流化床垃圾焚烧炉内流动和燃烧污染物生成数值模拟研究

【摘要】：随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高，产生的越来越多的生活垃圾引发了一系列的环境、社会和生态问题，给整个社会的可持续发展带来了巨大的环境压力。焚烧法因在减容减量、资源化、无害化等方面具有填埋和堆肥无可比拟的优点，在诸多发达国家已得到广泛应用。流化床垃圾焚烧炉因其结构紧凑、燃料适应性广、燃烧效率高和污染排放低等优点，其应用越来越广泛。 本文在对流化床气固多相流模型进行了全面总结的基础上，基于颗粒动力学理论的欧拉—欧拉双流体模型，运用Fluent软件对鼓泡床、循环流化床和管式布风流化床进行了数值模拟，研究表明：气固相之间的曳力模型和颗粒碰撞弹性恢复系数的选取对鼓泡床稠密气固多相流数值模拟有重要影响，文中比较了不同工况条件下采用不同的曳力模型、颗粒弹性恢复系数和时间步长的计算结果；二维和三维鼓泡流化床模拟得到的计算结果比较发现，三维床的模拟结果更接近实际；运用Ergun气固曳力模型，对循环流化床进行数值模拟结果表明，模拟结果和试验值比较吻合，颗粒浓度径向分布的不均匀，颗粒浓度在近壁面区较高，中心位置处较低，流形呈现典型的环—核状。同时数值模拟得到不同时刻、不同工况条件下管式布风流化床气泡的产生、长大和破裂的情况，研究发现床内气泡的生成初期具有一定的对称性质，该新型流化床具有内循环流化床的一些流体动力特性，布风管的小孔风速和其横向节距的选取对于床内的气泡的产生和颗粒流化质量有重要的影响。为了保证床内颗粒的良好的流化质量，建议布风管之间的L_(cr)／d的大小取为0.25左右；通过对双层布风管的数值模拟发现，加大下层布风管的风量，两层管之间的流化加剧，但对上层布风管上方的颗粒流化影响并不大；通过对双组分颗粒管式布风流化床内流化特性模拟发现，随着流化时间的推移，细重颗粒和粗大颗粒发生分离现象，细重颗粒向床内下沉。通过在床内加入粗重物料后床内的流化情况研究表明，随着时间的增加，粗重的颗粒逐渐分成团状，然后主要向两布风管间移动扩散开来，并逐渐向床层底部扩散，床内流化气泡直径明显地减小，床内的粗重颗粒有抑制床层流化的作用。 在小型流化床垃圾焚烧试验台上进行了垃圾典型组分NOx排放特性的试验研究，基于成熟的化学基元反应机理，应用Chemkin对甲烷在对冲扩散火焰中NOx的生成特性进行了验证，在此基础上，模拟了垃圾典型组分在流化床垃圾焚烧炉中NOx的生成特性，并进行了比较，研究表明：NOx基元反应机理GRI-Mech2.11动力学层流火焰中预测值比GRI-Mech3.0更接近实验值；垃圾典型组分小型流化床焚烧炉试验研究发现，不同种类垃圾混合焚烧NO转化率均小于单组分垃圾NO转化率线性叠加，配比不同，下降的幅度也不同，总的来说幅度一般在5～20％左右，煤与有机物混合燃烧，NO排放浓度小于煤与垃圾线性叠加。建立了流化床内NO生成的动力学模型，通过改变工况条件：包括床温、过量空气系数和改变燃料中HCN的含量来模拟NO的排放情况和燃料N转化为NO的转为率，模拟结果同试验结果的趋势一致，从理论上证实了试验中发现的两种垃圾混烧时燃料N转化为NO的转化率低于单组分垃圾的燃料N转化为NO率的线性叠加。 通过在实验室小型流化床试验台上进行了垃圾典型组分HCl的排放特性试验，结果表明：单组分典型垃圾的燃料Cl转化为HCl的转化率均随着床温升高而升高，但升高的幅度不大；随着掺烧垃圾比例的提高，HCl的排放浓度逐渐增加；HCl对SO_2和NO的排放均有抑制作用。通过垃圾焚烧炉内烟气中污染物之间的相互影响基元化学反应机理化学动力学模拟发现，焚烧烟气中HCl对CO和NO的氧化均有抑制作用，随着NO浓度的升高，对CO的氧化的抑制作用减弱，HCl得抑制