CN114117783A - 一种针对固废焚烧机燃烧时所需配风量的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属固废焚烧技术领域，具体涉及一种针对固废焚烧机燃烧时所需配风量的计算方法，包括如下步骤：获取控制体、物料颗粒、烟气、焚烧机结构等相关参数；计算配风以及烟气的相关物性参数；计算物料颗粒燃烧的折算反应速率常数；计算各控制体对内筒的总传热量；将假设第一控制体的配风量以及其他各参数代入能量方程、动力学燃烧方程和氧气的质量守恒方程，求得第一控制体的出口含碳量、出口氧含量、新配风量；将第一控制体的新配风量作为相邻下一个控制体的配风量进行迭代，从而得到所有控制体参数并作为最终输出结果。本申请的配风量计算方法对新型焚烧机实际运作前的燃烧过程设计打下了坚实的基础，对焚烧机投入实际运行具有重要的指导意义。
Description
技术领域
本申请属固废焚烧技术领域，具体涉及一种针对固废焚烧机燃烧时所需配风量的计算方法。
背景技术
随着社会生产力和科技的飞速发展，人们的生活水平在不断提高，但随之带来的生态环境污染问题也是日益严重。其中，以固体废物为代表的生活垃圾减量化、无害化和资源化的需求与日俱增。
在众多垃圾处理技术中，焚烧技术由于能有效处理固废、提高能源利用率等优点而得到广泛应用。现在主要的固废焚烧技术有三种：回转窑焚烧、流化床焚烧和炉排炉焚烧。这些焚烧技术的应用范围均有所不同，但它们普遍存在热量损耗大、对焚烧物料的要求高(水分少、体积小)等缺点。
为此，目前发展出了新型焚烧机，其具有预热燃烧一体化的优点，能将部分燃烧室释放的热量用于物料燃烧前的预热干燥，使其能处理更高水分的固体废物颗粒，同时还有效提高了焚烧机的热量利用率。但是，新型焚烧机目前仍处于样机试制阶段(并未投入运作)，缺乏成熟的理论和试验基础，因此，构造一种能在新型焚烧机投入运作前进行有效的燃烧过程设计，尤其是配风量设计的计算方法，是需要尽快解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的至少一个技术问题，本申请提供了一种针对固废焚烧机燃烧时所需配风量的计算方法。
本申请公开了一种针对固废焚烧机燃烧时所需配风量的计算方法，包括如下步骤：
步骤一、获取如下参数：
在焚烧机的燃烧区域内沿轴向划分的控制体的个数、物料颗粒在焚烧机内充分燃烧后产生的烟气温度、物料颗粒的燃烧反应参数、焚烧机结构参数、焚烧机内筒转速、内筒内物料颗粒的参数、物料颗粒的总入口含碳量、焚烧机周围的环境温度以及大气压力；
步骤二、根据步骤一的烟气温度、环境温度以及大气压力，计算得到配风的物性参数以及烟气的物性参数，其中，配风的物性参数包括比热容和密度，烟气的物性参数包括比热容、密度、普朗特数和粘度；
步骤三、结合预定的燃烧反应模型以及步骤二中烟气的物性参数，计算得到物料颗粒在焚烧机内燃烧的折算反应速率常数；
步骤四、通过对内筒内物料颗粒与内筒内壁的传热分析，并结合步骤一中内筒内物料颗粒的参数、焚烧机内筒转速以及焚烧机结构参数，得到各控制体对内筒的总传热量；
步骤五、在燃烧区域内沿轴向划分的控制体中，将最靠近燃烧区域入口处的控制体定义为第一控制体，与其相邻的控制体定义为第二控制体，以此类推完成所有控制体的定义，再将第一控制体的配风量假设一个初值、进口氧含量认为是0、进口含碳量则取步骤一中的物料总入口含碳量；
步骤六、将步骤一、二中的相关参数、步骤三中的折算反应速率常数、步骤四中的第一控制体的总传热量以及步骤五中第一控制体的配风量初值均代入能量方程、动力学燃烧方程和氧气的质量守恒方程，从而求得第一控制体的出口含碳量、出口氧含量、新配风量；
步骤七、判断第一控制体的新配风量与初值是否相同，若否，则对配风量初值采用亚松驰处理，并返回步骤六重新计算；若是，则得到第一控制体最终的出口含碳量、出口氧含量以及新配风量；
步骤八、将第一控制体最终的新配风量作为第二控制体配风量的假设值，以及将第一控制体最终的出口含碳量、出口氧含量作为第二控制体的进口含碳量、进口氧含量，并对第二控制体进行与步骤六和步骤七中针对第一控制体相同的计算和判断处理，从而计算得到第二控制体最终的出口含碳量、出口氧含量以及新配风量；
