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導讀：
CFD仿真技術(shù)在航空、汽車(chē)、電子行業(yè)應用廣泛，隨著(zhù)垃圾焚燒過(guò)程機理研究的發(fā)展，該技術(shù)在垃圾焚燒爐設計方面開(kāi)始顯現出巨大的實(shí)用價(jià)值。傳統焚燒爐數值模擬采用單組分模型，與實(shí)際測試結果相差較大，上海環(huán)境院聯(lián)合上海交通大學(xué)、同濟大學(xué)等高校開(kāi)發(fā)的多組分（竹木、紙、橡塑、濕垃圾等）精細化數值模型，經(jīng)過(guò)實(shí)爐測試，焚燒爐各處溫度及組分計算值與實(shí)測值偏差低于3%。采用該模型，形成了針對垃圾分類(lèi)后高熱值垃圾穩定燃燒的系列化、標準化焚燒爐擴容技術(shù)，經(jīng)示范工程驗證，垃圾處理量和蒸發(fā)量提升10%以上，效果顯著(zhù)。
一、垃圾焚燒爐設計開(kāi)發(fā)為什么需要數值仿真技術(shù)？
CFD仿真技術(shù)主要通過(guò)數值離散算法，求解N-S流動(dòng)、輻射傳熱、物質(zhì)擴散等方程，實(shí)現流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)的分析，其實(shí)質(zhì)為真實(shí)物理過(guò)程再現。該算法在航空、汽車(chē)、電子行業(yè)應用廣泛，隨著(zhù)垃圾焚燒過(guò)程機理研究的發(fā)展，CFD仿真技術(shù)開(kāi)始在垃圾焚燒領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，可采用數值仿真對垃圾焚燒爐、煙氣處理中的半干式反應塔、干法反應器、布袋除塵器、濕式洗滌塔等關(guān)鍵設備的內部流場(chǎng)及化學(xué)反應情況進(jìn)行分析計算。
尤其在垃圾焚燒爐的結構和配風(fēng)方面，傳統上垃圾焚燒爐采用容積熱負荷、爐排燃燒速率、一煙道平均流速等指標進(jìn)行爐膛容積、爐排面積計算，爐排各段配風(fēng)和具體爐型則依據以往的項目經(jīng)驗進(jìn)行修改優(yōu)化；而數值仿真技術(shù)，則在一定程度上可實(shí)現焚燒工況的數值再現，展現某種設計或運行工況下的煙氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)，實(shí)現爐型及配風(fēng)的精細化設計。下文就傳統研發(fā)路徑及基于數值仿真的研發(fā)路徑進(jìn)行對比分析：
（一）傳統研發(fā)路徑
在傳統焚燒爐設計過(guò)程中，主要采用機理實(shí)驗-中試設備-工程驗證-設計修改的研究路徑。主要有三方面劣勢：
1、中試設備投資大且與工程實(shí)際存在較大區別；
2、工程驗證后，如技術(shù)方案存在問(wèn)題，焚燒爐改造費用高；
3、整個(gè)研發(fā)路徑耗時(shí)久，一項技術(shù)從研發(fā)到應用一般超過(guò)3年。
（二）以CFD數值仿真技術(shù)為核心的研發(fā)路徑
采用機理實(shí)驗-CFD數值仿真-工程驗證的方式，主要有三方面優(yōu)勢：
1、采用CFD數值仿真驗證技術(shù)方案合理性，無(wú)需中試工程設備投資；
2、CFD數值仿真可對焚燒爐內流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)全方面校核，技術(shù)優(yōu)化后工程實(shí)施成功率高；
3、一個(gè)設計或者運行工況，通過(guò)數值仿真驗證僅需要3-7天，極大縮短了技術(shù)優(yōu)化時(shí)間。
二、開(kāi)發(fā)和應用垃圾焚燒爐多組分數值模型，可以實(shí)現垃圾焚燒過(guò)程精細化仿真
