1、引言
    采用垃圾焚燒鍋爐，將垃圾在鍋爐內(nèi)焚燒，利用焚燒的熱量產(chǎn)生蒸汽，用于供熱和發(fā)電，是解決垃圾問題的有效途徑，也是近30年發(fā)展起來的新技術(shù)。造紙垃圾焚燒鍋爐主要用于燃燒造紙廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物，如麥秸、草末、廢紙等，使用工業(yè)鍋爐燃燒造紙垃圾的技術(shù)在國內(nèi)剛剛開始，專門的生產(chǎn)廠家還沒有，大多屬于鍋爐制造廠的附屬產(chǎn)品，其系統(tǒng)構(gòu)成、性能、效果、可靠性、穩(wěn)定性、環(huán)保指標(biāo)等方面均有許多不足，目前存在的問題主要有燃燒效率低、污染物排放濃度高，除了運(yùn)行管理不當(dāng)外，還與鍋爐的設(shè)計水平有很大關(guān)系。
    而改善鍋爐的設(shè)計、運(yùn)行水平的一個有效途徑就是強(qiáng)化燃燒，鍋爐的燃燒過程十分復(fù)雜，它涉及到湍流流動、傳熱傳質(zhì)、燃燒釋熱等過程，理論解析相當(dāng)困難。在過去幾十年中，燃燒技術(shù)的發(fā)展主要基于鍋爐運(yùn)行所積累的經(jīng)驗(yàn)以及一些小規(guī)模試驗(yàn)裝置所測得的數(shù)據(jù)，這些經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)有極大的局限性，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，燃燒過程的數(shù)值模擬已經(jīng)成為燃燒理論研究和燃燒裝置設(shè)計的重要手段，它能夠詳細(xì)地模擬出爐內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的溫度場、速度場以及各種組分的分布等，富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
    本文以一臺SZL10 -1.25 - MJ型鍋爐為對象，對鍋爐的爐內(nèi)過程進(jìn)行模擬。模擬過程中，選用比較合適的數(shù)學(xué)物理模型和幾何結(jié)構(gòu)模型，得出了爐膛內(nèi)的速度場、溫度場、壓力場及氣相濃度場的分布情況。
2、物理模型
2.1物理模型
    現(xiàn)己推出的SZL10 -1.25 - MJ造紙垃圾焚燒鍋爐采用雙縱鍋筒、組裝水管、小鏈條爐排的結(jié)構(gòu)型式，鍋爐本體上部大件采用上汽包長、下汽包短的雙鍋筒縱向布置結(jié)構(gòu)，以汽包中心為對稱軸，利用對流管束、水冷壁、下降管將鍋爐上下汽包、下集箱等受壓元件組成一個整體，不需另設(shè)鋼架支撐。該鍋爐在設(shè)計上利用了高溫高速煙氣的特點(diǎn)，科學(xué)合理地設(shè)計了爐內(nèi)旋風(fēng)除塵燃盡室結(jié)構(gòu)，燃盡室內(nèi)有一個凸起的圓形出口，高溫?zé)煔庠谛�風(fēng)燃盡室內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)，使煙氣中的可燃?xì)怏w及燃料與煙氣中的氧氣強(qiáng)烈混合，有利于燃燒過程的順利進(jìn)行，提高了燃燒效率，降低了原始煙塵排放濃度。
2.2模擬對象的設(shè)計參數(shù)
