城市生活垃圾層狀燃燒過程試驗研究及數(shù)值模擬.pdf

1、城市生活垃圾焚燒在能源發(fā)展戰(zhàn)略中是一個主要的研究領域。為使垃圾焚燒處理技術真正達到無害化的目的，了解焚燒過程中污染物的產(chǎn)生機理和控制技術是十分必要的。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行了系統(tǒng)的試驗研究及數(shù)值模擬，為深入認識床層內(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，通過本文的研究可以提供更可靠的數(shù)據(jù)用來設計和優(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，并利用積分法計算出熱解過程中各氣體總的析出質量同時采用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力學模型。
　　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)實驗臺。城市生活垃圾試樣由蔬菜、細沙和紙板組成，它們具有和真實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。通過改變一次風量、一次風溫和物料本身特性對垃圾床層燃燒的影響規(guī)律進行了詳細的實驗研究。實驗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)律來進行的。同時，利用計算流體力學的方法對層燃爐排上城市垃圾焚燒過程及NO生成特性進行了數(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速率，建

4、立了污染物NO生成及還原和二噁英生成反應簡化模型，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速度等特性參數(shù)。
　　實驗結果表明：隨著一次風量的增加，床層表面CO平均排放濃度是一直降低的，造成C生成CO轉化率降低，而N生成NO的轉化率是先升高后降低的；隨著一次風溫度的升高，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?。籆O2、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。
　　模擬結果和實驗對比表明：模擬床層物料質量和床層高度隨時間變化曲線與實驗值吻合較好，在燃燒中段，床料質量近似按直線變化，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速度較慢，燃燒速度減低，質量變化接近水平線。從實驗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報與實驗值

7、相吻合，模擬程序準確預報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)的時間最長，約占整個焚燒實驗時間2/3，是影響垃圾焚燒進程的重要因素，當料層溫度上升至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驗結果對比表明：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模擬結果與實驗值吻合較好。采用De’Soete提出的HCN衰減的總

8、體反應機理可以較為準確的模擬固定床上垃圾焚燒過程中NO的生成，在不同一次風量下的模擬結果與實驗結果吻合較好。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，通過實驗研究能夠更好地掌握和了解垃圾焚燒過程，并為改進垃圾焚燒數(shù)值模型和為層燃式垃圾焚燒工程應用提供依據(jù)；采用數(shù)學模型進行模擬計算，可以深入認識垃圾焚燒的過程，充分了解熱量的傳遞過程，氣體生成過程，也可以預測到垃圾焚燒的最高溫度和垃圾焚燒過