步骤九、参照步骤六至步骤八中针对第一控制体和第二控制体的处理步骤，依次完成剩余控制体最终的出口含碳量、出口氧含量以及新配风量的计算，最后输出各控制体最终的新配风量。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤二中，具体是根据物性参数表格采用线性插值法计算得到配风的物性参数以及烟气的物性参数。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤三中，所述预定的燃烧反应模型是指碳的完全燃烧反应模型，该完全燃烧反应模型的生成物只包含二氧化碳。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤四中，所述传热分析包括物料颗粒与内壁的热传导和辐射传热，所述热传导的热阻包括非稳态导热热阻和接触热阻。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤五中，所述第一控制体的配风量初值为1kg/s。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤一中，所述物料颗粒的燃烧反应参数包括：碳和氧气的化学当量比、0℃时的湍流扩散系数、燃烧反应的频率因子、物料颗粒与烟气的相对速度、物料颗粒的活化能以及控制体内气体混合系数；
所述焚烧机结构参数包括：内筒外径、内筒内径、内筒轴向长度、内筒壁面粗糙度、内筒内壁发射率以及内筒螺旋板高度；
所述内筒内物料颗粒的参数包括：密度、比热容、导热系数、填充角、半径、发射率以及总入口物料量。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤六中，所述能量方程、动力学燃烧方程和氧气的质量守恒方程分别如下：
其中，q配,a是配风的质量流量；wc是碳的燃烧速率；Ac,反应是物料颗粒与氧气的反应面积：近似为内筒外表面积和外筒内表面积的平均值；C、Ci(i＝1～5、A、B)均是常数：C表示单位质量的碳所含的热量，C1、C4表示单位质量的物料颗粒所含的热量，C2、C5表示单位质量的烟气所含的热量，C3表示单位质量的配风所含的热量，CA表示烟气密度的倒数，CB表示配风密度的倒数；β是碳和氧气的化学当量比；Q传是控制体对内筒的总传热量；
是控制体入口烟气中氧气的质量流量，qin,g是入口烟气的质量流量，其中，
qin,g在第一个控制体中为0，在后续的控制体中则由前一个控制体的出口氧含量和配风量不断累积；ξ是控制体内气体的混合系数；K是折算反应速率常数；
是控制体出口的氧气含量；Wc,out是控制体的出口含碳量；Wc,in是控制体的进口含碳量，对于第一个控制体即为物料的总入口含碳量；Min是焚烧机的总入口物料量。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤七中，亚松驰处理的具体公式如下：
q配＝q配+X·(q配,1-q配)；
其中，q配是配风量初值；X是松弛因子，取0.5；q配,1是新配风量。
本申请至少存在以下有益技术效果：
本申请的针对固废焚烧机燃烧时所需配风量的计算方法，利用子程序获得相关物性参数，结合控制体的能量方程、动力学燃烧方程、氧气的质量守恒方程，通过迭代的方式计算得到控制体的理论配风量、出口含碳量和出口氧含量，对新型焚烧机实际运作前的燃烧过程设计打下了坚实的基础，对焚烧机投入实际运行具有重要的指导意义。
附图说明
图1是本申请针对固废焚烧机燃烧时所需配风量的计算方法的流程图；
图2是本申请针对固废焚烧机燃烧时所需配风量的计算方法的一具体实施例中控制体能量守恒示意图；
图3是本申请针对固废焚烧机燃烧时所需配风量的计算方法的一具体实施例中物料颗粒半径为597.2μm的粗渣运行结果；
图4是本申请针对固废焚烧机燃烧时所需配风量的计算方法的一具体实施例中物料颗粒半径为173.3μm的细渣运行结果。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
本申请公开了一种针对固废焚烧机燃烧时所需配风量的计算方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤一、获取如下参数：
