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基于CFD的垃圾焚烧锅炉二次风喷入角度优化研究

陈为晶 孙加康 郑闽锋 龚凌诸 唐方舟

陈为晶,孙加康,郑闽锋,等.基于CFD的垃圾焚烧锅炉二次风喷入角度优化研究[J].环境工程技术学报,2024,14(2):455-463 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230489
引用本文: 陈为晶,孙加康,郑闽锋,等.基于CFD的垃圾焚烧锅炉二次风喷入角度优化研究[J].环境工程技术学报,2024,14(2):455-463 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230489
CHEN W J,SUN J K,ZHENG M F,et al.Optimization of secondary air injection angle for garbage incineration boiler based on CFD[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2024,14(2):455-463 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230489
Citation: CHEN W J,SUN J K,ZHENG M F,et al.Optimization of secondary air injection angle for garbage incineration boiler based on CFD[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2024,14(2):455-463 doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230489

基于CFD的垃圾焚烧锅炉二次风喷入角度优化研究

doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230489
基金项目: 国家重点研发计划项目(2022YFF0606404);福建省能源计量重点实验室开放课题基金项目(NYJL-KFKT-2021-02);福建理工大学科研启动基金项目(GY-Z15126);福建省科技计划项目(2022R1016005);福建省市场监督管理局科技项目(FJMS2021007)
详细信息
    作者简介:

    陈为晶(1989—),男,工程师,主要研究方向为热过程计量以及减排技术,nyjlzx@126.com

    通讯作者:

    郑闽锋(1985—),男,讲师,主要研究方向为热过程装备与节能技术,zmfgogo@163.com

  • 中图分类号: X705

Optimization of secondary air injection angle for garbage incineration boiler based on CFD

  • 摘要:

    为研究二次风喷入角度对焚烧锅炉炉膛内温度、烟气速度、烟气停留时间、排烟热损失的影响以及二次风喷入角度与焚烧炉出口处NOx浓度的关联性,采用UDF编译边界条件和Fluent耦合的方法,针对某600 t/d城市生活垃圾焚烧锅炉的前后墙二次风喷入角度进行数值模拟。模拟的前墙二次风喷入角度变化为68°~80°,后墙二次风喷入角度变化为61°~73°,二次风风速为42 m/s,二次风温度为301.15 K。结果表明:后墙二次风喷入角度不变时,随着前墙二次风喷入角度增加,NOx浓度先升高后下降(最低为142.23 mg/m3),且焚烧炉排烟热损失降低(最小为7.12%);前墙二次风喷入角度不变时,随着后墙二次风喷入角度增加,NOx浓度也呈现先升高后下降的趋势(最低为149.15 mg/m3),且焚烧炉排烟热损失先升高后降低(最小为7.46%);前后墙二次风喷入角度分别为80°和67°时,SNCR两层喷枪之间的平均温度为1 229.59 K,停留时间为1.63 s,与其他工况相比更加接近SNCR脱硝的最佳反应温度和停留时间,第一烟道出口处的平均温度为1 211.36 K且停留时间大于2 s,有助于抑制二噁英的生成。

     

  • 图  1  焚烧炉物理模型

    Figure  1.  Physical model of incineration boiler

    图  2  垃圾焚烧炉网格划分

    Figure  2.  Waste incineration boiler grid division

    图  3  网格无关性检验

    Figure  3.  Grid independence testing

    图  4  床层上方烟气成分质量分数

    Figure  4.  Composition mass fraction of flue gas above bed

    图  5  床层上方烟气速度分布

    Figure  5.  Flue gas velocity distribution above bed

    图  6  床层上方烟气温度分布

    Figure  6.  Flue gas temperature distribution above bed

    图  7  床层上方NO和HCN浓度分布

    Figure  7.  Distribution of NO and HCN concentrations above bed

    图  8  中心截面温度云图

    Figure  8.  Temperature cloud of central section

    图  9  炉膛出口温度云图

    Figure  9.  Temperature cloud of furnace outlet

    图  10  炉膛内烟气速度矢量

    Figure  10.  Velocity vector diagram of flue gas in furnace

    图  11  中心截面NOx浓度分布

    Figure  11.  NOx concentration distribution in central section

    图  12  第一烟道出口NOx浓度的变化

    Figure  12.  Change of NOx concentrations at the first flue outlet

    图  13  NOx浓度随前墙二次风喷入角度变化的拟合曲线

    Figure  13.  Fitting curve of NOx concentrations with secondary air injection angle of front wall

