城市生活垃圾与生物质混烧的烟气净化试验与温度模拟研究

摘要

城市生活垃圾与生物质混烧可以解决部分垃圾焚烧厂在运行中存在的垃圾量不足、垃圾热值偏低问题。然而，城市生活垃圾与生物质混烧后会对焚烧炉的运行工况和烟气中污染物的浓度产生影响。鉴于此，本文以采用机械炉排炉的江苏某垃圾焚烧厂为依托，对城市生活垃圾与生物质混烧后锅炉运行工况、烟气中污染物的浓度、烟气净化效果等进行了试验研究，并对炉内温度分布、烟气流动特点以及冷却塔和反应塔内烟气降温过程进行了模拟研究。其研究成果可为城市生活垃圾与生物质混烧工程的运行管理提供技术支持，也有助于对该类工程烟气中污染物的有效控制。
　　通过现场试验研究了运行参数和混烧对炉膛温度的影响，混烧对锅炉效率的影响，以及混烧和炉膛温度对烟气中污染物排放浓度的影响。炉膛温度受运行参数影响的显著性依次为一次风温、一次风率和过量空气系数，并随生物质掺加量的增加而升高。通过对影响炉膛温度因素的研究，有利于改善由垃圾热值波动引起的炉膛温度的变化状况和减少焚烧过程中有机污染物的生成。在竹屑和油菜杆混烧比例分别为15%和13%时，焚烧炉达额定运行工况，焚烧炉热效率由混烧前的69.7%分别增加至76.13%、76.37%，增加幅度分别达到了6.43%和6.67%，并达到了锅炉设计效率，使能源的利用率得到较大提高。火用效率是从能源品质角度分析能源利用率，其由混烧前的28.95%分别增加至36.17%、35.93%，增加幅度分别达到了7.22%和7.98%。火用效率增加幅度大于热效率，表明掺烧生物质主要提高了燃料的能量品质。混烧后发现除HCl、NOx由于受炉膛温度升高引起的浓度略有增加外，CO、粉尘、SO2的浓度均呈减小趋势。通过调整运行参数控制炉膛温度不断升高，发现烟气中HCl的浓度呈先减小后增加的趋势，CO、SO2的浓度呈减小趋势，NOx的浓度呈增加趋势，粉尘的浓度与炉膛温度无明显关系，表明炉膛温度过高和过低都不利于控制污染物生成。
　　炉膛内的温度分布和烟气流动对锅炉换热和污染物的控制有显著影响。鉴于此，采用FLUENT软件对炉内烟气流动和燃烧进行了数值模拟研究。并以采用运动界面追踪法模拟推料器上的垃圾干燥过程得到的垃圾表面温度变化特点作为边界条件；垃圾在炉排上移动和换热过程的模拟，得到炉排上垃圾表面温度变化特点、水分蒸发特点和挥发份析出特点作为输入值。模拟结果表明在炉膛喉口部烟温达最高值，炉膛前墙区域烟温偏低，后墙区域烟温较高，二烟道内烟温趋于均匀；混烧后高温区烟温增加幅度达100℃，与实际情况相符合；炉内烟气流动呈明显的不均匀性，炉膛后墙区域流动较强，前墙区域流动较弱，在二烟道前墙区域由于烟气流动的突然转向形成较大的回流造成烟气流动较弱，在靠近后墙区域流动较强；二次风的投加进一步增加了烟气流动的不均匀性，不利于污染物的去除。
　　在竹屑和油菜杆混烧比例分别为15%和13%时，研究了各运行参数对循环流化床半干法烟气脱酸效果的影响，发现酸性气体排放浓度受各运行参数的影响非常显著。研究结果对控制酸性气体排放浓度，提高熟石灰利用率具有指导意义。对于本次试验，炉膛温度为900～950℃，熟石灰给料量为160 kg/h，烟气温度为160℃，烟气流量为36000 Nm3/h和喷水量为0.8～1.0 t/h时烟气脱酸效果最佳。
　　对于烟气净化过程，烟温分布的均匀性对烟气脱酸效果和布袋除尘器的运行状况都有一定的影响。烟温分布不均不仅不利于酸性气体脱除，对布袋也易造成损伤。鉴于此，采用数值模拟的方法研究了冷却塔和反应塔内的喷水降温过程。冷却塔内烟气温度分别从230℃、220℃、210℃、200℃降低至170℃，分别在冷却塔高为4.1m、5.8m、6.5m、8m处烟气温度趋于稳定；反应塔内烟气温度分别从170℃、160℃降低至150℃，分别在反应塔高为7.9m、9m处烟气温度趋于稳定。研究结果表明烟温在两塔内均能趋于均匀，不会对酸性气体的脱除和布袋除尘器的运行产生不利影响。
　　本文的研究成果对于城市生活垃圾与生物质混烧的工程应用和烟气中污染物控制具有指导意义。