基于烟气加热的新型垃圾热解气化炉热工特性数值模拟.pdf

固 废 处 理 基于烟气加热的新型垃圾热解气化炉 热工特性数值模拟 肖 波 汪莹莹 周新平 苏 琼 华中科技大学环境学院, 武汉 430074 摘要 为了解新型烟气加热的垃圾热解气化炉运行时的热工状况, 采用实验研究与理论模拟相结合的方式, 在实验室 电炉热解梧桐落叶, 采用烟气加热方式的热解气化炉热解粗破碎梧桐落叶的中试实验获得的初始数据的基础上, 运用 CFD 计算软件模拟烟气加热的垃圾热解气化炉内部温度场, 模拟结果与实验结果相吻合。 结果显示 该炉型热解气化 室内部温度分布合理, 稳定的高温段分布较广, 能为垃圾的热解气化提供必要的热能。 同时模拟连续进料条件下热解 室的内部温度分布情况, 为设备的改进提供指导作用。 关键词 烟气加热 热解气化炉 温度场 数值模拟 垃圾热解气化技术因其较高的能源利用率及较 低的二次污染物排放 ,被认为是继垃圾焚烧技术之后 极具应用前景的新型垃圾热处理工艺 。国内外专家 学者已经在此方面做了大量的实验研究 ,研制各种适 用于垃圾热解气化的设备 。国内几所高校及研究所 为设计出符合我国国情的垃圾热解气化炉,也在进行 此方面的研究, 并获得初步成果。 烟气加热的垃圾热解气化炉通过生物质粉体在 燃烧室内粉尘燃烧产生热量, 这部分燃烧直接热以及 燃烧产物高温烟气所携带的热经由燃烧室和气化室 间的管壁 ,通过热传导和热对流等方式为气化室内的 垃圾热解气化提供热能。它的研制成功 ,降低垃圾热 解气化技术的运行成本 相比较于电加热 、 喷煤油燃 烧加热等方式 ,且由于采用生物质粉体作为燃料 ,理 论上可达到二氧化碳的零排放 ,减轻温室气体对环境 的影响。 热解气化炉的传热条件直接影响其运行状况及 产气的成分,较好地预测和评估炉内的温度场是必要 的研究工作,研究其热工特性在整个炉型设备开发中 有着至关重要的作用 。 1 研究方法 传热与流体流动过程的预测可以通过两个主要 的方法,即实验研究与理论计算的方法得到。一个物 理过程的最可靠数据资料往往是由试验测量得到的。 采用全比例设备进行实验研究 ,可以预测由它完全复 制的同类设备在相同的条件下将如何运行,但多数情 况下此类实验是极其昂贵的, 于是取代方法是缩小比 例,这就带来一定的误差 ,且测量仪器本身也有误差, 试验的周期都相对较长。理论计算则具有成本低 、 速 度快 、 资料完备 、 具有模拟真实条件与理想条件的能 力。理论的预测出自于一个数学模型的结果 ,通过建 模、 离散化和迭代求解,获得所需的数据 ,该模型与实 际物理现象的吻合度决定其数值模拟的可靠性。确 定合适的模型, 选定正确的参数, 选取经济的计算方 法,决定数值模拟的成败与优劣。 在此采用实验研究与理论模拟 使用计算流体软 件FLUENT6. 0 相结合的方式考察垃圾热解气化炉的 运行状况, 获得所需的数据资料。 1. 1 实验研究 由于生活垃圾的组分较多且成分变化大 ,而本试 验的主要目的是考察炉体的传热状况,为保证运行状 态的稳定, 便于研究产气组分与温度的关系 ,故选用 单一组分的庭院垃圾 梧桐落叶 为实验的原料进行 不通气化剂的热解实验, 同时采用干燥梧桐落叶破碎 成的 80目左右的生物质粉体作为燃料提供热源 。 实验研究分为两大部分 实验室电炉热解粗破碎 梧桐落叶 当量直径5 cm左右 的小试实验 ,获得体现 热解产气成分与温度关系的资料数据; 0. 48 m 0. 48 m 1. 60 m的采用烟气加热方式的热解气化炉 热解粗破碎梧桐落叶的中试实验, 测定稳定燃烧 燃 烧室温度控制在 850～ 950 ℃范围内 条件下燃烧室 入口风速、炉体上部分点的温度及热解产气的成分 。 由于热解气化室内部温度场较难直接测得,故根 据小试与中试所得的热解气中可燃气组分间的联系, 52 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 预测其内部的温度范围。 1. 2 理论计算 1. 2. 1 数学模型 本研究将整个烟气加热的垃圾热解炉的运行过 程简化成热流体经过炉内各管束的稳态传热过程。 采用GAMBIT 软件建立结构模型、选用紊流 k- ε 双方 程模型和绝热模型, 以垃圾热解气化炉中试实验所测 得的燃烧室温度 、 入口风速及烟气出口温度等数据资 料作为初始的参数条件输入 FLUENT6. 0,并同时输入 炉体各表面边界条件 ,以此计算获得整个炉体的温度 场。图1 为烟气加热垃圾热解气化炉的示意图 。 图 1 烟气加热的垃圾热解气化炉示意图 1. 2. 2 控制方程 1 质量守恒方程 连续性方程 ρ t div ρ uSm 1 式中 ρ 密度; t 时间 ; u 速度 ; Sm 源项。 2 动量守恒方程 对于牛顿流体, 用 u 表示x 方向上的速度 ,则动 量方程可写为 ρ u t div ρ μ u div μ gradu- p x BxVx 2 其中 μ 是粘度 ,p 是压力, Bx是沿x 方向的单位 容积内的体积力 , Vx代表除去 div μ gradu 所表示的 粘性力项之外的其它所有粘性力项 。 