CN102637239B - 垃圾炉排焚烧炉的分区模型与各区的区分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了垃圾炉排焚烧炉的分区模型与各区的区分方法，将垃圾炉排焚烧炉细分4个区，即床层内的干燥区A，热解区B，燃尽区C和炉膛自由区段的挥发份燃烧区D；包括干燥区A热流密度和干燥时间的计算；热解区B热解反应速率和挥发分析出时间的计算；挥发分燃烧区D燃烧时间的计算；燃尽区C的燃烬时间的计算。本发明通过对城市生活垃圾炉排焚烧炉按垃圾燃烧特性进行分区，建立相应的模型，并展示了一种较完整的分析方法，该分析方法有利于理解垃圾焚烧燃烧技术，也可为城市生活垃圾炉排焚烧炉设计和运行提供参考。

Description

垃圾炉排焚烧炉的分区模型与各区的区分方法

技术领域

本发明涉及热能工程的锅炉领域，特别是涉及垃圾炉排焚烧炉的分区模型与各区的区分方法。

背景技术

随着经济发展和人们生活水平提高，城市生活垃圾产量快速增长，垃圾焚烧处理在我国呈现出迅猛增长的势头。近年来，在广东、江苏和浙江等地均陆续兴建或正在筹建大型垃圾焚烧厂。城市生活垃圾具有多成分、多形态、高水分、高挥发分、低热值、低固定碳等特点，因此城市生活垃圾焚烧炉及其余热锅炉的设计与计算有其特殊性。

城市生活垃圾燃烧过程不是某一种单纯的燃烧形式，而是包含一个既有固相燃烧又有气相燃烧的非均相燃烧的混合过程，比纯固态燃烧或纯气态燃烧复杂得多。其中挥发分析出和燃烧为垃圾焚烧的主要过程，即以气相燃烧为主、多相燃烧为辅，这和煤的燃烧有本质的不同。目前，国内缺乏针对城市生活垃圾燃烧的计算模型。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提供垃圾炉排焚烧炉的分区模型与各区的区分方法，解决在不同区域里研究城市生活垃圾的燃烧特性问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

垃圾炉排焚烧炉的分区模型与各区的区分方法，包括下述步骤：

(一)分区模型

将垃圾炉排焚烧炉细分4个区，即床层内的干燥区A，热解区B，燃尽区C和炉膛自由区段的挥发份燃烧区D；

(二)干燥区A热流密度和干燥时间的步骤如下：

(1)热流密度

烟气辐射热流密度：

$q_{\mathrm{gr}}=5.67\frac{{\mathrm{\ϵ}}_w+1}{2}[{\mathrm{\ϵ}}_g{\left(\frac{T_g}{100}\right)}^4-{\mathrm{\α}}_g{\left(\frac{T_w}{100}\right)}^4]$

炉拱辐射热流密度：

$q_{\mathrm{wr}}=\frac{5.67[{\left(\frac{T_w^{\′}}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_w}{100}\right)}^4]}{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_w^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_w}-1}$

烟气对流热流密度：

q_c＝h_s(T_g-T_w)

式中：T′_w、T_w、T_g分别为炉拱温度、垃圾燃料温度、烟气温度，K；ε′_w、ε_w、ε_g分别为炉拱黑度、垃圾燃料黑度、烟气黑度；h_s为对流换热系数，W/(m²·K)；

(2)水的蒸发速率：

$S_{H_{2}O}=\frac{Q_{H_{2}O}}{\mathrm{\γ}}$ (当T_w＝100℃时)

$S_{H_{2}O}=k_{m}A(C_{H_{2}O,S}-C_{H_{2}O,g})$ (当T_w＜100℃时)

式中：γ为蒸发潜热，kJ/kg；k_m为传质系数；为固相吸收的热量，W；A为颗粒比表面积，m²；为固相中的水分的浓度，％；为气相中的水分的浓度，％；

(3)干燥时间：

式中：m为干燥区垃圾的质量，kg；为垃圾燃料中的水分含量，wt％。

(三)热解区B热解反应速率和挥发份析出时间的步骤如下：

挥发份析出时间

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pyr}}=-\frac{1}{k}[\ln (V_{\∞}-V)-\ln \left(V_{\∞}\right)]$

热解反应速率

k＝Aexp(-E_α/RT_s)

