垃圾焚烧炉内传热计算方法

ISSN 1000-0054 CN 11-2223/ N 　 清华大学学报 (自然科学版) J T singh ua Un iv ( Sci & Tech ) , 2001年 第 41 卷 第 12期 2001, Vo l. 41, No . 12 30/ 32 95-98 　 垃圾焚烧炉内传热计算方法 张衍国, 　李海明, 　李清海, 　吴占松, 　王补宣 (清华大学 热能系, 北京 100084) 收稿日期: 2001-04-23 作者简介: 张衍国( 1968-) , 男(汉) , 广东, 讲师。 摘　要: 考虑到垃圾作为燃料具有水分高、热值不稳定等特 点, 给出了层燃和流化床燃烧方式垃圾焚烧炉的炉内传热计 算。将层燃炉炉膛分为燃烧室和燃尽室, 分别给出了燃烧室 和燃尽室辐射换热的计算方法, 对高水分烟气的对流换热计 算及黑度计算推荐了修正方法。循环流化床锅炉炉膛内分为 密相区和稀相区, 针对各区受热面布置特点, 了相应计 算方法。该方法已经应用于垃圾处理能力为 150 t/ d 循环流 化床垃圾焚烧炉以及 50, 100, 300, 800 kg / h 的系列层燃 垃圾焚烧炉的工程设计中。 关键词: 垃圾焚烧炉; 高水分; 传热; 锅炉设计 中图分类号: T K 121 文章编号: 1000-0054( 2001) 12-0095-04 文献标识码: A Heat transfer in a municipal solid waste incinerator ZHANG Yanguo, LI Haiming, LI Qinghai, WUZhansong , WANG Buxuan ( Department of Thermal Engineering, Ts inghua Universi ty, Beij ing 100084, China) Abstract: T he inciner at ion tech nology is w idely applied to cont rol sol id w aste pol lut ion recent ly. In order to design the appropr iate incinerat ion boiler , the res earch on heat t ransfer of boiler was condu cted. Th is p aper gives th e h eat t ransfer in layer combus tion incinerator an d circulat ing f luidiz ed b ed in cinerator for M SW ( municipal sol id w as te) . T he radiat ive h eat trans fer in combus tion ch amber and bu rn-out ch amber of layer combust ion incinerator are presen ted respectively. A modif ied correlat ion for con vect ive h eat t ran sfer w ith h igh moisture is recomm ended. T he h eat t ransfer coeff icients for dense and dilute phase zone in circulat ing f lu idized bed incin erator is summarized. T he principle pr esented has been ap plied to engin eering des ign for circulat ing f luidized b ed incinerator of 150 t / d MSW capacity and a series of layer combus tion incinerators of 50, 100, 300, 800 kg /h M SW capacit ies. Key words: municipal s olid w as te incinerator; high m ois ture content ; heat t ran sfer; boiler des ign 　　目前,中国城市生活垃圾的产量急剧增加。