CN114186514A - 一种基于多软件耦合模拟mswi过程的关键工艺参数分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法，包括：数据采集处理与关键数值仿真参数选择；基于多软件耦合的MSWI过程数值仿真，包括基于定制化软件的炉排固相燃烧模拟、基于CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟和基于化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟，实现MSWI过程的数值仿真，得到仿真数据；数值仿真与工业实际对比分析：将仿真数据与工业实际数据进行一致性对比分析。本发明通过结合不同数值仿真软件的优势以实现MSWI过程的准确模拟，进而增强对工艺参数变化机理知识的理解，掌握不同配置参数下的燃烧规律，洞悉MSWI过程的机理，为从调整优化工艺参数的角度改善焚烧效果提供技术支撑。

Description

一种基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法

技术领域

本发明涉及城市固废焚烧技术领域，特别是涉及一种基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法。

背景技术

城市固废(Municipal solid wastes,MSW)的产生量随经济发展水平的提高和城镇化进程的加快而日益增多。MSW焚烧(MSW incineration,MSWI)技术因具有无害化、减量化和资源化等优势而在世界范围内广泛应用。然而，若控制策略不当，则易造成氮氧化物、SO₂以及二噁英等污染物排放浓度超标。尤其二噁英，是造成MSWI电厂存在“邻避效应”的主要原因。通常，国内MSWI电厂常根据运行专家对MSWI过程的认知经验调整相关操作参数，但MSW组分和热值的不确定性、环境与季节的交替性、焚烧设备性能的衰减等众多可变因素，使得运行专家无法凭经验有效感知动态工况下的整体燃烧效果。此外，MSWI过程关键工艺参数的反馈具有大时滞特性。上述这些因素导致操作人员在设定控制参数时，存在一定程度的盲目性和滞后性。MSWI过程的复杂物理化学反应导致其机理模型难以构建，相比于针对实际过程进行试验和调试所需的昂贵费用与操作难度，基于数值仿真软件对MSWI过程进行模拟研究是一种较为可行的代替手段。因此，有必要对MSWI过程进行数值仿真以洞悉其机理，为从改进工艺控制参数的视角改善焚烧效果提供支撑。

目前常用的数值仿真手段是结合FLIC和CFD软件，其能够为燃烧过程提供直观、全面、理论和详细的洞察，已有许多学者采用上述方法对MSWI过程进行了不同目的的研究。此外，也有研究人员通过结合FLUENT和Aspen Plus软件的方式进行数值仿真研究。研究表明，针对MSWI过程而言，上述不同软件具有各自的优势，如：FLIC能有效模拟炉排固相MSW的燃烧过程，FLUENT能够可视化地展示与分析炉膛内的直观燃烧状况，Aspen Plus能够有效仿真MSWI全流程并进行工况优化与参数灵敏度分析。

综上可知，充分结合上述各软件的优势，以实现更精准的MSWI全流程数值仿真的研究仍未见报道。因此，提供一种基于多软件耦合模拟MSWI过程地关键工艺参数分析方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法，通过结合不同数值仿真软件的优势以实现MSWI过程的准确模拟，进而增强对工艺参数变化机理知识的理解，掌握不同配置参数下的燃烧规律，洞悉MSWI过程的机理，为从调整优化工艺参数的角度改善焚烧效果提供技术支撑。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法，包括如下步骤：

S1，数据采集处理与关键数值仿真参数选择：收集源自文献的参考数据、源自专业检测机构的化验数据和工业现场的实际数据，并从中获取焚烧设备的物理参数、工艺过程参数以及MSW的化验参数；

S2，基于多软件耦合的MSWI过程数值仿真：基于步骤S1获取到的焚烧炉的物理参数、MSWI过程参数以及MSW的化验参数，进行基于定制化软件的炉排固相燃烧模拟、基于CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟和基于化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟，实现MSWI过程的数值仿真，得到仿真数据；

S3，数值仿真与工业实际对比分析：将步骤S2得到的仿真数据与工业实际数据进行一致性对比分析，为进一步提升仿真数据与工业实际数据的一致性提供量化支撑。

进一步的，步骤S1中，源自文献的参考数据指基于多软件耦合的MSWI过程数值仿真时采用的仿真模型及默认配置参数；源自专业检测机构的化验数据包括MSW的化验参数，所述MSW的化验参数包括MSW成分数据；工业现场的实际数据包括焚烧设备的物理参数以及工艺过程参数，所述焚烧设备的物理参数包括焚烧炉的长度和高度、炉排长度，所述工艺过程参数包括炉排速度、焚烧量、一次风温度、一次风流量、二次风温度和二次风流量。

进一步的，步骤S2中，基于步骤S1获取到的焚烧炉的物理参数、MSWI过程参数以及MSW的化验参数，进行基于定制化软件的炉排固相燃烧模拟、基于CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟和基于化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟，实现MSWI过程的数值仿真，得到仿真数据，具体包括：

S201，基于定制化软件的炉排固相燃烧模拟：利用FLIC软件用于仿真炉排上固相MSW燃烧过程，其输入为MSW成分数据、一次风温度、一次风流量、炉排速度、焚烧量和基于CFD软件模拟得到的热辐射分布；其输出为烟气组分、烟气温度、烟气速度和炉渣；

S202，基于CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟：利用FLUENT软件用于可视化仿真炉排膛内气相组分燃烧过程，其输入为来自定制化的炉排固相燃烧模拟得到的烟气温度、烟气速度和烟气组分，以及工业现场的二次风流量和二次风温度；输出为用于可视化展示与分析的炉膛内温度场、浓度场和速度场的分布，用于定制化软件的炉排固相燃烧模拟的热辐射分布，用于基于化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟的炉膛温度；

