焚燒過程的熱分析

焚燒過程的熱分析

目前，中國的大型垃圾填埋場(chǎng)已通過國外直接引進(jìn)設(shè)備和設(shè)計(jì)技術(shù)。國內(nèi)尚缺乏完整的設(shè)計(jì)資料和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),對(duì)焚燒的熱力過程也缺乏系統(tǒng)研究。由于垃圾的成分、形狀、尺寸、物性、密實(shí)性等變化很大,爐內(nèi)常存在溝流、短路現(xiàn)象;另外,由于垃圾與煤的成分相差很大,它們的燃燒特性也相差很大,許多關(guān)于煤燃燒的熱力數(shù)據(jù),不能在焚燒爐中簡單套用,因此建立垃圾焚燒爐熱力模型成為一項(xiàng)較復(fù)雜的工作。國外在垃圾焚燒爐熱力模型上較成功的是Essenhigh等人的研究,本文將對(duì)此作簡單介紹,再根據(jù)作者已有的一些研究結(jié)果,建立一個(gè)與實(shí)際過程更為接近的焚燒爐熱力模型。1essenhig模型1.1燃燒過程圖1是文獻(xiàn)描述的爐排上的焚燒過程,大致為:加熱干燥、熱解、著火、燃盡。1.2簡化模型圖2是文獻(xiàn)給出的簡化模型。2本模型2.1燒后整理滌綸的假設(shè)(1)爐排上加熱干燥、熱解、殘?zhí)咳急M三個(gè)過程的物理化學(xué)特性不同,且采用分級(jí)配風(fēng),故宜加以分區(qū)。(2)揮發(fā)分燃燒時(shí)間很短,故床面上均相燃燒與最終燃盡區(qū)只在焚燒爐中以及余熱鍋爐下部。(3)由于采用馬丁式往復(fù)爐排,垃圾上下翻滾,故假設(shè)爐排上各區(qū)中垃圾受熱均勻。(4)揮發(fā)分燃燒區(qū)中,由于熱煙氣有較強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng),且配合著二次風(fēng)擾動(dòng),故認(rèn)為該區(qū)是充分混合的動(dòng)力控制反應(yīng)區(qū)。2.2高溫環(huán)境燃燒碳氮碳粉的研究圖3給出了本文的熱力分區(qū)模型。對(duì)各不同熱力特性區(qū)說明如下:A區(qū):加熱干燥區(qū),入爐垃圾受熱煙氣輻射、煙氣對(duì)流、爐拱輻射加熱。B區(qū):垃圾熱解區(qū),從A區(qū)來的垃圾繼續(xù)受上述三種方式加熱,析出揮發(fā)分。C區(qū):殘?zhí)咳紵齾^(qū),從B區(qū)來的殘?zhí)吭诟邷丨h(huán)境下逐漸燃盡。D區(qū):揮發(fā)分燃燒區(qū),揮發(fā)分與氧氣充分混合,均相燃燒,并迅速燃盡。E區(qū):輻射傳熱區(qū),揮發(fā)分與殘?zhí)咳紵a(chǎn)生的煙氣對(duì)余熱鍋爐的水冷壁管輻射加熱。3各熱區(qū)域的分析和計(jì)算3.1種傳熱方式對(duì)入爐垃圾加熱的熱流密度的影響作者曾對(duì)垃圾焚燒爐中煙氣黑度εg和吸收率αg按查圖法和經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算,發(fā)現(xiàn)由于垃圾中含水分40%～50%,煙氣中PCO2/PH2O值低于0.5,超出了經(jīng)驗(yàn)公式εg=1-e-kpL的適應(yīng)范圍,故用查圖法計(jì)算εg和αg。同時(shí)由于煙氣輻射、煙氣對(duì)流、爐拱輻射三種傳熱方式對(duì)入爐垃圾加熱的熱流密度基本為同一數(shù)量級(jí),故要綜合考慮三種傳熱的影響:qt=qgr+qgc+qwr(1)qt=qgr+qgc+qwr(1)式中qt,qgr,qgc,qwr分別為總熱流密度、煙氣輻射、煙氣對(duì)流、爐拱輻射熱流密度,kW/m2。其計(jì)算方法參考文獻(xiàn)。將垃圾分別看成小平板、小球、小圓柱,其內(nèi)部傳熱為非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。垃圾層表面與爐拱均看成灰體,二者黑度分別為:垃圾εw=0.90,爐拱耐火磚εw=0.85。煙溫Tg=1073K,爐拱溫度Tw=1073K,入爐垃圾溫度Tw1=293K,加熱干燥后溫度Tw2=573K。煙氣流速Ug=0.1m/s和Ug=10m/s。計(jì)算得垃圾升溫時(shí)間如圖4。