3 能量方程 对于忽略粘性耗散作用的稳态低速流 , 能量方 程为 div ρ uhdiv kgradTSh 3 式中 h 比焓 ; k 导热系数; T 温度; Sh 容积发热率, 根据傅立叶 Fourier 热传 导定律 div kgradT 代表的是流体中的 热传导作用。 4 紊流能量方程 紊流脉动动能 k 的方程为 ρ k t div ρ μ kdiv ΓkgradkG -ρ ε 4 式中 Γ k 是 k 的扩散系数; G 紊流能量的生成率 ; ε 动能的耗散率 ; G-ρ ε 方程中的净源项, 动能耗散 ε 方程 与此类似。 2 结果与分析 2. 1 实验研究结果与分析 使用实验室电炉热解粗破碎梧桐落叶,并通过温 度控制柜使得炉体内部温度稳定在所需值 波动 5 ℃ ,热解产生的气体 ,经由奥氏分析仪检验其成 分,得出热解气体成分与温度的关系 ,如表 1所示。 表 1 热解气成分与温度的关系体积分数 温度 ℃CO2O2COCH4H2可燃气 65040. 90. 315. 924 . 18 . 948. 1 70026. 50. 919. 223 . 814 . 757. 7 75017. 41. 113. 922 . 329 . 465. 6 80010. 50. 616. 517 . 752 . 887 8506. 40. 127. 716 . 94892. 6 9007. 70. 429. 316 . 540 . 286 从表 1 中可看出 ,随着温度的升高, 热解产气中 可燃气体的密度逐渐增大, 在850 ℃时达到最大值, 其后略有下降。 在0. 48 m0. 48 m 1. 60 m 的采用烟气加热方 式的热解气化炉热解粗破碎梧桐落叶的中试实验中 测得入口风速为300 m s, 燃烧室温度控制在 850 ～ 950 ℃ 时运行较为稳定 , 此时烟气出口温度在 300 ～ 350 ℃ 的范围内波动 。该工况下随着燃烧时间的延 长,产生的热解气体成分变化规律如表 2 所示 。 53 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 表 2 燃烧室温度在 850～ 950 ℃时热解气 成分与时间的关系体积分数 温度 ℃ CO2O2 CO CH4H2 可燃气 3551. 411412. 519 . 445. 9 4543. 80. 613 . 616. 522 . 452. 5 6537. 60. 612 . 619. 730 . 662. 9 90292. 415 . 217. 834 . 267. 2 10524116 . 217. 240 . 273. 6 12020. 427 . 81449 . 671. 4 从表 2 可以看出 ,烟气加热型垃圾热解炉大约在 燃烧100 min以后 , 产生的热解气中可燃气体组分的 含量达到最高 , 随后保持稳定 , 此时可燃气含量在 70～ 75 之间, 亦即在燃烧室燃烧温度为 850 ～ 950 ℃ 时,需要100 min左右 , 炉内的温度场达到稳定 状态 。参考表 1 所示的可燃气成分与温度关系,可以 估测出炉内热解气化室高温区温度在 750 ～ 800 ℃范 围内 。 2. 2 模拟结果与分析 由于实验研究的局限性, 不能得出整个热解气化 室内的温度分布详细情况 ,而数值模拟解决了这一问 题,它可以详尽计算出热解气化室内的温度场 。本研 究利用CFD技术 , 将燃烧室温度、烟气出口温度、入 口风速等参数作为初始变量输入, 模拟燃烧室温度分 别为1 123. 16、1 173. 16、1 223. 16 K时的热解气化室 温度分布情况, 获得较好的效果。 随着炉高变化的热解气化室内中心轴处温度分 布如图 2 所示, 稳态传热的理想情况下, 模拟所得的 烟气加热型垃圾热解气化炉内热解气化室的最高温 度范围为 822 ～ 917 ℃,与实验研究所得的估测值相 比略高70 ℃左右 ,误差范围控制在 10以内, 且理想 状态与实际状态间本身存在一定的偏差 ,故该模拟所 得的数据是可靠的。 图 2 随炉高变化的模拟温度分布 从图 2 中可以看出 , 随炉体高度的变化, 内部热 解气化室中心轴处温度呈现出急速升高至最高值 ,然 后缓慢下降至一定温度后在一段较广范围内保持稳 定,最后于接近炉顶可燃气出口处急速下降的态势, 大部分炉体区域温度在 657 ～ 917 ℃范围之内, 即相 对稳定的温度段位于距炉底 0. 20～ 1. 35 m的位置 ,分 布较广。 图3 给出燃烧温度为1 123 K时 , 距离炉底部 0. 85 m处热解气化室的横向温度分布情况 ,从图中可 以看出横向温度分布不仅受横向的列管传热影响 ,纵 向温度传导也提供了很大部分的热能,且温度分布呈 现中间向两边递减的趋势 。 图 3 考虑与不考虑纵向温度传导的横向温度场模拟分布 垃圾热解中试实验采用的是非连续进料的方式, 即先往热解室内一次性加满粗破碎的梧桐落叶进行 后续的实验 ,这种情况下势必运行一段时间后, 就要 停机加原料 。而该实验研究的下一步计划是根据现 有设备运行情况 ,改进进料方式,使其能连续工作 ,此 时热解室内的温度场与非连续进料方式下的内部温 度场, 必定存在一定的区别 ,准确预测内部温度分布 对于设备的改进有着很好的指导作用, 利用模拟软 件,能很好地模拟出在连续进料条件下的温度分布 。 