S203，基于化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟：利用Aspen Plus用于仿真除炉排固相燃烧外的MSWI过程，借助基于定制化软件的炉排固相燃烧模拟和基于CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟所得到的数据及工业现场的实际数据实现炉膛内气相组分燃烧、余热锅炉换热、烟气处理与排放过程的数值仿真；其输入为FLIC软件输出的烟气温度和烟气组分，FLUENT软件输出的炉膛温度以及工业现场的MSW灰分含量、二次风流量、二次风温度、尿素溶液、省煤器给水、氢氧化钙溶液、活性炭和再生水；输出为蒸汽、飞灰及烟气所含各类气体的浓度。

进一步的，所述步骤S201中，利用FLIC软件用于仿真炉排上固相MSW燃烧过程，包括不同阶段的数学模型：

(1)水分蒸发过程模型

R_evp＝A_sh_s(C_w,s-C_w,g)，T_s＜100℃ (5)

其中，R_evp为水分蒸发速率，A_s为粒子表面积，h_s为对流传质系数，C_w,s、C_w,g分别为固相和气相中的H₂O浓度，Q_cr为对流传热和辐射传热之和，H_evp为固体中H₂O的蒸发热，T_s为固体温度；

(2)挥发分析出与燃烧过程模型

其中，R_v为挥发分析出速率，ρ_sb为固体密度，R为通用气体常数，A_v为指前因子，E_v为活化能，T为环境温度，Y_v为挥发分含量；

(3)焦炭燃烧过程模型

C+αO₂→2(1-α)CO+(2α-1)CO₂ (8)

其中，α为比例系数；

仿真中，FLIC与FLUENT软件是交互进行模拟的，前者为后者提供烟气温度、烟气速度和烟气组分，后者为前者提供热辐射分布数据；同时，FLIC软件为AspenPlus软件提供烟气温度和烟气组分数据。

进一步的，步骤S202中，利用FLUENT软件用于可视化仿真炉排膛内气相组分燃烧过程，具体包括：

FLUENT软件模拟炉膛气相燃烧，其接受FLIC软件基于现场运行数据仿真获得的烟气温度、烟气速度和烟气组分数据，同时结合现场输入的二次风温度和二次风流量进行数值仿真，采用的模型主要为：DO模型描述辐射传热，标准k－ε模型求解湍流气体流动，涡耗散概念模型求解气体流动与燃烧化学反应之间的相互作用；

其中DO模型的求解方程如下:

其中，I为辐射强度，

为位置矢量，

为方向适量，a为吸收系数，σ_s为扩散系数，n为折射率，σ为波尔茨曼常数，Φ为相函数，Ω′为固定角；

仿真过程中，FLUENT为FLIC软件提供热辐射分布数据，为Aspen Plus软件提供炉膛温度数据；同时，输出炉内温度场、速度场和浓度场数据，以进行可视化分析。

进一步的，步骤S203中，利用Aspen Plus用于仿真除炉排固相燃烧外的MSWI过程，具体包括：

(1)固废存储焚烧工艺阶段：

将来自FLIC软件的烟气温度和烟气组分输入RGibbs模块，同时依据FLUENT软件仿真得到的炉内温度设定该模块的温度值，进而实现FLIC软件与FLUENT软件的耦合；同时，依据化验数据和现场实际运行数据，将MSW灰分含量、二次风温度、二次风流量也输入该模块，燃烧过程的物性方法选择为RKS-BM；

RGibbs模块依据吉布斯自由能最小化的原理计算燃烧过程达到平衡状态时的产物组成及浓度，RGibbs模块的主要产物有H₂O、N₂、NO、NO₂、O₂、H₂、CO、CO₂、SO₂和SO₃，主要化学反应如下：

C+0.5O₂＝CO ΔH_r＝-111kJ/kmol (10)

CO+0.5O₂＝CO₂ ΔH_r＝-283kJ/kmol (11)

C+CO₂＝2CO ΔH_r＝+172kJ/kmol (12)

C+H₂O＝CO+H₂ ΔH_r＝+131kJ/kmol (13)

H₂+0.5O₂＝H₂O ΔH_r＝+172kJ/kmol (14)

完成燃烧仿真后，烟气进入SSplit模块，进而完成炉渣和烟气的分离过程仿真，产物为炉渣和烟气；

烟气和尿素溶液进入Rstoic模块，输出脱硝处理后的烟气，其反应如下：

4NH₃+4NO+O₂＝4N₂+6H₂O (15)

6NO₂+8NH₃＝7N₂+12H₂O (16)

(2)余热锅炉换热工艺阶段

高温烟气进入Heater1模块进行换热，其热量被送到Heater2模块给水加热，进而完成烟气与水冷壁内循环水换热过程仿真；之后，烟气依次经过HeatX1模块、HeatX2模块、HeatX3模块、HeatX4模块、HeatX5模块和换HeatX6模块，由此实现高温烟气与过热器和省煤器换热过程的仿真，此工艺阶段输出烟气G1；

(3)烟气处理工艺阶段

对换热后的烟气进行净化处理，过程为：余热锅炉输出的烟气首先进入Rstoic模块，后者的输入还包括现场的Ca(OH)₂溶液，进而完成对烟气脱酸处理过程的仿真，主要反应如下：

SO₂+Ca(OH)₂＝CaSO₃+H₂O (17)

