盧閃，李文，楊玉瀅，趙斌

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210)

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污泥流化床焚燒特性數(shù)值模擬與分析

盧閃，李文，楊玉瀅，趙斌

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210)

污泥焚燒；燃燒特性；數(shù)值模擬；溫度場；煙氣污染物

采用Fluent軟件對某212 t/d流化床焚燒爐處理混合污泥(含水率58.8%)的燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析，研究了溫度場、速度場及煙氣中各主要污染物的排放特性。結(jié)果表明：隨入爐污泥含水率的增加，焚燒爐排煙溫度降低，爐內(nèi)速度分布趨于均勻，而煙氣成分含量中，CO含量變化不大，CO2、SO2與NO含量均降低；在相同配風(fēng)條件下，含水率為50%的污泥燃燒不充分，當(dāng)含水率為60%的污泥燃燒時，煙氣溫度與CO2、SO2、NO含量較高，但SO3含量較低。研究結(jié)果可為污泥焚燒系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化提供理論參考。

污泥焚燒具有處理速度快、處理量大、占地面積小、無需長期儲存和長距離運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點，可有效實現(xiàn)污泥處理減量化和無害化的目的。同時，污泥焚燒產(chǎn)生的熱量及生成性能穩(wěn)定的殘渣可進(jìn)一步回收利用。但污泥焚燒產(chǎn)生的煙氣污染物亟需得到合理的控制。

國內(nèi)的一些學(xué)者已經(jīng)對污泥的焚燒處理及其污染物特性進(jìn)行了研究，吳成軍[1]等研究了污泥和煤在循環(huán)流化床中以不同比例混合燃燒時汞的排放特性；樓波[2]等通過Fluent對廣東某電廠煤粉爐內(nèi)摻混污泥的燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析；方平[3]等對污泥干化焚燒過程中的污染物排放及控制進(jìn)行了深入研究。雖然對污泥焚燒處理有一定的研究基礎(chǔ)，但采用數(shù)值模擬方法對不同含水率工況下污泥單獨(dú)燃燒時的污染物排放特性的研究相對較少。因此，選用非預(yù)混和燃燒模型和DPM離散相模型，對流化床焚燒爐污泥的燃燒特性進(jìn)行數(shù)值模擬，具有重要的工程實踐意義及學(xué)術(shù)價值。

1 焚燒爐

國內(nèi)某污泥半干化焚燒系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。首先將含水率為80%的濕污泥送入傾斜盤式轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)中，通過蒸汽干燥把污泥水分降至40%左右，從干燥機(jī)排出的干污泥與濕污泥混合后送入流化床焚燒爐內(nèi)，焚燒爐出口約850 ℃的高溫?zé)煔庖来瓮ㄟ^空氣換熱器、余熱鍋爐，最終經(jīng)煙氣處理設(shè)備由煙囪排放。余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽與外供蒸汽混合返回至干燥機(jī)，對污泥進(jìn)行干燥處理。

焚燒爐是系統(tǒng)中最重要的處理設(shè)備，日處理量為212 t混合污泥(含水率58.8%)，熱負(fù)荷約49 400 MJ/h。一次風(fēng)口即底部分散管均勻布入流化空氣，干濕污泥以1.12:1的配比混合后投入爐膛燃燒。由于焚燒爐底部空氣分散管以下不參與燃燒，且密相區(qū)較為復(fù)雜，故為簡化計算，只利用Fluent模擬稀相區(qū)氣相燃燒區(qū)域(床層固體污泥焚燒部分的計算由Matlab完成)。選用Gambit軟件建立焚燒爐全尺寸的三維模型，如圖2所示。焚燒爐爐膛為圓柱體，爐高為14.8 m，內(nèi)徑為6.6 m，靜止時床層高度為1.5 m，運(yùn)轉(zhuǎn)時流化床高度為2.0～2.5 m。建立三維模型時，取運(yùn)轉(zhuǎn)時砂層高度為2.0 m，污泥入口管內(nèi)徑為448 mm，二次風(fēng)入口管內(nèi)徑為200 mm，煙氣出口管內(nèi)徑為1 500 mm。

