利用DEM/CFD技术模拟城市生活垃圾焚烧研究垃圾性质、炉排炉设计的影响外文翻译资料

 2022-01-02 10:01

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Simulating municipal solid waste incineration with a DEM/CFD method Influences of waste properties, grate and furnace design

利用DEM/CFD技术模拟城市生活垃圾焚烧研究垃圾性质、炉排炉设计的影响

F. Wissing , S. Wirtz, V. Scherer

摘要：

本文提出了以质点为基础（离散元法，DEM）来模拟城市生活垃圾焚烧炉的初步方案，并且通过将内部DEM代码与Fluent结合起来，建立了干燥、挥发分释放和碳转化的模型。释放出来的挥发物在垃圾床层上方的焚烧炉中转化，并利用Fluent对其进行计算。本文将模拟结果与现有垃圾焚烧厂的二氧化碳、氧气、水和炉床温度的测量结果进行了比较。在忽略测量的不确定性和过程的复杂性的情况下认为他们是近似相等的。进行了关于垃圾成分（热值、垃圾粒度）、垃圾粒径分布和垃圾床层辐射通量对转化率的影响的灵敏度研究。最后，简要比较了最常见的炉排系统，即后燃式炉排、前燃式炉排和辊燃式炉排，包括炉床上方不同类型的炉排几何结构。结果表明，通过该方法对床层上方的垃圾运动、垃圾转化和气相燃烧的复杂相互作用给出了新的结论，而这些结论是垃圾床层的连续体模型等其他的方法无法得到的。

  1. 引言

许多工业化国家为了减少甚至禁止进一步使用垃圾填埋场制订了相关法律，因为如何处理城市固体垃圾（MSW）对环境至关重要。垃圾回收是减少垃圾处理量的一种选择。将剩余的城市垃圾送入焚烧厂进行热处理，产生热量和电力，是最常见的选择。据市场估计，市场推测假设全球有2200家垃圾焚烧厂在运营，日处理量将达2.8亿吨。预计在中国产能将进一步提升。

垃圾焚烧的标准技术是炉排燃烧系统，其中，垃圾床层通过机械搅拌在炉排上运输，一次风过交叉流穿过垃圾床层。在炉床上方的干舷（炉）中加入二次风（见图1）。炉排燃烧系统具有可靠的性能，而且运行稳定。城市生活垃圾的预处理具有经济、生态优势。

图1炉排（DEM）和干舷（CFD）。数据交换DEM/CFD耦合

垃圾炉排燃烧模拟是一个挑战，因为垃圾的物理（湿度、密度、大小、形状）和化学性质（元素组成、热值）会在很大范围内变化。利用一般的CFD燃烧模型，可以较准确地预测床层上方的流场和气相燃烧。前提条件是离开燃料床的种类的边界条件可靠。因此，城市生活垃圾燃烧模拟的主要不确定性在于对垃圾床层内燃料转化的适当描述。

研究人员提出了不同的燃料床模型化方法。最简单的模型是基于一维近似模型。因此，像CxHy、CO、CO2、H2O等挥发物的释放是根据炉排上的“典型”燃烧过程预先设定的，同时确保整体质量和能量平衡。床层内部过程完全被忽略。Beckmann和Gruber提出了模拟好搅拌反应器级联焚烧城市生活垃圾的建议。Appel提出了将搅拌良好的反应器级联模型与Star-CD的耦合。CombAte程序是另一个搅拌良好的反应器级联的MSW炉排燃烧的例子。燃料床在垂直和水平床方向上分为多个搅拌反应器。燃料床混合基于炉排和工厂特定的相关性来计算。 CombAte具有实时功能，可用于达成现存的控制MSW工厂的目的。

连续体方法使描述的燃料床领域更进了一步。大部分MSW炉排燃烧连续模型的开发都可以追溯到谢菲尔德大学的研究中。他们为废气中的气体和固相制定了质量，动量和能量（包括辐射传输）的守恒方程。固相动量方程中的半经验修正项解释了床层的混合/加料。由此产生的垃圾床层二维模型，名为FLIC，并且已经与CFD求解器耦合，用于模拟炉排燃烧系统（秸秆，木屑，MSW）。 Kruuml;ll提出了另一种与CFD耦合的二维连续垃圾床层模型。他将垃圾床层细分为两个不同的层（底层和顶层），两者均含有水，挥发物，固定碳和惰性材料的质量分数，用以形成两层的连续方法。这两层基于经验推料速率来交换固体质量。此外，已经提出了用于颗粒组件的燃烧欧拉-欧拉法。例如，Ryan和Hallet 使用相应的方法来模拟碳燃烧和Kurz等人的填充床燃烧。将其应用于模拟木屑的炉排燃烧。