式中：V为在时刻τ时的挥发份产量，％；V_∞为挥发份的最终有效产量，％；A为频率因子，min^-1；E_a为活化能，J/mol；R为摩尔气体常数，J/(mol·K)；T_s为试样的温度，K；

(四)挥发份燃烧区D燃烧时间的步骤如下：

(1)动力控制型挥发份燃烧时间

在挥发份燃烧区D，当有充足的氧气，且挥发份已同氧气充分混合，可忽略氧气扩散时间，反应属于动力学控制区；

一氧化碳燃烧速率

$\frac{d\left(\mathrm{CO}\right)}{\mathrm{d\τ}}=3\×{10}^{10}{f}_{\mathrm{CO}}{f}_{O_2}^{0.3}{f}_{H_{2}O}^{0.5}{\left(\frac{P}{\mathrm{RT}}\right)}^{1.8}\exp (-\frac{66990}{{\mathrm{RT}}_{\text{g}}})$

挥发份燃烧时间

${{\mathrm{\τ}}_V}^{\mathrm{kinetic}}=\frac{{\mathrm{pf}}_{\mathrm{CO}}/\mathrm{RT}}{d\left(\mathrm{CO}\right)/\mathrm{d\τ}}$

式中，f_CO、分别为CO、O₂和H₂O的摩尔份额；P为气体总压，Pa；R为通用气体常数，J/(mol·K)；T为燃烧室温度，K；

(2)扩散控制型挥发分燃烧时间

由于挥发份在高温下容易着火，且燃烧时间很短，故一析出，立即在垃圾表面燃烧，这种反应属于扩散控制型；

两边分别同时积分，扩散控制条件下挥发分燃烧所需时间：

${{\mathrm{\τ}}_V}^{\mathrm{duffuse}}=\frac{L^{0}M}{5.9\×{10}^{-8}{\mathrm{TC}}_O}{\left(\frac{1800}{T}\right)}^{0.75}{\left(\frac{d_p}{2}\right)}^2[{(\frac{8.21\×{10}^{-5}{V}^r\mathrm{\ρT}}{M}+1)}^{\frac{2}{3}}-1]$

式中，C_o为氧气的摩尔浓度，mol/m³；V^r为干燥无灰基下挥发分含量，％；d_p为干燥热解后垃圾燃料颗粒直径，m；M为挥发分平均分子量，kg/mol；ρ为颗粒初始密度，kg/m³；L_o为理论空气质量，kg/kg。

(五)燃尽区C的燃烬时间步骤如下

炭的燃烬时间为：

${\mathrm{\τ}}_c=\frac{100-A_{\mathrm{ar}}}{100}\frac{\mathrm{\ρ}}{m{C}_{0}D}{\∫}_0^{d_p}\frac{\mathrm{\α}{d}_p^3(\frac{D}{k_{O_2}(1+\mathrm{\ϵ}{S}_i)}+\frac{d}{\mathrm{Nu}})}{d_p^3(\mathrm{\α}-1)+d^3}\mathrm{dd}$

式中，A_ar为垃圾中的灰含量，wt％；d_p、d分别为初始时刻、任意时刻炭的粒径，m；α为过量空气系数；C_o为空气中氧气的质量份额，取C_o＝0.232kg/kg；D为氧气扩散系数；为残炭外表面氧气消耗速率常数；ε有效渗入深度，m；Si是内表面积，m²/m³。

本发明通过对城市生活垃圾炉排焚烧炉按垃圾燃烧特性进行分区，建立相应的模型，并展示了一种较完整的的分析方法，该分析方法有利于理解垃圾焚烧燃烧技术，也可为城市生活垃圾炉排焚烧炉设计和运行提供参考。

具体实施方式

将垃圾炉排焚烧炉细分4个区，即床层内的干燥区A，热解区B，燃尽区C和炉膛自由区段的挥发份燃烧区D；

表1：垃圾的工业分析、元素分析和低位热值

1)建立分区模型

城市生活垃圾中含有多种有机成分，其燃烧过程不可能是某一种单纯的燃烧形式，其非均相燃烧的混合过程发生在两个层面：第一个层面炉排上的床层内的燃烧，即在连续运动的炉排上固体堆积物形成的床料中；第二个层面是在床层上部自由区段的燃烧过程，经过热解析出的挥发物和部分颗粒随气流上升进入床层上面的炉膛自由区段，并与上部二次风强烈混合燃烧。本模型根据垃圾燃烧过程的分析，在这两个层面上细分4个区，即床层内的干燥区A，热解区B，燃尽区C和炉膛自由区段的挥发份燃烧区D。上述的模型基于以下几点假设：

