垃圾焚烧电厂飞灰在固定床中烧结的数值模拟

杜辉杰， 王 恒， 宋广懂， 王 琥， 常正则

（北京科技大学 机械工程学院，北京100083）

随着我国经济的高速发展以及城市化和人民生活水平的不断提高，城市垃圾产生量与日俱增，生态环境污染日益严重.在垃圾处理方法中，焚烧法具有占地面积小、减量化和资源化效果好等优点，在我国越来越受到关注.因此，近年来我国垃圾焚烧电厂的建设速度明显加快.

目前，飞灰的处理技术主要有3类，即水泥固化／稳定化、湿法化学处理及包括熔融和烧结在内的高温处理.水泥固化是目前垃圾发电厂飞灰的主要处理方法，虽然工艺简单，但缺点是增容，对二英没有消解作用，很难保证处理结果的长期稳定性.湿法化学处理的成本较高且存在二次污染问题，所以未能得到普遍应用.熔融法是在炉内利用电能或燃料将焚烧飞灰加热到1 400℃以上的高温，使固体颗粒发生熔融相变，变成液态熔渣，再经快速冷却成为致密的玻璃态熔渣，将重金属固化在熔渣中以实现稳定化.国外已经开发出几种熔融工艺，如电能型的电弧炉熔融炉、等离子熔融炉和电阻式熔融炉以及燃料型的反射面式熔融炉、旋转面式熔融炉、旋流式熔融炉和碳燃烧热熔融炉［1－3］.国内和台湾地区也有学者进行飞灰熔融固化机理及室状炉和回转窑熔融炉的工艺试验研究工作［4－6］.熔融法虽然具有有毒性物质固定较为彻底和熔渣可以利用的优点，但却要消耗大量的优质能源，如电、燃气和燃油等，工艺和设备复杂.此外，高温下Pb、Cd、Zn等一些易挥发金属在处理过程中易蒸发，所以必须对烟气进行严格的后续处理，然而这样又增加了处理成本.因此，熔融法只在日本和欧洲少数经济发达国家有所应用.

烧结法是指在待处理的飞灰中加入少量助熔剂（如垃圾焚烧炉底渣中的玻璃碎屑等），混合造粒后在低于飞灰熔融温度下进行加热，使助熔剂及灰中低熔点成分熔融为致密结构，从而将重金属固化并实现稳定化的方法.试验证明，飞灰造粒后在950～1 100℃下烧结20min便能完全满足国家规定的浸出毒性标准［7］.与高温熔融法相比，烧结法能耗很低，重金属挥发量较低，工艺技术简单，容易实现大型化.文献［8］提出了一种新型固定床烧结法的无害化处理工艺，并且针对典型1 000t／d处理量的垃圾焚烧电厂进行了初步设计，确定了炉子尺寸及基本工艺参数.利用小球堆积床的传热传质和燃烧理论进一步计算并确定实际工况下炉内气流速度、气流温度、气体组分分布以及物料温度分布和燃尽程度，为工程设计提供依据.

1 烧结炉三维模型的建立

1.1 物理模型

本文焚烧飞灰无害化的处理工艺为：→—混料造粒 — →给料器 — →烧结炉 — →出料冷却 — →安全填埋.燃料可采用煤炭或某些其他低热值固体燃料，燃料掺入量占烧结料总质量的8%～15%.烧结炉的结构尺寸如图1所示，炉膛为圆柱形，物料从上部加入，距料层顶部0.7m处布置4个风口.在风口鼓入空气使物料燃烧，物料在风口平面应结束燃烧以保证温度升高到理想的烧结工艺要求水平.风口以下为保温段，物料下行经过一段时间后从下部排出.

建模时进行如下假设：

（1）炉内工况为稳态，炉顶装料及炉底出料均连续进行；

（2）烧结炉结构为轴对称，各风口也关于烧结炉中心线对称；

（3）料柱为小球堆积床，堆积床的结构保持不变，物料视为多孔介质；

（4）由于烧结炉下端是封闭的，鼓风气流只能向上发展，为了计算方便，只对从料层顶部到风口下方0.3m处进行计算，所选计算域的底部平面假设为壁面边界.