SO₃+Ca(OH)₂＝CaSO₄+H₂O (18)

作为输入的活性炭通过混合器-Mixer1模块喷入，目的是吸附烟气中的重金属和二噁英污染物；之后，烟气进入组分分离器-Sep模块，实现烟气在布袋式除尘器内除尘过程的仿真；所产生的飞灰进入SSplit2模块，以完成飞灰进入灰仓过程的仿真；部分烟灰混合物进入混合器-Mixer2模块和再生水混合，实现对烟灰混合物和再生水混合后重新返回反应器过程仿真，此工艺阶段输出烟气G2，进入下一阶段；

(4)烟气排放工艺阶段

烟气G2进入Compr模块，由此实现对烟气经引风机排入大气过程的仿真，排出的烟气G3成分主要包括CO、CO₂、O₂、H₂、CH₄、H₂O、NH₃、NO、NO₂、SO₂和SO₃。

进一步的，步骤S3中，将步骤S2得到的仿真数据与工业实际数据进行一致性对比分析，为进一步提升仿真数据与工业实际数据的一致性提供量化支撑，具体包括：

计算绝对误差：

Err_绝对误差＝|Z_测量值-Z_真实值| (19)

其中，Z_测量值表示仿真数据，Z_真实值表示工业实际数据；

计算相对误差：

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法，主要包括数据采集处理和关键数值仿真参数选择、多软件耦合的MSWI过程数值仿真和数值仿真与工业实际对比分析共3个步骤；首先，通过数据采集处理和关键数值仿真参数选择对文献数据、经验数据和工业现场的实际数据进行处理，以获得数值仿真所需的物理参数、过程参数以及化验参数；接着，通过由定制化软件的炉排固相燃烧模拟、CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟和化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟组成的多软件耦合方法，对MSWI过程进行数值仿真；最后，通过数值仿真与工业实际对比分析，为进一步提升仿真数据与真实数据的一致性提供量化支撑；本发明通过结合不同数值仿真软件的优势以实现MSWI过程的准确模拟，进而增强对工艺参数变化机理知识的理解，掌握不同配置参数下的燃烧规律，洞悉MSWI过程的机理，为从调整优化工艺参数的角度改善焚烧效果提供支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法的流程示意图；

图2为本发明基于多软件耦合的MSWI过程数值仿真过程示意图；

图3为本发明实施例中不同软件所采用的具体模型；

图4为本发明实施例中Aspen Plus模拟MSWI过程的非炉排固相燃烧数值仿真流程图；

图5a为炉排上固相MSW燃烧的过程速率曲线图；

图5b为炉排上固相MSW燃烧的烟气气体组分分布曲线图；

图6a为可燃气体在炉膛内进行充分燃烧后的温度分布图；

图6b为可燃气体在炉膛内进行充分燃烧后的O₂浓度分布分布图；

图6c为可燃气体在炉膛内进行充分燃烧后的CO₂浓度分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法，通过结合不同数值仿真软件的优势以实现MSWI过程的准确模拟，进而增强对工艺参数变化机理知识的理解，掌握不同配置参数下的燃烧规律，洞悉MSWI过程的机理，为从调整优化工艺参数的角度改善焚烧效果提供技术支撑。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法，包括如下步骤：

S1，数据采集处理与关键数值仿真参数选择：收集源自文献的参考数据、源自专业检测机构的化验数据和工业现场的实际数据，并从中获取焚烧设备的物理参数、工艺过程参数以及MSW的化验参数；

S2，基于多软件耦合的MSWI过程数值仿真：基于步骤S1获取到的焚烧炉的物理参数、MSWI过程参数以及MSW的化验参数，进行基于定制化软件的炉排固相燃烧模拟、基于CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟和基于化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟，实现MSWI过程的数值仿真，得到仿真数据；

S3，数值仿真与工业实际对比分析：将步骤S2得到的仿真数据与工业实际数据进行一致性对比分析，为进一步提升仿真数据与工业实际数据的一致性提供量化支撑。

其中，步骤S1中，源自文献的参考数据指基于多软件耦合的MSWI过程数值仿真时采用的仿真模型及默认配置参数，包括涡耗散概念模型、DO模型和标准k-ε模型等；源自专业检测机构的化验数据包括MSW的化验参数，所述MSW的化验参数包括MSW成分数据；工业现场的实际数据包括焚烧设备的物理参数以及工艺过程参数，所述焚烧设备的物理参数包括焚烧炉的长度和高度、炉排长度等，所述工艺过程参数包括炉排速度、焚烧量、一次风温度、一次风流量、二次风温度和二次风流量等。化验数据指检测机构化验后得到的MSW成分数据，其表现形式如表1所示。

表1针对MSW的化验数据符号和物理含义

注释：M代表水分，A代表灰分，V代表挥发分，FC代表固定碳。

本文进行多软件数值仿真时，所需的化验参数如表2所示。

表2仿真实验所需数据的符号和物理含义

由表1根据转换公式可得到表2所需数据。

a.干燥基转换为收到基：包括V_ar、A_ar和FC_ar的转换公式如下：

V_ar＝V_d*((100-M_ar)/100) (1)

A_ar＝A_d*((100-M_ar)/100) (2)

FC_ar＝FC_d*((100-M_ar)/100) (3)

b.干燥基转换为干燥无灰基的转换，以C元素为例：

C_daf＝C_d/((100-A_d)/100) (4)

