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          生活垃圾焚燒爐數值仿真精細化設計技術開發及工程應用
          來源:未知編輯:未知
          • 論文類型

          • 發文單位

            未知

          • 頒發時間

            2022-07-13

          • 文件號

            未知

          • 關鍵字

          導讀:

          CFD仿真技術在航空、汽車、電子行業應用廣泛,隨著垃圾焚燒過程機理研究的發展,該技術在垃圾焚燒爐設計方面開始顯現出巨大的實用價值。傳統焚燒爐數值模擬采用單組分模型,與實際測試結果相差較大,上海環境院聯合上海交通大學、同濟大學等高校開發的多組分(竹木、紙、橡塑、濕垃圾等)精細化數值模型,經過實爐測試,焚燒爐各處溫度及組分計算值與實測值偏差低于3%。采用該模型,形成了針對垃圾分類后高熱值垃圾穩定燃燒的系列化、標準化焚燒爐擴容技術,經示范工程驗證,垃圾處理量和蒸發量提升10%以上,效果顯著。

          一、垃圾焚燒爐設計開發為什么需要數值仿真技術?

          CFD仿真技術主要通過數值離散算法,求解N-S流動、輻射傳熱、物質擴散等方程,實現流場、溫度場、組分場的分析,其實質為真實物理過程再現。該算法在航空、汽車、電子行業應用廣泛,隨著垃圾焚燒過程機理研究的發展,CFD仿真技術開始在垃圾焚燒領域發揮重要作用,可采用數值仿真對垃圾焚燒爐、煙氣處理中的半干式反應塔、干法反應器、布袋除塵器、濕式洗滌塔等關鍵設備的內部流場及化學反應情況進行分析計算。

          尤其在垃圾焚燒爐的結構和配風方面,傳統上垃圾焚燒爐采用容積熱負荷、爐排燃燒速率、一煙道平均流速等指標進行爐膛容積、爐排面積計算,爐排各段配風和具體爐型則依據以往的項目經驗進行修改優化;而數值仿真技術,則在一定程度上可實現焚燒工況的數值再現,展現某種設計或運行工況下的煙氣流場、溫度場、組分場,實現爐型及配風的精細化設計。下文就傳統研發路徑及基于數值仿真的研發路徑進行對比分析:

          (一)傳統研發路徑

          在傳統焚燒爐設計過程中,主要采用機理實驗-中試設備-工程驗證-設計修改的研究路徑。主要有三方面劣勢:

          1、中試設備投資大且與工程實際存在較大區別;

          2、工程驗證后,如技術方案存在問題,焚燒爐改造費用高;

          3、整個研發路徑耗時久,一項技術從研發到應用一般超過3年。

          (二)以CFD數值仿真技術為核心的研發路徑

          采用機理實驗-CFD數值仿真-工程驗證的方式,主要有三方面優勢:

          1、采用CFD數值仿真驗證技術方案合理性,無需中試工程設備投資;

          2、CFD數值仿真可對焚燒爐內流場、溫度場、組分場全方面校核,技術優化后工程實施成功率高;

          3、一個設計或者運行工況,通過數值仿真驗證僅需要3-7天,極大縮短了技術優化時間。

          二、開發和應用垃圾焚燒爐多組分數值模型,可以實現垃圾焚燒過程精細化仿真

          (一)垃圾焚燒爐多組分仿真模型

          傳統垃圾焚燒爐數值模擬采用單組分模型,將垃圾各組分理化特性參數均衡為同一種,依次經歷干燥、揮發分燃燒、固定碳燃燒過程,該模型焚燒爐干燥段僅發生干燥。但在實際焚燒過程中,竹木、紙類、塑料、濕垃圾等多組分理化特性差別大,濕垃圾在干燥段進行干燥的同時,紙類及塑料已經在爐膛火焰輻射的作用下發生燃燒,該過程已經被現場試驗及觀測所證實??梢妭鹘y單組分模型與焚燒爐實際過程不符。上海環境院聯合高校,開發垃圾多組分模型,與傳統單一組分模型相比較,能夠精細化實現焚燒過程的再現。經過實爐測試,前、后爐拱和爐膛中心等主要測點溫度及組分偏差低于3%。

          (二)煙氣再循環和SNCR技術優化及實證

          通過數值仿真,優化再循環噴口位置及煙氣量,經過實爐驗證,有效提升煙氣混合湍流度及揮發分高效燃盡,控制空氣過量空氣系數1.4以內;優化SNCR噴口位置、藥劑濃度、噴霧流速等參數,形成一套最優設計、運行方案,脫硝效率提升10%以上,NOX排放低于120mg/Nm3。


          煙氣再循環比例優化


          SNCR藥劑濃度分布

          (三)適應高熱值垃圾新型焚燒儲備技術開發

          通過數值仿真技術,針對高熱值垃圾焚燒爐火焰中心溫度過高等問題,開發垃圾焚燒爐高溫低氧燃燒技術(ZL201610326967.8),最大程度實現燃燒均質化和溫度場均勻分布,有效緩解焚燒爐內的結焦情況。同時將NOx 的初始生成濃度控制在180mg/Nm3以內,遠低于普通焚燒爐300mg/Nm3。


          高溫低氧燃燒技術仿真優化

          (圖左,氧氣濃度分布;圖右,溫度場分布)

          三、多組分焚燒爐仿真模型助力于垃圾焚燒爐擴容改造,可以顯著提升焚燒效果

          (一)焚燒爐擴容改造背景簡介

          隨著垃圾分類的開展,垃圾熱值快速提升。2019年7月《上海市生活垃圾管理條例》實施以后,首月垃圾熱值已經超過了3100 kcal/kg,相較于2018年平均值提升了約35%?,F有焚燒爐爐型主要為適應低熱值垃圾設計,受納高熱值垃圾后,出現結焦加重、處理量下降等問題。

          (二)技術開發及示范成效

          依托市科委《生活垃圾焚燒爐高效擴能與清潔焚燒智能控制技術研究及示范》,上海環境院聯合金山焚燒廠、交通大學、復旦大學、同濟大學等,采用多組分仿真模型作為輔助手段,完成適應于高熱值垃圾的焚燒爐改造技術研發,同時結合余熱鍋爐、煙氣凈化、余熱利用等全系統技術和裝備擴容升級,形成系列化、標準化擴容技術方案,擴容增幅可分別實現3-5%、5-15%、15-20%。經項目示范工程驗證:垃圾處理量由400t/d提升至456t/d,提升比例約為14.0%、蒸發量提升比例約為19.5%。在全國垃圾分類大背景下,垃圾熱值提升為普遍趨勢,該技術的研發將有更廣闊的應用空間,為垃圾焚燒項目提供安全穩定運行保障,同時提升發電及減碳效益。

          來源:上海環境衛生工程設計院 作者:張瑞娜 劉澤慶


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