旋涡二次风对垃圾焚烧炉燃烧的影响

霍光，李志波，赵绪平，单东升

（北方重工集团有限公司，沈阳 110141）

大型生活垃圾焚烧发电厂在我国已运行了一段时间，无论是从国外引进还是自主开发，其设备技术水平都在不断提高。但研究人员将精力主要放在了机械炉排炉的技术水平提高，对提高燃烧效率起到了一定作用。从运行的效果来看，二次风的整体技术仍沿袭了国外早期的技术路径，成为制约我国垃圾焚烧设备整体水平提高的瓶颈。

二次风对焚烧炉的燃烧效果影响显著，其作用不但是补充炉内燃烧氧气，还可以搅动炉内气流，使烟气满足850℃以上停留2s的条件；另外，国内垃圾有高水分低热值的特点，在前拱下方的二次风旋涡能够对这种垃圾起到很好的预热干燥作用。但由于垃圾焚烧炉是一个庞大而复杂的系统，很难通过实验手段对炉内燃烧状况进行检测，从而对二次风位置进行优化布置[1]。采用CFD（Computational Fluid Dynamics）技术对二次风进行优化设计成为主流趋势。赖志燚等[2]就二次风位置对垃圾焚烧燃烧影响进行了研究。刘瑞媚等[3]对下二次风投入、停运，上二次风布置形式和上二次风风速3个因素进行了优化分析，且提出二次风对冲布置比错列布置更优。李坚等[4]针对750t/d垃圾焚烧炉二次风喷嘴角度的改变对焚烧炉内燃烧温度场的影响进行了研究。旋涡二次风国内学者有一些研究，徐秀清等[5]介绍了一种低温旋涡燃烧技术，文中提到美国华盛顿天主教大学S.Nieh博士领导下正在研究一种水平HTB（低温旋涡燃烧）技术。刘坤磊等[6]利用增设四角切圆二次风组织旋涡燃烧来提高抛煤链条炉的效率，降低污染物排放。岑可法等[7]介绍了二次风从切向和割向喷入，形成强旋燃烧，提高气、固混合和传热介质，延长细颗粒在炉内的停留时间。

本文以国内某企业自主研发750t/d垃圾焚烧炉为研究对象，采用数值模拟方法对上层旋涡二次风的投入、停运，下层二次风的投入、停运，上层、下层二次风同时投入三种状态进行优化分析。

1 研究对象及计算模型

原始研究对象为国内某企业自主研发的750t/d垃圾焚烧炉排炉，炉排分为干燥段、燃烧段、燃烬段，炉排总长14.83m、宽9.97m，三段炉排倾角均为15°。垃圾在炉排上的停留时间为1.5～2h，配风分为三级，一次风通过灰斗进行配送，总风量87,460Nm3/h，温度为453.1K，一次风在干燥段、燃烧段、燃烬段的分配比为0.15、0.75、0.1。二次风风量20,020Nm3/h，风温503.1K。二次风从炉膛的喉口处喷出，前拱13个喷口，后拱12个喷口，如图1所示。为优化炉膛二次风配置，优化模型中加入了上层旋涡二次风，前墙11个喷口，后墙12个喷口，如图2所示。用Solidworks建立三维模型，导入AnsysWorkben软件，共划分网格90.1014万，网格质量较好。

图1 垃圾焚烧炉膛原始几何模型

图2 垃圾焚烧炉膛优化几何模型

炉膛气相燃烧过程计算采用Fluent软件，该过程建立在四个基本守恒方程上。

（1）质量守恒方程：

（2）动量守恒方程：

（3）能量守恒方程：

（4）组分运输方程：

式中：Sm为离散项增加到连续相中的质量；p为静压；为应力张量；为重力体积力；为其它体积力；keff为有效导热系数；为组分J的扩散流量；Sh为包含化学反应热和其它体积热源项；Yi为物质i的质量分数；Ri为化学反应的净产生速率；Si为离散相及用户定于的源项导致的额外产生速率。

本文研究的重点是二次风对燃烧的影响，且不同炉排上方气体分布、温度分布变化不大。故不考虑垃圾床层的燃烧，以文献[8]得到的炉排上方气体分布、温度分布作为入口边界条件。