最后，基于上述输入数据，可得到数值仿真所需的物理参数(包括焚烧炉的长度和高度、炉排长度等)、过程参数(炉排速度、焚烧量、一次风温度、一次风流量、二次风温度和二次风流量等)以及化验参数。

步骤S2中，基于步骤S1获取到的焚烧炉的物理参数、MSWI过程参数以及MSW的化验参数，进行基于定制化软件的炉排固相燃烧模拟、基于CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟和基于化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟，实现MSWI过程的数值仿真，得到仿真数据，具体包括：

S201，基于定制化软件的炉排固相燃烧模拟：利用FLIC软件用于仿真炉排上固相MSW燃烧过程，其输入为MSW成分数据、一次风温度、一次风流量、炉排速度、焚烧量和基于CFD软件模拟得到的热辐射分布；其输出为烟气组分、烟气温度、烟气速度和炉渣；

S202，基于CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟：利用FLUENT软件用于可视化仿真炉排膛内气相组分燃烧过程，其输入为来自定制化的炉排固相燃烧模拟得到的烟气温度、烟气速度和烟气组分，以及工业现场的二次风流量和二次风温度；输出为用于可视化展示与分析的炉膛内温度场、浓度场和速度场的分布，用于定制化软件的炉排固相燃烧模拟的热辐射分布，用于基于化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟的炉膛温度；

S203，基于化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟：利用Aspen Plus用于仿真除炉排固相燃烧外的MSWI过程，借助基于定制化软件的炉排固相燃烧模拟和基于CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟所得到的数据及工业现场的实际数据实现炉膛内气相组分燃烧、余热锅炉换热、烟气处理与排放过程的数值仿真；其输入为FLIC软件输出的烟气温度和烟气组分，FLUENT软件输出的炉膛温度以及工业现场的MSW灰分含量、二次风流量、二次风温度、尿素溶液、省煤器给水、氢氧化钙溶液、活性炭和再生水；输出为蒸汽、飞灰及烟气所含各类气体的浓度。

由图2可知：被输送到炉排上的固相MSW在一次风和炉膛火焰的作用下开始燃烧(FLIC软件模拟)；之后，未燃尽可燃性气体在炉膛内与二次风混合并进行充分燃烧(FLUENT软件模拟)；然后燃烧产生的高温烟气在余热锅炉换热系统的作用下产生蒸汽，后者推动汽轮发电机发电(Aspen Plus软件模拟)；之后，余热锅炉出口处的G1烟气进入基于增湿灰循环脱硫技术(New Integrated Desulfurization System，NID)的反应器进行脱硫处理；接着烟气进入布袋除尘器进行除尘处理，部分烟灰混合物经混合器返回反应器，部分飞灰进入飞灰仓；净除尘后的G2烟气在引风机的作用下经烟囱排入大气，即烟气G3(Aspen Plus软件模拟)。

针MSWI过程的实际工艺进行全流程数值仿真，各软件所采用模型如图3所示。由图3可知，FLIC软件主要采用四通量辐射模型；FLUENT软件主要采用涡耗散概念模型、DO模型和标准k-ε模型；AspenPlus软件主要采用RGibbs、SSplit、Rstoic、HeatX、Heater、Mixer、Sep和Compr等模块。

其中，所述步骤S201中，FLIC模拟炉排上固相MSW燃烧，其假设与简化包括：将MSW所在床层视为连续多孔介质；不考虑炉排炉内部颗粒物的流动；床层被视为以恒定的速度向前运动；MSW由水分、挥发分、固定碳和灰分组成；气相组分只考虑O₂、CO、CO₂、H₂O、H₂和CH₄；MSW燃烧过程包括水分蒸发、挥发分析出与燃烧和焦炭燃烧。

炉排固相MSW燃烧时，所经历的不同阶段的数学模型如下所示：

(1)水分蒸发过程模型

R_evp＝A_sh_s(C_w,s-C_w,g)，T_s＜100℃ (5)

其中，R_evp为水分蒸发速率，A_s为粒子表面积，h_s为对流传质系数，C_w,s、C_w,g分别为固相和气相中的H₂O浓度，Q_cr为对流传热和辐射传热之和，H_evp为固体中H₂O的蒸发热，T_s为固体温度；

(2)挥发分析出与燃烧过程模型

其中，R_v为挥发分析出速率，ρ_sb为固体密度，R为通用气体常数，A_v为指前因子，E_v为活化能，T为环境温度，Y_v为挥发分含量；

(3)焦炭燃烧过程模型

C+αO₂→2(1-α)CO+(2α-1)CO₂ (8)

其中，α为比例系数；

仿真中，FLIC与FLUENT软件是交互进行模拟的，前者为后者提供烟气温度、烟气速度和烟气组分，后者为前者提供热辐射分布数据；同时，FLIC软件为AspenPlus软件提供烟气温度和烟气组分数据。

其中，步骤S202中，利用FLUENT软件用于可视化仿真炉排膛内气相组分燃烧过程，具体包括：

FLUENT软件模拟炉膛气相燃烧，其接受FLIC软件基于现场运行数据仿真获得的烟气温度、烟气速度和烟气组分数据，同时结合现场输入的二次风温度和二次风流量进行数值仿真，采用的模型主要为：DO模型描述辐射传热，标准k－ε模型求解湍流气体流动，涡耗散概念模型求解气体流动与燃烧化学反应之间的相互作用；

其中DO模型的求解方程如下:

