城市生活垃圾层状燃烧过程试验研究及数值模拟

论文摘要

城市生活垃圾焚烧在能源发展战略中是一个主要的研究领域。为使垃圾焚烧处理技术真正达到无害化的目的,了解焚烧过程中污染物的产生机理和控制技术是十分必要的。本文研究了城市生活垃圾的焚烧过程,并针对固定床内城市生活垃圾焚烧过程进行了系统的试验研究及数值模拟,为深入认识床层内垃圾的焚烧过程和减少垃圾焚烧过程中污染物的排放奠定了基础,通过本文的研究可以提供更可靠的数据用来设计和优化城市生活垃圾焚烧炉。利用热天平研究城市生活垃圾的焚烧过程,采用FTIR红外光谱仪测得CO2、CO、CH4三种气体在热解过程中的定量析出曲线,并利用积分法计算出热解过程中各气体总的析出质量同时采用Coats-Redfern法,得到了模拟城市生活垃圾焚烧过程中的活化能和指前因子,确定了城市生活垃圾的焚烧表观动力学模型。为了深入了解和研究城市生活垃圾焚烧过程的特性,建立了一维固定床热态实验台。城市生活垃圾试样由蔬菜、细沙和纸板组成,它们具有和真实的城市生活垃圾相似的灰分、水分、固定碳含量。固定床燃烧发生在一个垂直的圆柱体燃烧室,它由称重传感器悬挂着。通过改变一次风量、一次风温和物料本身特性对垃圾床层燃烧的影响规律进行了详细的实验研究。实验研究主要针对焚烧过程中固定床内温度、气氛浓度、床层重量及NO生成特性的变化规律来进行的。同时,利用计算流体力学的方法对层燃炉排上城市垃圾焚烧过程及NO生成特性进行了数值研究,采用一维非稳态模型对床层内气固两相介质分别建立控制方程,确定了水分蒸发、挥发分析出及燃烧和焦炭燃烧反应速率,建立了污染物NO生成及还原和二噁英生成反应简化模型,得出了床层中温度分布、床层重量和高度变化、气相中反应物组分和污染物NO浓度分布,得出了水分蒸发速率、挥发分析出速率、垃圾着火锋面位置及其推进速度等特性参数。实验结果表明:随着一次风量的增加,床层表面CO平均排放浓度是一直降低的,造成C生成CO转化率降低,而N生成NO的转化率是先升高后降低的;随着一次风温度的升高,CO和NO的平均排放浓度逐渐升高,NO最高浓度峰值没有发生明显的变化;随着水分比例的增加,CO2、NO和CO平均排放浓度逐渐减小;CO2、CO的平均排放浓度随着物料中灰分所占比例的增加而减小,NO的平均排放浓度随着灰分所占比例的增加先增大后降低。随着一次风流量的增加,火焰锋面的传播速度和模拟垃圾的焚烧速率先增加后降低,但是火焰锋面的传播速度降到一定的数值后保持不变;随着一次风温的增加火焰平均传播速度略有增加,而在底部物料燃烧火焰传播速度增加较多,同时模拟垃圾的平均燃烧速率和水分蒸发速率有小幅度提高;随着模拟垃圾物料中水分和灰分含量的增加,火焰传播速度和模拟垃圾的焚烧速率是降低的。模拟结果和实验对比表明:模拟床层物料质量和床层高度随时间变化曲线与实验值吻合较好,在燃烧中段,床料质量近似按直线变化,燃烧峰面匀速向下传播,水分蒸发和挥发分析出速率近似为常数;而后期由于剩余焦炭与氧反应速度较慢,燃烧速度减低,质量变化接近水平线。从实验和模拟两方面对床层内温度分布对比分析,整体的分布规律一致,火焰峰面和燃烧最高温度的预报与实验值相吻合,模拟程序准确预报了床层中热量传递和火焰峰面传播过程。在垃圾焚烧的过程中,水分蒸发阶段占据的时间最长,约占整个焚烧实验时间2/3,是影响垃圾焚烧进程的重要因素,当料层温度上升至100℃以上,热解和燃烧区内物料温度梯度明显增大,温升速率迅速提高。床表面气体成分浓度模拟和实验结果对比表明:床层内物料燃烧产生气体总体变化趋势的模拟能够反映床层内物料燃烧过程,且O2和CO2模拟结果与实验值吻合较好。采用De’Soete提出的HCN衰减的总体反应机理可以较为准确的模拟固定床上垃圾焚烧过程中NO的生成,在不同一次风量下的模拟结果与实验结果吻合较好。NO主要来源于燃料型NO,垃圾中氮含量是影响NO生成的主要因素。本文的研究表明,通过实验研究能够更好地掌握和了解垃圾焚烧过程,并为改进垃圾焚烧数值模型和为层燃式垃圾焚烧工程应用提供依据;采用数学模型进行模拟计算,可以深入认识垃圾焚烧的过程,充分了解热量的传递过程,气体生成过程,也可以预测到垃圾焚烧的最高温度和垃圾焚烧过程的趋势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题背景
• 1.2 城市生活垃圾焚烧处理概况
• 1.2.1 城市生活垃圾的传统处理方法
• 1.2.2 垃圾焚烧炉技术
• 1.2.3 城市垃圾的焚烧处理技术处理的关键问题
• 1.2.4 常用的机械炉排的结构和特点
• 1.3 城市生活垃圾焚烧特性、床层内燃烧过程及污染物生成的研究现状
• 1.3.1 对城市生活垃圾的物料热解和燃烧特性研究
