一种垃圾焚烧炉床层燃烧的计算方法技术

本发明专利技术涉及一种垃圾焚烧炉床层部分的计算方法，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。本发明专利技术基于CFD理论对床层气固两相部分建模，模拟了固相到气相的转化全过程，比传统经验模型更有理论依据；比其他床层模型对流体参数因素考虑更多，可调节的初始参数更多、更原始，具有普适性；边界条件设置与物理边界更贴近，计算数值更可信；本发明专利技术中涉及更多的化学反应和物理过程，最大程度上考虑原料组分、元素的影响，计算结果更精确。

【技术实现步骤摘要】
一种垃圾焚烧炉床层燃烧的计算方法
本专利技术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。
技术介绍
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(MunicipalSolidWaste-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，本专利技术以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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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：Revp＝Ashs(Cw,s-Cw,g)式中，As为计算体积的表面积(m2)；Cw,s，Cw,g分别为固体颗粒表面和气相部分的水蒸气浓度；hs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：RC＝PO2/(1/kr+1/kd)式中，kr,kd分别为化学反应速率系数和氧气扩散系数，化学反应参数kr主导反应速率，参数取值为Ac＝860kg/(m2skPa),Ec＝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控制方程描述表中选取的动量方程源相，简化了N-S方程源相，适用于垃圾焚烧模拟。离散过程和求解算法将源相分别写进上述控制方程中，构建通用格式的方程：式中，ρ为密度，u为速度，λ为扩散系数，Φ为被求解变量，SΦ为对应源相在整个床层上采用交错网格技术划分网格，用中心差分格式将所有方程离散至每一个网格中。本专利技术和现有计算方法相比具有明显的技术特点和有益效果。根据以上技术方案，本专利技术具有以下技术优点：1.本专利技术基于CFD理论对床层气固两相部分建模，模拟了固相到气相的转化全过程，比传统经验模型更有理论依据；2.本专利技术相比其他床层模型对流体参数因素考虑更多，可调节的初始参数更多、更原始，具有普适性；3.本专利技术边界条件设置与物理边界更贴近，计算数值更可信；4.本专利技术算法设计采用时间迭代内套SIMPLE算法迭代，算法流程更合理，计算时间较短；5.本专利技术中涉及更多的化学反应和物理过程，最大程度上考虑原料组分、元素的影响，计算结果更精确。附图说明图1计算装置图；图2本专利技术计算流程图；图3温度计算曲线；图4O2浓度计算曲线。具体实施方式为了使本专利技术的技术方案及特点更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本专利技术作进一步说明。此处描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，但并不限定本专利技术的保护范围。实施例1：已配比垃圾焚烧模拟为例。由碎纸片和餐厨垃圾(马铃薯)按质量比1.85:1配比的生活垃圾放入固定床中焚烧，含水率大致为30％，炉内垃圾放入量为2kg，一次风200l/min。首先，根据垃圾参数特性，输入到图1的燃烧装置中，计算
技术实现思路
步骤1中表述的物理化学反应速率；其次，将化学反应速率以源相的形式代入
技术实现思路
步骤2中所对应的控制方程中；然后，将得到的控制方程按照
技术实现思路
步骤3进行离散，得到线性方程组，并采用SIMPLE算法编程求解。经本专利技术方法模拟计算，炉内垃圾将在放入炉内后150s左右被点燃(着火点为600℃)，之后进入平稳燃烧状态，经过约1300s燃烧完毕。燃烧期间，固定碳和挥发份的燃烧释放大量的热，炉内最高温度可达到1100℃，如附图3所示；由于燃烧反应剧烈，O2会被快速消耗完，如附图4所示，使得燃烧速率降低，最终O2的供应和燃烧速率之间达到平衡状态，固气转化速率稳定在22.5kg/(m3s)左右，温度在1050℃上下不超过50℃震荡，直至燃烧结束，炉内温度全部下降到650℃以下。实施例2：已实际生活垃圾焚烧模拟为例。原生生活垃圾工业分析结果为，水分：48.5％，挥发分：41.53％，固定碳：7.07％，灰分：2.9％；元素分析为，C:46.63％,H:5.77％,O:47.06％,N:0.27％,S:0.27％。将此生活垃圾放入固定床的焚烧炉中，炉内径0.2m，形成床高0.58m，表观密度为130kg/m3，给定一次风量为0.052kg/(m2s)。首先，根据垃圾工业分析和元素分析，输入到图1的燃烧装置中，计算
技术实现思路
步骤1中表述的物理化学反应速率；其次，将化学反应速率以源相的形式代入
技术实现思路
步骤2中所对应的控制方程中；然后，将得到的控制方程按照
技术实现思路
步骤3进行离散，得到线性方程组，并采用SIMPLE算法编程求解。经本专利技术方法模拟计算，炉内垃圾在如炉后230s左右被点燃(着火点为600℃)，之后进入平稳燃烧状态，经过约2800s燃烧完毕。燃烧期间，固定碳和挥发份的燃烧释放大量的热，炉内最高温度可达到980℃，如附图3所示；由于燃烧反应剧烈，O2会被快速消耗完，如附图4所示，使得燃烧速率降低，最终O2的供应和燃烧速率之间达到平衡状态，固气转化速率稳定在10.5kg/(m3s)左右，温度在900℃上下不超过50℃震荡，直至燃烧结束，炉内温度全部下降到650℃以下。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是水分蒸发模型是：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：Revp＝Ashs(Cw,s-Cw,g)式中，As为计算体积的表面积(m2)；Cw,s，Cw,g分别为固体颗粒表面和气相部分的水蒸气浓度；hs为气固两相传质系数。3.根据权利要求1所述的方法，其特征是发分的析出模型是：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：4.根据权利要求1所述的方法，其特征是挥发分燃烧模型是：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：5.根据权利要求1所述的方法，其特征是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...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯立安，谷天宝，陈冠益，马文超，颜蓓蓓，马晨，程占军，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12