1、进入焚烧炉的垃圾不经过预处理，其大小可由几厘米到一两米不等，但经过蒸发燃烧过程后，垃圾团块逐渐破碎，进入燃烧阶段时，变成了极小的颗粒。我们假设在同一区域的所有粒子的一些主要属性，即形状，结构和几何尺寸，是一致的。并且单个粒子可以说是一维的，其性质只与半径有关，忽略粒子之间的差异。

2、对于高挥发分的废弃物而言，其挥发分析出速度较快，挥发分燃烧时，在其周围形成强烈火焰，此时氧气甚难扩散到焦碳表面与焦碳反应，已经有试验也证实了这一点。所以假设焦碳燃烧发生在挥发分完全结束之后。

3、固体床料沿炉排方向上的运动是均匀的，且进入炉排的垃圾的质量流量是定常的。

4、由于垃圾一般在炉排上的停留时间较长，垃圾随炉排移动速度较慢，因此可认为沿炉排水平方向上的温度梯度很小，忽略不计。热量、质量传递只在垂直于炉排方向上发生。

5、炉墙与周围环境的换热忽略。

干燥区A、热解区B，燃尽区C的炉排长度可以通过垃圾在每个区的停留时间来推算。

2)干燥区A热流密度和干燥时间的计算

干燥区A指的是从物料进入炉内起到物料开始析出挥发分着火这一段。

(1)热流密度

烟气辐射热流密度：

$q_{\mathrm{gr}}=5.67\frac{{\mathrm{\ϵ}}_w+1}{2}[{\mathrm{\ϵ}}_g{\left(\frac{T_g}{100}\right)}^4-{\mathrm{\α}}_g{\left(\frac{T_w}{100}\right)}^4]$

炉拱辐射热流密度：

$q_{\mathrm{wr}}=\frac{5.67[{\left(\frac{T_w^{\′}}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_w}{100}\right)}^4]}{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_w^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_w}-1}$

烟气对流热流密度：

q_c＝h_s(T_g-T_w)

h_s＝Nuλ_f/d_e

$\mathrm{Nu}=2.0+0.6{\mathrm{Re}}_f^{1/2}{\mathrm{Pr}}_f^{1/3}$

式中：T′_w、T_w分别为炉拱温度、垃圾燃料温度、烟气温度，K；ε′_w、ε_w、ε_g分别为炉拱黑度、垃圾燃料黑度、烟气黑度；h_s为对流换热系数，W/(m²·K)；Nu为努赛尔数；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；λ_f为烟气的导热系数，W/(m·K)。

本文例中，干燥区A烟气辐射、炉拱辐射和烟气对流的热流密度如下表所示。对于城市生活垃圾炉排焚烧炉中，烟气辐射、炉拱辐射、烟气对流3种传热方式对入炉垃圾加热的热流密度，基本处于同一数量级，故炉型设计要综合考虑3种传热的影响。

表2：干燥区的热流密度

(2)水的蒸发速率

$S_{H_{2}O}=\frac{Q_{H_{2}O}}{\mathrm{\γ}}$ (当T_w＝100℃时)

$S_{H_{2}O}=k_{m}A(C_{H_{2}O,S}-C_{H_{2}O,g})$ (当T_w＜100℃时)

固相吸收的热量

$Q_{H_{2}O}=A(q_c+q_{\mathrm{wr}}+q_{\mathrm{gr}})$

颗粒比表面积

$A=\frac{6V}{d}$

传质系数

$k_m=\frac{{\mathrm{ShD}}_{H_{2}O}}{d}$

舍伍德数

$\mathrm{Sh}=2.0+1.1\×{\mathrm{Sc}}_{H_{2}O}^{1/3}{\mathrm{Re}}^{\text{0.6}}$

水蒸气的斯密特数

${\mathrm{Sc}}_{H_{2}O}=\frac{V_g}{D_{H_{2}O}}$

式中：γ为蒸发潜热，kJ/kg；D_H2O为水的扩散系数；为固相中的水分的浓度， 为气相中的水分的浓度，

(3)干燥时间τ_ev

式中：m为干燥区垃圾的质量，kg；为垃圾燃料中的水分含量，wt％。

本文例，当T_w＜100℃，水分蒸发速率低。大部分的水分都是当T_w上升至100℃才开始逃逸，此时，水分蒸发速度维持4.29kg/s，从而计算出水分释放时间是1269.06s，蒸发区的长度是7.76m。结果显示水分蒸发区占据炉排一半以上的区域，这充分体现了蒸发区在垃圾焚烧炉中的重要性，并说明了炉排长度很大程度上取决于垃圾水分含量。