其中，I为辐射强度，

为位置矢量，

为方向适量，a为吸收系数，σ_s为扩散系数，n为折射率，σ为波尔茨曼常数，Φ为相函数，Ω′为固定角；

仿真过程中，FLUENT为FLIC软件提供热辐射分布数据，为Aspen Plus软件提供炉膛温度数据；同时，输出炉内温度场、速度场和浓度场数据，以进行可视化分析。

其中，步骤S203中，Aspen Plus模拟MSWI过程的非炉排固相燃烧，其接受来自FLIC基于现场运行数据仿真获得的烟气温度和烟气组分数据，来自FLUENT的炉膛温度数据以及工业现场的MSW灰分含量、二次风流量、二次风温度、尿素溶液、省煤器给水、氢氧化钙溶液、活性炭和再生水。

采用AspenPlus进行数值仿真的假设与简化包括：炉内的燃烧过程简化为气相组分燃烧过程、忽略MSW粒径的大小对燃烧反应的影响、MSWI过程始终处于稳定运行的状态、炉内温度和压力均为定值、炉内发生的所有反应都能够达到平衡、MSW灰分不会参加任何反应的惰性组分、焚烧过程中的MSW和空气充分混合且分布均勾、不考虑压力和气体的损失和泄漏。

此外，分别建立固废存储焚烧、余热锅炉换热、烟气处理与烟气排放等工艺阶段的数值仿真模型，流程如图4所示。图4中各模块的作用如表3所示。

表3各模块作用总结

下文结合个工艺阶段进行仿真过程描述：

(1)固废存储焚烧工艺阶段：

作为非常规组分的MSW，需转化为常规组分才能进行化学反应平衡和相平衡的仿真。通常，MSW进入产率反应器(RYield模块)进行热解，通过Fortran语言控制热解产物的产率，实现非常规组分转换为常规组分过程的仿真；但在本文所提方法中，采用FLIC实现上述组分转换过程，即得到烟气温度和烟气组分。此处将来自FLIC的烟气温度和烟气组分(包括H₂O、N₂、O₂、H₂、CO、CO₂、CH₄和SO₂(依据元素守恒自定义设置)输入吉布斯反应器(RGibbs模块)，同时依据FLUENT仿真得到的炉内温度设定该模块的温度值，进而实现FLIC与FLUENT的耦合。另外，依据化验数据和现场实际运行数据，将MSW灰分含量、二次风温度、二次风流量也输入该模块。燃烧过程的物性方法选择为RKS-BM。

RGibbs反应器依据吉布斯自由能最小化的原理计算燃烧过程达到平衡状态时的产物组成及浓度。RGibbs反应器的主要产物有H₂O、N₂、NO、NO₂、O₂、H₂、CO、CO₂、SO₂和SO₃，主要化学反应如下：

C+0.5O₂＝CO ΔH_r＝-111kJ/kmol (10)

CO+0.5O₂＝CO₂ ΔH_r＝-283kJ/kmol (11)

C+CO₂＝2CO ΔH_r＝+172kJ/kmol (12)

C+H₂O＝CO+H₂ ΔH_r＝+131kJ/kmol (13)

H₂+0.5O₂＝H₂O ΔH_r＝+172kJ/kmol (14)

完成燃烧仿真后，烟气进入分流器(SSplit模块)，进而完成炉渣和烟气的分离过程仿真，产物为炉渣和烟气。

最后，烟气和尿素溶液进入化学计量反应器(Rstoic模块)，输出脱硝处理后的烟气，其反应如下：

4NH₃+4NO+O₂＝4N₂+6H₂O (15)

6NO₂+8NH₃＝7N₂+12H₂O (16)

(2)余热锅炉换热工艺阶段

高温烟气在余热锅炉内与作为输入的省煤器给水进行换热，获得作为输出的蒸汽以推动汽轮机产生电能。首先，高温烟气进入加热器1(Heater1模块)进行换热，其热量被送到加热器2(Heater2模块)给水加热，进而完成烟气与水冷壁内循环水换热过程仿真；之后，烟气依次经过换热器1(HeatX1模块)、换热器2(HeatX2模块)、换热器3(HeatX3模块)、换热器4(HeatX4模块)、换热器5(HeatX5模块)和换热器6(HeatX6模块)，由此实现高温烟气与过热器和省煤器换热过程的仿真。此工艺阶段输出烟气G1。

(3)烟气处理工艺阶段

对换热后的烟气进行净化处理，过程为：余热锅炉输出的烟气首先进入化学计量反应器(Rstoic模块)，后者的输入还包括现场的Ca(OH)₂溶液，进而完成对烟气脱酸处理过程的仿真，主要反应如下：

SO₂+Ca(OH)₂＝CaSO₃+H₂O (17)

SO₃+Ca(OH)₂＝CaSO₄+H₂O (18)

作为输入的活性炭通过混合器(Mixer1模块)喷入，目的是吸附烟气中的重金属和二噁英等污染物；之后，烟气进入组分分离器(Sep模块)，实现烟气在布袋式除尘器内除尘过程的仿真；所产生的飞灰进入SSp l it2模块，以完成飞灰进入灰仓过程的仿真；部分烟灰混合物进入混合器(Mixer2模块)和再生水混合，实现对烟灰混合物和再生水混合后重新返回反应器过程仿真。此工艺阶段输出烟气G2，进入下一阶段。

(4)烟气排放工艺阶段

烟气G2进入Compr模块，由此实现对烟气经引风机排入大气过程的仿真，排出的烟气G3成分主要包括CO、CO₂、O₂、H₂、CH₄、H₂O、NH₃、NO、NO₂、SO₂和SO₃等。

