焚烧炉及余热锅炉额定工况下第一、二烟道的热态模拟
摘要：本文对国内某垃圾焚烧发电厂焚烧炉及余热锅炉额定工况下第一、二烟道的气流流场进行了热态模拟，主要研究炉膛结构和二次风配比对炉内烟气动力场和温度的影响，炉内换热特性等，可作为焚烧炉及余热锅炉优化设计的参考和优化运行的参考，以期为焚烧炉的结构设计和配风设计提供依据。
关键词：垃圾焚烧;优化设计;优化运行;数值模拟
引言
由于我国城市生活垃圾有水分高，热值低，未分类等特点，采用层燃方式的炉排焚烧炉对有这些特性的垃圾适应性好，在国内垃圾焚烧行业里占有很大的优势[1]。焚烧炉内的气流流场情况实际测试很难，测试仪器也很昂贵，而且由于要进行生产活动，在现场进行实验是非常不经济的。利用CFD技术进行焚烧炉内气流流场特性研究则可以经济有效地满足上述需求。在总结焚烧炉及余热锅炉的冷态模拟经验之后，对热态模拟合理简化了几何模型，优化了模拟时间成本和计算精度。焚烧炉及余热锅炉第一、二烟道的热态模拟主要研究内容有炉膛结构和二次风配比对炉内烟气动力场和温度的影响，炉内换热特性等，可作为焚烧炉及余热锅炉优化设计的参考和优化运行的参考。
1、模型简介
焚烧炉及余热锅炉第一、二烟道热态流场数值模拟的数学模型包括连续方程、动量方程及计算湍流的k-?着双方程，能量方程，组分方程，反应模型及热辐射模型。其中辐射模型为DO(Discrete Ordinates)[2]，从辐射方程计算的能量作为能量方程的源项;组分的反应模型为Species Transport/Volumetric Reaction，参加反应的各组分的净生成速率作为组分方程的一部分。除热辐射模型和反应模型外，各模型的控制方程如表1，其通用形式如公式(1)。
■+div(?籽u?准)=div(Гgrad?准)+S(1)
式中：?准为通用变量， Г表示广义扩散系数，S为广义源项。
采用SIMPLE算法解算上述方程，得出收敛解。
2、一、二烟道的模拟分析
本文仅对焚烧炉及余热锅炉的一二通道的烟气流动及换热情况进行模拟。由于焚烧炉的四个二次风布置位置并不呈周期性，每个位置的喷口数量也不相同，所以对二次风的喷口位置进行了调整，以期得到有周期特征的炉膛截面，进而简化模型。调整的原则有两点，第一是保证在风量保持与设计值不变的情况下，每个喷口的空气射流动量与调整前一致，每个喷口的射流受主流区的影响与调整前基本一致;第二是保证喷口沿炉排宽度方向的均匀布置。这里通过维持每列喷口的总流通截面积和调整前的一致，以及维持喷口截面为圆形来保证第一个要求。通过上述调整，一方面可以使二次风的穿透力度与设计值基本一致，另一方面可使焚烧炉及余热锅炉第一二通道呈周期性结构，从而可简化模型。调整后的每列二次风有19只喷口，均匀沿炉膛宽度方向布置。见图1，其中的虚线区域为简化模型区域。
炉内空气动力场的特性对垃圾在炉排上的燃烧质量和锅炉的换热均有影响。与冷态模拟相比，在热态下，炉膛内的空气流速明显增加，而速度分布特性仍与冷态下相似。余热锅炉第一通道的平均流速比第二通道平均流速要低，然而在第一通道中的流速并不均匀，第一通道中的最高速度能达10m/s。由于前高，后高和后低的二次风作用，在炉膛内受相应的二次风影响的区域呈现局部高速区。这不仅仅是由于二次风单独的作用，还受挥发气体二次燃烧的影响，在这些区域二次燃烧释放的大量热量使烟气迅速膨胀，增强了这些区域的气流扰动，并可以进一步增强可燃物与氧气的混合，使二次燃烧能迅速彻底地完成。
从图2速度等值线图，图3速度矢量图以及图5速度流线图可见，烟气在焚烧炉内及余热锅炉内的湍流效果明显，在前拱下部有一明显的大涡流，前拱的结构和前低、后低二次风促使这一涡流得以形成。结合图4温度等值线图可见，在前拱下部有很明显的温度分界面，这一现象是由于干燥段上部有大量的水蒸汽流出，尽管有炉膛内火焰辐射和前低二次风的加热，这些水蒸汽从温度为室温的垃圾中蒸发出来以后，温度仍低于一次风温度，比炉膛大空间的温度要低得多。这一涡流能将主燃区的高温烟气传播到燃烧干燥段上部气相区，对干燥段有一定的辐射加热作用，由于水蒸汽起到屏障作用，因此高温烟气对干燥段垃圾没有对流加热作用。此外，这一涡流的存在也能将前低二次风及干燥段的过剩氧气引导到主燃区，可一定程度上强化二次燃烧的效果;同时也将干燥段上部的含有高水蒸汽的冷烟气引导到主燃烧区，对后低二次风附近的烟气产生冷却作用，能加长火焰的长度，从温度等值线图可见，后低二次风口上部有局部区域温度较低。