    SZL10 -1.25 - MJ造紙垃圾焚燒鍋爐的設(shè)計參數(shù)如表1所示。
    所用燃料各元素的應(yīng)用基含量、揮發(fā)分和其低位發(fā)熱量如表2所示。
3、數(shù)學(xué)模型
    爐內(nèi)燃燒過程是伴隨著強(qiáng)烈的物質(zhì)和能量交換的湍流流動過程，它包括水分蒸發(fā)、揮發(fā)分的釋放、焦炭的燃燒、輻射傳熱氣相流動，涉及流體動力學(xué)、傳熱傳質(zhì)及燃燒等多個學(xué)科。本文采用適用范圍廣的標(biāo)準(zhǔn)k一ε湍流模型模擬氣相湍流輸運(yùn)，用P-l輻射模型（P -1 radiation model）計算輻射傳熱。
4、邊界條件
4.1入口邊界條件
    由于鏈條爐燃料層的燃燒過程極其復(fù)雜，本文不考慮燃料的燃燒，以燃料層上表面氣體的實(shí)際速度、溫度和組分作為入口邊界條件。
4.2出口邊界條件
    出口邊界定在爐膛的出口截面，本文把出口邊界條件取為壓力出口條件( Pressure outlet boundarycondition)。顯然，爐膛出口截面上的壓力比速度容易確定，考慮到實(shí)際設(shè)計中鍋爐爐膛一般處于負(fù)壓運(yùn)行，因而取出口壓力為- 50Pa（表壓力）。
4.3  固壁邊界條件
    在爐膛壁面附近，由于流體的輸運(yùn)性質(zhì)發(fā)生劇烈變化，需要考慮湍流輸運(yùn)的減弱和層流輸運(yùn)的增強(qiáng)對流體輸運(yùn)性質(zhì)的影響。為了保證計算精度，同時避免壁面附近過細(xì)的網(wǎng)格劃分，本文采用成熟的壁面函數(shù)法( Wall function method)來考慮壁面的影響。
5、數(shù)值模擬結(jié)果及分析
    以一臺SZL10 -1.25 - MJ造紙垃圾焚燒鍋爐為例，模擬出鍋爐運(yùn)行時爐膛的溫度場、壓力場、速度場、密度場、輻射特性、湍流特性及燃燒產(chǎn)物各組分如02、N2、C0、C02、H2、CH。的濃度場等，為研究爐內(nèi)過程提供了依據(jù)，其中爐膛溫度場、O，濃度場、CO，濃度場、壓力場及爐膛出口處的溫度分布和速度分布如圖1~圖6所示。
    燃料在進(jìn)入爐膛后，受到輻射加熱，開始烘干和析出揮發(fā)分，繼之著火和燃盡，很明顯，以上各階段是沿爐排長度相繼進(jìn)行的。燃料被烘干，析出揮發(fā)分以至揮發(fā)分著火的區(qū)段稱之為準(zhǔn)備區(qū)段，在這個區(qū)段中燃料層需要吸熱，熱量的供應(yīng)主要依靠爐膛中火焰和高溫爐墻的輻射熱，整體溫度較低，圖1中爐膛左下部的溫度在700~ 900K。當(dāng)進(jìn)一步加熱，燃料被加熱到著火溫度，引起燃燒，于是燃料層進(jìn)入主要燃燒階段，這個區(qū)域的溫度很高，在爐膛的中下部達(dá)到1300K，燃燒相當(dāng)強(qiáng)烈。最后為燃盡階段，此處，燃料燃盡形成灰渣，稱為灰渣燃盡區(qū)段，溫度也逐漸下降，但由于主燃區(qū)溫度的擴(kuò)散，溫度下降不是很明顯。
    在鏈條爐中，由于燃料是沿爐排長度分區(qū)段燃燒的，因此從火床中放出的氣體，其成分也是沿爐排長度不斷改變的。燃料受到加熱烘干時，通過燃料層空氣中氧氣的濃度基本上保持不變，其容積成分約為21%，然后揮發(fā)分不斷析出，開始著火燃燒，放出CO、C02，因此爐排上部氣體中氧氣的成分減少以至為0，當(dāng)燃燒結(jié)束，不再需要氧氣，氧氣的含量又增加，圖2表現(xiàn)出了氧氣濃度由大到小再到大的變化趨勢。
