城市生活垃圾焚烧灰渣熔融工艺的数值模拟

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焚烧法是处理城市生活垃圾(MSW)的最有效方法之一,它具有减容、减量、资源化等优点。近年来,城市生活垃圾的焚烧工艺无论在发达国家或发展中国家都被广泛开发或采用。随着我国经济的快速发展,越来越多的城市相继建起了生活垃圾焚烧发电厂,我国的城市生活垃圾焚烧处理问题得到了一定程度的解决,并在此领域积累了丰富经验。毋庸置疑,未来焚烧法处理城市生活垃圾在我国会有更大发展。  然而,城市生活垃圾经过焚烧处理后仍有20%~30%的质量残留在焚烧灰渣中。在这些灰渣中含有重金属、二恶英等有毒有害物质,将会对环境造成二次污染。因此,必须对灰渣进行有效的无害化、稳定化等特殊处理才能实现资源化利用的目的。城市生活垃圾焚烧灰渣高温熔融处理工艺是有效实现此目的方法之一。  当加热灰渣使之达到其熔融温度1300~1500℃时,有机物被热解,无机物则形成玻璃态熔渣,低沸点的重金属和盐类将蒸发,二恶英类物质也会在高温分解。利用成熟的高炉冶炼工艺,在焦炭填充床反应器中高温处理城市垃圾焚烧灰渣将成为适合我国国情的,可实现减容化、无害化、资源化处理的适宜工艺。  本研究针对以上所提出的工艺进行了数值模拟并证明了其可行性。在模拟过程中考虑了熔融炉内的传热、传质、传动量及化学反应状况,通过数值模拟,得出熔融炉内工艺变量(温度、压力、速度、反应速度、体积分数以及各物相组成等)的二维分布,并经过分析得到以下结论:  (1)在炉身上部灰渣与焦炭颗粒的混合区域,可实现物料的匀速下降,轴向不发生偏流现象。在炉身下部的风口处,鼓入的高速气流与颗粒床相互作用后速度将逐渐变缓且运动方向发生偏移,最终匀速向上运动。灰渣在穿越颗粒床层向下运动的过程中不断吸收热量,最后可获得完全熔融的灰渣。  (2)随着鼓风过量系数的提高,在焦炭的燃烧效率及出炉烟气中的CO2量增大的同时,热量损失也随之增大。当鼓风量较大时,在风口附近甚至会出现低温区域,影响焦炭的高效燃烧。  (3)随着鼓风温度的提高,入炉的物理热量也随之增高,导致熔融区上移。由于入炉的O2量没有变化,焦炭的消耗速率增幅不大。
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