其中，步骤S3中，将步骤S2得到的仿真数据与工业实际数据进行一致性对比分析，为进一步提升仿真数据与工业实际数据的一致性提供量化支撑，具体包括：

定义绝对误差和相对误差共2个指标，目的是分析仿真数据和实际数据的差异性，为进一步提升仿真数据与真实数据的一致性提供量化支撑。

计算绝对误差：

Err_绝对误差＝|Z_测量值-Z_真实值| (19)

其中，Z_测量值表示仿真数据，Z_真实值表示工业实际数据；

计算相对误差：

本发明实施例中，MSWI过程的输入主要是MSW、一次风、二次风、尿素溶液、省煤器给水、活性炭、石灰和再生水；输出主要是炉渣、蒸汽、飞灰和烟气。

本发明分析的主要工艺参数为焚烧炉出口烟气处、烟气G1和烟气G3处的烟气温度、O₂浓度和CO₂浓度。

本发明实施例采用北京某MSWI厂入炉前的MSW，经专业检测机构后化验后的MSW成分数据如表4所示。

表4检测机构化验的MSW成分数据

根据表4中的化验数据，按转换公式可计算得到表5所示的成分数据。

表5 MSW的工业分析和元素分析数据

其它的部分工艺参数采用实际值，如表6所示。

表6基准工况仿真参数

仿真结果分析：

1、炉排上固相MSW的燃烧结果，炉排上固相MSW燃烧的过程速率以及烟气气体组分分布如图5a和图5b所示。由图5a可知：MSW进入焚烧炉后，在辐射换热和一次风对流换热的作用下，开始水分蒸发过程，在炉排4.0m附近的位置水分蒸发速率达到峰值，随后逐渐减至0，水分蒸发过程结束；在水分蒸发过程中，MSW温度不断升高，在炉排1.3m处的位置挥发分开始析出，随着MSW温度的继续升高，在6m附近挥发分析出速率达到峰值，期间MSW中原有的炭和因挥发分析出而新生成的炭会与O₂混合而燃烧，大约在5.0m附近焦炭开始燃烧，一直持续到9.5m附近其过程才结束。由图5b可知：因水分蒸发速率的增大，烟气中H₂O的质量分数在2.0m之前不断上升，并在2.0m附近达到峰值；CO、C_mH_n和H₂的质量分数随挥发分释放速率的增大而增大；CO₂由挥发分和焦炭与O₂混合燃烧后产生，因此，CO₂质量分数增大的同时伴随着O₂质量分数的减小。

2、炉膛内气相组分燃烧的结果，可燃气体在炉膛内进行充分燃烧后的温度分布图、O₂和CO₂的浓度图如图6a至图6c所示。

由图6a可知：随着燃烧的进行，高温烟气向周围的炉拱和床层发生辐射换热，烟气温度沿其流动方向降低；高温区主要集中在炉膛中后段区域，且高温区离后拱较近；在二次风喷嘴附近，二次风的喷入使得未充分燃尽可燃物质继续与O₂混合进行充分燃烧；同时，二次风的喷入使炉内气流湍动增强，有利于延长烟气在炉内的停留时间；焚烧炉出口处的烟气温度降至651.26℃。由图6b和图6c可知：可燃物质在炉膛中后段区域燃烧，进而形成高温区，期间会消耗大量O₂，因此炉膛中后段区域的O₂较低；CO₂是由可燃物质与O₂混合燃烧产生，因此炉排中后段区域的CO₂含量较高；焚烧炉出口处O₂含量的平均值为10.31％，满足可燃物燃烬的要求；焚烧炉出口处CO₂含量的平均值为5.11％。

3、MSWI过程非炉排固相燃烧模拟结果，实现Aspen Plus对北京某工厂实际MSWI全流程工艺的数值仿真，数值仿真结果如表7所示。

表7数值仿真结果

由表7可知：MSWI发电厂G1处的O₂浓度为8.77％，CO₂浓度为6.07％，烟气温度为160.41℃；G3处的O₂浓度为9.33％，CO₂浓度为6.46％，烟气温度为157.70℃。飞灰的产生量为400.27kg/h。

4、工业数据与仿真结果比较

为验证数值仿真结果的准确性，将焚烧炉出口处、G1、G3三处的烟气温度、氧气含量和CO₂浓度与MSWI电厂的实际数据进行对比，实际数据为现场DCS系统所采集24h的平均值，比较结果如表8所示。

表8数值仿真结果与工业实际对比分析

由表8可知：焚烧炉出口处烟气温度和O₂浓度的相对误差为1.83％和20.87％；烟气G1处烟气温度和O₂浓度与实际现场测量运行数据的相对误差约为13.32％和2.83％；烟气G3处烟气温度、O₂浓度和CO₂浓度与实际现场测量运行数据的相对误差约为2.44％、3.32％和21.03％。