图4 给出的连续进料与非连续进料条件下 ,燃烧 温度为1 123 K时, 距离炉底部0. 85 m处的热解室并 且不考虑纵向热传导的横向温度分布情况。 图 4 连续进料与非连续进料条件下的横向温度模拟分布 从图中可以看出 ,连续进料时的内部温度场相比 较于非连续情况下的更为均匀 ,高温段分布更广。其 原因是在非连续进料的情况下 ,原料填满热解室的整 54 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 个空间,高温列管向外的辐射传热作用被大大地削弱 了,温度的传递基本只是通过固体与壁面间的热传导 作用; 在连续进料的条件下 ,原料颗粒从顶部落入热 解室 ,在下落的过程中被干燥 、 热解 ,热解室内存在大 量的空间, 高温管壁向外的辐射传热作用很强烈, 且 存在热解室内气体与壁面间的对流传热和导热作用, 烟气所携带的热量能更充分地传递给热解气化室 。 3 结论 1 使用 CFD 计算软件能很好地模拟基于烟气 加热的热解气化炉热解室内的温度场, 获得可靠的较 为准确的温度数据。 2 模拟表明, 烟气加热的热解气化炉运行状况 良好, 内部温度达到热解所需的温度, 若要很好地进 行气化实验 , 应将燃烧室运行温度提高至1 000 ℃ 左右 。 3 模拟同时表明 , 将进料方式改为连续进料将 有助于热解气化室获得更均匀更高温度值的温度场。 参考文献 [ 1] Eric . D.Larson, Ernst Worrell, Jeffrey S.Chen.Clean fuels from municipal solid waste for fuel cell buses in metropolitan areas. Resources, Conservation and Recycling , 1996, 17 273 -298. [ 2] 王华, 何芳, 马文会等. 二恶英零排放生活垃圾气化熔融制气技 术. 太阳能学报, 2002, 23 2 260 -264. [ 3] 王华, 胡建杭, 何芳等. 无害化城市生活垃圾直接气化熔融焚烧 技术的试验研究. 工业加热, 2004, 33 3 16 -19. [ 4] 凌忠钱, 周昊, 钱欣平等. 多孔介质内 H2S 贫氧燃烧制氢数值模 拟. 环境科学学报, 2006, 26 1 22 -26. [ 5] S. V. 帕斯卡. 传热与流体流动的数值计算. 上海 科学出版社, 1984,4-17. 作者通讯处 汪莹莹 430074 湖北省武汉市 华中科技大学主校 区东一舍 124 室 2006- 08-01 收稿 回转窑焚烧炉在医疗废物处理中的应用 裴照堂 吴伟祥 浙江大学, 杭州 310000 摘要 在医疗废物焚烧处理中, 对于炉型的选择一直是工程设计人员最为关心的问题, 也是关系医疗废物的处置是否 能够真正达到无害化、减量化、资源化, 特别是达到无害化处置目的的核心因素, 在此通过西北某市医疗废物焚烧处理 工艺设计, 共同探讨回转窑焚烧炉在医疗废物焚烧处理中的应用。 关键词 医疗废物 回转窑焚烧炉 工艺设计 1 医疗废物的组成特征 医疗废物主要来源于医疗 、预防 、保健、医学科 研、 教学等部门产生的具有直接和间接感染性 、 毒性 及其它危害性的废物 ,根据对西北某市工程设计范围 内医疗废物的实际调查统计, 确定该工程医疗废物的 组成特征见表 1。 2 回转窑焚烧炉工作原理及性能优点 2. 1 工作原理 回转窑是一个略为倾斜 或水平 而内敷耐火砖 的钢制空心圆桶 ,绕着其轴旋转,从一端投入垃圾 ,当 垃圾到达另一端时已被燃烬成炉渣。为了保证废物 完全燃烧 ,在回转窑的后端装置二次燃烧室 1 个。 回转窑本身是用来沸化及氧化废物中的可燃物, 废物中的惰性固体则随着回转窑的转动向另一端移 动,然后由底部排出 。沸化的蒸汽及燃烧气体经过回 转窑后端进入二次燃烧室, 在高温下进行完全氧化、 燃烧 。 表 1 医疗废物组成特征 废物种类组成成分比例 塑料制品 一次性针管、手术衣、手套、输液管、一 次性防护衣等 35 废纸、棉纱消毒用棉球、尿垫、口罩等5 玻璃制品药瓶5 其它手术弃物 废液药残液、污染液等20 病房生活垃圾剩饭、果皮等30 55 环 境 工 程 2007年 4 月第25 卷第2 期 APPLICATION OF VARIOUS CATALYSTS IN PLASMA AIR PURIFIER Zhao Fa Wang Li Xing Yi 43 Abstract The experiment indicated that plasma technology has excellent effect to remove indoor VOCs, and can reach more than 90 on condition of proper flux and stronger discharging voltage. Without treatment of ozone, CO and so on produced by the technology will lead to the second -pollution to atmospheric