流体力学在垃圾焚化炉中的应用

计算流体动力学在大容量垃圾焚烧炉优化设计中的应用

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摘要：为实现大容量垃圾焚烧炉的优化设计，运用计算流体动力学进行燃烧模拟。以单元网格控制量为基础，把垃圾焚烧炉分成若干小网格区域，分别以Fluent软件和FLIC软件构建炉膛气体流动模型和床层燃烧模型，求解炉内燃烧烟气的温度场和流速场，得到详细的燃烧过程、流场和烟气排放控制过程；在分析烟气流分布对热传递、烟气停留时间、烟气排放质量分数等因素的影响的基础上，提出了垃圾焚烧炉的优化设计方案。 关键词：计算流体动力学；大容量垃圾焚烧炉；烟气流

计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）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，通过CFD可以得到详细的燃烧过程、流场和传热图像，此外，还可以进行质量和能量守恒方程、湍流方程、化学反应、粒子运动和辐射方面的分析。 Fluent软件是目前国际上通用的商业CFD软件包，在国际CFD市场上占主导地位，只要涉及流体、热传递和化学反应等工程问题，都可用Fluent软件进行解算。Fluent程序提供的无结构网格生成程序，使复杂的几何结构计算变得容易和轻松，所生成的网格包括二维的三角形、四边形网格，三维的四面体、六面体和混合网格。

本文主要探讨运用CFD进行大容量垃圾焚烧炉优化设计的问题。 1 Fluent程序的组成部分和求解步骤

Fluent软件由前处理器、求解器和后处理器组成。前处理器具有强大的组合构建模型能力，其中的Gambit用于网格生成；求解器是流体计算的核心，可对基于结构化或非结构化的网格进行求解；后处理器具有强大的后处理功能。 Fluent程序的求解步骤：

a）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的网格）； b）选择二维或三维网格来进行模拟计算； c）输入网格； d）检查网格； e）选择解法器；

f）选择求解的方程，如层流或湍流（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； g）确定流体物性； h）指定边界条件；

i）确定条件和控制参数； j）流场初始化； k）计算； l）检查结果；

m）保存结果，进行后处理等。 2垃圾焚烧炉的燃烧模拟 2.1Fluent/CFD燃烧模拟方法

CFD广泛应用于大型垃圾焚烧炉的数值模拟计算当中，能够计算和预测速度、温度、速度矢量和浓度场等，有助于设计最佳状态的余热锅炉和焚烧炉，也可为焚烧炉优化和故障处理服务。运用CFD进行分析的典型案例有：流动状况分析，例如改善烟气流动速度；排放控制，例如对CO的控制；按照欧洲标准控制烟气停留时间；增加垃圾焚烧炉的容量。 Fluent/CFD可以模拟宽广范围内的燃烧（反应流），但必须保证所使用的物理模型适合所研究的问题。本文分别采用FLIC软件和Fluent软件建立床层燃烧模型和气体流动模型，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

床层是气、固两相燃烧，挥发分生成物有CmHn（m＝3.149，n＝6.755）、CO、CO2和H2，床层顶部逸出气体有CmHn、CO、CO2、H2、O2和N2。 炉膛是气相燃烧，二次风速度为80m/s,温度为296.15K。

烟气对设备影响很大，影响设备效率的主要因素是烟气的种类、颗粒大小、温度和流动速度等，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燃烧模拟是以控制量为基础，将锅炉分成若干小区域来进行的，并采用质量和能量守恒方程分析每个控制区域，因此，在很大程度上依靠数学模型和控制量的设置。CFD燃烧模拟是根据边界条件设置网格。

运用Fluent软件模拟大容量（800t/d）垃圾焚烧炉，选用DO辐射模型、k-ε标准湍流模型、组分运输燃烧模型以及非结构化四面体网格，共划分250000个网格，如图2所示。可以根据流场的变化，改变并精确定义区域内网格。

图2大容量（800t/d）垃圾焚烧炉的典型计算网格（来源：互联网）

2.3模型构建和求解

CFD燃烧模拟需构建求解模型和设置边界条件等，边界条件及求解程序在Fluent软件中的生成界面如图3所示。 2.3.1模型的构建 在构建模型时，要求求解模型除求解质量和能量守恒方程中的各参数外，还需要求解湍流方程、辐射、化学反应、粒子流动等相应参数。

在求解模型中，采用三维动力方程和质量守恒方程描述流动，其中动力方程（Navier-Stokes方程）描述每个区域内的推动力、压力和粘性力的影响。将质量守恒方程与动力方程相结合，采用数学离散方法，建立三维速度和各个区域压力的表达式。