在焚烧机的燃烧区域内沿轴向划分的控制体的个数、物料颗粒在焚烧机内充分燃烧后产生的烟气温度、物料颗粒的燃烧反应参数、焚烧机结构参数、焚烧机内筒转速、内筒内物料颗粒的参数、物料颗粒的总入口含碳量、焚烧机周围的环境温度以及大气压力。
其中，物料颗粒的燃烧反应参数具体包括：碳和氧气的化学当量比、0℃时的湍流扩散系数、燃烧反应的频率因子、物料颗粒与烟气的相对速度、物料颗粒的活化能以及控制体内气体混合系数。
焚烧机结构参数具体包括：内筒外径、内筒内径、内筒轴向长度、内筒壁面粗糙度、内筒内壁发射率以及内筒螺旋板高度。
内筒内物料颗粒的参数具体包括：密度、比热容、导热系数、填充角、半径、发射率以及总入口物料量。
具体的，碳和氧气的化学当量比用于步骤六中相应公式的计算，0℃时的湍流扩散系数、燃烧反应的频率因子、物料颗粒与烟气的相对速度、物料颗粒的活化能用于步骤三中折算反应速率常数的计算，控制体内气体混合系数用于步骤六中碳的燃烧速率的计算，内筒外径、内筒内径、内筒轴向长度、内筒壁面粗糙度、内筒内壁发射率、内筒螺旋板高度以及物料的密度、比热容、导热系数、填充角、发射率用于步骤四中总传热量的计算，物料的半径用于步骤三中折算反应速率常数和步骤四中总传热量的计算，总入口物料量、物料的总入口含碳量用于步骤六中控制体的出口含碳量的计算。
在本实施例中，上述获取的各参数具体是：
控制体的个数为8个；烟气温度为900℃；碳和氧气的化学当量比为12/32；0℃时的湍流扩散系数为1.98·10-5m2/s；燃烧反应的频率因子为1.5·108s-1；物料与烟气的相对速度是一个范围在[2.8，10.9]m/s的数组，数组元素个数与划分的控制体数相同；物料的活化能为1.4·105J/mol；控制体内气体混合系数为1；内筒外径为1.8m；内筒内径为1.768m；内筒轴向长度为15.25m；内筒壁面粗糙度为0.1μm；内筒内壁发射率为0.35；内筒螺旋板高度为0.35m；内筒转速为2.3r/min；物料颗粒密度为900kg/m3；比热容为1200J/(kg·K)；导热系数为0.28W/(m·K)；物料填充角为120°；物料颗粒半径是由597.2μm(粗渣)、173.3μm(细渣)两个元素组成的数组；物料发射率为0.85；总入口物料量为2.78kg/s；物料的总入口含碳量为0.3；环境温度为25℃；大气压力为101.325kPa。
步骤二、根据步骤一的烟气温度、环境温度以及大气压力，计算得到配风的物性参数以及烟气的物性参数，其中，配风的物性参数包括比热容和密度，烟气的物性参数包括比热容、密度、普朗特数和粘度。
具体的，本步骤是根据物性参数表格采用线性插值法计算得到配风的物性参数以及烟气的物性参数；其中，烟气和配风的密度、比热容用于步骤六中碳的燃烧速率的计算，烟气的普朗特数、粘度用于步骤三中折算反应速率常数的计算。
结合本实施例上述各参数的具体数值，可以计算得到配风的比热容为1006J/(kg·K)和密度为0.3kg/m3，烟气的密度为0.3kg/m3、比热容为1290J/(kg·K)、普朗特数为0.59和粘度为1.525·10-4Pa·s。
步骤三、结合预定的燃烧反应模型以及步骤二中烟气的物性参数，计算得到物料颗粒在焚烧机内燃烧的折算反应速率常数(又叫反应速率常数)。
其中，预定的燃烧反应模型是指碳的完全燃烧反应模型，该完全燃烧反应模型的生成物只包含二氧化碳。对应的，可以计算得到燃烧的折算反应速率常数为0.2413。
步骤四、通过对内筒内物料颗粒与内筒内壁的传热分析，，结合步骤一中物料颗粒的参数和焚烧机转速、结构参数，得到各控制体对内筒的总传热量。
本实施例中，该传热分析包括物料颗粒与内壁的热传导和辐射传热，且热传导的热阻包括非稳态导热热阻和接触热阻，从而得到各控制体对内筒的总传热量(具体计算结果参见图3、图4中所示)。
步骤五、在燃烧区域内沿轴向划分的控制体中，将最靠近燃烧区域入口处的控制体定义为第一控制体，与其相邻的控制体定义为第二控制体，以此类推完成所有控制体的定义，再第一控制体的配风量假设一个初值、进口氧含量认为是0、进口含碳量取步骤一中的物料总入口含碳量。具体的，本实施例是假设第一控制体的配风量初值为1kg/s。
步骤六、将步骤一、二中的相关参数、步骤三中的折算反应速率常数、步骤四中第一控制体的的总传热量以及步骤五中第一控制体的配风量初值均代入能量方程、动力学燃烧方程和氧气的质量守恒方程，从而求得第一控制体的出口含碳量、出口氧含量、新配风量。
