnace

Zhang Wei

( Guangzhou Environmental Protection Investment Company )

Abstact: This article introduces the usage of CFD in brief. With the help of studying case of simulating waste fired furnace combustion by Fluent of CFD, analyze the effect of flue gas distribution on the heat transfer, flue gas retaining interval and abrasion of boiler, thereby the furnace design can be optimized, flue gas speed and content can be controlled and fired waste capacity can be increased finally.

Key words: Computational Fluid Dynamics(CFD),large capacity waste fired furnace, flue gas flow

CFD（计算流体力学）是应用数学方法描述物理和化学现象的一种数据模型模拟工具。CFD可以得到详细的燃烧过程，流场和传热图像。除解决动力因素外，还可以用数学方法解决质量和能量守恒方程，湍流方程，化学反应，粒子运动和辐射。

FLUENT是目前国际上通用的商业CFD（计算流体动力学）软件包，在国际CFD市场上占主导地位，只要涉及流体、热传递及化学反应等工程问题，都可用FLUENT进行解算。FLUENT是用于计算复杂几何条件下流动和传热问题的程序。它提供的无结构网格生成程序，把计算相对复杂的几何结构问题变得容易和轻松。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格。

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1. FLUENT程序组成部分和求解步骤

Fluent软件包由以下三部分组成，前处理器：Gambit用于网格生成，是具有强大组合建构模型能力的专用CFD前处理器；求解器，是流体计算的核心，可对基于结构化或非结构化网格进行求解；后处理器，具有强大的后处理功能。

求解步骤：1、确定几何形状，生成计算网格（用GAMBIT，也可以读入其它指定程序生成

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的网格）；2、选择2D或3D来模拟计算；3、输入网格；4、检查网格；5、选择解法器；6、选择求解的方程：层流或湍流（或无粘流），化学组分或化学反应，传热模型等。确定其它需要的模型如：风扇、热交换器、多孔介质等模型；7、确定流体物性；8、指定边界条件；9、条件计算控制参数；10、流场初始化；11、计算；12、检查结果；13、保存结果，后处理等。

2. 垃圾焚烧炉的燃烧模拟

2.1 FLUENT/CFD燃烧模拟方法概要

FLUENT/CFD可以模拟宽广范围内的燃烧（反应流）问题。然而，需要注意的是：必须保证所使用的物理模型要适合所研究的问题。CFD详细分析介质的化学、物理性质，帮助我们设计最佳状态的余热锅炉和焚烧炉。

CFD分析广泛应用于大型垃圾焚烧炉的数值模拟计算当中，能够进行速度、温度、速度矢量和浓度场等计算和预测。

分别采用FLIC（床层）和FLUENT（炉膛）对大型垃圾焚烧炉进行数值计算，如图1所示。

图1 垃圾焚烧炉数值模拟FLIC和FLUENT

床层是气固两相燃烧。挥发份生成物有：CmHn (m=3.149,n=6.755)、CO、CO2、H2，床层顶部逸出气体有：CmHn 、CO、CO2、H2、O2、N2。

炉膛是气相燃烧。二次风速为80m/s，风温为296.15K。

CFD分析可应用于新焚烧炉设计，并可对目前垃圾焚烧发电厂进行焚烧炉优化或故障处理的服务。

用CFD进行分析的典型案例有：

--流动状况，例如，改善烟气流动速度； --排放控制，例如一氧化碳； --按照欧洲标准的烟气滞留时间； --增加垃圾焚烧容量。

主要影响设备效率的因素是从烟气种类、、温度和流动进行控制。烟气情况对设备影响很大，因而在设计过程中要充分研究空气喷嘴的位置，传热墙，局部几何形状等。

2.2 网格设置

CFD模拟是以控制量为基础，将锅炉分成若干小区域后进行模拟。应用质量和能量守恒方程解决每个控制区域。因此，解决方法在很大程度上依靠数学模型，及控制量的设置。根据边界条

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件设置网格。

运用FLUNET模拟大容量垃圾焚烧炉（800吨/日），选用DO辐射模型，k-ε标准湍流模型，组分运输燃烧模型，采用非结构化四面体网格，共划分250000个网格，如图2所示。根据流场的变化，可以改变并精确定义区域内网格，如图2的喷嘴和折烟角。

图2 大容量垃圾焚烧炉（800吨/日）的典型计算网格

2.3 构建模型和求解过程

CFD模拟，需构建求解模型和设置边界条件等。

锅炉内垃圾的燃烧气体（CO, H2, CH4, 等）释放大量能量。通过对炉内燃烧状态烟气进行模拟分析，得到炉内热负荷。根据测试数据，分别利用经验模型模拟固体燃料床的焚烧。炉内第一烟道的辐射传热占90%。辐射传热模型是获得正确的温度和流动图的基础。

FLUENT模拟不包括炉排燃料层过程，床层燃烧过程需在FLIC中模拟。

整个炉膛燃烧被分成干燥，高温分解，点燃，气化，燃烧，碳燃烧过程。高温分解燃烧和气化（主要是CO, H2 and CH4）过程产生大量的能量（30%-50%）。

2.3.1 模型的构建

除解决质量和能量守恒方程各参数，还需要解决湍流方程、辐射、化学反应、粒子流动等相应参数。

三维动力方程和质量守恒方程描述流动。动力方程（Navier-Stokes方程）描述每个区域内的推动力、压力和粘性力影响。质量守恒方程与动力因素方程相结合，使用数学离散方法，建立三维速度的表达式和各个区域的压力值。

k-ε湍流模型有两个参数：湍流动能参数k，动能耗散率ε。在CFD中湍流模型单独列出。 炉墙需建立边界反射模型，调整炉墙遮盖物上期望的热传递。

为模拟烟气特性，化学反应模型必须包含烟气的主要成分：N2, CO2, H2O and O2。烟气燃烧有一个或多个主要的气化产物。

辐射模型是一种光束离散坐标模型，适用范围较广（温度和发射率范围很大）。辐射传热模型是获得正确的温度和流动图的基础。烟气对炉壁面和烟气之间的辐射传热是炉内热传递主要过程，大约占热传递的70%-100%。

