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

导读：

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。

一、垃圾焚烧炉设计开发为什么需要数值仿真技术？

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：

（一）传统研发路径

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：

1、中试设备投资大且与工程实际存在较大区别；

2、工程验证后，如技术方案存在问题，焚烧炉改造费用高；

3、整个研发路径耗时久，一项技术从研发到应用一般超过3年。

（二）以CFD数值仿真技术为核心的研发路径

采用机理实验-CFD数值仿真-工程验证的方式，主要有三方面优势：

1、采用CFD数值仿真验证技术方案合理性，无需中试工程设备投资；

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；

3、一个设计或者运行工况，通过数值仿真验证仅需要3-7天，极大缩短了技术优化时间。

二、开发和应用垃圾焚烧炉多组分数值模型，可以实现垃圾焚烧过程精细化仿真

（一）垃圾焚烧炉多组分仿真模型

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%。

（二）烟气再循环和SNCR技术优化及实证

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。

烟气再循环比例优化

SNCR药剂浓度分布

（三）适应高热值垃圾新型焚烧储备技术开发

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（ZL201610326967.8），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。

高温低氧燃烧技术仿真优化

（图左，氧气浓度分布；图右，温度场分布）

三、多组分焚烧炉仿真模型助力于垃圾焚烧炉扩容改造，可以显著提升焚烧效果

（一）焚烧炉扩容改造背景简介

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。

（二）技术开发及示范成效

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。

来源：上海环境卫生工程设计院 作者：张瑞娜 刘泽庆