图1 烧结炉的结构尺寸（单位：m）Fig.1 Structural diagram of the sintering furnace（unit：m）

由于烧结炉结构为轴对称，各风口关于烧结炉中心线对称，所以取炉膛的四分之一作为计算区域建立模型，坐标原点选在风口中心线下0.3m的炉膛轴线上，如图2所示.按照实际生产和设计的操作工艺参数进行如下边界条件设置.

（1）气体入口边界条件

模型入口为烧结炉风口，入口为速度边界，即为烧结炉鼓风速度，初始密度设定为常数，温度为鼓风温度.

（2）气体出口边界条件

模型出口为烧结炉料面，出口为压力边界，设定烧结炉炉顶压力为0.

（3）壁面边界条件

在炉墙壁面上，采用无滑移边界条件，壁面上流速为0，炉墙与气体之间几乎没有对流传热，又因物料与壁面之间导热较小，所以可忽略通过壁面的热量损失，即q＝0.

（4）对称边界条件

由于模型具有对称性，将对称面设为对称边界条件.在计算中对称边界不需要给定任何参数，只需确定合理的对称面位置.

（5）多孔介质区域

烧结炉内充满烧结小球，在本模型中设置整个计算区域为多孔介质区域.

图2 烧结炉模型计算区域的网格Fig.2 Computational region and grid division of the sintering furnace

1.2 数学模型

1.2.1 气相连续性方程

式中：ε为炉膛内的孔隙率；ρ为炉内气体的密度；ui为气流速度在各方向的分量，i＝1，2.

1.2.2 动量方程

式中：uj为流速在各方向的分量，j＝1，2，3；μ 为黏度；α为渗透率其中γ为范围因子，取0.2；C 为惯性阻力系数dp为粒径.

1.2.3 能量方程

物料的能量方程为

式中：Ts为炉内物料温度，K；ρs为物料密度，kg／m3；cs为物料比热容，kJ／（kg·K）；ks为炉内物料的各向导热系数，W／（m·K），多孔介质在圆管内的导热系数由ks＝0.5usdpρscs计算得到［7］；dp为物料平均直径，m；QR为反应热，kJ／（m3·s）.

气体的能量方程为

式中：Tf为气体温度，K；ρf为气体密度，kg／m3；uf为气 体 流 速，m／s；cp，f为 气 体 比 定 压 热 容，kJ／（kg·K）；hfs为炉内物料与气体之间的对流传热系数，在多孔介质中由计算得到［9］；a为物料与气体单位体积的有效接触面积，m2／m3，在多孔介质中为气体通过物料的雷诺数；Pr为气体的普朗特数.

1.2.4 湍流方程

湍动能（k）方程

式中：Gk为湍流动能的产生项，为Gk的修正量，取Fluent软件中的默认值.

湍动能耗散（ε）方程

1.2.5 气体组分方程

式中：Ys为s组分的质量分数；ws为s组分的反应速率，kg／（m3·s）；s为 O2或CO2.

1.3 热源项处理

燃烧反应热以热源项的形式代入模型能量方程，之前需要对烧结过程中反应热加以处理，即将其进行转换以适合在Fluent软件中应用.

1.3.1 燃烧反应模型

图3为物料小球燃烧结构示意图.在物料燃烧过程中，认为未反应的核均匀向内收缩［9］，但是外表尺寸维持不变，未燃核外覆盖多孔灰壳，灰壳随燃烧的进行而逐渐增厚.燃烧反应只是在未反应核和灰壳的交界面上进行，由于经过灰壳向内扩散的氧浓度已经很低，所以不存在未反应核内部的燃烧现象［10］.燃烧速率受氧化剂通过颗粒外气膜的扩散、灰壳内的扩散传质及表面反应过程综合影响［11］.

图3 物料小球的燃烧模型Fig.3 Combustion model for material pellets

1.3.2 氧气在颗粒外的传质

氧气在颗粒外部的扩散传质可分为从炉中的气流主体扩散到飞灰小球颗粒外气膜的分子扩散和氧气通过外气膜向固体表面的扩散.由于该模型的气流速度较慢，忽略氧气从气膜边界面扩散到飞灰小球外表面的扩散阻力，氧气在颗粒外部的扩散传质可用式（8）表示.

