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垃圾焚燒爐燃燒優(yōu)化及工程應(yīng)用 版權(quán)信息
- ISBN：9787030732170
- 條形碼：9787030732170 ; 978-7-03-073217-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
垃圾焚燒爐燃燒優(yōu)化及工程應(yīng)用 內(nèi)容簡介
本書詳細介紹爐排式垃圾焚燒爐內(nèi)的氣固兩相流動、傳熱和化學(xué)反應(yīng)過程。第1章概述城市生活垃圾的性質(zhì)和垃圾處理技術(shù)發(fā)展，重點介紹機械爐排式垃圾焚燒爐工作原理；第2章介紹垃圾焚燒過程的計算流體力學(xué)；第3、4章分別闡述床層-爐膛迭代耦合模擬和床層-爐膛實時耦合模擬兩種方法；第5章介紹低氮燃燒與焚燒爐脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計；第6章介紹焚燒爐設(shè)計優(yōu)化與燃燒優(yōu)化的工程案例，全方位展示計算機模擬分析方法在爐排式垃圾焚燒爐的工藝設(shè)計和運行優(yōu)化方面的應(yīng)用前景。
垃圾焚燒爐燃燒優(yōu)化及工程應(yīng)用 目錄
目錄
序
前言
第1章 概述 1
1.1 生活垃圾的性質(zhì) 1
1.2 生活垃圾處理技術(shù) 5
1.3 垃圾焚燒技術(shù)及其發(fā)展 8
1.4 爐排式垃圾焚燒爐 11
參考文獻 17
第2章 垃圾焚燒過程的計算流體力學(xué) 18
2.1 垃圾焚燒過程的模擬進展 18
2.2 垃圾燃燒化學(xué)物理模型 27
2.3 燃燒火焰與輻射 41
2.4 基于多孔介質(zhì)假設(shè)的床層模型 45
2.5 爐膛燃燒過程的計算流體力學(xué)模型 46
參考文獻 52
第3章 床層-爐膛迭代耦合模擬方法與應(yīng)用 57
3.1 床層-爐膛迭代耦合原理與計算步驟 57
3.2 不同垃圾熱值的模擬 59
3.3 不同爐排結(jié)構(gòu)的模擬 67
3.4 不同爐拱結(jié)構(gòu)的模擬 71
參考文獻 79
第4章 床層-爐膛實時耦合模型的開發(fā)與應(yīng)用 81
4.1 床層-爐膛實時全三維耦合模型 81
4.2 不同垃圾熱值的模擬與驗證 94
4.3 不同爐膛結(jié)構(gòu)的模擬與模型準確性分析 104
4.4 面向工程的二維實時耦合模擬方法與驗證 123
參考文獻 128
第5章 低氮燃燒與焚燒爐脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計 129
5.1 NOx的生成機理與模擬 129
5.2 煙氣再循環(huán)模擬與工程應(yīng)用 133
5.3 分級燃燒三次風(fēng)管優(yōu)化模擬 141
5.4 SNCR脫硝系統(tǒng)模擬與設(shè)計優(yōu)化 145
5.5 SCR脫硝系統(tǒng)模擬與設(shè)計優(yōu)化 164
參考文獻 171
第6章 焚燒爐設(shè)計優(yōu)化與燃燒優(yōu)化 173
6.1 鍋爐導(dǎo)流板設(shè)計與工程應(yīng)用 173
6.2 一次風(fēng)管優(yōu)化設(shè)計與工程應(yīng)用 188
6.3 焚燒爐燃燒過程分析與運行優(yōu)化 195
后記 207
序
前言
第1章 概述 1
1.1 生活垃圾的性質(zhì) 1
1.2 生活垃圾處理技術(shù) 5
1.3 垃圾焚燒技術(shù)及其發(fā)展 8
1.4 爐排式垃圾焚燒爐 11
參考文獻 17
第2章 垃圾焚燒過程的計算流體力學(xué) 18
2.1 垃圾焚燒過程的模擬進展 18