在炉膛内，由于垃圾的水分高，干燥段长，挥发段和固定碳气化段相应延后，导致主燃区贴近后墙。从图6和图7中可见CmHn和CO的分布贴后墙，而不是理想状态下的炉膛中部。尽管后高二次风能纠正这样的偏斜，但是比后高二次风量还大的前高二次风会加剧这种偏斜。同时强劲的前高二次风使大部分的烟气贴一通道后墙流出，在后高二次风的作用下，也有较大部分的烟气从一通道的前墙流出。因此，在焚烧炉出口，余热锅炉入口处形成的回流涡是双回流形状的。由于主燃烧区贴近后墙，所以烟气的高温区也贴近后墙，并在前高二次风的引射下迫使大部分高温烟气沿锅炉一通道的后墙流出，使局部气流速度增加，水冷壁的换热不均匀程度增加。尽管如此，鉴于是瘦高型的余热锅炉，烟气仍能保证在850℃的环境下停留2s以上。
一通道内的烟气速度和温度不均匀性会导致前后水冷壁的热负荷不均匀度差别较大。水冷壁的热负荷不均匀程度如图8和图9，其中x为通道的相对高度，H为水冷壁的总高度，为16.8m。ηg为沿锅炉通道高度方向的热负荷不均匀系数，在第一通道，当ηg=1时，热负荷为25688 W/m2，对第二通道，当ηg=1时，热负荷为14025W/m2。由图8，第一通道的前后墙热负荷不均匀系数差别很大。由前述可知，流动的不均匀性导致了这种差别。锅炉第二通道的前后墙热负荷不均匀系数基本一致，如图9，说明烟气经过足够长的行程，能量分布已经均匀，从第二通道内均匀的'温度场分布也能得出这个结论。
炉排上部主燃区靠后会使火焰贴水冷壁，使烟气冲刷炉膛后墙和水冷壁，会增加炉膛后墙和水冷壁的积灰，尤其是后墙的积灰会使传热恶化，使后续烟道，特别是第三烟道对流管束区的烟温过高，会产生更严重的积灰和腐蚀。第一烟道水冷壁外有耐火料覆层，尽管会冲刷后墙，但是不会产生腐蚀。降低余热锅炉第一通道前后水冷壁的负荷不均匀度的差别可采用以下三种办法，一种是降低炉排的速度，增加垃圾的干燥时间，使主燃区在炉膛的中间;第二种是增加后高二次风风量，减少前高二次风风量，使主燃区的烟气向第一通道中间偏斜;第三种是不降低炉排的运动速度，而是加长炉排干燥段的长度，增加前拱的长度和高度。对于已经建造好的焚烧炉，宜采用前两种方法。
3、结论
①本次模拟理想化了焚烧炉和余热锅炉的运行情况，简化的模型相当于一个无限宽的、横截面与实际炉型相同的焚烧炉及余热锅炉，与实际情况有一定差别。优化后的模型与冷态全空间的流场相似，表明优化方式可行。
②燃烧高水分的垃圾会使炉排上的主燃区靠后，火焰会贴壁，从而增加积灰和使第一通道前后水冷壁热负荷不均匀度的差别增大。通过降低炉排速度和调整前高和后高二次风量可使火焰充满度更合理。
③实际运行锅炉的积灰严重，从上述分析和积灰生成的机理可以推测，适当减少一次风占总风量的比例，使炉排上垃圾的过量空气系数小于1，热解反应占主导，相应地增加二次风，能减少飞灰被带出炉膛的量，减少飞灰在后续烟道中的沉积。
参考文献：
[1]刘效洲.垃圾焚烧炉拱的结构设计及数值模拟[J].动力工程，2002，8.
[2]M. Costa Numerical analysis of the thermo-fluid-dynamic field in the combustion chamber of an incinerator plant[J].Energy 2008：1-12.
[3]周力行.紊流两相流动与燃烧的数值模拟[M].清华大学出版社，1991.
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