[发明专利]一种垃圾焚烧炉床层燃烧的计算方法

说明书

技术领域

本发明属于固废能源化计算领域，具体包括物理过程描述，化学方程选取，控制方程设定，算法设计和编程计算。可应用于垃圾焚烧炉内焚烧状况(温度，各物质浓度等)的计算。

背景技术

随着城市化进程的推进和经济的迅速发展，我国城市生活垃圾(Municipal Solid Waste-MSW)增长迅速，2016年生活垃圾产量达到1.91亿吨，全国城市生活垃圾累积堆存量已达70多亿吨，2/3的城市陷入“垃圾围城”困境，城市生活垃圾引发的环境污染问题日益严重，高效处理、资源化安全利用已刻不容缓。

目前，生活垃圾常用的处理方式是填埋，堆肥和焚烧，其中焚烧发电技术以其对垃圾快速的减容和能源化，成为越来越守青睐的处理方式。因此，对焚烧过程的研究具有十分重要的意义。一般认为，焚烧过程分为两部分，床层气固两相燃烧和炉膛内气相部分燃烧，关于炉膛气相部分的燃烧，借助FLUENT商业软件，已有很多研究，而关于床层部分的计算，鲜有研究。当前对床层部分的计算多数用经验模型或经验值的方法，属于大概估算，误差很大，在后续计算过程导致结果不准确，因此难以精确计算焚烧炉内的焚烧状况。

因此，在上述前提下，本发明以CFD理论为基础，对床层部分进行建模，将垃圾假定为均匀的固体颗粒，建立了床层多孔介质的燃烧模型，并设计算法、编程求解。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垃圾焚烧炉床层部分的计算方法，更加精确计算焚烧炉内燃烧过程中的温度、各物质(O₂，H₂O，CO₂，CO等)浓度变化，从而详细解析焚烧炉内焚烧状况不合理的地方，给出焚烧炉运行过程中的建议，优化运行工况，提高焚烧效率，减少污染物排放。

本发明通过如下技术方案实现：

一种垃圾焚烧炉床层燃烧的计算方法，包括根据燃烧物理化学过程设定为水分蒸发模型，挥发分析出模型，挥发分燃烧模型和固定碳燃烧模型构成了整个垃圾焚烧的全过程；根据物理化学反应方程，及其所对应的反应速率方程，依据计算流体力学而推导的控制方程、离散过程和求解算法。

所述水分蒸发模型是：生活垃圾进入焚烧炉后，首先被焚烧炉内的辐射加热，与外界高温气体进行热交换，反应速率方程为：

R_evp＝A_sh_s(C_w,s-C_w,g)

式中，A_s为计算体积的表面积(m²)；C_w,s，C_w,g分别为固体颗粒表面和气相部分的水蒸气浓度；h_s为气固两相传质系数。

所述挥发分析出模型是：垃圾组分中挥发分在加热的条件下会裂解成小分子气体，反应速率为：

挥发分中分燃烧设定为CO，H₂，CH₄，NH₃，其燃烧反应方程设定及反应速率如下表：

表1挥发分燃烧反应方程及参数

选定的气相组分H₂、CH₄、CO、NH₃与O₂的化学反应及其反应速率，构建了垃圾气相燃烧的模型。

所述固定碳的燃烧模型是：挥发分的系数也是垃圾碳化的过程，挥发完毕后固定碳会被点燃，由于是燃烧反应，考虑碳的氧化反应，化学方程如下：

C_(s)+αO₂→2(1-α)CO+(2α-1)CO₂

反应速率为：

R_C＝P_O2/(1/k_r+1/k_d)

式中，k_r,k_d分别为化学反应速率系数和氧气扩散系数，化学反应参数k_r主导反应速率，参数取值为A_c＝860kg/(m²s kPa),E_c＝18000×R。

控制方程来自质量守恒，能量守恒，动量守恒三个方面，共涉及连续方程，能量方程，动量方程，组分方程四类方程，方程如下表：

表2控制方程描述