900吨/天垃圾焚烧炉中二次空气控制对燃烧火焰及SNCR技术的模拟分析

《ACS Omega》：Simulation Analysis of Secondary Air Control on Combustion Flame and SNCR Technology in a 900 t/d Waste Incineration Furnace

垃圾焚烧炉二次空气优化提升燃烧效率与温度均匀性，数值模拟显示调整前/后墙二次空气流速可使燃烧效率提高25.85%，平均温度升高4.73%，同时降低NOx排放和高温腐蚀风险，SNCR脱硝效率达61.76%。

　　### 优化二次风分布提升大型垃圾焚烧炉性能的科学探索

随着全球人口的快速增长、科技进步和工业化进程的加快，城市固体废弃物的产生量显著上升。这种增长趋势不仅带来了严重的环境问题，也加剧了城市垃圾处理的压力。特别是在中国，城市固体废弃物的产量增长速度在全球范围内居于前列。传统的垃圾处理方式如填埋、堆肥等虽在一定程度上缓解了垃圾处理难题，但其环境影响较大。相比之下，焚烧作为一种高效且能回收热能的处理技术，因其能有效减少垃圾体积并实现资源再利用，近年来得到了广泛应用。然而，尽管焚烧技术在效率和环保性能方面取得了显著进展，但仍存在诸多挑战，如如何进一步降低垃圾总量、提高热能回收率以及确保排放符合当前环保标准。

针对这一问题，本研究聚焦于大型垃圾焚烧炉的燃烧过程优化。通过采用数值模拟方法，重点分析了焚烧炉内燃烧火焰特性、温度场分布、温度均匀性以及高温区域与水冷壁之间的距离。研究对象为日处理能力达900吨的大型垃圾焚烧炉，其结构复杂，涵盖了从垃圾干燥、燃烧到充分燃烧的多个区域。在实际操作中，二次风的分布和速度对燃烧效率和炉内热力学特性有着重要影响。因此，本研究通过调整前后墙的二次风分布比例，旨在优化焚烧炉的燃烧过程，提高其运行效率和安全性。

### 研究方法与模型建立

本研究基于ANSYS FLUENT软件，采用计算流体力学（CFD）技术对焚烧炉内的热流场进行模拟。通过建立焚烧炉的三维模型，并将其划分为三个主要区域：炉排、燃烧室和烟道，分别设置不同的边界条件。模型采用六面体网格划分方式，对空气出口和燃烧场变化较大的区域进行了加密处理，确保整体网格数量约为342万个。在计算前，对网格独立性进行了验证，结果显示不同网格数量下的平均温度误差均小于5%，证明了模型的可靠性。

在模拟过程中，研究人员首先分析了不同空气供应条件下温度和流场的分布情况，以确定最佳的一次风与二次风比例。随后，在此比例基础上，进一步研究了前后墙二次风速度变化对燃烧火焰特性、温度分布和均匀性的影响。此外，还对选择性非催化还原（SNCR）喷枪的布置进行了探讨，以优化氮氧化物（NOx）的脱除效率。研究还深入分析了高温烟气附着于炉壁的现象，提出了有效的预防和优化措施。

### 研究发现与分析

研究结果表明，在一次风与二次风的固定入射角度条件下，优化二次风速度能够显著提高炉内燃烧的稳定性。在不同二次风速度设置下，研究人员发现燃烧效率的提升尤为明显，特别是在A4和A5条件下，燃烧效率提高了25.85%。这表明，通过合理调整二次风速度，可以实现更高效的燃烧过程。

此外，研究还观察到，二次风分布比例的调整对炉内温度场的均匀性有着积极影响。在A4和A5条件下，第一烟道的平均温度相比其他条件提高了4.73%。这种温度提升不仅有助于提高燃烧效率，还能确保后续充分燃烧区域的温度分布更加均匀，从而降低高温腐蚀的风险。通过对比不同条件下的温度分布，研究人员发现A4和A5条件下，高温区域与水冷壁之间的距离更加合理，有效减少了高温烟气对炉壁的附着现象。

在SNCR脱硝技术方面，研究结果显示，优化二次风分布比例能够显著提高脱硝效率。在A5条件下，脱硝效率达到了61.76%，接近实际SNCR过程的最大效率。这表明，通过改善炉内流场的均匀性和温度分布，可以更有效地促进尿素溶液与烟气中NOx的反应，从而提高脱硝效果。同时，A5条件下的氨逃逸浓度远低于8 ppm的排放标准，说明该条件下的氨滑移控制能力更强。

### 研究意义与未来展望

本研究的成果为大型垃圾焚烧炉的优化设计和运行提供了重要的理论支持和实践指导。通过调整二次风的分布比例和速度，不仅能够提高燃烧效率和温度均匀性，还能有效减少高温烟气的附着现象，降低炉壁的热负荷，延长水冷壁的使用寿命。此外，研究还指出，通过优化二次风分布，可以显著提高SNCR脱硝效率，减少氨滑移，进一步提升焚烧炉的环保性能。

未来的研究方向应更加注重智能化和多目标协同优化。例如，利用人工智能技术实现二次风速度和角度的实时控制，不仅能够提高SNCR脱硝效率，还能有效抑制二噁英等有害物质的生成。同时，结合高效蒸汽循环和先进材料的应用，可以进一步提升焚烧炉的能量输出，优化其整体性能。这些措施将有助于推动垃圾焚烧技术向更加高效、环保和可持续的方向发展，为解决城市固体废弃物处理问题提供更加全面的解决方案。