CFD中的粒子模型，与相应区域内飞灰有关。燃烧和强烈氧化时，颗粒运动，同时，释放热

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量和燃烧产物（H2O and CO）。颗粒改变烟气辐射特性，增加烟气视觉厚度并提高辐射。加剧受热面的粒子碰撞，引起腐蚀。

2.3.2 求解过程

整个垃圾焚烧被分成干燥，高温分解，点燃，气化，燃烧，碳燃烧过程。锅炉内垃圾的高温分解燃烧气体（CO, H2, CH4, 等）释放大量能量（30%-50%）。通过模拟分析炉内燃烧烟气，得到炉内热负荷。

实际中，H2燃烧是复杂的模型，模拟中，用下面简单的宏观反应代表燃烧：

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

CFD模拟宏观反应被分为下面三个反应：

CH4 + 1.5 O2 → CO + 2 H2O

CO + 0.5 O2 → CO2 CO2 → CO + 0.5 O2

其中，混合和反应速度影响前两个反应，第三个反应仅受反应速度影响。以上反应可以较合理的解释过程中释放的CO。流动中的NOx包括燃料型、热力型、和瞬时型NOx。为了降低计算复杂性，NOx形成模型不考虑。在一般情况下，Fluent简单模型不能精确模拟燃料中的NOx。

燃烧过程中，空气分成三部分：一次风、二次风、冷却风。一次风供给炉排足够的空气量。二次风系统必须满足降低炉排上CO的含量，由于燃料燃烧的无规律性，将会引起瞬间炉排上CO的释放量增加。为了使CO氧化为CO2，必须有足够高的温度。因为烟气中的CO在800℃以上才能发生化学反应，同时也需要适量的O2使CO反应完全。

二次风主要是冷却燃烧室和使燃烧过程速度减慢，保证足够的停留时间。为了混合（湍流）充分需要有二次风喷嘴。二次风将提高炉膛区域内的混合能量，湍流度。湍流对CO的燃尽影响很大，湍流可以使CO与O2充分混合，从而燃烧完全。反应过程都需要一定的反应时间，因此，停留时间也决定着燃尽程度。停留时间是燃烧过程的主要影响因素。在有氧条件且温度高于800℃，增加粒子的停留时间可以提高燃尽度。

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3． 大容量垃圾焚烧炉（800吨/日）的CFD分析结果

建立的大容量垃圾焚烧炉CFD模型及流场分布如图4所示。

图4：大容量垃圾焚烧炉流场分布

通过FLUENT对大容量垃圾焚烧炉的数值模拟，得到炉膛温度分布图（图5）和速度分布图（图6）。

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图5 温度分布图 图6 速度分布图

停留时间是影响垃圾焚烧炉燃烧的重要因素，在CFD模拟中，为保证有足够的烟气停留时间，运用程序进行仿真估算，如图7所示。

图7 CFD仿真估算烟气停留时间的程序

后级二次风喷嘴 在850℃区域 保证滞留时间最少为2秒 - 5 -

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锅炉设计对烟气流分布的影响。烟气流分布影响热传递、停留时间、锅炉磨损等。避免出现高速度再循环流。炉壁烟气被冷却，高温腐蚀性烟气位于烟道中部不与炉壁接触。辐射是主要的热传递方式。

通过增加导板来改进流动状态。在炉内安装导流板相当复杂，因为如果安装位置不当，可能会使流动状态变得更差，要尝试安装导流板的最佳位置。

CFD可以解决很多问题，用数学模型比用其他设备更容易测试出锅炉形状的改变。 温度梯度问题、发射水平问题或温度梯度倾斜问题与流场有关。CFD可以有效的分析这些问题。

垃圾焚烧炉内速度向量图。二次风系统可以确保更好的控制CO。两个二次风喷嘴安装在前拱部，每个均有大约80m/s。最初，炉排每侧的炉墙上安装2*6的喷口。

炉内CO的含量，是评价是否完全燃烧的重要因素。不完全燃烧时，CO分布如图8所示。完全燃烧时，CO分布如图9所示,由于二次风产生涡流，将CO带到炉前，从而确保CO完全燃烧。

图8 不完全燃烧时的CO分布 图9 完全燃烧使的CO分布 炉内的温度分布。不完全燃烧时温度分布如图10所示，完全燃烧时温度分布如图11所示。两个温度图比较，热量集中在炉前，这是因为CO的燃烧。

图10 不完全燃烧的温度分布 图11 完全燃烧时的温度分布

参考文献：

[1] Fluent技术基础和应用实例[M]. 王瑞金编. 北京: 清华大学出版社, 2007年出版. [2] 生活垃圾资源化原理和技术[M]. 赵有才编. 北京: 化学工业出版社, 2002年出版.

作者简介：张卫（1967–），男，广东揭阳人。高级工程师，工学学士，主要从事进口大型垃圾焚烧炉技术的引进、研发和国产化工作，以及环保节能技术的研究工作。 E-mail：zhangwei@grantop.net

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ni5d.html