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文献综述
我国垃圾不仅存量大、产量大、且每年高速增长，传统的处理垃圾所采用的处理垃圾的方法可归类为3种：1、陆地填埋或填埋并引出沼气，深海填埋。2、垃圾多次发酵转变为堆肥。3、垃圾焚烧。浅意义来讲，与堆肥和填埋相比，焚烧相对节约土地，并且不会造成土壤污染和地下水污染[1]。而深层探究下来，垃圾焚烧既可以处理垃圾，并且可将垃圾中的可燃物质转化为热能，进而生产蒸汽和电力。国外由于垃圾分类相对严格而且起步较早，垃圾的焚烧发电的发展也相对简单。然而在我国生活垃圾没有很好的分类处理，垃圾成分混杂，水分过多，从而导致热值较低，燃烧不稳定，常常需要投油或掺煤助燃[2]。并且焚烧垃圾后产生的尾气处理也是另外一个大问题，生活垃圾中含有大量含氯的塑料制品，燃烧极易产生二噁英这种剧毒物质。其一盎司的量就可把一百万人置于死地[3]。 另一方面，火电在我国发电总量中还占据着绝对地位，例如2012年全国火电发电量为41450亿度，占总发电量比为82.84%[4]，也就是说我国现有大量的燃煤锅炉。因此若将垃圾焚烧与燃煤发电系统耦合在一起，将燃煤锅炉的高温烟气通入垃圾焚烧炉中，有利于垃圾焚烧炉内温度的稳定与提升，减轻垃圾成分混杂对垃圾点火带来的影响，而垃圾初始温度的提高也会增加垃圾中可燃成分的转化率并且减少有毒物质如二噁英的生成，经济方面甚至可以省去投油或掺煤助燃[5]。而将垃圾焚烧后的烟气混合煤粉炉的循环烟气通入煤粉炉中。煤粉炉膛内上千度的高温有利于垃圾焚烧烟气中的有毒物质尤其是二噁英的分解和转化[6]，并且煤粉炉不需要因此进行大的调整。 总之，将焚烧垃圾与循环式煤粉炉耦合起来，既可以提高垃圾焚烧发电效率，降低煤电煤耗，又可以减少垃圾焚烧烟气净化系统的投资，减少二噁英排放。因此，燃煤耦合垃圾发电技术会成为未来污染物处理及火电行业重点发展方向之一。 对于垃圾燃烧后的烟气同循环烟气混合后一同进入四角切圆煤粉炉后的燃烧过程，就是我毕业设计要进行数值模拟的过程。四角切圆燃烧锅炉有着燃烧适应性好，风粉混合均匀的优点，于此相匹配，锅炉内的四角切向燃烧是国内应用最广的燃烧方式[7]。锅炉内的燃烧过程是一个非常复杂的湍流流动与化学反应相互作用的过程，它涉及到湍流、多向和多组分的流动[7]；热量的传递包括对流换热、辐射换热、热传导；相关的化学反应包括气相燃烧和颗粒相燃烧等[8]。为提高锅炉效率，减少污染物排放以及新的设计运用于实际中，都会先进行测试。而对于实际运行的锅炉，要进行炉内速度、温度和浓度的实测数据分析研究面临着测试时间长、实测工作量大和时间长的问题。随着计算机的发展，数值模拟方法在锅炉的设计和改造中起着越来越重要的作用[9]，与以往的实验方法相比不仅节省了大量时间和经济，还可以将锅炉内的燃烧过程在计算机屏幕实时展现出，使模拟过程更加直观和真实。本次毕业设计希望借助网格生成软件Gambit和Ansys Fluent 19.0计算流体动力学平台来模拟废弃物耦合燃煤锅炉发电过程中的废弃物燃烧后生成的烟气与锅炉循环烟气一同通入燃煤锅炉后对炉内传热、流动以及燃烧过程的影响，得出的炉膛内的流场、温度场、组分场、颗粒运动轨迹，并与普通燃煤锅炉作对比，分析通入混合烟气后对煤粉炉燃烧工况的影响。 二、国内外研究现状 国内关于生活垃圾燃烧发电由于起步较晚，所以在垃圾发电方面有很多向国外借鉴的地方。Buekens[10]等人指出对生活垃圾分类加工处理，减少含氯有机物含量，能有效降低垃圾焚烧后产生的二噁英量.而国内学者王永生[11]也提出对进入垃圾焚烧发电厂的原料进行筛选，减少含氯有机物的量，可以从源头上减少二噁英的产生量。然而在中国由于垃圾分类的意识依旧淡薄，并且塑料制品的大规模使用，短时间内减少进厂的含氯有机物的量只能说是未来可期，所以我们还是要解决燃烧后生成的二噁英，日本等国家[12]气化熔融焚烧技术不仅可以在1300℃的条件下分解二噁英，并且可以杜绝在下游排气过程中由于温度降低从而导致二噁英的再次生成。