    圖3為爐膛內(nèi)部的CO．濃度分布。燃料進(jìn)入爐膛受到加熱烘干時，沒有產(chǎn)生CO2，然后開始著火燃燒，放出CO，，爐排上部氣體中CO2成分不斷增加。反應(yīng)消耗了大量的氧氣，直至耗盡，與此相對應(yīng)的，出現(xiàn)了第一個CO2最高點(diǎn)。其后，隨著主要燃燒區(qū)段中還原區(qū)的出現(xiàn)和加厚，氣體中CO和H，成分不斷增多，CO2成分逐漸減少，缺氧情況相當(dāng)嚴(yán)重，以至連揮發(fā)分中的可燃?xì)怏w也無法燃盡，隨著燃料層部分燒成灰渣，當(dāng)還原區(qū)消失時，出現(xiàn)了第二個CO，最高點(diǎn)。此后，灰渣不斷增多，CO2產(chǎn)生量減少，所需氧氣量減少，因此燃料層上氧氣成分不斷增加，而CO，成分不斷減少。
    為了防止煙氣的泄漏和向外噴火，鍋爐要求微負(fù)壓運(yùn)行，一般負(fù)壓量在幾十帕斯卡左右，圖4中整個爐膛的表壓力在-45~-55Pa之間，爐膛出口的表壓力在-49.5~-50.3Pa之間，較符合實(shí)際情況。
    爐膛出口參數(shù)是鍋爐設(shè)計運(yùn)行的重要指標(biāo)，也是人們所關(guān)心的，SZL10 -1.25 - MJ垃圾焚燒鍋爐爐膛出口的煙氣溫度、速度沿高度方向的分布情況如下所述。
    該鍋爐設(shè)計爐膛出口煙溫為1173K，在運(yùn)行中，經(jīng)實(shí)際測量得到出口煙溫在1070~1200K之間。圖5中橫坐標(biāo)為爐膛出口從上到下的距離，整個爐膛出口高度為1.2 m�？梢钥闯觯�隨著高度的降低爐膛出口的煙溫逐漸升高，最低溫度為1163K，最高溫度為1238K，無論從定性上還是從定量上，模擬結(jié)果都表現(xiàn)出了與設(shè)計值及測試值較好的一致性。
    在10t/h垃圾焚燒鍋爐運(yùn)行中，經(jīng)測量爐膛出口煙氣的速度為4~5m/s。圖6中橫坐標(biāo)的意義同圖5中一樣，隨著高度的降低出口速度逐漸減小，最大速度為5.1 m/s，最小速度為3.3m/s，但絕大部分在4~5m/s，速度在4 m/s以下的則集中在距爐膛頂部1.05～1.2 m的下部出口處，因此該模擬結(jié)果是可以接受的。
6、結(jié)論
    本文用所建模型預(yù)測了SZL10 -1.25 - MJ造紙垃圾焚燒鍋爐的爐內(nèi)過程，得到了鍋爐運(yùn)行中爐膛的溫度場、壓力場以及爐膛出口的溫度和速度分布，定性上合理，定量上接近，所預(yù)測的各參數(shù)的變化趨勢也能夠從實(shí)際測量中得到驗(yàn)證。從模擬的氣相濃度圖中可以看出，在爐排的頭、尾兩區(qū)段，燃料層內(nèi)氣體氧氣有余，而在中部區(qū)段，氧氣卻相當(dāng)缺乏。建議在以后的鍋爐設(shè)計中可以考慮根據(jù)氧氣的實(shí)際需要量分段送風(fēng)，即在頭、尾兩段減少風(fēng)量，而在中部增加風(fēng)量，以滿足燃料完全燃燒所需要的氧氣量。
    總之，該模擬結(jié)果為了解和掌握造紙垃圾焚燒鍋爐爐內(nèi)過程及其規(guī)律，提高該鍋爐的設(shè)計、運(yùn)行與改造水平提供了參考。