environment. Based on the technology of catalysis and trans, the effect of disposing tail gas pollution from purifying indoor air is also studied with catalyst. So it is discussed how to select proper postpositional catalyst and catalyzed temperature. In addition, how to devise the configuration of reactor that makes it adapt to more flux gas is also discussed. Keywords plasma, indoor air pollution, catalysis trans, catalyst and toluene DISCUSSION ON DOUBLE RETURN ROUTE ABSORPTION TOWER AND ITS CIRCULATION SLURRY COMPUTATIONWan Jinbao Li Yuanyuan 46 Abstract The double return route absorption tower can be applied to the flue gas desulfurization system of thermoelectric power station, sintering plant and so on. It owns the advantages of good mass transfer effect, high desulphurization rate and high gypsum purity , which has the superiority on reducing the development of natural gypsum resources and protecting resources. Through describing the principle and characteristics of the double return route tower, it is analyzed its structure and the perance step by step, and then furhter demonstrated its computational of circulation slurry. Keywords double return route, absorption tower, desulfurization and slurry REING BAG FILTER FROM ESP OF DEDUSTING SYSTEM OF SINTERING MACHINE TAIL AND ORE SIZINGChi Zhiyong 49 Abstract It is described the design of the electrical precipitator changing into a long low -voltage pulse dust catacher for 3 sets of dedusting systems of the sintering machine tail and the ore sizing area of an ore -sintering plant. It is introduced the existing defects of the original EP, the specific measures, the lectotype of main equipments, and the testing data of the dedusting system operations etc. It has operated reliably for 2 years, all the technical inds are always in good state. Keywords sintering machine, ore sizing, dedusting system, long low-voltage pulse dust catcher, electrical precipitator and reing bag filter from ESP NUMERICAL SIMULATION OF THE TEMPERATURE FIELD IN THE NEW GASIFIER HEATING BY HIGH TEMPERATURE SMOKEXiao Bo Wang Yingying Zhou Xinping et al 52 Abstract In order to know the pyrology state of the new gasifier heating by high temperature smoke, the combination