城市生活垃圾层状燃烧过程试验研究及数值模拟

城市生活垃圾焚烧在能源发展战略中是一个主要的研究领域。为使垃圾焚烧处理技术真正达到无害化的目的,了解焚烧过程中污染物的产生机理和控制技术是十分必要的。本文研究了城市生活垃圾的焚烧过程,并针对固定床内城市生活垃圾焚烧过程进行了系统的试验研究及数值模拟,为深入认识床层内垃圾的焚烧过程和减少垃圾焚烧过程中污染物的排放奠定了基础,通过本文的研究可以提供更可靠的数据用来设计和优化城市生活垃圾焚烧炉。利用热天平研究城市生活垃圾的焚烧过程,采用FTIR红外光谱仪测得CO2、CO、CH4三种气体在热解过程中的定量析出曲线,并利用积分法计算出热解过程中各气体总的析出质量同时采用Coats-Redfern法,得到了模拟城市生活垃圾焚烧过程中的活化能和指前因子,确定了城市生活垃圾的焚烧表观动力学模型。 为了深入了解和研究城市生活垃圾焚烧过程的特性,建立了一维固定床热态实验台。城市生活垃圾试样由蔬菜、细沙和纸板组成,它们具有和真实的城市生活垃圾相似的灰分、水分、固定碳含量。固定床燃烧发生在一个垂直的圆柱体燃烧室,它由称重传感器悬挂着。通过改变一次风量、一次风温和物料本身特性对垃圾床层燃烧的影响规律进行了详细的实验研究。实验研究主要针对焚烧过程中固定床内温度、气氛浓度、床层重量及NO生成特性的变化规律来进行的。同时,利用计算流体力学的方法对层燃炉排上城市垃圾焚烧过程及NO生成特性进行了数值研究,采用一维非稳态模型对床层内气固两相介质分别建立控制方程,确定了水分蒸发、挥发分析出及燃烧和焦炭燃烧反应速率,建立了污染物NO生成及还原和二噁英生成反应简化模型,得出了床层中温度分布、床层重量和高度变化、气相中反应物组分和污染物NO浓度分布,得出了水分蒸发速率、挥发分析出速率、垃圾着火锋面位置及其推进速度等特性参数。 实验结果表明:随着一次风量的增加,床层表面CO平均排放浓度是一直降低的,造成C生成CO转化率降低,而N生成NO的转化率是先升高后降低的;随着一次风温度的升高,CO和NO的平均排放浓度逐渐升高,NO最高浓度峰值没有发生明显的变化;随着水分比例的增加,CO2、NO和CO平均排放浓度逐渐减小;CO2、CO的平均排放浓度随着物料中灰分所占比例的增加而减小,NO的平均排放浓度随着灰分所占比例的增加先增大后降低。随着一次风流量的增加,火焰锋面的传播速度和模拟垃圾的焚烧速率先增加后降低,但是火焰锋面的传播速度降到一定的数值后保持不变;随着一次风温的增加火焰平均传播速度略有增加,而在底部物料燃烧火焰传播速度增加较多,同时模拟垃圾的平均燃烧速率和水分蒸发速率有小幅度提高;随着模拟垃圾物料中水分和灰分含量的增加,火焰传播速度和模拟垃圾的焚烧速率是降低的。 模拟结果和实验对比表明:模拟床层物料质量和床层高度随时间变化曲线与实验值吻合较好,在燃烧中段,床料质量近似按直线变化,燃烧峰面匀速向下传播,水分蒸发和挥发分析出速率近似为常数;而后期由于剩余焦炭与氧反应速度较慢,燃烧速度减低,质量变化接近水平线。从实验和模拟两方面对床层内温度分布对比分析,整体的分布规律一致,火焰峰面和燃烧最高温度的预报与实验值相吻合,模拟程序准确预报了床层中热量传递和火焰峰面传播过程。在垃圾焚烧的过程中,水分蒸发阶段占据的时间最长,约占整个焚烧实验时间2/3,是影响垃圾焚烧进程的重要因素,当料层温度上升至100℃以上,热解和燃烧区内物料温度梯度明显增大,温升速率迅速提高。床表面气体成分浓度模拟和实验结果对比表明:床层内物料燃烧产生气体总体变化趋势的模拟能够反映床层内物料燃烧过程,且O2和CO2模拟结果与实验值吻合较好。采用De’Soete提出的HCN衰减的总体反应机理可以较为准确的模拟固定床上垃圾焚烧过程中NO的生成,在不同一次风量下的模拟结果与实验结果吻合较好。NO主要来源于燃料型NO,垃圾中氮含量是影响NO生成的主要因素。 本文的研究表明,通过实验研究能够更好地掌握和了解垃圾焚烧过程,并为改进垃圾焚烧数值模型和为层燃式垃圾焚烧工程应用提供依据;采用数学模型进行模拟计算,可以深入认识垃圾焚烧的过程,充分了解热量的传递过程,气体生成过程,也可以预测到垃圾焚烧的最高温度和垃圾焚烧过程的趋势。