图3垃圾焚烧炉CFD模拟的边界条件和求解程序界面

k-ε湍流模型有湍流动能参数k和动能离散率ε两个参数，在CFD模型中，湍流模型是单独列出的。

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和O2，烟气燃烧有一个或多个主要的气化产物。

辐射传热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），是获得准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％。

粒子模型与相应区域内的飞灰有关。燃烧和强烈氧化时，颗粒运动，同时，释放热量和燃烧产物（H2O和CO），改变了烟气辐射特性，增加烟气视觉厚度，并提高辐射强度。受热面的粒子碰撞剧烈时，会引起腐蚀。 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，其中高温分解燃烧气体（CO、H2、CH4等）释放大量的能量（占总燃烧能量的30％～50％〕。通过CFD燃烧模拟，分析炉内燃烧烟气，得到炉内热负荷。

实际上，H2的燃烧是复杂的，在CFD模拟中，用下面简单的宏观反应代表燃烧过程： CH4+2O2→CO2+2H2O（1）

此宏观反应被分解为下面3个反应： CH4+1.5O2→CO+2H2O，（2） CO+0.5O2→CO2，（3） CO2→CO+0.5O2。（4）

其中，混合和反应速度影响反应式（2）和反应式（3），反应式（4）仅受反应速度影响。以上反应可以较合理地解释燃烧过程中释放的CO。流动中的NOx包括燃料型、热力型和瞬时型，为了降低计算复杂性，不考虑NOx的形成模型，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，空气分成一次风、二次风、冷却风三部分。一次风供给炉排垃圾焚烧足够的空气量；二次风系统必须满足降低炉排上CO的含量的要求，由于燃料的燃烧无规律性，炉排上CO的释放量会瞬间增加。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完全氧化。 二次风的主要作用是冷却燃烧室和使燃烧速度减慢，保证足够的烟气停留时间。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和湍流度。湍流对CO的燃尽影响很大，可以使CO与O2充分混合，从而燃烧完全。 3大容量垃圾焚烧炉的CFD分析结果 3.1 CFD分析结果 3.1.1流场分布

建立大容量垃圾焚烧炉CFD模型后，得到的烟气流场分布如图4所示。

图4大容量垃圾焚烧炉烟气流场分布 3.1.2炉膛温度和速度分布

通过Fluent软件对大容量垃圾焚烧炉进行数值模拟，得到炉膛温度分布图和热传递速度分布图，如图5和图6所示。

图5大容量垃圾焚烧炉炉膛温度分布

图6大容量垃圾焚烧炉炉膛热传递速度分布 3.1.3烟气停留时间（来源：互联网）

气停留时间是影响垃圾焚烧炉燃烧的重要因素。由于燃烧需要一定的反应时间，因此，烟气停留时间也决定着燃尽程度，在有氧且温度高于800℃的条件下，增加烟气停留时间可以提高燃尽率。在CFD燃烧模拟中，为保证烟气有足够的停留时间，运用Fluent程序进行仿真估算，结果如图7所示。从图7可知，保证燃烧充分的烟气停留时间最少为2s。 3.1.4CO和炉内温度分布

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

炉内的温度分布如图9所示，从图9可知，热量集中在炉前，这是因为CO得到完全燃烧。

图7 CFD仿真估算烟气停留时间的结果

图8大容量垃圾焚烧炉CO分布

图9大容量垃圾焚烧炉内温度分布 3.2垃圾焚烧炉的优化设计

在锅炉设计中，应考虑烟气流分布的影响。烟气流分布影响热传递、烟气停留时间、锅炉磨损等，应避免出现高速度再循环流，同时，炉壁烟气被冷却时，高温腐蚀性烟气位于烟道中部不与炉壁接触。以辐射作为主要的热传递方式。

增加导流板可改善流动状态，且导流板要安装在最佳位置上，如果安装位置不当，可能会使流动状态变得更差。

二次风系统可以确保更好地控制CO。2个二次风喷嘴安装在前拱部，每个二次风喷嘴的速度均为80m/s左右，在炉排相对的每侧炉墙上安装2列喷口，每列有6个喷口。 4结束语

由此可见，CFD模型是以单元网格控制量为基础，把焚烧锅炉分成若干小网格区域后，通过构建求解模型和设置边界条件进行求解，对炉内燃烧状态烟气的温度场和流速场进行模拟分析，得到详细的燃烧过程、流场和烟气排放控制过程；通过分析烟气流分布对热传递、烟气停留时间、烟气排放质量分数等因素的影响，以优化焚烧炉的结构设计，改善烟气流动速度，降低烟气排放，尽可能减少烟气对锅炉的腐蚀磨损，从而提高设备使用寿命和可靠性。

本文来自环卫科技网（http://www.cn-hw.net/http://www.cn-hw.net/html/27/201101/21157_3.html

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