3.2垃圾熱分解區(qū)3.2.1熱解時(shí)間的確定由于垃圾加熱至760℃揮發(fā)分幾乎析出完畢,且揮發(fā)分析出阻力很小,故假定加熱至760℃的時(shí)間為熱解時(shí)間。垃圾形狀、尺寸、煙氣流速同上節(jié)。該區(qū)垃圾初溫Twl=573K,熱解完畢溫度Tw2=1033K,煙溫Tg=1073K,熱解時(shí)間如圖5。3.2.2多煤階在不同時(shí)間下萌發(fā)分燃燒時(shí)間公式由于揮發(fā)分在高溫下容易著火,且燃燒時(shí)間很短,故可能一析出,立即在垃圾表面燃燒,這種反應(yīng)屬于擴(kuò)散控制型。參考煤燃燒單膜模型,設(shè)氧氣擴(kuò)散至揮發(fā)分膜表面立即反應(yīng),可推得揮發(fā)分燃燒時(shí)間公式:τv=LoΜ0.59ΤgfΟ2(1800Τg)0.75(d2)2×[(82.1VrρΤgΜ+1)■-1](2)式中,M為揮發(fā)分分子量;Lo為理論空氣量;Vr為垃圾可燃基揮發(fā)分;fO2為氧氣濃度。計(jì)算得τv-Tg,τv-dp關(guān)系曲線如圖6。3.3空氣中空氣放空速率dp2按簡單的表面反應(yīng)氣體(氧氣)消耗計(jì)算炭的燃盡。τc=ρmC0D∫dp20α(dp2)3(DkΟ2+dpΝu)(dp2)3(α-1)+(dp2)d(dp2)(3)式中,CO為空氣中氧氣分;KO2為氧氣消耗速率;Nu為傳質(zhì)努謝爾特?cái)?shù);D為氧氣擴(kuò)散系數(shù)。不同粒徑dp和不同燃盡率drj,τc-Tg關(guān)系曲線見圖7。3.4蒸發(fā)和燃燒區(qū)域3.4.1氣體摩爾分析該區(qū)反應(yīng)屬動(dòng)力控制型。給出一種垃圾可燃基成分Cr51.6%,Hr8.1%,Or36.4%,Nr1.5%,Sr1.5%,Clr0.9%,寫出質(zhì)量守恒關(guān)系式:有濕式條件下CO反應(yīng)速率公式:d[CΟ]dτ=3×1010fCΟf0.3Ο2f0.5Η2Ο(ΡRΤg)exp(-66990RΤg)(5)式中,fCO,fO2,fH2O為各氣體摩爾分額,由式(6)計(jì)算得的τv-Tg關(guān)系曲線見圖8。τv=pfCΟ/RΤgd[CΟ]/dτ(6)3.4.2燃燒時(shí)間及化合物nv的計(jì)算先進(jìn)的焚燒技術(shù)要求達(dá)到:主要有害有機(jī)組成(PrincipleOrganicHazardousConstituents,POHC)的破壞去除率(DestructionandRemovalEfficiency,DRE)達(dá)到99.99%。DRE=99.99%時(shí),不同溫度下的燃燒時(shí)間τv計(jì)算如下:k滿足Arrhenius關(guān)系式:k=Aexp(-ERΤg)(7)式中,A為Arrhenius常數(shù),s-1;E為活化能,J/mol;R為通用氣體常數(shù),R=8.314J/(mol·K);Tg為反應(yīng)溫度,Ko從0～τ時(shí)間內(nèi),反應(yīng)物濃度從C01～CDRE,則τ為:τv=-1kln(CDREC01)(8)對(duì)23種化合物,計(jì)算得τv如下表。A和k值取自文獻(xiàn)。3.5煙氣輻射加熱該區(qū)中揮發(fā)分已燃燒完畢,物理過程主要是高溫?zé)煔鈱?duì)余熱鍋爐水冷壁管輻射加熱。有關(guān)煙氣輻射的計(jì)算參考本文3.1節(jié)和文獻(xiàn)。煙氣在該區(qū)可看成是一維柱塞流動(dòng)。4次風(fēng)和熱解燃燒(1)將焚燒爐與余熱鍋爐劃分為加熱干燥區(qū)、垃圾熱解區(qū)、殘?zhí)咳紵齾^(qū)、揮發(fā)分燃燒區(qū)、輻射傳熱區(qū),可以較好地描述爐內(nèi)熱力過程。(2)計(jì)算表明,垃圾加熱、熱解、殘?zhí)咳紵臅r(shí)間較長,而揮發(fā)分燃燒的時(shí)間較短,且垃圾可燃基下,揮發(fā)分約占70%,固定碳約30%,故加熱和熱解對(duì)整個(gè)焚燒過程起控制作用。(3)由于揮發(fā)分中含大量有害物質(zhì),且氣體在高溫區(qū)停留時(shí)間較短,保證揮發(fā)分的完全燃燒,是組織好燃燒工況的關(guān)鍵。故宜供給二次風(fēng),提供足夠的氧氣,增強(qiáng)爐內(nèi)湍流度