2.2 垃圾燃燒化學(xué)物理模型 27
2.3 燃燒火焰與輻射 41
2.4 基于多孔介質(zhì)假設(shè)的床層模型 45
2.5 爐膛燃燒過程的計算流體力學(xué)模型 46
參考文獻 52
第3章 床層-爐膛迭代耦合模擬方法與應(yīng)用 57
3.1 床層-爐膛迭代耦合原理與計算步驟 57
3.2 不同垃圾熱值的模擬 59
3.3 不同爐排結(jié)構(gòu)的模擬 67
3.4 不同爐拱結(jié)構(gòu)的模擬 71
參考文獻 79
第4章 床層-爐膛實時耦合模型的開發(fā)與應(yīng)用 81
4.1 床層-爐膛實時全三維耦合模型 81
4.2 不同垃圾熱值的模擬與驗證 94
4.3 不同爐膛結(jié)構(gòu)的模擬與模型準確性分析 104
4.4 面向工程的二維實時耦合模擬方法與驗證 123
參考文獻 128
第5章 低氮燃燒與焚燒爐脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計 129
5.1 NOx的生成機理與模擬 129
5.2 煙氣再循環(huán)模擬與工程應(yīng)用 133
5.3 分級燃燒三次風(fēng)管優(yōu)化模擬 141
5.4 SNCR脫硝系統(tǒng)模擬與設(shè)計優(yōu)化 145
5.5 SCR脫硝系統(tǒng)模擬與設(shè)計優(yōu)化 164
參考文獻 171
第6章 焚燒爐設(shè)計優(yōu)化與燃燒優(yōu)化 173
6.1 鍋爐導(dǎo)流板設(shè)計與工程應(yīng)用 173
6.2 一次風(fēng)管優(yōu)化設(shè)計與工程應(yīng)用 188
6.3 焚燒爐燃燒過程分析與運行優(yōu)化 195
后記 207
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垃圾焚燒爐燃燒優(yōu)化及工程應(yīng)用 節(jié)選
第1章概述 1.1生活垃圾的性質(zhì) 生活垃圾是城鄉(xiāng)居民在日常生活中產(chǎn)生的固體廢棄物。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和人民生活水平的提升，生活垃圾產(chǎn)量快速增長己經(jīng)成為社會關(guān)注的焦點問題。在我國，經(jīng)過*近20年的快速城市化發(fā)展，城市人口呈爆發(fā)式增長，對日益增長的城市生活垃圾實施減容、減量和無害化處理，是保證經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重大需求。 城市生活垃圾來源廣泛，包括環(huán)衛(wèi)清掃收集的垃圾、居民家庭日常廢棄物、公共場所安置的垃圾箱收集的廢棄物、各級各類政府和學(xué)校日常辦公產(chǎn)生的廢棄物，以及其他為城市生活服務(wù)的行業(yè)產(chǎn)生的固體廢棄物。按國家“十三五”規(guī)劃，到2020年，我國城市生活垃圾要實現(xiàn)全部無害化處理。表1.1列出了國家統(tǒng)計局報告的2010～2020年我國城市生活垃圾清運和處理情況。 我國不同城市的生活垃圾理化特性差異明顯，生活垃圾的成分受當(dāng)?shù)氐臍夂颉⑸盍?xí)慣、經(jīng)濟發(fā)展水平等因素影響較大，組成成分的變化也導(dǎo)致生活垃圾熱值發(fā)生顯著變化。李曉東等在對中國城市生活垃圾熱值進行分析時發(fā)現(xiàn)，上海浦東、深圳、香港等地區(qū)的紙類或塑料類含量與其他城市相比較高，且灰分含量較低，其生活垃圾熱值也較其他城市高。比較上海、深圳[2]、北京等地歷年垃圾組分后發(fā)現(xiàn)，生活垃圾的廚余比例逐年減少，但可燃成分如紙類、塑料類等逐漸增加，垃圾熱值也相應(yīng)提高。