3)热解区B热解反应速率和挥发份析出时间

在焚烧阶段中，固态物料直接与氧化介质进行强烈的氧化反应的情况并不是那么容易。对于一般有机固体废物而言，受热后总是先进行热解。城市生活垃圾的热分解过程是生活垃圾中多种有机可燃固体物在高温作用下的分解或聚合化学反应过程，反应的产物包括各种烃类、固定炭和不完全燃烧物等。一般有机物热解后，多半生成小分子的CO、CH₄、H₂，或分子量较小的C_mH_n等气态物质或残炭C。这些小分子气态可燃混合气体与氧化介质混合接触，进行均相燃烧就容易得多。热解过程有时也称为挥发分析出过程。

(1)反应速率

dV/dτ_pyr＝k(V_∞-V)ⁿ

式中：k为热解速率常数；α为热解过程中的失重率；τ为热解时间；n为反应级数。

热解速率常数k是化学动力学中的一个重要的动力学量

k＝Aexp(-E_α/RT_s)

式中：A为频率因子，min^-1；E_a为活化能，J/mol；R为摩尔气体常数，J/(mol·K)；T_s为试样的温度，K。

A和E_a为两个经验参量，可根据热重实验的数据归纳所得。

$\ln [\left(\frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dt}}\right)/(1-\mathrm{\α})]=\ln A+\left(\frac{-E_a}{R}\right)\left(\frac{1}{T_s}\right)$

令 $y=\ln [\left(\frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dt}}\right)/(1-\mathrm{\α})],$ M＝lnA， $N=\frac{-E_a}{R},$ $x=\frac{1}{T}$

则y＝M+Nx

对应于某一温度下的y值可由失重曲线求得，这样就在x-y平面坐标上得到了一些离散的点，从而拟合出动力学曲线图，从上述各图可求得各自的动力学参数，图中直线的截距和斜率分别为M和N，从而可得到频率因子A和活化能E_a。

(2)挥发份析出时间

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pyr}}=-\frac{1}{k}[\ln (V_{\∞}-V)-\ln \left(V_{\∞}\right)]$

挥发份析出时间因动力学参数而不同，而且也受影响了粒子温度的影响。本文例中，当挥发分份率V＝48％，达到了热解过程基本结束，此时大部分挥发份都析出了。热解的频率因子A＝70000min^-1，活化能表观活化能E_a＝69kJ/mol。虽然热解过程温度跨度很广，本文例将热解开始温度预定为255℃和760为终止温度，但是认为400℃左右垃圾挥发分析出和燃烧为主。计算出挥发份释放时间是242.96s和热解区的长度为1.485m。

4)燃烧区C的燃烧时间计算

(1)动力控制型挥发分燃烧时间的计算

在挥发分燃烧区D，有充足的氧气，且挥发分已同氧气充分混合，可忽略氧气扩散时间，反应属于动力学控制区。垃圾热解产生不同的气体燃料。挥发份燃烧时，自由氢(H₂)将优先与氧气反应，而CO与氧气的反应较碳氢化合物与氧气的反应慢。所以若能计算出CO的反应时间，就可预测挥发分反应时间尺度。

一氧化碳燃烧速率

$\frac{d\left(\mathrm{CO}\right)}{\mathrm{d\τ}}=3\×{10}^{10}{f}_{\mathrm{CO}}{f}_{O_2}^{0.3}{f}_{H_{2}O}^{0.5}{\left(\frac{P}{\mathrm{RT}}\right)}^{1.8}\exp (-\frac{66990}{{\mathrm{RT}}_{\text{g}}})$

挥发份燃烧时间τ_v

${{\mathrm{\τ}}_V}^{\mathrm{kinetic}}=\frac{{\mathrm{pf}}_{\mathrm{CO}}/\mathrm{RT}}{d\left(\mathrm{CO}\right)/\mathrm{d\τ}}$