圖2 污泥焚燒爐模型

2 模型與方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

選用非預(yù)混和燃燒模型以及DPM離散相模型，對流化床焚燒爐污泥燃燒特性進(jìn)行數(shù)值模擬[4]。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是基于湍流動能和湍流耗散率的公式，假設(shè)分子間的粘性可以忽略，流場是完全湍流的。輻射傳熱過程選用P-1模型，由于燃燒溫度與排煙溫度限制，NOx氣體主要為燃料型，且試驗結(jié)果表明，污泥燃燒排放的煙氣中NO的含量比NO2多，NO2由NO進(jìn)一步反應(yīng)生成，因此著重考慮NO，采用的NO生成模型是Extended Zeldovich[5-7]，模型由以下3種反應(yīng)構(gòu)成：

N2+O→NO+N

(1)

N+O2→NO+N

(2)

N+ OH→NO+H

(3)

2.2 網(wǎng)格處理

Fluent計算中，網(wǎng)格質(zhì)量直接關(guān)系到之后的模擬結(jié)果是否準(zhǔn)確。因此，劃分網(wǎng)格時要著重關(guān)注網(wǎng)格劃分質(zhì)量。Gambit網(wǎng)格類型包括結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)以及雜交網(wǎng)格。用Gambit軟件對流化床焚燒爐進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為756 694個，如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 邊界條件

Fluent數(shù)值模擬時，需輸入污泥的元素分析、工業(yè)分析、顆粒密度及比熱和發(fā)熱量等物性參數(shù)。研究了污泥含水率分別為50%、60%、70% 3種工況下，流化床焚燒爐內(nèi)溫度場、速度場等變化規(guī)律，不同工況下污泥的理化分析結(jié)果如表1所示。

表1 不同工況下污泥理化分析數(shù)據(jù)

因采用的是非預(yù)混和燃燒模型(PDF)，需要計算出爐膛密相區(qū)內(nèi)每小時產(chǎn)生的各組分體積及其摩爾比，可利用Matlab軟件進(jìn)行床層密相區(qū)固體污泥焚燒部分的計算，再把計算結(jié)果作為稀相區(qū)氣相燃燒的邊界條件。焚燒爐內(nèi)流化空氣量約11 700 Nm3/h，密相區(qū)溫度約為800 ℃。求解結(jié)果如表2所示。

表2 密相區(qū)各組分體積分?jǐn)?shù)及其摩爾比

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)值模擬驗證

該污泥處理處置工程實際運(yùn)行時所燃燒的混合污泥含水率為60%，為驗證數(shù)值模擬結(jié)果的合理性，將含水率為60%的污泥燃燒時的模擬值與實際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，如表3所示。

表3 含水率為60%污泥燃燒時模擬結(jié)果與運(yùn)行值對比

由表3分析可知，燃燒含水率為60%污泥時，爐頂壓力的模擬值與試驗所得數(shù)據(jù)一致，實際運(yùn)行時，焚燒爐出口煙溫為850 ℃，模擬值與運(yùn)行值相對誤差為2.47%，爐膛稀相區(qū)溫度范圍為750～900 ℃。在相同配風(fēng)條件下，模擬值為747～871 ℃，相對誤差范圍為0.40%～3.22%。數(shù)值模擬結(jié)果與實際運(yùn)行值相對誤差較小。因此，驗證了數(shù)值模擬的正確性。

3.2 燃燒特征分析

3.2.1 溫度場

對含水率分別為50%、60%、70%的入爐污泥在流化床焚燒爐內(nèi)燃燒時Y=0縱向切面上的溫度變化云圖進(jìn)行對比，如圖4所示。污泥在3種工況下燃燒時，爐膛稀相區(qū)底部溫度均較低，主要由于污泥中水分較多，汽化潛熱較大。隨著二次風(fēng)的鼓入以及污泥中揮發(fā)分的不斷析出，氣相燃燒逐漸減弱，溫度沿爐膛高度方向呈現(xiàn)出升高的趨勢，爐膛中上部溫度較高。在爐膛Y=0縱向切面左側(cè)近壁處均出現(xiàn)了低溫燃燒區(qū)，主要是由于污泥受到一次風(fēng)的擾動作用而引起的。