如何 有效地处理城市垃圾, 成为备受关注的课题。对城市 垃圾的处理方法有填埋、堆肥、焚烧等, 其中清洁焚 烧方法符合资源化、减量化和无害化(“三化”)要求, 是处理城市垃圾的主要发展方向。 作为燃料, 垃圾不仅具有多成分、多形态、高水 分、高挥发份、低热值、低固定炭等特点,而且还具有 腐蚀成分与热值波动性质, 因而垃圾焚烧炉设计有 其特殊性。垃圾焚烧技术必须保证锅炉能稳定、充 分、清洁地燃烧。 针对垃圾及其焚烧炉的特点,本文讨论了燃用 高水分、低热值的层燃和流化床燃烧方式的中国城 市生活垃圾的焚烧炉内传热计算问题。 1　层燃垃圾焚烧炉内传热 图 1是一典型层燃垃圾焚烧炉。垃圾从料斗经 给料器送入炉排, 炉排与风室相连,各风室分隔布 置。设置前、后拱,拱上根据垃圾热值决定布置受热 面多少。图中: Ⅰ区是燃烧室, Ⅱ区是燃尽室, Ⅲ区 是尾部对流受热面布置区。由于燃料的差异和锅炉 图 1　典型层燃垃圾焚烧炉示意图 结构的特殊性,层燃式垃圾焚烧炉的炉膛传热计算 不宜简单沿用有关层燃锅炉的热力计算方法。 1. 1　燃烧室(Ⅰ区)传热计算 如图 1所示的燃烧室, 其中 A R 示火床(层状 燃烧区域)面积, A c, r s表示燃烧室烟气出口窗面积, A f, rs表示燃烧室内受热面面积, A q, rs表示燃烧室内 不布置受热面的炉墙(绝热)面积, A lb, r s表示炉壁面 积,等于受热面面积与不布置受热面的炉墙面积之 和,即 A lb , rs= A f, r s+ A q, rs。燃烧室的包覆面积 A rs= A c, rs+ A lb ,r s。定义: r= A R / A rs, x = A f, rs/ A rs, x′= A c, rs/ A r s。假定火焰和高温烟气为等温灰体介质,炉 壁为等温漫灰表面,出口窗为黑体表面且温度很低。 那么, 受热面吸收及通过出口窗的辐射热量可从如 下推导中分别得出 [ 1] : 介质与壁面间的辐射换热用有效辐射表示为 Qr s = Q yh, rs - Qyb, rs, ( 1) 其中: Q yh, rs为介质有效辐射, Q yb , rs为壁面有效辐 射,其中的辐射换热量 Q rs包括通过出口窗向外辐射 的热量 Qc, rs和炉壁中受热面吸收的辐射热量 Qf, rs, 即 Qrs = Qc, rs + Qf, r s. ( 2) 　　以 �b , �h 分别表示炉壁和介质的吸收率(等于 黑度) , 则介质的有效辐射为 Q yh , rs = Q h + Q yb , rs( 1 - r ) ( 1 - �h) + QR. ( 3) 其中: 介质本身辐射 Qh= �hA rs�T 4h , T h 为介质平均 温度, �为辐射常数。 火床本身辐射 QR= ( 1- �h ) r A r s�T 4h。燃烧室的 包覆面 A rs的有效辐射 Qyb, r s为 Q yb , rs = Q b + [ 1 - ( x + x′) ] Q yh, rs + ( 1 - �b ) xQ yh, rs = 　　Q b + ( 1 - x′- x �b ) Q yh , rs. ( 4) 其中: 炉壁受热面有效辐射 Qb= �bxA rs�T 4b , T b 为 受热面表面平均温度。把式( 3) , ( 4)联立,并代入 Qh , QR , Q b的表达式,可得 Qyh, r s = A rs M �T 4h + ( 1 - M ) x�b�T 4b 1 - ( 1 - x′- x�b ) ( 1 - r ) ( 1 - �h ) . ( 5) Qyb, r s = A rs x �b�T 4b + ( 1 - x′- x�b )M �T 4h 1 - ( 1 - x′- x�b ) ( 1 - r ) ( 1 - �h ) . ( 6) 其中, M= �h+ r ( 1- �h)。