式中：cO2，∞为周围介质中的氧浓度；cO2，f为气膜表面的氧浓度；Af为气膜的表面积，由于气膜非常薄，认为其值等于飞灰小球外表面积；αD为综合传质系数，由求得，其中D0为氧气在空气中的分子扩散系数，湍流状态下的舍伍徳数为Sh＝2＋0.6Re1／2Sc1／3，施密特数为为运动黏度.

1.3.3 氧气在灰壳内的扩散传质

当氧化反应进行时，小球颗粒外会形成灰层，灰层包裹在未反应核外面，对氧气的扩散起到障碍作用，氧气须通过灰层进一步扩散到达燃料表面，反应才可以进行.氧气在颗粒灰壳中的扩散传质速率为

式中：cO2，c为未反应核表面的氧浓度；δA为灰壳的厚度，δA＝rp－rc.

1.3.4 燃烧反应面的反应过程

如果认为氧化反应只在未燃核和灰壳的界面上进行，不存在未反应核内部的燃烧现象.那么反应面上氧气的消耗速率为

式中：cO2，p为未反应核外表面氧浓度；Ac为未燃核外表面积即反应面积；kO2为碳的燃烧反应速率常数为频率因子，E为反应活化能，对于烟煤，取E＝120kJ／mol，A＝2.5×104s－1.

1.3.5 燃烧反应速率

在稳定状态下，单位时间内通过飞灰小球各球面的氧扩散量是相等的，且等于氧与碳反应时的消耗量，那么碳燃烧反应速率为

式中：f为燃烧反应中碳质量与氧质量的当量比，取值为0.375.

单位时间内在烧结小球内碳的消耗量为

式中：ρc为单位体积物料中所含碳的质量，kg／m3.

当t＝0时，rc＝rp，当t＝t0时，rc＝0，由式（11）和式（12）联立积分后可求得燃烧时间t.

炉料下行至x位置处所需的时间为

由式（13）和式（14）可以确定不同炉膛高度上物料的燃尽程度.

1.3.6 单位体积热源

为适合Fluent软件应用，需将以上得到的反应速率转化为单位时间单位体积内的燃料消耗量.经过整理得到模型中的热源项为

2 数值计算结果及分析

2.1 基本参数

由于气体入炉时没有预热，鼓风温度设为300 K.根据燃料消耗量和风口尺寸可得鼓风入口速度为24.6m／s，假设炉顶操作压力为大气压力.采用炉顶水平布料，物料入炉温度为300K，烧结物料堆积孔隙率为0.35，下行速度为0.81×10－3m／s.气体及烧结物料的参数见表1和表2.

表1 模型中的气体参数取值Tab.1 Selection of gas parameters for calculation

表2 模型中的物料参数取值Tab.2 Selection of material parameters for calculation

模型中的飞灰取自北京高安屯垃圾焚烧电厂，取样点为布袋除尘器底部出灰口，飞灰的成分（不计碳）采用Tracor Northern能谱仪分析得到，结果如表3所示.计算中煤的收到基元素分析成分如表4所示.

表3 垃圾焚烧飞灰的元素成分Tab.3 Elemental composition of MWSI fly ash %

表4 煤粉的收到基元素分析和工业分析Tab.4 Ultimate and proximate analysis of coal（as received basis）%

2.2 计算结果及分析

采用CFD软件中的Fluent 6.3进行数值模拟，计算时将速度与压力进行耦合，并采用k－ε方程求解，方程离散采用二阶差分格式，各计算量的相对误差为10－3.由计算可得气体流场、气体压力场、气体温度场、物料温度场、气体各组分浓度场等信息.截取炉膛内比较具有代表性的烧结炉风口中心线纵剖面（即x＝0时y－z平面）和风口中心线横切面（即z＝0.3m时x－y平面）的结果进行各种参数的分析.

