煤粉炉内掺混废水污泥燃烧的数值模拟与分析术

第38卷第10期2010年l0月华南理工大学学报(自然科学版)JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)VO1．38NO．10October20lO文章编号：1000—565X(2010)100153．04煤粉炉内掺混废水污泥燃烧的数值模拟与分析术楼波王芳彭晓君(华南理工大学电力学院，广东广州510640)摘要：采用Fluent软件对广东某电厂煤粉炉内掺混污泥的燃烧过程进行了数值模拟与分析，探讨了其速度场、温度场分布．模拟结果显示，随污泥掺入量的增加，炉内最高温度比单一煤粉燃烧时的大约低80—160K，而最高温度的位置提高了180—800mm．实验结果表明，污泥水分低于20％时，污泥掺烧比例在10％以内是可靠的和可行的．关键词：废水污泥；煤粉炉；掺烧；数值模拟中图分类号：X7doi：10．3969／j．issn．1000-565X．2010．10．028污泥焚烧减容率高，有毒物质能氧化分解，是较好的处理方法之一．但污泥含水量较高，发热值较低，单独设置焚烧炉处理成本较高，在现运行炉中混烧经济上较为可行¨J．污泥掺人煤粉锅炉中燃烧易对锅炉燃烧稳定和蒸汽参数造成影响，但在污泥掺混比例小的时候是可行的，对煤粉锅炉的安全稳定运行影响不大．目前，国内的生活污水处理厂大都建在市内，很多比邻热电厂，可以用锅炉的尾部烟气或供热蒸汽干燥污泥，干燥后的污泥再掺混到煤粉炉燃烧，投资成本低．由于煤粉炉容量大，较低的掺混比例就可以满足污水处理厂的污泥处理要求．文中以广东某污水处理厂干燥后的污泥送人邻近的电厂煤粉炉掺烧作为研究对象，采用Fluent软件对炉内燃烧流场和温度场进行模拟，探讨其掺混燃烧的可行性并进行实验验证．1模拟对象与燃料广东某电厂单汽包自然循环锅炉，型号为HG220／9．8-YM10，倒U形布置的固体排渣四角切圆煤粉炉，燃烧器布置在炉膛的正四角，炉内假想切圆直径为800mm，燃烧器喷嘴相问布置，顶层设有三次风口，一次风周围布置周界风，各喷口参数见表1．该锅炉设计煤种和掺烧用的生活污水处理厂污泥的相关参数见表2．表l燃烧器喷口设计参数TablelDesignparametersofburnerpuzzle名称面积(长×宽)／m风速／(m·s)风温／K风率／％表2煤种和污泥的相关参数Table2Parametersofcoalandsludge收稿日期：2010—01—13基金项目：广东省科技计划项目(2008B080701004)作者简介：楼波(1965一)，男，博士，副教授，主要从事燃烧技术与环境保护研究．E—mail：loubo@scut．edu．cn华南理工大学学报(自然科学版)第38卷2网格划分文中所研究的炉膛宽度方向、深度方向Y和高度方向z的尺寸分别为7570mill×7570mm×31890ITlm，对炉膛上部区域(燃烧器上方)、燃烧器区域和冷灰斗区域都采用非结构化网格进行划分，由于燃烧器各喷口尺寸较小，区域流场变化又比较剧烈，故对燃烧器区域进行了网格加密，具体如图1所示．通过对炉膛进行不同数目网格的划分，再考虑计算时间和精度，最终选择划分为l6万个网格，此网格数可以达到计算要求．图1炉膛网格’Fig．1Meshesoffurnace3数学模型与模拟工况文中对煤粉炉内的污泥和煤粉的燃烧，采用三维稳态离散模型进行数值模拟计算，利用有限容积法离散微分方程，采用二阶迎风格式离散对流项．用SIMPLE算法求解N—S方程，用标准．双方程模型模拟气相湍流流动，采用混合分数一概率密度函数模型模拟气相湍流燃烧，用P．1辐射模型计算辐射传热，双匹配速率模型模拟挥发分的析出，动力扩散控制燃烧模型模拟焦炭燃烧，颗粒的跟踪采用基于拉格朗日的随机颗粒轨道方法。．计算中共选择7种工况对煤粉炉中掺混污泥的炉膛燃烧进行数值模拟，各工况的水分(质量分数)、污泥和煤粉的比例见表3，假定污泥与煤均匀混合送人炉内燃烧．其中工况A全为煤粉，其余工况都为煤和干燥污泥的混合燃料，掺混污泥的水分低于40％．表3数值模拟计算工况Table3Calculationconditionsofnumericalsimulation4计算结果与分析4．1速度场分布规律图2、3是以工况C为例沿高度和纵向的速度矢量图．由图2可知，炉膛自下至上，旋转强度从弱到强，然后再逐渐减弱，但到炉膛出口仍存在微弱的残余旋流．由图3得知，在燃烧器区域，炉膛中心竖直速度大，四周水平速度大，随着高度的增加，水平分量逐渐减小，分布趋于平缓，在主燃区内的气流运动呈螺旋式上升．这种速度场分布是四角切圆燃烧煤粉炉的固有特点。。J，表明污泥掺混燃烧的速度场与传统的相似，掺烧对流场影响很小．速度／(m．S)(e)Z=I2200mm，∞Z=1