    图  14  烟气温度和速度随锅炉高度分布

    Figure  14.  Distribution diagram of flue gas temperature and velocity with boiler height

    表  1  生活垃圾的元素分析和工业分析

    Table  1.   Proximate analysis and Ultimate analysis of MSW % 

    工业分析 元素分析
    参数 占比 参数 占比
    水分 50.14 C 55.75
    挥发分 27.26 H 9.25
    固定碳 6.03 O 32.03
    灰分 16.57 N 0.35
    S 0.57
    Cl 2.05
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    表  2  焚烧炉模拟结果与实际结果对比

    Table  2.   Comparison of incinerator simulation results with actual results

    参数模拟值实测值误差/%
    第一烟道出口温度/K1 218.281 166.154.47
    第一烟道中部温度/K1 241.441 290.753.82
    炉膛出口温度/K1 282.561 315.152.47
    第一烟道出口O2质量分数/%6.476.703.43
    第一烟道出口NOx浓度/(mg/m3)155.45149.713.83
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    表  3  焚烧炉前后墙二次风喷入角度计算工况

    Table  3.   Calculation of secondary air injection angle of front and rear walls of incinerator (°) 

    工况前墙二次风喷入角度后墙二次风喷入角度
    18067
    27461
    37467
    47473
    56867
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    表  4  炉膛出口与第一烟道出口温度

    Table  4.   Temperature of furnace outlet and first flue outlet K 

    工况炉膛出口温度第一烟道出口温度
    11 285.561 211.36
    21 259.971 214.70
    31 282.561 218.28
    41 254.481 215.62
    51 281.211 221.81
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    表  5  SNCR脱硝后的第一烟道出口处参数

    Table  5.   Parameters at the first flue outlet after SNCR denitrification

    工况温度/KO2质量分数/%NOx排放浓度/(mg/m3NOx去除率/%
    11 206.726.3373.2548.50
    21 210.636.2179.2646.86
    31 216.196.1884.5345.92
    41 214.276.3782.7545.47
    51 220.016.2383.5845.21
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  • [1] 王耕, 李优. 基于SD模型的城市生活垃圾资源化处理模拟研究: 以大连市为例[J]. 环境工程技术学报,2016,6(5):493-500.

    WANG G, LI Y. Simulation of municipal solid waste resource recovery based on system dynamics model: the case of Dalian[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(5):493-500.
    [2] 张大勇, 王乐乐, 刘洪荣. “十四五”生活垃圾焚烧发电行业发展趋势分析[J]. 建设科技,2021(17):38-41.

    ZHANG D Y, WANG L L, LIU H R. Analysis on development trend of domestic waste incineration power generation industry during 14th Five-Year Plan period[J]. Construction Science and Technology,2021(17):38-41.
    [3] 国家发展和改革委员会, 住房和城乡建设部. “十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划[A/OL]. [2023-06-15]. http://www.gov.cn.
    [4] 吴昊, 刘宏博, 田书磊, 等. 城市生活垃圾焚烧飞灰利用处置现状及环境管理[J]. 环境工程技术学报,2021,11(5):1034-1040. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210083

    WU H, LIU H B, TIAN S L, et al. Current situation for utilization and disposal and environmental management of fly ash from municipal solid waste incineration[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2021,11(5):1034-1040. doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20210083
    [5] 武亚凤, 陈建华, 张国宁, 等. 二噁英的污染现状及健康效应[J]. 环境工程技术学报,2016,6(3):229-238. doi: 10.3969/j.issn.1674-991X.2016.03.005

    WU Y F, CHEN J H, ZHANG G N, et al. Pollution situation and health effect of dioxins[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(3):229-238. doi: 10.3969/j.issn.1674-991X.2016.03.005
    [6] 刘春红, 郝学军, 刘枫. 北京市城市生活垃圾处理温室气体排放特征及减排策略[J]. 环境工程技术学报,2022,12(4):1041-1047.

    LIU C H, HAO X J, LIU F. Greenhouse gas emission characteristics and emission reduction strategies of municipal solid waste treatment in Beijing[J]. Journal of Environmental Engineering Technology,2022,12(4):1041-1047.
    [7] 陈鹏, 李军, 陈竹. 垃圾焚烧炉配风比对燃烧过程影响的数值模拟研究[J]. 环境卫生工程,2015,23(5):29-32. doi: 10.3969/j.issn.1005-8206.2015.05.010

    CHEN P, LI J, CHEN Z. Numerical simulation study about impact of air distribution on combustion process in waste incin-erator[J]. Environmental Sanitation Engineering,2015,23(5):29-32. doi: 10.3969/j.issn.1005-8206.2015.05.010
    [8] 胡玉梅, 王传宾, 朱新才, 等. 垃圾焚烧炉二次配风优化数值模拟[J]. 环境工程学报,2009,3(5):951-955.