具体的，能量方程、动力学燃烧方程和氧气的质量守恒方程分别如下：
其中，q配,a是配风的质量流量；wc是碳的燃烧速率；Ac,反应是物料颗粒与氧气的反应面积：近似为内筒外表面积和外筒内表面积的平均值；C、Ci(i＝1～5、A、B)均是常数：C表示单位质量的碳所含的热量，C1、C4表示单位质量的物料颗粒所含的热量，C2、C5表示单位质量的烟气所含的热量，C3表示单位质量的配风所含的热量，CA表示烟气密度的倒数，CB表示配风密度的倒数；β是碳和氧气的化学当量比；Q传是控制体对内筒的总传热量；
是控制体入口烟气中氧气的质量流量，qin,g是入口烟气的质量流量，其中，
qin,g在第一个控制体中为0，在后续的控制体中则由前一个控制体的出口氧含量和配风量不断累积；ξ是控制体内气体的混合系数；K是折算反应速率常数；PCO2是控制体出口的氧气含量；Wc,out是控制体的出口含碳量；Wc,in是控制体的进口含碳量，对于第一个控制体即为物料的总入口含碳量；Min是焚烧机的总入口物料量。
步骤七、判断第一控制体的新配风量与初值是否相同，若否，则对配风量初值采用亚松驰处理，并返回步骤六重新计算；若是，则得到第一控制体最终的出口含碳量、出口氧含量以及新配风量。
具体的，在本实施例中，亚松驰处理的具体公式如下：
q配＝q配+X·(q配,1-q配)；
其中，q配是配风量初值；X是松弛因子，取0.5；q配,1是新配风量，最大允许误差取1·106。
步骤八、将第一控制体最终的新配风量作为第二控制体配风量的假设值，以及将第一控制体最终的出口含碳量、出口氧含量作为第二控制体的进口含碳量、进口氧含量，并对第二控制体进行与步骤六和步骤七中针对第一控制体相同的计算(即将步骤六中的第一控制体的总传热量以及第一控制体的配风量初值，替换成第二控制体的总传热量以及第二控制体的配风量初值)和判断(判断第二控制体的新配风量与第二控制体的初值是否相同)处理，从而计算得到第二控制体最终的出口含碳量、出口氧含量以及新配风量。
步骤九、参照步骤六至步骤八中针对第一控制体和第二控制体的处理步骤，依次完成剩余控制体最终的出口含碳量、出口氧含量以及新配风量的计算，最后输出各控制体最终的新配风量(本实施例的输出结果参见图3、4中配风量一栏所示)。
最终计算得到的597.2μm、173.3μm两种粒径物料的各数值结果如图3、4所示。随着控制体序号的增加，碳的消耗速率、出口含碳量、入口及出口物料化学热均随之减小，这符合物料逐渐燃尽的规律；每个控制体的入口物料化学热、显热及入口烟气显热，恰好等于前一个控制体的出口物料化学热、显热及出口烟气显热，这是显而易见的；计算得到的配风量随着控制体的序号增加而减少，这说明随着物料逐渐燃尽，燃烧反应所需的氧气也越来越少，这对焚烧机的实际运作具有重要的指导意义；粗渣(597.2μm)在各个控制体内的燃尽率明显大于细渣(597.2μm)，这说明大颗粒的物料具有更大的反应面积，这有利于燃烧反应的完全进行。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种针对固废焚烧机燃烧时所需配风量的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、获取如下参数：
在焚烧机的燃烧区域内沿轴向划分的控制体的个数、物料颗粒在焚烧机内充分燃烧后产生的烟气温度、物料颗粒的燃烧反应参数、焚烧机结构参数、焚烧机内筒转速、内筒内物料颗粒的参数、物料颗粒的总入口含碳量、焚烧机周围的环境温度以及大气压力；
步骤二、根据步骤一的烟气温度、环境温度以及大气压力，计算得到配风的物性参数以及烟气的物性参数，其中，配风的物性参数包括比热容和密度，烟气的物性参数包括比热容、密度、普朗特数和粘度；
步骤三、结合预定的燃烧反应模型以及步骤二中烟气的物性参数，计算得到物料颗粒在焚烧机内燃烧的折算反应速率常数；
步骤四、通过对内筒内物料颗粒与内筒内壁的传热分析，并结合步骤一中内筒内物料颗粒的参数、焚烧机内筒转速以及焚烧机结构参数，得到各控制体对内筒的总传热量；