式中，f_CO、分别为CO、O₂和H₂O的摩尔份额；P为气体总压，Pa；R为通用气体常数，R＝8.315J/(molK)；T为燃烧温度，K。

本实施例中，过量空气系数为1.8，一氧化碳的燃烧速率为1.45mol/(m³·s)，动力控制型挥发分燃烧时间为0.00164s。

(2)扩散控制型挥发分燃烧时间的计算

由于挥发分在高温下容易着火，且燃烧时间很短，故可能一析出，立即在垃圾表面燃烧，这种反应属于扩散控制型。参考煤燃烧单膜模型，假设氧气扩散至挥发分膜表面立即反应，且燃烧过程中垃圾颗粒直径不变，依此计算挥发分燃烧时间。

有颗粒重量：

$G=\frac{\mathrm{\π}}{6}{d}_p^3\mathrm{\ρ}$

式中，d_p为干燥热解后垃圾燃料颗粒直径，m；ρ为颗粒初始密度，kg/cm³。析出挥发分初始体积：

$V=V^{r}G\frac{22.4\×{10}^{-3}}{M}\frac{T}{273}$

式中，M为挥发分平均分子量，kg/mol；V^r为干燥无灰基下挥发分含量，％；T为燃烧室温度，K。

挥发分初始外径为：

$d_o={(\frac{6}{\mathrm{\π}}V+d_p^3)}^{\frac{1}{3}}=d_p(\frac{8.21\×{10}^{-5}\×V^r\mathrm{\ρT}}{M}+1)$

式中，d_o为挥发分膜初始外径，m。

挥发分完全燃烧所需氧气量为：

理论空气量为L°：

L°＝11.6C+34.78H+4.351S-4.35O

则每克氧气可烧掉挥发分体积

又依据氧气一旦扩散至挥发分表面立即反应的假设，可知：

式中，dr为挥发分膜半径微分；为氧气的摩尔浓度，mol/m³。

氧气扩散速率的表达式为：

$q_{O_2}=\frac{C_{O_g}{\mathrm{\ρ}}_0{D}_0}{r}{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{0.75}$

式中，T₀＝1800K，ρ₀＝0.196kg/m³，D₀＝4.26×10^-4m²/s。

氧气扩散速率：

$q_{o_2}=8.35\×{10}^{-5}\frac{C_O}{r}{\left(\frac{T}{1800}\right)}^{0.75}$

将

两边分别同时积分，扩散控制条件下挥发分燃烧所需时间：

实际上，挥发份的燃烧通常同时受反应动力学和扩散的控制。挥发份燃尽时间取决于τ_v ^duffuse和τ_v ^kinetic。本实施例中，扩散控制条件下挥发分燃烧所需时间τ_v ^duffuse的计算结果如表3所示。一般情况下，垃圾颗粒直径d_p大于0.0001m，_τ ^vkinetic远小于τ_v ^duffuse。只有在温度上升到一定程度、氧气供应充足、氧气能迅速与挥发组分充分混合的前提下，反应才处于动力控制区。因此，可通过在气体燃烧区通入二次风、燃尽风，增加炉内湍流度，强化炉内热质传递。

表3：扩散控制条件下挥发分燃烧所需时间

5)燃尽区C的燃尽时间计算

当物料在主焚烧阶段进行强烈的发热发光氧化之后，参与反应的物质浓度自然就减少了，反应生成惰性物——气态的CO₂、H₂O和固态灰渣增加。由于灰层的形成和惰性气体的比例增加、氧化剂穿透灰层进入物料深部与可燃物进行反应也愈困难，整个反应减弱。温度较之焚烧段下降，这就是燃尽阶段的到来，直到整个剩余可燃质烧尽。此阶段垃圾失重速率很小，这是由于焦炭的热值较高，燃烧时间较长。

(1)炭的消耗率：

$k_0^C=\frac{m}{\frac{1}{k_{O_2}(1+\mathrm{\ϵ}{S}_i)}+\frac{1}{q_{O_2}}}C$

$C=\frac{d_p^3(\mathrm{\α}-1)+d^3}{\mathrm{\α}{d}_p^3}{C}_O$

$q_{O_2}=\frac{\mathrm{NuD}}{d}$

$D=0.18\×{10}^{-4}{\left(\frac{T}{298}\right)}^{1.75}$

式中，d_p、d分别为初始时刻、任意时刻炭的粒径，m；α为过量空气系数；C_o为空气中氧气的质量份额，取为氧气扩散速率(氧气的传质系数)；D为氧气扩散系数；Nu为传质努塞尔数，在悬浮燃烧状态下，可取Nu≈2；。