圖4 不同含水率污泥燃燒時縱向切面爐膛溫度分布

含水率分別為50%、60%、70%的入爐污泥在流化床焚燒爐內(nèi)燃燒時，焚燒爐中軸線上溫度變化如圖5所示。爐膛高度6 m以下位置，溫度隨入爐污泥水分的減少而增加，主要因為入爐污泥的泥質(zhì)特性在很大程度上影響到焚燒爐爐膛溫度，尤其是污泥含水率。一方面，當(dāng)入爐污泥含水率較高時，污泥發(fā)熱量相對減小[8]，揮發(fā)分與固定碳所占比例也就降低，灰分含量增多，燃燒時產(chǎn)生的能量也就較少。另一方面，入爐污泥含水率越高，進(jìn)入焚燒爐的水分也就越多，由水蒸氣造成的排煙能量損失相應(yīng)增大。因此，隨著入爐污泥含水率的增高，爐膛溫度相應(yīng)降低。爐膛高度6 m以上區(qū)域，含水率為60%的污泥燃燒時溫度超過含水率為50%的污泥，原因可能是相同配風(fēng)條件下，含水率為50%的污泥燃燒不充分。

圖5 焚燒爐中軸線位置不同含水率污泥燃燒溫度對比

3.2.2 速度場

對含水率分別為50%、60%、70%的入爐污泥在流化床焚燒爐內(nèi)燃燒時Y=0 縱向切面的速度變化進(jìn)行對比分析，如圖6所示。爐膛內(nèi)部均明顯的體現(xiàn)出速度場的大小變化，稀相區(qū)底部速度較小，且隨爐膛縱向高度逐漸增大，煙氣出口處速度達(dá)到較高值。這是由于一次風(fēng)由布置在爐膛底部的布風(fēng)板進(jìn)入，速度均勻，基本不變，之后污泥揮發(fā)分析出，與二次風(fēng)混合發(fā)生氣相燃燒，使?fàn)t膛內(nèi)部出現(xiàn)速度變化。煙氣出口處由于排煙口徑的縮小，速度達(dá)到了最大值。

圖6 不同含水率污泥燃燒時縱向切面爐膛速度分布

3.2.3 煙氣組分分布

(1)CO與CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)

CO和CO2的質(zhì)量份額是反應(yīng)爐內(nèi)燃燒狀況的重要參考依據(jù)[9-10]，含水率分別為50%、60%、70%的入爐污泥在焚燒爐中軸線位置CO和CO2質(zhì)量份額分布如圖6、圖7所示。由圖7和圖8可看出，煙氣出口處CO含量整體變化不大，均占總組分份額的0.003 6左右，而CO2含量出現(xiàn)明顯的變化。理論上而言，爐膛煙氣出口處CO2含量應(yīng)隨入爐污泥水分的增加而略有降低，這與污泥的元素組成成分與焚燒爐的燃燒質(zhì)量有關(guān)。但由模擬結(jié)果來看，含水率為60%污泥燃燒時煙氣出口處CO2含量較高，占總組分份額的0.230 85，含水率為70%污泥燃燒時煙氣出口處CO2含量較低，約占總組分份額的0.227 32。3種工況污泥燃燒時CO2含量分布與爐膛溫度分布趨勢相對應(yīng)，原因可能是相同配風(fēng)條件下，含水率為50%污泥燃燒不充分。

圖7 焚燒爐中軸線位置不同含水率污泥燃燒CO含量對比

圖8 焚燒爐中軸線位置不同含水率污泥燃燒CO2含量對比

(2)SO2與SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)