上述结果表明所建立的数值仿真模型具有一定的可信度，能够反映焚烧炉内的燃烧状况。

由上可知，基于多软件耦合的MSWI过程数值仿真是本发明所提供方法的关键部分，涉及多个软件，其中：定制化炉排固相燃烧模拟软件为炉膛内气相燃烧模拟CFD软件提供烟气温度、烟气速度和烟气组分数据，为化工流程模拟软件提供烟气温度和烟气组分数据；炉膛内气相燃烧模拟CFD软件为定制化炉排固相燃烧模拟软件提供热辐射分布数据，为化工流程模拟软件提供炉膛温度数据。本发明中，定制化炉排固相燃烧模拟软件采用FLIC，炉膛内气相燃烧模拟CFD软件采用FLUENT，MSWI过程非炉排固相燃烧模拟化工流程模拟软件采用AspenPlus。各软件的功能为：FLIC软件用于仿真炉排上固相MSW燃烧过程，FLUENT软件用于可视化仿真炉排膛内气相组分燃烧过程，Aspen Plus用于仿真除炉排固相燃烧外的MSWI过程。采用不同软件的原因在于：FLUENT内置模型无法对炉排上固相燃烧过程进行仿真，而FLIC是模拟实现炉排固相MSW燃烧过程的专用软件，因此通过FLIC与FLUENT的耦合即可实现炉内燃烧的可视化仿真；但两者耦合后仍难以对余热锅炉换热、烟气处理与排放等工艺阶段进行仿真，这需结合AspenPlus才能完成，同时能够克服AspenPlus不能模拟炉排速度等操作对MSWI过程的影响的缺点。

综上，本发明提出了基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法；提出了一种结合多个软件优势的多软件耦合数值仿真策略对MSWI全流程进行数值仿真，实现了MSWI过程中变量的可视化，有效模拟MSWI全流程中不同位置的变量变化趋势，采用耦合方式实现MSWI全流程的数值仿真。本发明可为掌握在不同配置参数下的MSWI过程的燃烧规律，进而为从优化控制工艺参数的角度改善焚烧效果、降低污染排放提供支撑，进而从从机理上提高有机污染物二噁英的预测模型精度奠定基础，也对如何量化与控制MSWI过程的碳排放具有重要支撑意义。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，数据采集处理与关键数值仿真参数选择：收集源自文献的参考数据、源自专业检测机构的化验数据和工业现场的实际数据，并从中获取焚烧设备的物理参数、工艺过程参数以及MSW的化验参数；

S2，基于多软件耦合的MSWI过程数值仿真：基于步骤S1获取到的焚烧炉的物理参数、MSWI过程参数以及MSW的化验参数，进行基于定制化软件的炉排固相燃烧模拟、基于CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟和基于化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟，实现MSWI过程的数值仿真，得到仿真数据；

S3，数值仿真与工业实际对比分析：将步骤S2得到的仿真数据与工业实际数据进行一致性对比分析，为进一步提升仿真数据与工业实际数据的一致性提供量化支撑。

2.根据权利要求1所述的基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法，其特征在于，步骤S1中，源自文献的参考数据指基于多软件耦合的MSWI过程数值仿真时采用的仿真模型及默认配置参数；源自专业检测机构的化验数据包括MSW的化验参数，所述MSW的化验参数包括MSW成分数据；工业现场的实际数据包括焚烧设备的物理参数以及工艺过程参数，所述焚烧设备的物理参数包括焚烧炉的长度和高度、炉排长度，所述工艺过程参数包括炉排速度、焚烧量、一次风温度、一次风流量、二次风温度和二次风流量。

3.根据权利要求2所述的基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法，其特征在于，步骤S2中，基于步骤S1获取到的焚烧炉的物理参数、MSWI过程参数以及MSW的化验参数，进行基于定制化软件的炉排固相燃烧模拟、基于CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟和基于化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟，实现MSWI过程的数值仿真，得到仿真数据，具体包括：

S201，基于定制化软件的炉排固相燃烧模拟：利用FLIC软件用于仿真炉排上固相MSW燃烧过程，其输入为MSW成分数据、一次风温度、一次风流量、炉排速度、焚烧量和基于CFD软件模拟得到的热辐射分布；其输出为烟气组分、烟气温度、烟气速度和炉渣；

S202，基于CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟：利用FLUENT软件用于可视化仿真炉排膛内气相组分燃烧过程，其输入为来自定制化的炉排固相燃烧模拟得到的烟气温度、烟气速度和烟气组分，以及工业现场的二次风流量和二次风温度；输出为用于可视化展示与分析的炉膛内温度场、浓度场和速度场的分布，用于定制化软件的炉排固相燃烧模拟的热辐射分布，用于基于化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟的炉膛温度；

S203，基于化工流程模拟软件的MSWI过程非炉排固相燃烧模拟：利用Aspen Plus用于仿真除炉排固相燃烧外的MSWI过程，借助基于定制化软件的炉排固相燃烧模拟和基于CFD软件的炉膛内气相燃烧模拟所得到的数据及工业现场的实际数据实现炉膛内气相组分燃烧、余热锅炉换热、烟气处理与排放过程的数值仿真；其输入为FLIC软件输出的烟气温度和烟气组分，FLUENT软件输出的炉膛温度以及工业现场的MSW灰分含量、二次风流量、二次风温度、尿素溶液、省煤器给水、氢氧化钙溶液、活性炭和再生水；输出为蒸汽、飞灰及烟气所含各类气体的浓度。

4.根据权利要求3所述的基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法，其特征在于，所述步骤S201中，利用FLIC软件用于仿真炉排上固相MSW燃烧过程，包括不同阶段的数学模型：

(1)水分蒸发过程模型

R_evp＝A_sh_s(C_w,s-C_w,g)，T_s＜100℃ (5)

其中，R_evp为水分蒸发速率，A_s为粒子表面积，h_s为对流传质系数，C_w,s、C_w,g分别为固相和气相中的H₂O浓度，Q_cr为对流传热和辐射传热之和，H_evp为固体中H₂O的蒸发热，T_s为固体温度；