垃圾燃料残炭内部的孔隙率较大，其内部反应的影响是不可忽略的。在一般情况下，总反应速率常数可以写成：

$\stackrel{\‾}{k}=(1+\mathrm{\ϵ}{S}_i)k_{O_2}$

$k_{O_2}=3.22\×{10}^5\exp (-\frac{149440}{\mathrm{RT}})$

其中Si是内表面积，一般碳粒内表面积Si＝100～500cm²/cm³；ε有效渗入深度，其表达式为：

$\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_0(\coth \frac{d_p}{2{\mathrm{\ϵ}}_0}-\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_0}{d_p})$

${\mathrm{\ϵ}}_0=\sqrt{\frac{D_i}{k{S}_i}}$

D_i氧在碳内部扩散系数，D_i小于D，通常D＝(1～20)D_i。

又从体积消耗的角度，也可写出炭的消耗速率，表达为：

$4\mathrm{\π}{r}^2{k}_0^C=-\frac{d}{\mathrm{d\τ}}\left(\mathrm{\ρ}\frac{4}{3}\mathrm{\π}{r}^3\right)$

整理得 $k_0^C=-\mathrm{\ρ}\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{d\τ}}$

${\mathrm{\τ}}_c=\mathrm{\ρ}{\∫}_0^{\frac{d_p}{2}}\frac{\mathrm{dr}}{k_0^c}$

(2)炭的燃烬时间τ_C：

${\mathrm{\τ}}_c=\frac{\mathrm{\ρ}}{m{C}_{0}D}{\∫}_0^{d_p}\frac{{\mathrm{\αd}}_p^3(\frac{D}{k_{o_2}(1+\mathrm{\ϵ}{S}_i)}+\frac{d}{\mathrm{Nu}})}{d_p^3(\mathrm{\α}-1)+d^3}\mathrm{dd}$

当考虑垃圾中含有不可燃烧的灰分，则炭的燃烬时间改为

${\mathrm{\τ}}_c=\frac{100-A_{\mathrm{ar}}}{100}\frac{\mathrm{\ρ}}{m{C}_{0}D}{\∫}_0^{d_p}\frac{{\mathrm{\αd}}_p^3(\frac{D}{k_{O_2}(1+\mathrm{\ϵ}{S}_i)}+\frac{d}{\mathrm{Nu}})}{d_p^3(\mathrm{\α}-1)+d^3}\mathrm{dd}$

式中，A_ar为垃圾中的灰含量，wt％。

本实施例中，假定燃尽区的大部分焦炭颗粒是一致的，进入此区时平均焦炭颗粒直径为0.004米，计算得到焦炭平均燃尽时间为463.80s，燃尽区的炉排长度为2.669米。

Claims (1)

1.垃圾炉排焚烧炉分区模型的区分方法，其特征在于包括下述步骤：

(一)分区模型

将垃圾炉排焚烧炉细分4个区，即床层内的干燥区A，热解区B，燃尽区C和炉膛自由区段的挥发份燃烧区D；

(二)干燥区A热流密度和干燥时间的步骤如下：

(1)热流密度

烟气辐射热流密度：

$q_{gr}=5.67\frac{{\mathrm{\ϵ}}_w+1}{2}\[{\mathrm{\ϵ}}_g{\left(\frac{T_g}{100}\right)}^4-{\mathrm{\α}}_g{\left(\frac{T_w}{100}\right)}^4\]$

炉拱辐射热流密度：

$q_{wr}=\frac{5.67\[{\left(\frac{T_w^{\′}}{100}\right)}^4-{\left(\frac{T_w}{100}\right)}^4\]}{\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_w^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_w}-1}$

烟气对流热流密度：

q_c＝h_s(T_g-T_w)

式中：T_w、T_g分别为炉拱温度、垃圾燃料温度、烟气温度，K；ε_g分别为炉拱黑度、垃圾燃料黑度、烟气黑度；h_s为对流换热系数，W/(m²·K)；

(2)水的蒸发速率：

$S_{H_{2}O}=\frac{Q_{H_{2}O}}{\mathrm{\γ}}$ (当T_w＝100℃时)