SO2的生成量幾乎完全依賴于燃料中的硫含量，而與流化空氣量、焚燒爐容量、燃燒器類型等因素?zé)o關(guān)。燃料成分里的含硫化合物很容易與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成SO2以及少量的SO3。含水率分別為50%、60%、70%的入爐污泥在流化床焚燒爐內(nèi)燃燒時焚燒爐中軸線位置SO2和SO3質(zhì)量份額分布如圖9、圖10所示。分析可知，污泥在3種工況下燃燒時，SO2含量沿爐膛高度方向，隨著污泥的燃盡逐漸減少，SO3隨著爐膛高度的增加，含量均略有增加，但煙氣出口處SO3含量極少。且含水率為60%的污泥燃燒時，煙氣出口處，SO3含量最低，約占總組分份額的0.000 305，SO2含量相對較高，約占總組分份額的0.000 96，這與污泥的燃燒質(zhì)量有關(guān)。

圖9 焚燒爐中軸線位置不同含水率污泥燃燒SO2含量對比

圖10 焚燒爐中軸線位置不同含水率污泥燃燒SO3含量對比

(3)NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

對含水率分別為50%、60%、70%3種工況下的入爐污泥在流化床焚燒爐內(nèi)燃燒時Y=0 縱向切面上的NO質(zhì)量分布云圖進(jìn)行對比分析，如圖11所示。組分NO含量沿著爐膛高度的縱向方向均升高，爐膛上部高溫區(qū)NO含量較多[11]，這是由于最初污泥中的組分N參與燃燒反應(yīng)生成的小部分NO基本上集中在爐膛底部區(qū)域，由于二次風(fēng)的鼓入，燃燒反應(yīng)愈加充分，污泥在流化床內(nèi)受熱分解析出的含氮揮發(fā)分(如NH3、HCN、N2等)，進(jìn)一步與氧化合生成NO，因此，NO含量逐漸升高。

理論上，入爐污泥水分越低，爐膛煙氣出口處NO含量相應(yīng)越高，這與焚燒爐內(nèi)的溫度分布相對應(yīng)，一般而言，爐膛溫度越高，NOx含量也就越多。但由模擬結(jié)果來看，含水60%污泥燃燒時煙氣出口處NO含量較高，含水70%污泥燃燒時煙氣出口處NO含量較低，這與含水率為50%的污泥燃燒不充分有關(guān)。

圖11 不同含水率污泥燃燒時NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布云

4 結(jié)論

(1)隨著入爐污泥含水率的增加，焚燒爐內(nèi)排煙溫度降低、速度分布趨于均勻，煙氣成分含量中，CO含量變化不大，CO2、SO2與NO含量均降低。

(2)當(dāng)焚燒爐內(nèi)流化空氣量約為11 700 Nm3/h時，含水率為50%的污泥燃燒不充分，含水率為60%污泥燃燒時，煙氣溫度與CO2、SO2、NO含量較高，SO3含量最低，約占總組分份額的0.000 305。

(3)入爐污泥水分的增加可有效降低煙氣污染物含量，但相應(yīng)的排煙溫度也降低。因此，在保證各項污染物氣體的排放指標(biāo)降低的同時，應(yīng)進(jìn)一步分析焚燒爐燃燒狀況是否良好。

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Numerical Simulation and Analysis of Sludge Incineration Characteristics in Fluidized Bed

LU Shan,LI Wen,YANG Yu-ying,ZHAO Bin

(College of Metallurgy and Energy,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210,China)

sludge incineration; combustion characteristic; numerical simulation; temperature field; flue gas pollutant

Fluent software was used to simulate and analyze the combustion process of sludge in a fluidized bed incinerator which could dispose mixed sludge (the moisture content is 58.8%) with 212 t/d.The temperature field,velocity field and the emission characteristics of the main pollutants in the flue gas were discussed.The simulation results show that:with the increase of sludge moisture content into the furnace,the exhaust gas temperature of incinerator is decreased,the velocity distribution tends to be uniform,and in the flue gas component content,CO content is changed little,CO2,SO2and NO content are decreased slightly.Under the condition of the same air distribution,the sludge combustion is not sufficient which moisture content of 50%.So that when the sludge which moisture content of 60% is burning,the flue gas temperature and content of CO2,SO2and NO are higher,the content of SO3is less.The results can provide a theoretical reference for the operation optimization of sludge incineration system.

2095-2716(2017)03-0012-09

2017-01-13

2017-05-10

TQ534 X705

A