把式( 5) , ( 6)代入式( 1) , 可得 Qr s = A rs x′M�T 4h + M�bx�( T 4h - T 4b ) ( x′+ x�b) + ( 1 - x′- x�b)M . ( 7) 把式( 7)与式( 2)对比,分析物理意义可得到 Qc, rs = x′M ( x′+ x�b) + ( 1 - x′- x �b )MA rs�T 4h. ( 8) Qf, rs = �bxMA r s�( T 4h - T 4b ) ( x′+ x�b ) + ( 1 - x′- x�b)M . ( 9) 又可改写为 Qf, rs = �lA rs�( T 4h - T 4b) , ( 10) 其中, �l 为系统黑度: �l = �bxM ( x′+ x�b) + ( 1 - x′- x �b )M . ( 11) 按文[ 2]方法计算求解 M 所需的火焰黑度 �h , 在选 取受热面黑度 �b时注意其灰污层成分的不同。 1. 2　燃尽区Ⅱ传热计算 燃尽区Ⅱ是典型辐射换热区, 可分Ⅱa, Ⅱb 区。Ⅱ区中: A r, r j为燃尽室入口窗面积(与燃烧室出 口窗面积相等) , A c,r j为燃尽室出口窗面积。炉壁面 积 A lb , rj= A f, rj+ A q, r j, 其中: A f, r j, A q, r j分别为燃尽 室内的受热面和不布置受热面的炉墙面积。假定出 口窗为黑体表面,温度很低。燃尽室吸热的包覆面面 积 A rj= A lb, r j+ A c, rj。定义: r = A r, rj/ A r j, x = A f,r j/ A r j, x″= A c, r j/ A rj。经与燃烧室类似的推导得[ 1] : Qc, rj = A r j x″M�T 4h ( x″+ x�b ) + ( 1 - x″- x�b )M (. 12) Qf, rj = �lA f, rj�( T 4h - T 4b) + 　　 ( x″+ x�b) ( Qr - A r j�T 4 h ) ( x″+ x�b ) + ( 1 - x″- x�b) M . ( 13) �l = Mx �b( x″+ x�b ) + ( 1 - x″- x�b )M . ( 14) 其中: Qr 为通过入口窗从燃烧室辐射入燃尽室的热 量, Qc, rj为通过出口窗辐射出的热量, Qf, r j为炉壁受 热面吸收的辐射热量。其他符号意义同燃烧室。 1. 3　尾部受热面传热计算 介质完全被受热面包围时,辐射换热可按文[ 2] 方法计算。由于 Edw ards 方法[ 3]过于复杂,不便于 工程应用, 因而本文提出使用锅炉机组热力计算标 准方法计算烟气黑度,公式中使用的计算水蒸气份 额由真实水蒸气份额乘以一修正因子 CH2O得出, 修 正因子与水蒸气份额、温度、辐射有效层厚度等参数 有关。图 2针对辐射有效层厚度为2 m 的情况,给出 了修正因子与水蒸气份额及温度的关系。该图是通 过使用 Edw ards 方法和方法计算相同温度、相 同成分下烟气黑度,将修正后的水蒸气份额代入标 准方法,使两种方法计算的黑度相同,可确定修正系 96 清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 2001, 41( 12) 数。相对于其他有效辐射层厚度的修正因子见文 [ 1]。对流换热计算应对因水分高引起的强化换热 进行修正[ 1]。考虑到烟气对受热面冲刷的不均匀性, 应引入利用系数 对烟侧总传热系数 h1进行修正, 即 h′1= h1, h′1 为修正后传热系数, 可查文[ 2]中 有关图表。 图 2　高水分烟气黑度修正因子 2　流化床垃圾焚烧炉内传热 图 3 为清华大学开发设计的垃圾处理量为 150 t / d流化床垃圾焚烧炉示意图。垃圾从料斗经给 料器送入炉膛内移动床干燥, 然后进入流化床密相 段。