• 1.3.2 对城市生活垃圾焚烧固定床层内燃烧过程研究
• 1.3.3 对城市生活垃圾焚烧固定床层内燃烧反应过程模拟的研究
• 1.3.4 床层内垃圾焚烧特性研究的必要性
• 1.4 本文主要研究内容及方法
• 1.5 本章小结
• 第2章 固定床热态试验台系统及测量方法
• 2.1 试验台设计原理
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 燃烧室
• 2.2.2 炉排
• 2.2.3 燃气燃烧器
• 2.2.4 称重传感器
• 2.2.5 空气测量
• 2.2.6 测温位置和垃圾样品、烟气的取样位置
• 2.2.7 气体分析仪和气质分析仪
• 2.3 试验用模拟垃圾样品的配制
• 2.4 固定床热态试验操作过程
• 2.5 本章小结
• 第3章 一次风参数和物料特性对床层内垃圾焚烧影响实验研究
• 3.1 一次风风量变化对床内燃烧过程影响
• 3.1.1 典型工况（工况4）焚烧炉床层内温度分布特点
• 3.1.2 典型工况（工况4）物料的重量和床高随时间变化
• 3.1.3 典型工况（工况4）物料燃烧形成主要烟气成分的变化
• 3.1.4 一次风风量对火焰传播速度和物料燃烧速度的影响
• 3.1.5 一次风量对N对NO和C对CO转化率的影响
• 3.1.6 不同一次风量下床内碳氢化合物和HCN的分布
• 3.2 一次风温对物料燃烧的影响
• 3.2.1 一次风温对火焰传播速度和物料燃烧速度的影响
• 3.2.2 一次风温对物料燃烧生成烟气成分的影响
• 3.3 水分变化对物料燃烧的影响
• 3.3.1 不同含水量的物料燃烧床层内温度分布
• 3.3.2 火焰传播速度和物料燃烧速度
• 3.3.3 水分变化对物料燃烧产生烟气成分的影响
• 3.4 灰分变化对物料燃烧的影响
• 3.4.1 物料燃烧床层内温度分布
• 3.4.2 火焰传播速度和物料燃烧速度
• 3.4.3 灰分变化对物料燃烧产生烟气成分的影响
• 3.5 物料尺寸变化对固定床内城市生活垃圾焚烧的影响
• 3.5.1 火焰传播速度和物料燃烧速度
• 3.5.2 尺寸变化对物料燃烧过程产生烟气成分的影响
• 3.6 本章小节
• 第4章 物料热解特性实验结果及分析
• 4.1 热分析的方法
• 4.1.1 热重分析
• 4.1.2 差热分析
• 4.2 实验物料
• 4.3 城市生活垃圾热解试验装置及方法
• 4.3.1 试验仪器
• 4.3.2 试验方法
• 4.4 试验结果分析
• 4.4.1 热解实验结果分析
• 4.4.2 模拟城市固体废弃物（MSW）物料各组分燃烧过程分析
• 4.4.3 氧量对模拟城市固体废弃物（MSW）物料组分燃烧过程的影响
• 4.5 动力学模型求解及模型的建立
• 4.5.1 动力学模型
• 4.5.2 机理函数的选择
• 4.5.3 热解动力学参数计算
• 4.5.4 燃烧动力学模型
• 4.5.5 燃烧动力学参数计算
• 4.6 热解气FTIR分析
• 4.6.1 模拟MSW物料各组分热解DTG曲线与热解气体吸光度对比分析
• 4.6.2 模拟MSW物料各组分热解产气分析
• 4.6.3 模拟MSW物料各组分热解产气机理分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 炉排上燃烧及污染物生成的数学模型
• 5.1 物理模型
• 5.2 基本假设
• 5.3 流动和燃烧模型
• 5.4 污染物（NO、二噁英）生成和消减模型
• 5.4.1 NO生成机理
• 5.4.2 NO生成和消减模型
• 5.4.3 二噁英的生成途径
• 5.4.4 二噁英反应模型
• 5.5 床层高度和物料密度的变化
• 5.6 计算方法及变网格技术
• 5.7 本章小结
• 第6章 数值模拟计算结果及分析
• 6.1 计算边界条件和初始条件
• 6.2 数学模型计算结果与试验值的比较验证
• 6.2.1 床重和床高计算结果与试验结果比较
• 6.2.2 床内温度及物料成分变化的计算结果
• 6.2.3 烟气成分计算结果与试验结果比较
• 6.3 一次风流量对燃烧过程及NO生成的影响
• 6.3.1 不同一次风量下的温度曲线分析比较
• 6.3.2 不同一次风量下的烟气组分浓度分析比较
• 6.3.3 一次风量对燃烧速率的影响
• 6.3.4 一次风量对NO生成的影响
• 6.4 真实城市固体垃圾焚烧特性的预报
• 6.5 二噁英生成特性的预报
• 6.6 本章小结
• 结论
• 创新点及研究工作未来展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢
• 个人简历