步骤五、在燃烧区域内沿轴向划分的控制体中，将最靠近燃烧区域入口处的控制体定义为第一控制体，与其相邻的控制体定义为第二控制体，以此类推完成所有控制体的定义，再将第一控制体的配风量假设一个初值、进口氧含量认为是0、进口含碳量则取步骤一中的物料总入口含碳量；
步骤六、将步骤一、二中的相关参数、步骤三中的折算反应速率常数、步骤四中的第一控制体的总传热量以及步骤五中第一控制体的配风量初值均代入能量方程、动力学燃烧方程和氧气的质量守恒方程，从而求得第一控制体的出口含碳量、出口氧含量、新配风量；
步骤七、判断第一控制体的新配风量与初值是否相同，若否，则对配风量初值采用亚松驰处理，并返回步骤六重新计算；若是，则得到第一控制体最终的出口含碳量、出口氧含量以及新配风量；
步骤八、将第一控制体最终的新配风量作为第二控制体配风量的假设值，以及将第一控制体最终的出口含碳量、出口氧含量作为第二控制体的进口含碳量、进口氧含量，并对第二控制体进行与步骤六和步骤七中针对第一控制体相同的计算和判断处理，从而计算得到第二控制体最终的出口含碳量、出口氧含量以及新配风量；
步骤九、参照步骤六至步骤八中针对第一控制体和第二控制体的处理步骤，依次完成剩余控制体最终的出口含碳量、出口氧含量以及新配风量的计算，最后输出各控制体最终的新配风量。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在所述步骤二中，具体是根据物性参数表格采用线性插值法计算得到配风的物性参数以及烟气的物性参数。
3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述预定的燃烧反应模型是指碳的完全燃烧反应模型，该完全燃烧反应模型的生成物只包含二氧化碳。
4.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在所述步骤四中，所述传热分析包括物料颗粒与内壁的热传导和辐射传热，所述热传导的热阻包括非稳态导热热阻和接触热阻。
5.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在所述步骤五中，所述第一控制体的配风量初值为1kg/s。
6.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述物料颗粒的燃烧反应参数包括：碳和氧气的化学当量比、0℃时的湍流扩散系数、燃烧反应的频率因子、物料颗粒与烟气的相对速度、物料颗粒的活化能以及控制体内气体混合系数；
所述焚烧机结构参数包括：内筒外径、内筒内径、内筒轴向长度、内筒壁面粗糙度、内筒内壁发射率以及内筒螺旋板高度；
所述内筒内物料颗粒的参数包括：密度、比热容、导热系数、填充角、半径、发射率以及总入口物料量。
7.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于，在所述步骤六中，所述能量方程、动力学燃烧方程和氧气的质量守恒方程分别如下：
其中，q配,a是配风的质量流量；wc是碳的燃烧速率；Ac,反应是物料颗粒与氧气的反应面积：近似为内筒外表面积和外筒内表面积的平均值；C、Ci(i＝1～5、A、B)均是常数：C表示单位质量的碳所含的热量，C1、C4表示单位质量的物料颗粒所含的热量，C2、C5表示单位质量的烟气所含的热量，C3表示单位质量的配风所含的热量，CA表示烟气密度的倒数，CB表示配风密度的倒数；β是碳和氧气的化学当量比；Q传是控制体对内筒的总传热量；
是控制体入口烟气中氧气的质量流量，qin,g是入口烟气的质量流量，其中，
qin,g在第一个控制体中为0，在后续的控制体中则由前一个控制体的出口氧含量和配风量不断累积；ξ是控制体内气体的混合系数；K是折算反应速率常数；
是控制体出口的氧气含量；Wc,out是控制体的出口含碳量；Wc,in是控制体的进口含碳量，对于第一个控制体即为物料的总入口含碳量；Min是焚烧机的总入口物料量。
8.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，在所述步骤七中，亚松驰处理的具体公式如下：
q配＝q配+X·(q配,1-q配)；
其中，q配是配风量初值；X是松弛因子，取0.5；q配,1是新配风量。
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