(2)挥发分析出与燃烧过程模型

其中，R_v为挥发分析出速率，ρ_sb为固体密度，R为通用气体常数，A_v为指前因子，E_v为活化能，T为环境温度，Y_v为挥发分含量；

(3)焦炭燃烧过程模型

C+αO₂→2(1-α)CO+(2α-1)CO₂ (8)

其中，α为比例系数；

仿真中，FLIC与FLUENT软件是交互进行模拟的，前者为后者提供烟气温度、烟气速度和烟气组分，后者为前者提供热辐射分布数据；同时，FLIC软件为Aspen Plus软件提供烟气温度和烟气组分数据。

5.根据权利要求4所述的基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法，其特征在于，步骤S202中，利用FLUENT软件用于可视化仿真炉排膛内气相组分燃烧过程，具体包括：

FLUENT软件模拟炉膛气相燃烧，其接受FLIC软件基于现场运行数据仿真获得的烟气温度、烟气速度和烟气组分数据，同时结合现场输入的二次风温度和二次风流量进行数值仿真，采用的模型主要为：DO模型描述辐射传热，标准k－ε模型求解湍流气体流动，涡耗散概念模型求解气体流动与燃烧化学反应之间的相互作用；

其中，DO模型的求解方程如下:

其中，I为辐射强度，

为位置矢量，

为方向适量，a为吸收系数，σ_s为扩散系数，n为折射率，σ为波尔茨曼常数，Φ为相函数，Ω′为固定角；

仿真过程中，FLUENT为FLIC软件提供热辐射分布数据，为Aspen Plus软件提供炉膛温度数据；同时，输出炉内温度场、速度场和浓度场数据，以进行可视化分析。

6.根据权利要求5所述的基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法，其特征在于，步骤S203中，利用Aspen Plus用于仿真除炉排固相燃烧外的MSWI过程，具体包括：

(1)固废存储焚烧工艺阶段：

将来自FLIC软件的烟气温度和烟气组分输入RGibbs模块，同时依据FLUENT软件仿真得到的炉内温度设定该模块的温度值，进而实现FLIC软件与FLUENT软件的耦合；同时，依据化验数据和现场实际运行数据，将MSW灰分含量、二次风温度、二次风流量也输入该模块，燃烧过程的物性方法选择为RKS-BM；

RGibbs模块依据吉布斯自由能最小化的原理计算燃烧过程达到平衡状态时的产物组成及浓度，RGibbs模块的主要产物有H₂O、N₂、NO、NO₂、O₂、H₂、CO、CO₂、SO₂和SO₃，主要化学反应如下：

C+0.5O₂＝CO ΔH_r＝-111kJ/kmol (10)

CO+0.5O₂＝CO₂ ΔH_r＝-283kJ/kmol (11)

C+CO₂＝2CO ΔH_r＝+172kJ/kmol (12)

C+H₂O＝CO+H₂ ΔH_r＝+131kJ/kmol (13)

H₂+0.5O₂＝H₂O ΔH_r＝+172kJ/kmol (14)

完成燃烧仿真后，烟气进入SSplit模块，进而完成炉渣和烟气的分离过程仿真，产物为炉渣和烟气；

烟气和尿素溶液进入Rstoic模块，输出脱硝处理后的烟气，其反应如下：

4NH₃+4NO+O₂＝4N₂+6H₂O (15)

6NO₂+8NH₃＝7N₂+12H₂O (16)

(2)余热锅炉换热工艺阶段

高温烟气进入Heater1模块进行换热，其热量被送到Heater2模块给水加热，进而完成烟气与水冷壁内循环水换热过程仿真；之后，烟气依次经过HeatX1模块、HeatX2模块、HeatX3模块、HeatX4模块、HeatX5模块和换HeatX6模块，由此实现高温烟气与过热器和省煤器换热过程的仿真，此工艺阶段输出烟气G1；

(3)烟气处理工艺阶段

对换热后的烟气进行净化处理，过程为：余热锅炉输出的烟气首先进入Rstoic模块，后者的输入还包括现场的Ca(OH)₂溶液，进而完成对烟气脱酸处理过程的仿真，主要反应如下：

SO₂+Ca(OH)₂＝CaSO₃+H₂O (17)

SO₃+Ca(OH)₂＝CaSO₄+H₂O (18)

作为输入的活性炭通过混合器-Mixer1模块喷入，目的是吸附烟气中的重金属和二噁英污染物；之后，烟气进入组分分离器-Sep模块，实现烟气在布袋式除尘器内除尘过程的仿真；所产生的飞灰进入SSplit2模块，以完成飞灰进入灰仓过程的仿真；部分烟灰混合物进入混合器-Mixer2模块和再生水混合，实现对烟灰混合物和再生水混合后重新返回反应器过程仿真，此工艺阶段输出烟气G2，进入下一阶段；

(4)烟气排放工艺阶段

烟气G2进入Compr模块，由此实现对烟气经引风机排入大气过程的仿真，排出的烟气G3成分主要包括CO、CO₂、O₂、H₂、CH₄、H₂O、NH₃、NO、NO₂、SO₂和SO₃。

7.根据权利要求1所述的基于多软件耦合模拟MSWI过程的关键工艺参数分析方法，其特征在于，步骤S3中，将步骤S2得到的仿真数据与工业实际数据进行一致性对比分析，为进一步提升仿真数据与工业实际数据的一致性提供量化支撑，具体包括：

计算绝对误差：

Err_绝对误差＝|Z_测量值-Z_真实值| (19)

其中，Z_测量值表示仿真数据，Z_真实值表示工业实际数据；

计算相对误差：

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