程炬和董曉丹[4]對2007～2016年上海市生活垃圾理化特性進行了跟蹤調(diào)查和統(tǒng)計分析，結(jié)果列于表1.2中。2016年，上海平均垃圾堆密度為154kg/m3，含水率為58.10%，低位發(fā)熱量為5700kJ/kg，可燃分元素總和28.56%。生活垃圾中的廚余類、紙類、橡塑類含量占近90%，其中廚余類60.40%，橡塑類17.56%，紙類11.88%。可回收物含量約占垃圾的38.90%。除堆密度、廚余類含量下降，可回收物占比逐年上升外，近十年來上海市生活垃圾的理化特性基本穩(wěn)定。 垃圾作為一種燃料，工程上經(jīng)常使用水分(moisture)、灰分(ash)和可燃分(combustiblecomponents)“三成分”表示燃料的品質(zhì)。可借用固體燃料的工業(yè)分析和兀素分析表征垃圾的化學(xué)性質(zhì)。采用《煤中碳和氫的測定方法》（GB/T476—2008)分析垃圾，得到垃圾可燃物中的碳、氫、氧、氮、揮發(fā)性氯、燃燒性硫的含量。采用《煤的工業(yè)分析方法》（GB/T212—2008)分析垃圾，得到垃圾的水分、揮發(fā)分(volatiles)、固定碳(fixedcarbon)和灰分的含量，其中揮發(fā)分和固定碳之和為可燃分。根據(jù)垃圾的元素分析，采用日本環(huán)境衛(wèi)生中心的模型，計算垃圾的低位發(fā)熱值： 式中，C、H、O、S為可燃分中的元素含量，％；W為水分含量，％。 也可以采用經(jīng)驗公式，通過垃圾的工業(yè)分析估算垃圾的低位發(fā)熱值： 式中，B為可燃分，%。 還可以用量熱計(彈筒式量熱儀）直接測量垃圾的熱值。彈筒熱值需按下式轉(zhuǎn)換為高位熱值： 式中，0DT為彈筒熱值，kJ/kg；Qg為高位熱值，kJ/kg；S為硫元素的含量，%；a為含硫量小于4%時的修正系數(shù)，取值范圍為0～0.0016，彈筒熱值越高取值越大。如果硫含量不高，可以用彈筒熱值代表垃圾的高位熱值。 燃燒計算中，一般使用低位熱值代表燃料的發(fā)熱量，用下式將高位熱值轉(zhuǎn)換為低位熱值： 式中，和分別為低位熱值和高位熱值，kJ/kg；H為可燃分中氫元素的含量，％。H和W均按收到基計算。 王延濤和曹陽在收集和整理大量爐排爐垃圾焚燒發(fā)電廠運營數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對我國多個地區(qū)的生活垃圾焚燒廠垃圾熱值進行了估算，并分析了不同地區(qū)、運營時間及工業(yè)發(fā)展水平等對焚燒廠生活垃圾熱值的影響。其經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：垃圾焚燒廠生活垃圾熱值逐年增加；不同地區(qū)的生活垃圾熱值差別明顯，呈現(xiàn)南高北低、東高西低的變化趨勢；工業(yè)增加值較高的城市其生活垃圾熱值也相對較高。入廠垃圾如未經(jīng)發(fā)酵，一般含水率較高，熱值較低，不宜直接入爐焚燒，需在垃圾池中發(fā)酵5～7天，滲濾液析出率達到15%～30%，可大幅提高生活垃圾熱值。 王延濤和曹陽[5]分析了中國大陸地區(qū)82座垃圾焚燒發(fā)電廠入廠/入爐垃圾熱值，相關(guān)結(jié)果如圖1.1和圖1.2所示。圖1.1為2018年南北地域的生活垃圾熱值變化趨勢。由圖1.1中的數(shù)據(jù)可知，南北不同地區(qū)生活垃圾熱值差異比較明顯，從北到南各個省份的生活垃圾熱值整體呈增長趨勢，東北地區(qū)的生活垃圾熱值較低，尤以黑龍江地區(qū)的生活垃圾熱值*低。南方省市如江蘇、浙江、廣東等地生活垃圾熱值較高，平均入廠生活垃圾熱值基本在6000kJ/kg以上，入爐生活垃圾熱值高于7500kJ/kg。 2018年東西地域的生活垃圾熱值變化趨勢如圖1.2所示。