$S_{H_{2}O}=k_{m}A(C_{H_{2}O,S}-C_{H_{2}O,g})$ (当T_w<100℃时)

式中：γ为蒸发潜热，kJ/kg；k_m为传质系数；为固相吸收的热量，W；A为颗粒比表面积，m²；为固相中的水分的浓度，％；为气相中的水分的浓度，％；

(3)干燥时间：

式中：m为干燥区垃圾的质量，kg；为垃圾燃料中的水分含量，wt％；

(三)热解区B热解反应速率和挥发份析出时间的步骤如下：

挥发份析出时间

${\mathrm{\&tau;}}_{pyr}=-\frac{1}{k}\&lsqb;ln(V_{\mathrm{\&infin;}}-V)-ln\left(V_{\mathrm{\&infin;}}\right)\&rsqb;$

热解反应速率

k＝Aexp(-E_α/RT_s)

式中：V为在时刻τ时的挥发份产量，％；V_∞为挥发份的最终有效产量，％；A为频率因子，min^-1；E_a为活化能，J/mol；R为摩尔气体常数，J/(mol·K)；T_s为试样的温度，K；

(四)挥发份燃烧区D燃烧时间的步骤如下：

(1)动力控制型挥发份燃烧时间

在挥发份燃烧区D，当有充足的氧气，且挥发份已同氧气充分混合，可忽略氧气扩散时间，反应属于动力学控制区；

一氧化碳燃烧速率

$\frac{d\left(CO\right)}{d\mathrm{\&tau;}}=3\&times;{10}^{10}{f}_{CO}{f}_{O_2}^{0.3}{f}_{H_{2}O}^{0.5}{\left(\frac{P}{RT}\right)}^{1.8}\exp (-\frac{66990}{{\mathrm{RT}}_g})$

挥发份燃烧时间

${{\mathrm{\&tau;}}_V}^{kinetic}=\frac{{\mathrm{Pf}}_{CO}/RT}{d\left(CO\right)/d\mathrm{\&tau;}}$

式中，f_CO、分别为CO、O₂和H₂O的摩尔份额；P为气体总压，Pa；R为通用气体常数，J/(mol·K)；T为燃烧室温度，K；

(2)扩散控制型挥发分燃烧时间

由于挥发份在高温下容易着火，且燃烧时间很短，故一析出，立即在垃圾表面燃烧，这种反应属于扩散控制型；

两边分别同时积分，扩散控制条件下挥发分燃烧所需时间：

${{\mathrm{\&tau;}}_v}^{duffuse}=\frac{L^{0}M}{5.9\&times;{10}^{-8}{\mathrm{TC}}_O}{\left(\frac{1800}{T}\right)}^{0.75}{\left(\frac{d_p}{2}\right)}^2\&lsqb;{(\frac{8.21\&times;{\mathrm{10}}^{\mathrm{-5}}{V}^r\mathrm{\&rho;}T}{M}+1)}^{\frac{2}{3}}-1\&rsqb;$

式中，C_o为氧气的摩尔浓度，mol/m³；V^r为干燥无灰基下挥发分含量，％；d_p为干燥热解后垃圾燃料颗粒直径，m；M为挥发分平均分子量，kg/mol；ρ为颗粒初始密度，kg/m³；L⁰为理论空气质量，kg/kg；

(五)燃尽区C的燃烬时间步骤如下

炭的燃烬时间为：

${\mathrm{\&tau;}}_c=\frac{100-A_{ar}}{100}\frac{\mathrm{\&rho;}}{{\mathrm{mC}}_{0}D}{\&Integral;}_0^{d_p}\frac{{\mathrm{\&alpha;d}}_p^3(\frac{D}{k_{O_2}(1-{\mathrm{\&epsiv;S}}_i)}+\frac{d}{Nu})}{d_p^3(\mathrm{\&alpha;}-1)+d^3}dd$

式中，A_ar为垃圾中的灰含量，wt％；d_p、d分别为初始时刻、任意时刻炭的粒径，m；α为过量空气系数；C_o为空气中氧气的质量份额，取C_o＝0.232kg/kg；D为氧气扩散系数；为残炭外表面氧气消耗速率常数；ε有效渗入深度，m；Si是内表面积，m²/m³。