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　　开云APP 开云官网入口开云APP 开云官网入口基金项目：教育部、财政部重大专项资助200512中国工程热物理学会学科类别：热机气动热力学学术会议论文编号：092068船用垃圾焚烧炉整体结构的三维数值模拟（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海，200030）(Tel:,Email:)摘要：在船用焚烧炉整体结构初步设计的基础上，将炉膛、气冷壁等作为一个整体进行了三维冷态湍流数值模拟。计算基于Reynolds时均Navier-Stokes方程，采用了标准k湍流模型，压力速度修正使用SIMPLEC算法。通过模拟分析，得到了炉体内部不同区域垂直和水平方向的速度矢量图、压力分布等值线图。数值模拟为炉体结构的进一步优化气冷壁到炉膛的气孔大小和布置提供了重要的依据，对燃烧的优化组织具有重要的指导意义。关键词：船用焚烧炉三维湍流数值模拟优化前言船用垃圾焚烧炉是远洋船舶的重要防污染设备，通过炉体内部流场的数值模拟可以深入掌握焚烧炉内部湍流机理，这是焚烧炉的结构优化设计的重要依据，对燃烧的优化组织及系统的控制策略研究具有非常重要的指导意义。目前在国内外相关领域，对于船用垃圾焚烧炉内部气体湍流流动的研究比较少，由于船舶空间限制和船舶垃圾的特殊性，船舶垃圾焚烧炉与陆用焚烧炉的结构差别很大，如何改进和优化船用垃圾焚烧炉炉体结构，提高垃圾焚烧效率和减少焚烧过程中的污染排放，成为船用焚烧炉技术领域的一个十分重要的课题。本文在对船用垃圾焚烧炉整体结构分析和初步设计的基础上，建立了船用焚烧炉的三维实体模型，针对炉体内部空间进行了基于整体计算的三维冷态湍流数值模拟，数值模拟分析为炉体结构的进一步优化、气冷壁到炉膛气孔的大小和布置提供了重要的依据，同时也对燃烧的优化组织及其控制具有重要的指导意义。船用焚烧炉的结构特征1．1结构简介是初步设计的船用垃圾焚烧炉结构模型，其中图1（a）是耐火砖材料所围成的焚烧炉炉膛内部结构剖面图，炉膛是由形状不同的耐火砖堆砌而成的，在耐火砖上开有尺寸不同的气孔；图1（b）是装配完成后的焚烧炉整体结构剖面图。其中，焚烧炉本体内侧向外依次为耐火砖、绝热材料、内壁板和外壁板，内壁板和外壁板之间的空间部分即为气冷壁，在内壁板的相应位置设有气孔，空气可从该孔经耐火砖上的气孔进入炉膛，提供垃圾焚烧时所需的空气。船用焚烧炉结构模型图Fig.1Modelmarineincinerator’sstructure1．2气冷壁作用船舶废弃物在焚烧过程中会产生大量的热量，这些热量必须及时从炉体中带出，气冷壁的作用一方面是保证焚烧炉在合适的温度下高效率的焚烧废弃物，另一方面则要保证船舶操作人员及其它设备的安全。因此，从垃圾焚烧炉底部进入的空气绝大部分都从气冷壁流过，可以大大降低炉体外壁温度，同时又在烟囱进口处与垃圾焚烧过程中产生的高温废气充分混合，稀释和冷却废气。1．3附件及其功能在焚烧炉本体上，还设置了燃烧器、抽风机、风门挡板机构、温度传感器、压力传感器等部件。抽风机安装在烟囱出口，在焚烧炉运行过程中，抽风机不断从焚烧炉炉膛和气冷壁内抽出空气，使炉膛和气冷壁内保持负压，保证焚烧炉正常运行及其安全性；而外部空气则从炉体的四个地角孔进入气冷壁和炉膛中。进入气冷壁的空气对焚烧炉本体进行冷却后直接从烟囱经抽风机排出，这部分空气不仅可以冷却焚烧炉本体，而且使本体外壁温度不至于过高，同时稀释冷却从燃烧室内排出的燃烧废气，以降低排放废气的温度。