of experiment and computational fluid dynamics was applied. By the computational fluid dynamics and the data from the pyrogenation experiment of the Chinese parasol tree leaves heating by electric cooker andthe new gasifier, itwas simulatedthe temperature field in the reactor. The resultsof the simulation show good agreement with experimental data. The numerical results also show that the temperature in the reactor wasdistributed suitably , the range of high temperature was wide, it can provide adequate energy for pyrogenation. At the same time, it was simulated the temperature field in the reactor when it was circulated continuously ,which was in favor of ameliorating the gasifier. Keywords high temperature smoke for heating, gasifier, temperature field and numerical simulation APPLICATION OF ROTARY KILN INCINERATOR IN MEDICAL WASTE TREATMENT Pei Zhaotang Wu Weixiang 55 Abstract In the treatment of medicalwastesincineration, the choice for furnace lines is the most concerned factor by the project designer as well as the key factor for the medical waste treatment canwhether achieve the aim of innoxiousness, decrement and resource, especially achieving the aim of innocuous treatment. It is focused on discussing the application of rotary kiln incinerator in the medical waste incineration treatment by the process design of medicalwaste incineration in a northwest city. Keywords medicalwastes, rotary kiln incinerator and process design DISPOSAL OF MSWI FLY ASH THROUGH A COMBINED Na3PO4-COAL ASH BINDER IMMOBILIZATION PROCESSZhang Dajie He Xinghua Hou Haobo 58 Abstract MSWI fly ash is considered a hazardous waste because of high heaavy metal concentration and must be treated. Combined Na3PO4-coal ash immobilization process was used to stabilize and solidify the heavy metal of MSWI fly ash. Results show that the disposal effect is good, and the MSWI fly ash can reach landfill standard by mixing 1. 5Na3PO4and 25 coal ash binder after 7 d curing. Keywords MSWI fly ash, Na3PO4, coal ash and stabilization -solidification FLOATING COVER TECHNIQUE OF REGULATING RESERVOIR FOR REFUSE LANDFILL Zhang Chaoping Luo Peng Huang Zhonglin 61 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 2,Apr. ,2007