而此技术对二噁英的处理与预防正好与本设计即燃煤锅炉耦合垃圾焚烧有着共同点，本设计将含二噁英的烟气通入燃煤锅炉中，二噁英与混合烟气在锅炉内循环，锅炉内上千度的高温会分解掉二噁英。 对于国内外广泛应用的四角切圆燃烧方式，已经有相当多的文献对其进行数值模拟研究，李力等[13]采用双流体轨道模型对一个四角喷燃炉内三维湍流两相流动及煤粉燃烧进行了数值模拟，模型来自于欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程组和动量方程组以及拉氏颗粒能量变化方程和颗粒质量变化方程，采用了k-ε- 两项湍流模型。刘向军等[14]采用了颗粒随机轨道模型对炉膛内的燃烧过程进行了模拟，虽然随机轨道模型易于给出两相之间的速度和温度滑移，但颗粒的浓度分布较难给出。煤粉燃烧过程的计算多采用颗粒随机轨道模型，将颗粒相作为离散相分成多组考虑。T. Asotani 等人在研究40MW四角切圆锅炉燃烧中湍流模型运用标准k-ε模型，运用拉格朗日随机颗粒轨道模型跟踪颗粒，挥发分燃烧采用EBU模型，煤粉燃烧用扩散/动力模型(diffusion/kinetics)，辐射模型采用P-1辐射模型，计算结果与实际情况相吻合[15]。Choeng Ryul Choi和Chang Nyung Kim在研究500MW四角切圆锅炉燃烧中，气相湍流模型采用RNG k-ε模型，用随机颗粒轨道模型对颗粒进行跟踪，辐射模型采用DO模型，挥发分的析出采用两步竞争反应模型(Two-competing-rates)，煤粉燃烧采用扩散/动力模型[16]。Hari Babu Vuthaluru在对四角切圆锅炉内灰烬控制的研究过程中，气固两相流采用欧拉-拉格朗日法，辐射采用P-1模型[17]。R. I. Back-reedy等人在研究切圆锅炉内氮氧化物排放时，分别采用拉格朗日法计算颗粒轨迹，P-1模型计算避免和焦炭辐射，挥发分的析出用一步反应模型，焦炭燃烧采用动力/扩散模型。但是范志鹏[18]、Norbert Modlinsk[19]和潘维[20]在研究旋流燃烧过程中，湍流模型都运用了Realizable k- 模型。此模型对于射流的发散比率有更精确的预测，而且对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现，广泛应用于旋转均匀剪切流、自由喷射和混合流。陈志兵等[21]采用非预混燃烧模型，用标准k- 紊流模型模拟气相湍流运输，用P-1辐射模型计算辐射传热，对煤粉挥发分释放采用双匹配速率模型，对气相流场采用非错列网格SIMPLE[22,23]方法来求解，对固体颗粒相的求解采用随机颗粒轨道模型[24]。贾艳艳等[25]对一台容量为35t/h的四角切圆燃烧锅炉改造前后燃烧过程的研究中气相的湍流选择Realizable k- ε模型。气相湍流燃烧采用非预混燃烧模型，使用Two mixture fraction/PDF模型，煤粉颗粒相流动采用随机轨道方法。挥发分析出模型为双竞争热解模型。焦炭燃烧采用动力/扩散控制燃烧模型。用P-1辐射模型计算辐射传热。
本次毕业设计目的在于通过计算流体动力学（CFD）研究燃煤锅炉与垃圾焚烧炉的耦合发电设计中垃圾焚烧炉排除的烟气与循环烟气混合通入锅炉后对锅炉内燃烧过程如（炉内传热、流动以及燃烧过程）的影响。得出的炉膛内的流场、温度场、组分场、颗粒运动轨迹。 而对于此耦合发电系统具体而言有以下优点： 1、煤粉炉内的高温循环烟气通入垃圾焚烧炉内，对待燃的垃圾起到了预热作用，一方面蒸发了其中的水分，使垃圾更容易燃烧，另一方面预热防止了垃圾中的有机氯化物低温燃烧，降低了二噁英的产量[26]。 2、垃圾燃烧后产生的烟气同循环烟气混合后一同进入温度较高的煤粉炉，有利于二噁英的进一步分解[27,28,29]。 3、采用烟气循环方式耦合垃圾焚烧炉，不需要对我国现有的大面积的煤粉炉燃烧器进行改造，可充分利用现有火电厂的煤电机组。 4、可根据高温烟气和循环烟气流量、焓等参数计算垃圾燃烧释放的热量，进而计算耦合后垃圾焚烧发电量，方便政府进行电价补贴。
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