東西區(qū)域無論氣候、生活習(xí)慣還是經(jīng)濟發(fā)展水平都各有不同，其生活垃圾組分也存在差異。由圖1.2可知，東部地區(qū)的入廠/入爐生活垃圾熱值高于中部和西部地區(qū)。東部和西部滲濾液含量相差不大，基本在18%左右，但是東部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，與中西部相比，入爐垃圾含水率降低，可燃分較多，因此入爐垃圾熱值較高。中部省份湖北、安徽的滲濾液率稍高，其入爐垃圾的含水率可能較低，因此入爐垃圾熱值稍高于四川地區(qū)。生活垃圾焚燒廠通常建于人口規(guī)模較大、經(jīng)濟發(fā)達的城市，如四川省數(shù)據(jù)來源于省會成都市的垃圾焚燒廠，湖北省數(shù)據(jù)來源于省會武漢市的垃圾焚燒廠，兩個城市之間的發(fā)展水平相近，人口規(guī)模差距較小，因此垃圾熱值雖有差異但是并不突出。除四川省外，湖北、安徽、江蘇、浙江、上海5省市的入廠垃圾熱值都達到了6000kJ/kg。江蘇、浙江、上海3個東部省份經(jīng)濟發(fā)展水平處于全國前列，垃圾可燃分含量較高，入爐垃圾熱值較高，處于7500kJ/kg以上。 垃圾組成成分復(fù)雜，而且隨著工業(yè)的快速發(fā)展，垃圾焚燒發(fā)電廠中的垃圾中可能包含一定工業(yè)垃圾，如廢布、廢棉、廢皮革、廢橡膠等，這些工業(yè)垃圾的熱值較高，在一定程度上提高了垃圾熱值。世界各國代表性城市的生活垃圾理化特性列于表1.3中。 以往我國城市生活垃圾可燃成分較低，廚余和煤渣灰土等不可燃物含量較高，遠高于歐美發(fā)達國家廚余垃圾的含量，故生活垃圾熱值較低。但近年來我國經(jīng)濟快速發(fā)展，居民生活水平顯著提高，各成分發(fā)生較大變化，生活垃圾中廚余類垃圾逐年降低，橡膠、紙類等成分呈上升趨勢，灰渣類逐年下降，生活垃圾熱值因此升高。但是，不同城市間由于發(fā)展水平不同，因此垃圾成分差別較大。 1.2生活垃圾處理技術(shù) 由垃圾的成分看，城市生活垃圾主要處理技術(shù)有堆肥、焚燒、填埋和資源化回收利用。堆肥法早在我國古代就有應(yīng)用，主要用于處理有機成分含量高的垃圾。利用細菌等微生物將垃圾中的有機質(zhì)降解為無機質(zhì)，生物質(zhì)降解后可作為肥料返回生態(tài)系統(tǒng)中。堆肥法又分為厭氧堆肥和好氧堆肥兩種方法。其中，厭氧堆肥是一種較為普遍的方式，具有工藝簡單和費用低的優(yōu)點；但缺點是處理周期長，污染相對高，有機物降解不夠充分。好氧堆肥使用現(xiàn)代化技術(shù)進行堆肥，其優(yōu)點是工藝先進、效率高、大分子有機物降解更加徹底、對環(huán)境污染低，其缺點是費用高、能耗大。但是，由于城市生活垃圾中含有較多的不可降解成分，因此必須增加分選環(huán)節(jié)，將有機質(zhì)分離出來才能進行堆肥處理。此外，堆肥產(chǎn)品相比于化肥肥效低，缺乏競爭力，而且堆肥的季節(jié)依賴性高、成本高。基于上述原因，堆肥法在國內(nèi)的應(yīng)用并不廣泛。 衛(wèi)生填埋*早于20世紀30年代提出，相比于普通的填埋技術(shù)，它對垃圾成分、填埋場地選擇和設(shè)計及污染物控制都提出了嚴格的要求。衛(wèi)生填埋由于操作簡單、技術(shù)成熟、處理量大且對垃圾成分沒有要求，曾經(jīng)是我國處理量*大的生活垃圾處理方式。但是，垃圾填埋場附近滲液污染土壤、水源，氣體泄漏等二次污染事件時有發(fā)生。有毒有害液體滲入土壤，污染地下水和農(nóng)作物，危及人畜的生命健康；垃圾堆放過程中有機物分解，同時產(chǎn)生可燃氣體，存在燃燒和爆炸的風(fēng)險；衛(wèi)生填埋對土地資源需求非常大，城市周邊土地填埋垃圾后難以有效利用。因此，衛(wèi)生填埋這一傳統(tǒng)的城市生活垃圾處理方式正在逐漸被先進的垃圾焚燒技術(shù)替代。 