2.2.1 气流速度分布

图4表示炉膛内气体的流速分布云图.由图4可知，鼓风速度在风口附近衰减得很快，之后变得比较缓慢.这是因为空气进入炉内时，速度很大，模型中的惯性阻力项占主导地位，使得鼓风速度在风口附近一段距离内迅速降低.当速度降低至一定范围时，模型中的黏性阻力项又起主要作用，因而速度降低趋势变得很缓慢.除炉壁附近外，包括炉膛中心在内的大部分区域速度分布比较均匀，约为2.5～3.5 m／s，满足烧结工艺的要求.

2.2.2 炉膛压力分布

图5为烧结炉内的压力分布图.由图5可知，炉膛内压强为0～11 873Pa，总体上炉内压强随着炉膛高度增加而逐渐降低.风口附近炉内压强较高，由于气流速度较快，所以压强在气流方向上迅速降低，等压线密集.随着距风口距离的增加，气流速度变慢，炉内压强变化趋于缓慢.风口位置以上气体的压强沿径向分布比较均匀.

图4 烧结炉风口中心平面上的流速分布Fig.4 Gas velocity profile in the center plane of tuyere

2.2.3 烧结物料温度分布

图6为烧结炉风口中心轴向截面和径向截面上物料的温度分布图.由图6可以看出，风口附近由于风速较快，对流传热强度较大，所以物料温度较低.物料继续下行到距料面0.35m（z＝0.65m）左右处，温度达到着火点，物料开始燃烧并放出大量热量，这时物料温度快速上升.这一阶段内物料的温度主要受燃烧反应影响，随着燃烧的进行，燃烧阻力不断增大，炉料温度上升速度趋于缓慢.在炉料下行到风口上方0.2m（z＝0.5m）附近时，燃烧变得较为缓慢，另外由于低温鼓风的冷却作用，使得炉料温度有所下降.炉膛中心处气流速度低，对流传热强度较小，因此同一水平面上炉膛中心的温度较高.总之，炉内主要烧结区域的温度为1 138～1 400K，可以满足飞灰无害化处理工艺要求.

图5 烧结炉风口中心平面上的压力分布Fig.5 Pressure profile in the center plane of tuyere

图6 烧结炉风口中心平面上物料的温度分布Fig.6 Temperature profile of material in the center plane of tuyere

2.2.4 炉内气体温度分布

图7为烧结炉风口中心轴向截面和径向截面上气体的温度分布云图.从图7可以看出，风口附近气体温度较低而中心气体温度较高.气体的温度变化主要受气固对流传热的影响，因此炉内最高气体温度略低于物料的最高温度.另外，气体的出口温度较高，约为740～890K，可在烧结炉后设置换热器来回收这部分热量.

图7 烧结炉风口中心平面上气体的温度分布Fig.7 Temperature profile of gas in the center plane of tuyere

2.2.5 炉内气体组分分布

图8和图9分别为风口中心轴向截面上O2和CO2质量分数的分布云图.气体组分质量分数分布在一定程度上反映了炉内化学反应的程度.图中从z＝0.6m到z＝0.85m区域内，O2和CO2质量分数快速变化到接近出口的水平，说明这一区域内燃烧反应激烈，并且整个炉膛的燃烧反应主要发生在这一区域.z＝0.4m以下区域二者的质量分数基本不变，说明该区域物料已经燃烧完全.

图8 烧结炉风口中心轴向截面上O2质量分数分布Fig.8 Oxygen mass fraction profile in the vertical center plane of tuyere

图9 烧结炉风口中心轴向截面上CO2质量分数分布Fig.9 Carbon dioxide mass fraction profile in the vertical center plane of tuyere

3 结 论

（1）炉内风口附近气流速度衰减很快，速度等值线以入口为中心呈扇形分布，气体离开风口0.2m后的流速变化平缓，速度分布比较均匀，可以保证物料燃烧的要求；压力与速度的变化趋势基本类似.

（2）物料的燃烧反应主要发生在z＝0.6m到z＝0.85m的区域内，物料下行至风口中心截面时已经燃烧完全.

（3）掺煤量为12%时，炉内物料的最高温度可达1 400K，完全可以满足无害化处理工艺要求.受气固对流传热的影响，炉内最高气流温度略低于物料的最高温度.

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