所有这些模型都无法反映炉排燃烧系统和MSW的一些主要特征。燃料通过不同的加料机构（即向前加料，后部加料或滚轴）沿着炉篦输送，这些机制限定了输送速度，但，床内的混合更为重要。因为，比如在床表面（朝向干舷）已经点燃的燃料可以向下混合到燃料床中，并且在那里用作局部点火源。 MSW由多种组分（卫生产品，纸张，木材，有机，tex瓷砖，塑料，组装包装，皮革，橡胶，软木，惰性垃圾）组成，具有非常不同的物理和化学性质，因此具有不同的燃烧和运输行为。上面介绍的模型通常仅考虑平均燃料特性。

解决这些问题可选择一种基于粒子的拉格朗日方法。尤其是离散元方法可以形成基于粒子的炉排点火模型的基础。DEM允许跟踪尺寸有限的单个燃料颗粒、单个几何结构和成分，以及它们之间以及与移动壁（栅条或辊）之间的机械相互作用。Sudbrock等人已经证明了DEM用于识别灼烧对球形颗粒在炉排上混合的影响的有效性。 在DEM/CFD研究中Rickelt等人扩展这项研究了，包括炉排系统中对流换热的影响。

彼得等人基于球形木材颗粒的DEM/CFD耦合进行了炉排模拟。Wiese等人对国内球形窑进行了DEM/CFD炉排模拟。考虑到球团的实际上为圆柱形，Simsek和Brosch首次给出了将废燃料颗粒近似为球形的MSW炉排燃烧系统的DEM/CFD耦合结果。Kuwagi等人提出了一种基于代表性颗粒模型的相关DEM/CFD方法来模拟放射性Cs垃圾颗粒的焚烧。

本文是我们以前关于炉排系统工作的延伸。它的新颖之处在于DEM / CFD模拟在垃圾焚烧厂模型中的应用。特别是，我们将提出一种关于燃料特性的表面敏感性研究（5个组分或11个组分，平均垃圾热值的变化和粒径分布）。此外，还将讨论前燃、后燃或辊轮炉排燃烧与不同舷高结构之间的区别。

注意每个废弃颗粒的形状无法在DEM中表示，这在建立模型公式和提高计算时间方面的成果远远不够。这甚至不是一个建设性的方法，因为垃圾颗粒的实际形状基本上是未知的。但是，必须考虑像颗粒尺寸分布这样的特征统计参数，并且必须通过适当的假设来模拟垃圾的体积移动特征。事实上，在当前的DEM模拟中，燃料颗粒被表示为球体，其中球体尺寸表示的是特定燃料颗粒的机械影响区域，而不是其实际几何结构。这种方法背后的进一步理念将在本文后面讨论。

作者很清楚，这种基于粒子的方法仍然有严重的局限性，但它超越了连续介质模型或欧拉公式。

本文采用内部离散元法（DEM）代码描述了垃圾床层内的颗粒运动、转化以及气相反应。用DEM直接模拟了燃料床内的相互作用和隔离效应，以及机械搅拌引起的输送和混合。利用商用CFD软件包ANSYS Fluent的标准子模型描述了干舷内的流场和均匀气相反应（离开垃圾床层的挥发物）。请注意，内部DEM代码与CFD已用于模拟石灰竖窑、炉排干燥、颗粒炉以及模拟MSW焚烧，是进行这些模拟的第一种方法。因此，我们将对方法的描述限制在最低限度，更多详情请见参考。

2.1。颗粒与液相耦合

床层内非均相反应的时间和床层上方干舷内气相反应的时间尺度是非常不同的。非均相反应较慢，而气相反应较快。因此，我们使用瞬态DEM模拟，并将其与炉床上稳态流场模拟相结合。

DEM和CFD必须交换有关质量、动量和能量的信息。这种耦合是作为双向耦合完成的。二者都是同时执行内部DEM代码（宽50cm的三维条带），该代码解释了移动和反应垃圾层以及反应流体穿过床层的横流，并交换了信息。

为了能够将三维DEM 50 cm条带计算结果作为三维CFD组合室模型的边界条件，假定格栅宽度上的数据为常数（将条带乘以格栅宽度）。DEM提供了关于固体垃圾层温度的数据以及离开垃圾层的流体流量的数据，包括垃圾床层表面的总气体质量流量、气体物质的质量分数（水蒸气、热解产物、碳单体和空气）、密度和温度。这一不断更新的信息被用作干舷模拟的边界条件。在交换的另一个方向上，Fluent计算了干舷内的热辐射场，并将DEM模型的结果作为边界条件。

图1所示的两个交换接口（垃圾床层附近）用于将数据从Fluent传输到垃圾床层（辐射）和从垃圾床层传输到Fluent（天然气属性，种类）。由于燃烧室的CFD模拟不是瞬态的，例如垃圾层的DEM模拟，因此信息交换以适当的时间间隔（垃圾进料机一个进料周期的持续时间）进行，以留出足够的时间使CFD模拟收敛。

2.2 粒子相：粒子运动

在DEM模拟中，垃圾被视为“代表性”球体。这些球体的体积代表对象的空间延伸，而不是它们的几何体。球体的空间延伸定义了一个长度尺度，在这个尺度中粒子可以机械地相互作用。当然，这只是一阶近似。然而，用单个的形状来定义一组垃圾颗粒的替代方法似乎不是一个有前景的方法。这将需要大量的燃料表征工作，并且将导致计算时间远远无法实现。