为比较上层旋涡二次风的投入、停运对炉膛燃烧的影响，计算了3种工况，仅投入上层旋涡二次风，标记为SC，旋涡二次风喷口代号示意如图3所示，旋涡二次风喷口风速如下表所示。q1～q11喷口布置在前墙，h1～h12喷口布置在后墙；仅投入下层二次风，标记为XC；上层、下层二次风同时投入，标记为SX。

图3 上层旋涡二次风喷口代号

旋涡二次风喷口风速表

2 计算结果及分析

从迹线分布可看出整个流场的分布状态，尤其是旋涡产生的效果；温度分布能够反应燃烧的效果，速度矢量图能够分析风速的分布及方向。

图4为三种工况迹线分布的对比。图中的右下角为仅投入下层二次风（XC）工况迹线分布，该工况即为焚烧炉二次风原始布置。从图中可看出，迹线在整个炉膛分布不均匀，在上部炉膛前墙部分，迹线分布稀疏，虽在前拱下方形成一个局部弱旋涡，有利于进料口垃圾的干燥，但在炉膛上方并未形成有效的旋涡，烟气停留时间较短，烟气停留2s的条件不能保证。图中右上角为仅投入上层旋涡二次风（SC）工况迹线分布，迹线在整个炉膛上部分布均匀，迹线弥散饱满，形成了有效的旋涡，但由于受没有投入下层二次风的影响，在前拱下方没有形成有效的旋涡区，对进料口垃圾的干燥作用较弱。图中左方为上层旋涡二次风、下层二次风同时投入（SX）工况迹线分布，较SC工况，迹线更加弥散饱满，较（XC）工况，前拱下方的旋涡区更加强烈。这是因为，由于上层旋涡二次风的加入，起到风帘作用，下层二次风分流较少，能量更加集中。同时上层二次风的风帘，从两方面延长了烟气的停留时间，一是风帘对下层烟气上升起到了有效的阻挡作用，延长了烟气停留时间；二是下层烟气在经过风帘区后，迹线由垂直上升形态转变为螺旋上升形态，迹线加长，烟气停留的时间延长。

图4 三种工况迹线分布对比

图5为三种工况中心截面温度分布对比。图中的右下角为仅投入下层二次风（XC）中心截面的温度分布云图，在炉膛下部温度分布不均匀，在炉膛上部温度分布较均匀，且平均温度大于850℃，温度条件满足了有效控制二英产生的要求。图中右上角为仅投入上层旋涡二次风（SC）工况中心截面的温度分布，由于下层二次风没有投入，炉膛下部高温区域有所扩展，这对于进料口处推料器的液压缸是不利的。图中左方为上层旋涡二次风、下层二次风同时投入（SX）工况中心截面的温度分布，较XC工况，高温区域变化较小，较SC工况，高温区域向后拱方向移动，有利于进料口处推料器液压缸避免高温影响。

图5 三种工况中心截面温度分布对比

图6为三种工况中心截面速度矢量图对比。图中右下角为XC工况、右上角为SC工况、左方为SX工况，三种工况中的部分风量沿后墙上升，从出口排出。SX工况中，上层二次风虽然是水平喷射，但受下层上升气流的影响，风速主方向炉膛上方偏转，为炉膛上方螺旋上升的气流产生提供条件。

图7为三种工况中心截面CO质量浓度对比。图中右下角为XC工况、右上角为SC工况、左方为SX工况。从图中可看出，CO主要在燃烧段生成，这是因为此处的垃圾燃烧不充分，生成了大量的CO，后由于二次风的引入，CO和O2进行充分混合，实现二次燃烧，在炉膛出口处的CO浓度进一步降低。XC工况，在炉膛后拱上部CO浓度明显降低，此处实现了二次燃烧，但炉膛上部的CO浓度依然较高，SC工况，在炉膛后墙CO浓度降低，这是由于上层二次风的引入，使得此处二次燃烧发生。SX工况，炉膛中烟气充分混合，炉膛上方的CO浓度较SC、XC工况明显降低。