在炉膛出口设置高温气固分离装置,把固体颗粒 分离送回炉膛,烟气进入尾部烟道。 图 3　清华大学设计的流化床垃圾焚烧炉示意图 　　图 3中Ⅰ区为半绝热燃烧区,受热面被耐热耐 磨材料包覆; Ⅱ区布置蒸发受热面,为气固两相放 热区; Ⅲ区是含灰气体的辐射放热区,伴有对流换 热, 布置蒸发受热面; Ⅳ区则布置通常的尾部受热 面。气固两相流与受热面之间的传热常有三种形式, 即气体对流换热、颗粒对流换热和辐射换热。对于炉 膛内的不同区段, 烟侧总放热系数根据三种换热方 式的强弱作不同的简化。 2. 1　密相区(Ⅰ区)传热 密相区受热面上浇注一层耐热耐磨材料, 受热 面半绝热, 传热行为主要取决于浇注料的导热系数 及厚度,其传热热流可近似表示为 q = T 2 - T 1 1 h1 + !∀ + 1h2 , ( 15) 式中: T 1 , T 2分别为水冷壁内工质和密相区气固两 相流体的温度; h1, h2分别为水冷壁管内和管外的 传热系数; !为耐热材料厚度; ∀为耐热材料的导热 系数。通常水冷壁管内传热热阻及密相区气固两相 热阻远小于耐热材料热阻。例如,管内流体纵流换热 热阻一般小于 0. 000 1 m 2�K/W, 密相区气固两相 的热阻小于 0. 003～0. 005 m2�K/ W, 在密相区中, 耐热材料厚度常在 75～150 mm 范围内, 而材料的 导热系数约 2～3 W/ ( m�K) , 对应的热阻为 0. 025 ～0. 075 m 2�K/W , 远大于炉侧和管内热阻。在工程 计算中,只考虑耐热耐磨材料的导热传热系数即可, 亦即传热热流简化为 q = ∀! ( T 2 - T 1 ) . ( 16) 2. 2　稀相区(Ⅱ区) 燃用垃圾的流化床焚烧炉中, 稀相区(图 3中Ⅱ 区)通常是裸露的蒸发受热面, 热阻主要集中在炉 侧, 需要对气固两相与壁面的传热系数进行详细计 算。目前还没有公认的燃用垃圾流化床气固两相传 热计算方法,本文认为, 可使用秦霁光 [ 4]提出的关联 式,并对其进行修正,修正后表式为 N u = 0. 075( 1 - #) #r cp ,p∃pdpu0∀g 0. 5 R n . ( 17) 其中: #为床层空隙率, #r 为修正因数, 与烟气成 分、床速、床温、床料筛分分布及颗粒浓度有关,由实 验确定, R 为与结构和物性有关的特征数, n 为校 正因数; 下标 p表示颗粒相, 下标 g 表示气相。在对 稀相区的辐射换热进行计算时,可把固相悬浮物当 作灰体处理,辐射传热系数 hrad按下式计算: 97张衍国, 等: 　垃圾焚烧炉内传热计算方法 h rad = �( T 4bed - T 4w ) 1�bed + 1�w - 1 ( T bed - T w ) . ( 18) 其中: T bed , T w 分别为流化床和壁面温度, �bed, �w 分别为流化床和壁面吸收率, �bed= ( 1+ �p ) / 2, �p 为固相颗粒的吸收率。 2. 3　尾部受热面(Ⅲ、Ⅳ区)传热 原则上说, Ⅲ区是辐射蒸发受热面,其传热计 算与层燃垃圾焚烧炉中Ⅱ区的计算类似, 只是飞灰 浓度及粒径的选取稍有不同。尾部受热面(Ⅳ区)的 传热计算与层燃炉基本一样, 但要注意烟气中的飞 灰浓度较层燃炉稍大。 3　结　论 本文讨论了燃烧高水分垃圾的层燃和流化床燃 烧方式垃圾焚烧炉的炉内传热计算方法。 1) 将层燃炉炉膛分为燃烧室和燃尽室,分别给 出了燃烧室和燃尽室辐射换热的计算方法, 对高水 分的对流换热计算推荐了相应修正方法。提出了使 用水蒸气修正因子计算高水分烟气的黑度。 2) 将循环流化床垃圾焚烧炉炉膛分为密相区 和稀相区, 针对各区受热面布置特点, 总结了计算 方法。 以上方法已经应用于垃圾处理能力为 150 t / d 循环流化床 垃圾焚烧炉 以及 50, 100, 300, 800 kg/ h的系列层燃垃圾焚烧炉的工程设计中。 参考文献　(References) [ 1] ZHANG Yanguo. 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