與垃圾填埋相比，垃圾焚燒可以實現(xiàn)減重、減容，焚燒產(chǎn)生的熱量可以回收和發(fā)電，是我國處理城市生活垃圾的主流技術(shù)，近年來得到快速發(fā)展。2011年國家發(fā)布的《關(guān)于進一步加強城市生活垃圾處理工作的意見》提出，對土地資源緊缺、人口密度高的城市，要優(yōu)先采用焚燒處理技術(shù)。根據(jù)國家“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃，到2020年底，要求城市生活垃圾焚燒處理能力占無害化處理總能力的比例高于50%，焚燒處理設(shè)施規(guī)模要達到59.14萬t/d。“十三五”期間，垃圾焚燒處理由2010年占比的20%提高到近50%，經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)更高。2022年10月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《2021年中國城市建設(shè)狀況公報》，公報提到，到2021年底，生活垃圾無害化處理能力105.7萬t/d，同比增長9.7%，其中，焚燒處理能力占比為68.1%。 垃圾焚燒既可實現(xiàn)減重量70%～85%、減容量90%以上，焚燒過程產(chǎn)生的熱量又可用來供暖或是發(fā)電。此外，垃圾焚燒可以消滅多種病原體和腐蝕性有機物，利用高溫將有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物。因此，垃圾焚燒發(fā)電符合我國“資源節(jié)約、環(huán)境友好”的和諧發(fā)展戰(zhàn)略，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，減少發(fā)電碳排放，為電力、新能源的發(fā)展做出了貢獻，創(chuàng)造性地走上了垃圾清潔利用的道路。 圖1.3所示為2010～2018年我國不同垃圾處理方式對應(yīng)的處理量變化情況。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，焚燒與垃圾處理總量的增長速度一致，垃圾衛(wèi)生填埋處理近十年變化不大，堆肥增長緩慢。近十年我國城市垃圾產(chǎn)量年增長率約6%，生活垃圾無害化處理能力逐年增加，2010年城市生活垃圾無害化處理量僅占77.9%，到2018年即增加至99%。3種垃圾處理方式中，衛(wèi)生填埋處理量*大，2010～2018期間，衛(wèi)生填埋處理量超過其他方式的處理量之和，至2018年仍是處理量*大的垃圾無害化方式，但其占比不斷減小。另外，垃圾焚燒處理量逐年升高，從2011年開始焚燒處理量得到穩(wěn)步提高，至2018年，焚燒處理量己經(jīng)接近衛(wèi)生填埋處理量。堆肥及其他方式的處理量每年略有增加，但與衛(wèi)生填埋和焚燒處理相比仍有較大差距。根據(jù)不同處理方式的優(yōu)缺點和適應(yīng)性，未來在人口稠密的發(fā)達地區(qū)，垃圾焚燒的比例將進一步提高。雖然近年來各大城市大力推廣垃圾分類，以期提高廚余垃圾的堆肥和生物處理量，但垃圾焚燒處理己經(jīng)成為城市生活垃圾無害化處理的重要手段。 在國際上，發(fā)達國家的工業(yè)化和城市化發(fā)展較早，垃圾處理技術(shù)更加成熟和多元。這里以德國為例，介紹國際上城市生活垃圾處理情況[7]。圖1.4是歐盟各國(截至1995年的加盟國)城市生活垃圾處理方式比較。部分國家50%以上的廢物采用填埋處理，這些廢物含有大量有機物(如食品垃圾等），要保證30年后達到穩(wěn)定的標(biāo)準，則必須改變廢物處理方式。
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