图6 三种工况中心截面速度矢量对比

图7 三种工况中心截面CO质量浓度对比

图8为三种工况中心截面O2质量浓度对比。图中右下角为XC工况、右上角为SC工况、左方为SX工况。三种工况在燃烬段的O2浓度较高，说明该段燃烧基本结束。SX、XC工况较SC工况，干燥段上方的氧气浓度明显减少，这里发生了二次燃烧，对干燥垃圾是有利的。综上所述，下层二次风对进炉垃圾的干燥作用明显。

3 旋涡二次风的形态分析

图8 三种工况中心截面O2质量浓度对比

图9为仅投入上层旋涡二次风（SC）工况上层二次风喷口截面速度矢量图。从图中可清晰地看出对称双旋涡的出现，旋涡形态为长圆形，左边旋涡为顺时针方向，右边旋涡为逆时针方向，这取决于喷口的速度配置。上方喷口对应前墙q1～q11喷口，中间q6喷口对应35mm/s向两侧逐渐降低，到q1和q11达到10mm/s；下方喷口对应后墙h1～h12喷口，中间h6喷口对应10mm/s向两侧逐渐升高，到h1和h12达到35mm/s。在左右两侧有微小旋涡，但并不构成主要旋涡。

图9 SC工况上层二次风喷口截面速度矢量图

图10为上层旋涡二次风、下层二次风同时投入（SX）工况上层二次风喷口截面速度矢量图。与SC工况对比，发现由于下层二次风的加入，上层二次风的对称双旋涡形态发生了改变，右侧的旋涡明显强于左侧的旋涡，同时在图中两侧各有一个局部旋涡区，四个大小不等的旋涡区构成了其主要特征。

图10 SX工况上层二次风喷口截面速度矢量图

4 结语

（1）下层二次风的投入对入炉垃圾的预热干燥作用显著，同时保护了推料器的液压驱动装置，对炉膛前拱下方处烟气的搅动作用明显，对炉膛上方烟气搅动作用有限。

（2）上层旋涡二次风的投入，炉膛上方烟气搅动明显，烟气呈螺旋上升形态，有效延长了烟气的停留时间，CO浓度显著降低，燃烧更加充分，能满足二英的分解排放条件。

（3）通过调整喷口速度的分布，上层二次风构成了对称双旋涡区域，下层二次风的加入，上层二次风呈现了四旋涡区域。旋涡的存在，在空间形成强旋涡区域，强化了该区域的燃烧。

上述研究对国内大型垃圾焚烧炉的炉膛设计提供了理论参考，尤其对于二次风的配风配置提供了新的思路。通过下层二次风、上层旋涡二次风的投入、停运行的灵活配置，保证了炉膛烟气在850℃以上停留2s的二英分解排放条件。本文未深入探讨上层旋涡二次风的风速分布、风速大小对炉膛燃烧的影响，进一步地优化工作可考虑从以上角度开展。

[1] 黄昕，黄碧纯，纪辛，叶代启，罗翠红.二次风对垃圾焚烧炉燃烧影响的数值模拟[J].华东电力，2010，38（6）：0931.

[2] 赖志燚，马晓茜，余昭胜.前、后拱和二次风对垃圾焚烧炉燃烧影响研究[J].锅炉技术，2011，42（4）：70-74.

[3] 刘瑞媚，刘玉坤，王智化，等.垃圾焚烧炉排炉二次风配风的CFD优化模拟[J].浙江大学学报（工学版），2017，51（3）：500-507.

[4] 李坚，夏梓洪，吴亭亭，等.二次风喷嘴角度对炉排式垃圾焚烧炉内燃烧及选择性非催化还原脱硝的影响[J].环境工程学报，2016，10（10）：5907-5913.

[5] 徐秀清，曾瑞良，冯俊凯.低温旋涡燃烧技术在动力工程中的应用[J].能源研究与利用，1989（4）：17-21.

[6] 刘坤磊，金保升.旋涡燃烧技术的工业应用[J].能源研究与利用，1995（4）：21-23.

[7] 岑可法，方建华，李晓东，等.环形旋涡流化床燃烧—一种新型高效清洁燃煤技术[J].动力工程，1996，16（5）：15-21.

[8] 林海.基于CFD的城市生活垃圾焚烧炉优化运行及烟气排放特性试验研究[D].广州：华南理工大学，2012.