    HU Y M, WANG C B, ZHU X C, et al. Optimization and numerical simulation of secondary air induction into refuse incinerator[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2009,3(5):951-955.
    [9] 曾祥浩, 马晓茜, 王海川, 等. 900 t/d生活垃圾焚烧炉二次风优化数值模拟[J]. 热能动力工程,2020,35(9):95-103.

    ZENG X H, MA X Q, WANG H C, et al. Numerical simulation of secondary air optimization in a 900 t/d waste incinerator[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2020,35(9):95-103.
    [10] 瞿兆舟. 低气压条件下垃圾焚烧锅炉炉内气相燃烧数值模拟[J]. 环境卫生工程,2017,25(5):84-87. doi: 10.3969/j.issn.1005-8206.2017.05.027

    QU Z Z. Numerical simulation of waste incinerator chamber under low atmospheric pressure with gas combustion[J]. Environmental Sanitation Engineering,2017,25(5):84-87. doi: 10.3969/j.issn.1005-8206.2017.05.027
    [11] 宁星星, 马晓茜, 胡志锋, 等. 城市生活垃圾焚烧炉深度空气分级数值模拟[J]. 环境污染与防治,2016,38(10):53-60.

    NING X X, MA X Q, HU Z F, et al. Numerical simulation of deep staged-air distribution of municipal solid waste incinerator[J]. Environmental Pollution and Control,2016,38(10):53-60.
    [12] 沈观培. SITY2000型600 t/d垃圾焚烧炉燃烧优化研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2013.
    [13] CHEN S S, HUANG J L, XIAO T T, et al. Carbon emissions under different domestic waste treatment modes induced by garbage classification: case study in pilot communities in Shanghai, China[J]. Science of the Total Environment,2020,717:137193. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.137193
    [14] BOHACZ J. Microbial strategies and biochemical activity during lignocellulosic waste composting in relation to the occurring biothermal phases[J]. Journal of Environmental Management,2018,206:1052-1062. doi: 10.1016/j.jenvman.2017.11.077
    [15] SUN R, ISMAIL T M, REN X H, et al. Numerical and experimental studies on effects of moisture content on combustion characteristics of simulated municipal solid wastes in a fixed bed[J]. Waste Management,2015,39:166-178. doi: 10.1016/j.wasman.2015.02.018
    [16] HU Z F, JIANG E C, MA X Q. Numerical simulation on NO x emissions in a municipal solid waste incinerator[J]. Journal of Cleaner Production,2019,233:650-664. doi: 10.1016/j.jclepro.2019.06.127
    [17] 王海川, 曾祥浩, 廖艳芬, 等. 大型城市生活垃圾焚烧炉配风优化数值模拟研究[J]. 化学工程与装备,2020(2):10-11.
    [18] WANG J C, FAN W D, LI Y, et al. The effect of air staged combustion on NO x emissions in dried lignite combustion[J]. Energy,2012,37(1):725-736. doi: 10.1016/j.energy.2011.10.007
    [19] FU J P, WEI L, LI N, et al. Experimental study on temperature, heat flux, strain and stress distribution of boiler water walls[J]. Applied Thermal Engineering,2017,113:419-425. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2016.11.039
    [20] 韩奎华, 路春美, 王永征, 等. 选择性非催化还原脱硝特性试验研究[J]. 中国电机工程学报,2008,28(14):80-85.

    HAN K H, LU C M, WANG Y Z, et al. Experimental study on de-NO x characteristics of selective non-catalytic reduction[J]. Proceedings of the CSEE,2008,28(14):80-85.
    [21] 戴国栋. 生活垃圾焚烧锅炉能效测试分析与节能增效措施[J]. 质量技术监督研究,2019(5):47-52.

    DAI G D. Energy efficiency test analysis and energy saving and efficiency measures of domestic waste incineration boiler[J]. Quality and Technical Supervision Research,2019(5):47-52. □
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-04
  • 录用日期:  2023-11-29
  • 修回日期:  2023-09-12

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