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生活垃圾焚烧炉数值仿真精细化设计技术开发及工程应用

发布时间:2022-08-30 来源:爱游戏app官方登录 作者:爱游戏app网页版


  CFD仿真技术在航空、汽车、电子行业应用广泛,随着垃圾焚烧过程机理研究的发展,该技术在垃圾焚烧炉设计方面开始显现出巨大的实用价值。传统焚烧炉数值模拟采用单组分模型,与实际测试结果相差较大,上海环境院联合上海交通大学、同济大学等高校开发的多组分(竹木、纸、橡塑、湿垃圾等)精细化数值模型,经过实炉测试,焚烧炉各处温度及组分计算值与实测值偏差低于3%。采用该模型,形成了针对垃圾分类后高热值垃圾稳定燃烧的系列化、标准化焚烧炉扩容技术,经示范工程验证,垃圾处理量和蒸发量提升10%以上,效果显著。

  CFD仿真技术主要通过数值离散算法,求解N-S流动、辐射传热、物质扩散等方程,实现流场、温度场、组分场的分析,其实质为真实物理过程再现。该算法在航空、汽车、电子行业应用广泛,随着垃圾焚烧过程机理研究的发展,CFD仿真技术开始在垃圾焚烧领域发挥重要作用,可采用数值仿真对垃圾焚烧炉、烟气处理中的半干式反应塔、干法反应器、布袋除尘器、湿式洗涤塔等关键设备的内部流场及化学反应情况进行分析计算。

  尤其在垃圾焚烧炉的结构和配风方面,传统上垃圾焚烧炉采用容积热负荷、炉排燃烧速率、一烟道平均流速等指标进行炉膛容积、炉排面积计算,炉排各段配风和具体炉型则依据以往的项目经验进行修改优化;而数值仿真技术,则在一定程度上可实现焚烧工况的数值再现,展现某种设计或运行工况下的烟气流场、温度场、组分场,实现炉型及配风的精细化设计。下文就传统研发路径及基于数值仿真的研发路径进行对比分析:

  在传统焚烧炉设计过程中,主要采用机理实验-中试设备-工程验证-设计修改的研究路径。主要有三方面劣势:

  2、CFD数值仿真可对焚烧炉内流场、温度场、组分场全方面校核,技术优化后工程实施成功率高;

  传统垃圾焚烧炉数值模拟采用单组分模型,将垃圾各组分理化特性参数均衡为同一种,依次经历干燥、挥发分燃烧、固定碳燃烧过程,该模型焚烧炉干燥段仅发生干燥。但在实际焚烧过程中,竹木、纸类、塑料、湿垃圾等多组分理化特性差别大,湿垃圾在干燥段进行干燥的同时,纸类及塑料已经在炉膛火焰辐射的作用下发生燃烧,该过程已经被现场试验及观测所证实。可见传统单组分模型与焚烧炉实际过程不符。上海环境院联合高校,开发垃圾多组分模型,与传统单一组分模型相比较,能够精细化实现焚烧过程的再现。经过实炉测试,前、后炉拱和炉膛中心等主要测点温度及组分偏差低于3%。

  通过数值仿真,优化再循环喷口位置及烟气量,经过实炉验证,有效提升烟气混合湍流度及挥发分高效燃尽,控制空气过量空气系数1.4以内;优化SNCR喷口位置、药剂浓度、喷雾流速等参数,形成一套最优设计、运行方案,脱硝效率提升10%以上,NOX排放低于120mg/Nm3。

  通过数值仿真技术,针对高热值垃圾焚烧炉火焰中心温度过高等问题,开发垃圾焚烧炉高温低氧燃烧技术(ZL7.8),最大程度实现燃烧均质化和温度场均匀分布,有效缓解焚烧炉内的结焦情况。同时将NOx 的初始生成浓度控制在180mg/Nm3以内,远低于普通焚烧炉300mg/Nm3。

  随着垃圾分类的开展,垃圾热值快速提升。2019年7月《上海市生活垃圾管理条例》实施以后,首月垃圾热值已经超过了3100 kcal/kg,相较于2018年平均值提升了约35%。现有焚烧炉炉型主要为适应低热值垃圾设计,受纳高热值垃圾后,出现结焦加重、处理量下降等问题。

  依托市科委《生活垃圾焚烧炉高效扩能与清洁焚烧智能控制技术研究及示范》,上海环境院联合金山焚烧厂、交通大学、复旦大学、同济大学等,采用多组分仿真模型作为辅助手段,完成适应于高热值垃圾的焚烧炉改造技术研发,同时结合余热锅炉、烟气净化、余热利用等全系统技术和装备扩容升级,形成系列化、标准化扩容技术方案,扩容增幅可分别实现3-5%、5-15%、15-20%。经项目示范工程验证:垃圾处理量由400t/d提升至456t/d,提升比例约为14.0%、蒸发量提升比例约为19.5%。在全国垃圾分类大背景下,垃圾热值提升为普遍趋势,该技术的研发将有更广阔的应用空间,为垃圾焚烧项目提供安全稳定运行保障,同时提升发电及减碳效益。

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