通过求解DEM方面运动的牛顿方程（式（1））和欧拉方程（式（2））计算代表性球体的平移和旋转运动，并将其读作

用第i个粒子的质量mi表示它的转动惯量Theta;i，加速度，角加速度和外力Fij以及与j粒子接触产生的力矩Mi j。注意，我们忽略了流体阻力对粒子运动的影响。法向力（式（3））作用于法向矢量n的方向，并用林耳弹簧缓冲器模型描述。弹性项取决于接触对象之间的重叠zeta;，耗散项取决于正常相对速度vn。接触参数是线性弹簧的刚度kn和阻尼系数gamma;n。

切向力（切向向量t的方向）是线性弹簧kt的切向刚度与切向弹簧伸长zeta;t的乘积。该项受库仑定律的限制（式（4））。

滚动摩擦矢量Mir根据beer和Johnson建模。式（5）中，omega;i是角速度矢量，mu;r是滚动摩擦系数。

采用二阶精度的欧拉-克罗默算法对运动方程（Eqs1和2）进行积分。

由于垃圾颗粒的机械运动和相互作用与球体的相互作用不同，因此需要对力学模型进行调整，以模拟垃圾床层的运动特性。模仿的主要效果是垃圾可能是粘性的并且发生颗粒的几何互锁。这种行为可以被包含在粘性和粘着效应下。因此，我们使用了一个力学模型，当两个粒子接触时施加粘附力。图2展示了经过Luding等人的建议的丰富后的概念。

图2.凝聚力模型

该模型的原理由力F和虚拟重叠xi;之间的三种线性关系组合而成，用常数k1、k2和kc表示。如果两个粒子接触，就会产生一个虚拟的重叠，并且一个刚度为k1的线性弹簧会被拉紧。当粒子开始向相反方向移动时，弹簧将以刚度k1放松，直到达到xi;limit。然后施加刚度k2，直到重叠量为xi;min。为负（由于粘附，颗粒粘在一起）。为了回到力零点（断开触点），施加kc。通过调整粘聚力模型的参数，再现了物料在炉排上的平均停留时间。为了反映垃圾通常随着烧损的增加而失去粘性的效果，粘聚力与颗粒的碳含量有关。为了简单起见，我们假设碳含量与凝聚力大小之间存在线性关系。

注意，引入凝聚力的另一种方法是使用更复杂的粒子形状近似值作为簇状球体或多面体形状。然而，这需要了解垃圾的实际几何结构，以及垃圾在DEM中的（计算上昂贵）表示。正如先前的研究所表明的那样，使用额外的粘性效应，可以合理地和实验地验证格栅上的静止角和停留时间。因此，我们认为凝聚力是反应目前计算工作与主要影响反映之间的较好的方法。

2.3.传热

根据Vargas和McCarthy的方法，对颗粒间的接触传热进行了建模。直接接触热通量读数为。

热阻Rc取决于直接粒子接触的细节。它取决于接触半径Rc，由赫兹理论计算得出

Fn是作用在接触角上的法向力矢量。Ey、hm、rhm、hhm和khm是两个粒子杨氏模量、球面半径、泊松比和热导率的调和平均值。

对流换热由下式给出

发射率ej取决于材料、温度和表面条件。在我们的模拟中，我们对每个垃圾对象使用了ej=0.8的恒定发射率，但如果有相关数据，不同的发射率可以用于不同的部分。Trad是由其他粒子和熔炉的辐射通量（适当加权）产生的背景温度。对于粒子之间的辐射，定义了每个粒子周围的“辐射影响体积”，而不是使用视图因子（计算成本很高）。通过这种方法，我们假设在这个代表体积内的每一个粒子都与观察到的粒子交换。注意，由于颗粒间空隙空间的光路长度较短，垃圾床层内的气相辐射可以忽略。

由于炉内辐射只影响大块体的上部颗粒，因此在该界面上使用了简化的视角因子。它们被定义为从干舷可见的床层中每个单独颗粒的投影面积与每个单独颗粒的总投影面积之比。有关辐射建模的更多详细信息，请参阅Wiese等人。用Crank-Nicolson格式数值求解了球形颗粒内的径向、一维热传导方程。粒子在径向上被至少25个单元离散。应考虑热源或散热器（例如，由于放热碳烧焦或吸热干燥过程）。

2.4化学反应

一旦燃料进入炉排炉内，材料就会被加热，并经历干燥、热解和碳烧尽。与其他普通燃料相比，垃圾是由生物量大的大型物体组成的。这意味着，特别是干燥和热解主要由颗粒内的热传导控制。因此，这些过程是与温度有关的，并由朝向粒子中心的温度峰来描述。

当颗粒表面温度达到100℃时，开始干燥。集成的两个时间步骤（j，j-1）之间

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