流化床垃圾焚燒爐內(nèi)流動和燃燒污染物生成數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，產(chǎn)生的越來越多的生活垃圾引發(fā)了一系列的環(huán)境、社會和生態(tài)問題，給整個社會的可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的環(huán)境壓力。焚燒法因在減容減量、資源化、無害化等方面具有填埋和堆肥無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，在諸多發(fā)達(dá)國家已得到廣泛應(yīng)用。流化床垃圾焚燒爐因其結(jié)構(gòu)緊湊、燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高和污染排放低等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用越來越廣泛。 本文在對流化床氣固多相流模型進(jìn)行了全面總結(jié)的基礎(chǔ)上，基于顆粒動力學(xué)理論的歐拉一歐拉雙流體模

2、型，運(yùn)用Fluent軟件對鼓泡床、循環(huán)流化床和管式布風(fēng)流化床進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究表明：氣固相之間的曳力模型和顆粒碰撞彈性恢復(fù)系數(shù)的選取對鼓泡床稠密氣固多相流數(shù)值模擬有重要影響，文中比較了不同工況條件下采用不同的曳力模型、顆粒彈性恢復(fù)系數(shù)和時間步長的計算結(jié)果；二維和三維鼓泡流化床模擬得到的計算結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，三維床的模擬結(jié)果更接近實(shí)際；運(yùn)用Ergun氣固曳力模型，對循環(huán)流化床進(jìn)行數(shù)值模擬結(jié)果表明，模擬結(jié)果和試驗(yàn)值比較吻合，顆粒濃度徑向分布的

3、不均勻，顆粒濃度在近壁面區(qū)較高，中心位置處較低，流形呈現(xiàn)典型的環(huán)一核狀。同時數(shù)值模擬得到不同時刻、不同工況條件下管式布風(fēng)流化床氣泡的產(chǎn)生、長大和破裂的情況，研究發(fā)現(xiàn)床內(nèi)氣泡的生成初期具有一定的對稱性質(zhì)，該新型流化床具有內(nèi)循環(huán)流化床的一些流體動力特性，布風(fēng)管的小孔風(fēng)速和其橫向節(jié)距的選取對于床內(nèi)的氣泡的產(chǎn)牛和顆粒流化質(zhì)量有重要的影響。為了保證床內(nèi)顆粒的良好的流化質(zhì)量，建議布風(fēng)管之間的L<,cr>/d的大小取為0.25左右；通過對雙層布風(fēng)管的

4、數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，加大下層布風(fēng)管的風(fēng)量，兩層管之間的流化加劇，但對上層布風(fēng)管上方的顆粒流化影響并不大；通過對雙組分顆粒管式布風(fēng)流化床內(nèi)流化特性模擬發(fā)現(xiàn)，隨著流化時間的推移，細(xì)重顆粒和粗大顆粒發(fā)生分離現(xiàn)象，細(xì)重顆粒向床內(nèi)下沉。通過在床內(nèi)加入粗重物料后床內(nèi)的流化情況研究表明，隨著時間的增加，粗重的顆粒逐漸分成團(tuán)狀，然后主要向兩布風(fēng)管間移動擴(kuò)散開來，并逐漸向床層底部擴(kuò)散，床內(nèi)流化氣泡直徑明顯地減小，床內(nèi)的粗重顆粒有抑制床層流化的作用。 在

5、小型流化床垃圾焚燒試驗(yàn)臺上進(jìn)行了垃圾典型組分NOx排放特性的試驗(yàn)研究，基于成熟的化學(xué)基元反應(yīng)機(jī)理，應(yīng)用Chemkin對甲烷在對沖擴(kuò)散火焰中NOx的生成特性進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，模擬了垃圾典型組分在流化床垃圾焚燒爐中NOx的生成特性，并進(jìn)行了比較，研究表明：NOx基元反應(yīng)機(jī)理GRI-Mech2.11動力學(xué)層流火焰中預(yù)測值比GRI-Mech3.0更接近實(shí)驗(yàn)值；垃圾典型組分小型流化床焚燒爐試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同種類垃圾混合焚燒NO轉(zhuǎn)化率均小于單

6、組分垃圾NO轉(zhuǎn)化率線性疊加，配比不同，下降的幅度也不同，總的來說幅度一般在5～20％左右，煤與有機(jī)物混合燃燒，NO排放濃度小于煤與垃圾線性疊加。建立了流化床內(nèi)NO生成的動力學(xué)模型，通過改變工況條件：包括床溫、過量空氣系數(shù)和改變?nèi)剂现蠬CN的含量來模擬NO的排放情況和燃料N轉(zhuǎn)化為NO的轉(zhuǎn)為率，模擬結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果的趨勢一致，從理論上證實(shí)了試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的兩種垃圾混燒時燃料N轉(zhuǎn)化為NO的轉(zhuǎn)化率低于單組分垃圾的燃料N轉(zhuǎn)化為NO率的線性疊加。