（一）垃圾焚燒爐多組分仿真模型
傳統垃圾焚燒爐數值模擬采用單組分模型，將垃圾各組分理化特性參數均衡為同一種，依次經(jīng)歷干燥、揮發(fā)分燃燒、固定碳燃燒過(guò)程，該模型焚燒爐干燥段僅發(fā)生干燥。但在實(shí)際焚燒過(guò)程中，竹木、紙類(lèi)、塑料、濕垃圾等多組分理化特性差別大，濕垃圾在干燥段進(jìn)行干燥的同時(shí)，紙類(lèi)及塑料已經(jīng)在爐膛火焰輻射的作用下發(fā)生燃燒，該過(guò)程已經(jīng)被現場(chǎng)試驗及觀(guān)測所證實(shí)?？梢?jiàn)傳統單組分模型與焚燒爐實(shí)際過(guò)程不符。上海環(huán)境院聯(lián)合高校，開(kāi)發(fā)垃圾多組分模型，與傳統單一組分模型相比較，能夠精細化實(shí)現焚燒過(guò)程的再現。經(jīng)過(guò)實(shí)爐測試，前、后爐拱和爐膛中心等主要測點(diǎn)溫度及組分偏差低于3%。
（二）煙氣再循環(huán)和SNCR技術(shù)優(yōu)化及實(shí)證
通過(guò)數值仿真，優(yōu)化再循環(huán)噴口位置及煙氣量，經(jīng)過(guò)實(shí)爐驗證，有效提升煙氣混合湍流度及揮發(fā)分高效燃盡，控制空氣過(guò)量空氣系數1.4以?xún)?；?yōu)化SNCR噴口位置、藥劑濃度、噴霧流速等參數，形成一套最優(yōu)設計、運行方案，脫硝效率提升10%以上，NOX排放低于120mg/Nm3。
煙氣再循環(huán)比例優(yōu)化
SNCR藥劑濃度分布
（三）適應高熱值垃圾新型焚燒儲備技術(shù)開(kāi)發(fā)
通過(guò)數值仿真技術(shù)，針對高熱值垃圾焚燒爐火焰中心溫度過(guò)高等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)垃圾焚燒爐高溫低氧燃燒技術(shù)（ZL201610326967.8），最大程度實(shí)現燃燒均質(zhì)化和溫度場(chǎng)均勻分布，有效緩解焚燒爐內的結焦情況。同時(shí)將NOx 的初始生成濃度控制在180mg/Nm3以?xún)?，遠低于普通焚燒爐300mg/Nm3。
高溫低氧燃燒技術(shù)仿真優(yōu)化
（圖左，氧氣濃度分布；圖右，溫度場(chǎng)分布）
三、多組分焚燒爐仿真模型助力于垃圾焚燒爐擴容改造，可以顯著(zhù)提升焚燒效果
（一）焚燒爐擴容改造背景簡(jiǎn)介
隨著(zhù)垃圾分類(lèi)的開(kāi)展，垃圾熱值快速提升。2019年7月《上海市生活垃圾管理條例》實(shí)施以后，首月垃圾熱值已經(jīng)超過(guò)了3100 kcal/kg，相較于2018年平均值提升了約35%?，F有焚燒爐爐型主要為適應低熱值垃圾設計，受納高熱值垃圾后，出現結焦加重、處理量下降等問(wèn)題。
（二）技術(shù)開(kāi)發(fā)及示范成效
依托市科委《生活垃圾焚燒爐高效擴能與清潔焚燒智能控制技術(shù)研究及示范》，上海環(huán)境院聯(lián)合金山焚燒廠(chǎng)、交通大學(xué)、復旦大學(xué)、同濟大學(xué)等，采用多組分仿真模型作為輔助手段，完成適應于高熱值垃圾的焚燒爐改造技術(shù)研發(fā)，同時(shí)結合余熱鍋爐、煙氣凈化、余熱利用等全系統技術(shù)和裝備擴容升級，形成系列化、標準化擴容技術(shù)方案，擴容增幅可分別實(shí)現3-5%、5-15%、15-20%。經(jīng)項目示范工程驗證：垃圾處理量由400t/d提升至456t/d，提升比例約為14.0%、蒸發(fā)量提升比例約為19.5%。在全國垃圾分類(lèi)大背景下，垃圾熱值提升為普遍趨勢，該技術(shù)的研發(fā)將有更廣闊的應用空間，為垃圾焚燒項目提供安全穩定運行保障，同時(shí)提升發(fā)電及減碳效益。
