城市生活垃圾層狀燃燒過程試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬.pdf

1、城市生活垃圾焚燒在能源發(fā)展戰(zhàn)略中是一個(gè)主要的研究領(lǐng)域。為使垃圾焚燒處理技術(shù)真正達(dá)到無害化的目的，了解焚燒過程中污染物的產(chǎn)生機(jī)理和控制技術(shù)是十分必要的。本文研究了城市生活垃圾的焚燒過程，并針對固定床內(nèi)城市生活垃圾焚燒過程進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬，為深入認(rèn)識床層內(nèi)垃圾的焚燒過程和減少垃圾焚燒過程中污染物的排放奠定了基礎(chǔ)，通過本文的研究可以提供更可靠的數(shù)據(jù)用來設(shè)計(jì)和優(yōu)化城市生活垃圾焚燒爐。
　　利用熱天平研究城市生活垃圾的焚燒過程

2、，采用FTIR紅外光譜儀測得CO2、CO、CH4三種氣體在熱解過程中的定量析出曲線，并利用積分法計(jì)算出熱解過程中各氣體總的析出質(zhì)量同時(shí)采用Coats-Redfern法，得到了模擬城市生活垃圾焚燒過程中的活化能和指前因子，確定了城市生活垃圾的焚燒表觀動(dòng)力學(xué)模型。
　　為了深入了解和研究城市生活垃圾焚燒過程的特性，建立了一維固定床熱態(tài)實(shí)驗(yàn)臺。城市生活垃圾試樣由蔬菜、細(xì)沙和紙板組成，它們具有和真實(shí)的城市生活垃圾相似的灰分、水分、固定碳含

3、量。固定床燃燒發(fā)生在一個(gè)垂直的圓柱體燃燒室，它由稱重傳感器懸掛著。通過改變一次風(fēng)量、一次風(fēng)溫和物料本身特性對垃圾床層燃燒的影響規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究主要針對焚燒過程中固定床內(nèi)溫度、氣氛濃度、床層重量及NO生成特性的變化規(guī)律來進(jìn)行的。同時(shí)，利用計(jì)算流體力學(xué)的方法對層燃爐排上城市垃圾焚燒過程及NO生成特性進(jìn)行了數(shù)值研究，采用一維非穩(wěn)態(tài)模型對床層內(nèi)氣固兩相介質(zhì)分別建立控制方程，確定了水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出及燃燒和焦炭燃燒反應(yīng)速率，建

4、立了污染物NO生成及還原和二噁英生成反應(yīng)簡化模型，得出了床層中溫度分布、床層重量和高度變化、氣相中反應(yīng)物組分和污染物NO濃度分布，得出了水分蒸發(fā)速率、揮發(fā)分析出速率、垃圾著火鋒面位置及其推進(jìn)速度等特性參數(shù)。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著一次風(fēng)量的增加，床層表面CO平均排放濃度是一直降低的，造成C生成CO轉(zhuǎn)化率降低，而N生成NO的轉(zhuǎn)化率是先升高后降低的；隨著一次風(fēng)溫度的升高，CO和NO的平均排放濃度逐漸升高，NO最高濃度峰值沒有發(fā)生明顯的

5、變化；隨著水分比例的增加，CO2、NO和CO平均排放濃度逐漸減小；CO2、CO的平均排放濃度隨著物料中灰分所占比例的增加而減小，NO的平均排放濃度隨著灰分所占比例的增加先增大后降低。隨著一次風(fēng)流量的增加，火焰鋒面的傳播速度和模擬垃圾的焚燒速率先增加后降低，但是火焰鋒面的傳播速度降到一定的數(shù)值后保持不變；隨著一次風(fēng)溫的增加火焰平均傳播速度略有增加，而在底部物料燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾虞^多，同時(shí)模擬垃圾的平均燃燒速率和水分蒸發(fā)速率有小幅度提高；

6、隨著模擬垃圾物料中水分和灰分含量的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣群湍M垃圾的焚燒速率是降低的。
　　模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)對比表明：模擬床層物料質(zhì)量和床層高度隨時(shí)間變化曲線與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，在燃燒中段，床料質(zhì)量近似按直線變化，燃燒峰面勻速向下傳播，水分蒸發(fā)和揮發(fā)分析出速率近似為常數(shù)；而后期由于剩余焦炭與氧反應(yīng)速度較慢，燃燒速度減低，質(zhì)量變化接近水平線。從實(shí)驗(yàn)和模擬兩方面對床層內(nèi)溫度分布對比分析，整體的分布規(guī)律一致，火焰峰面和燃燒最高溫度的預(yù)報(bào)與實(shí)驗(yàn)值

7、相吻合，模擬程序準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了床層中熱量傳遞和火焰峰面?zhèn)鞑ミ^程。在垃圾焚燒的過程中，水分蒸發(fā)階段占據(jù)的時(shí)間最長，約占整個(gè)焚燒實(shí)驗(yàn)時(shí)間2/3，是影響垃圾焚燒進(jìn)程的重要因素，當(dāng)料層溫度上升至100℃以上，熱解和燃燒區(qū)內(nèi)物料溫度梯度明顯增大，溫升速率迅速提高。床表面氣體成分濃度模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表明：床層內(nèi)物料燃燒產(chǎn)生氣體總體變化趨勢的模擬能夠反映床層內(nèi)物料燃燒過程，且O2和CO2模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。采用De’Soete提出的HCN衰減的總

8、體反應(yīng)機(jī)理可以較為準(zhǔn)確的模擬固定床上垃圾焚燒過程中NO的生成，在不同一次風(fēng)量下的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。NO主要來源于燃料型NO，垃圾中氮含量是影響NO生成的主要因素。
　　本文的研究表明，通過實(shí)驗(yàn)研究能夠更好地掌握和了解垃圾焚燒過程，并為改進(jìn)垃圾焚燒數(shù)值模型和為層燃式垃圾焚燒工程應(yīng)用提供依據(jù)；采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，可以深入認(rèn)識垃圾焚燒的過程，充分了解熱量的傳遞過程，氣體生成過程，也可以預(yù)測到垃圾焚燒的最高溫度和垃圾焚燒過