7、 通過在實(shí)驗(yàn)室小型流化床試驗(yàn)臺上進(jìn)行了垃圾典型組分HCl的排放特性試驗(yàn)，結(jié)果表明：單組分典型垃圾的燃料Cl轉(zhuǎn)化為HCl的轉(zhuǎn)化率均隨著床溫升高而升高，但升高的幅度不大；隨著摻燒垃圾比例的提高，HCl的排放濃度逐漸增加：HCl對SO<,2>和NO的排放均有抑制作用。通過垃圾焚燒爐內(nèi)煙氣中污染物之間的相互影響基元化學(xué)反應(yīng)機(jī)理化學(xué)動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，焚燒煙氣中HCl對CO和NO的氧化均有抑制作用，隨著NO濃度的升高，對CO的氧化的抑制作用減弱，HC

8、l得抑制 效果與煙氣中的水分影響不大，隨著溫度的提高，抑制效果明顯；煙氣中SO<,2>對CO的排放有一定的抑制效果，但同HCl相比效果要低的多；煙氣中HCl對SO<,2>得排放在高溫的時候有明顯的抑制效果，低溫時幾乎沒有影響。 在全面總結(jié)和回顧了燃燒過程多環(huán)芳烴（PAHs）的理化特性、來源、毒性和生成機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用成熟的PAHs基元反應(yīng)機(jī)理，運(yùn)用化學(xué)動力學(xué)方法研究了不同情況下PAHs的動力學(xué)生成特性。通過對乙烷層流火焰

9、化學(xué)動力學(xué)模擬對PAHs生成機(jī)理進(jìn)行了驗(yàn)證，模擬值和實(shí)驗(yàn)吻合的比較好。并且通過反應(yīng)的敏感性分析，計算出了對于苯的生成有重要影響的反應(yīng)的無量剛敏感性系數(shù)，發(fā)現(xiàn)影響苯生成的反應(yīng)在距出口約0.15cm的地方影響最明顯，之后又逐漸平緩。不同燃燒當(dāng)量比乙烷層流火焰影響苯生成的最主要基元反應(yīng)沒有發(fā)生變化，但每個反應(yīng)所起到的作用發(fā)生了明顯的變化，原來促成苯生成的基元反應(yīng)隨著燃燒當(dāng)量比的增加，促成苯生成的作用在減弱，原來抑制苯生成的基元反應(yīng)，其抑制作用

10、進(jìn)一步增強(qiáng)。對典型的流化床垃圾熱解氣體組分—低烷烴碳?xì)淙剂喜煌r條件下反應(yīng)生成PAHs進(jìn)行了計算比較，研究表明：乙烷和乙烯同樣的反應(yīng)溫度條件下，隨著燃燒當(dāng)量比的提高，生成PAHs的峰值濃度都顯著增加，同樣的燃燒當(dāng)量比的情況下隨著溫度的提高，甲烷、乙烯和乙烷反應(yīng)分別生成PAHs生成隨停留時間出現(xiàn)的峰值大小并沒有太大的變化，但是峰值出現(xiàn)的時間提前；在同樣的燃燒當(dāng)量比和反應(yīng)溫度的情況下，乙烷生成PAHs的峰值最早出現(xiàn)，乙烯其次，甲烷最后。就

11、反應(yīng)生成PAHs的峰值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，乙烯的峰值最大，乙烷其次，甲烷最小。最后通過對垃圾典型組分不同工況下PAHs的生成情況進(jìn)行動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)：隨著燃燒當(dāng)量比的增加，焚燒體系的反應(yīng)不完全性加劇，提高燃燒溫度，可以減小體系反應(yīng)的不完全性；在同樣的體系反應(yīng)溫度下，隨著燃燒當(dāng)量比的增加，反應(yīng)的不完全性加劇，反應(yīng)體系中PAHs生成峰值都顯著增加；在同樣的燃燒當(dāng)量比的情況下，隨著反應(yīng)體系的溫度的升高，反應(yīng)體系中PAHs生成峰值出現(xiàn)的時間均逐漸提前，

12、同時其生長量也逐漸增大。而且，隨著反應(yīng)溫度的提高，生成PAHs的峰值副度顯著減小；在同樣的反應(yīng)體系溫度和燃燒當(dāng)量比的情況下，紙張PAHs生成量比塑料和織物生成量小得多，而塑料和織物的PAHs生成量幾乎相當(dāng)。 全面總結(jié)和分析了垃圾焚燒爐內(nèi)二嗯英的生成機(jī)理，包括高溫氣相生成、前驅(qū)物生成和從頭合成，在此基礎(chǔ)上，對垃圾焚燒爐內(nèi)二嗯英生成進(jìn)行了化學(xué)動力學(xué)分析，研究表明：溫度、停留時間和燃燒當(dāng)量比對二嗯英的前驅(qū)物生成有重要影響；在氯酚轉(zhuǎn)變生