船上的固体垃圾可以定期直接投入焚烧炉炉膛内进行焚烧。而污油污泥经过粉碎搅拌即可通过燃烧器喷入炉膛内进行焚烧。焚烧炉本体上所设置的燃烧器包括一个污油、油泥喷嘴和两个燃油喷嘴，以适应不同工况下污油、油泥和垃圾的焚烧。三维数值模拟计算模型及方法2．1计算模型通过对焚烧炉的结构进行分析，首先建立了基于样机的三维实体模型，如图2（a）所示；然后对炉体的三维模型进行必要的修正，提取炉体空间气体流动部分并适当延长了地角进风口和烟囱出风口的长度，同时也考虑燃烧器进风口的修正，修正后获得的计算模型如图2（b）所示。上述修正仅仅为了提高计算过程的收敛速度，并不影响对炉体内部流场的模拟分析。(a)三维实体模型(b)修正后的计算模型船舶垃圾焚烧炉三维实体模型示意图Fig.2Three-dimensionalmodelmarineincinerator数值计算基于不可压缩流体的Reynolds平均动量方程和连续性方程[2,3]为时均速度，为密度，p为压力，为动力粘性系数，为Reynolds应力。由Boussinesq假设，Reynolds应力模型为：为涡粘系数，k为湍动能，C为常数，为湍流脉动耗散率。使方程封闭，求出k为平均速度梯度引起的湍动能生成。在标准k模型中，根据Launder等的推荐值及其后的试验验证，模型常数的取值分别为：采用有限体积法进行数值离散，速度压力修正采用SIMPLEC（压力纠偏法）算法，对流项按照二阶迎风格式处理，搭接区间的信息交换用双线性差值，矩阵求解器使用MILUCG-STAB。迭代计算中各返程的残余量不大于2．2.边界条件及计算网格2．2．1边界条件根据所选择的抽风机，其质量流量为1.0kg/s，辅助燃烧器的进风量为0.042kg/s。炉体地脚四个进口静压参考大气压力统一设定相为零，炉壁和通风管道按光滑壁面处理，选择为固定壁面2．2．2计算网格的划分采用非结构化网格对计算区域进行离散，考虑到壁面边界层的影响，对通风管道壁面附近的网格进行了加密处理；炉体内部的空腔体的计算网格划分，参数设定和网格疏密程度则进行多次试验后才得以确定，同时在壁面和通风管壁上增加辅面层以提高其计算精度，最终形成了较好的计算网格，如图3所示，单元数4834722，节点数1236992。（a）整体计算网格（b）插加入辅面层的通风管计算网格的划分Fig.3Partitioncalculationgridding计算结果及分析3．1炉膛内的气流分布[5,6]炉膛内部气流状况如图4所示，其中图4（a）是接近炉膛底部位置通风孔附近的流速分布图，图4（b）是与烟囱爽直的炉膛纵剖面的流速分布图，图中的速度是绝对速度在截平面上的分量。炉膛内部气体流速分布图Fig.4Airvelocitydistributioninside4（a）可知，，在炉膛底部接近炉底区域形成明显的漩涡，说明炉底部空气流通不畅，可能造成炉膛底部局部温度过高、发生烧蚀现象；由图4（b）可知，由于从垃圾焚烧炉地脚进入的空气不均匀流入，炉膛中央存在较大的漩涡，形成空气长时间滞留炉膛。以上情况可能引起炉膛温度过高、炉膛空气量不足、导致垃圾燃烧不充分，产生大量的一氧化碳和氮氧化物，大大增加废气污染物含量。此外，在炉膛每个进风口附近存在两个明显的漩涡，这是由于烟囱抽风机从炉膛内抽出空气，在炉膛内部形成负压，气体从通风管处不断流入补偿所造成的。3．2气冷壁内的气流分布是侧面气冷壁和焚烧炉顶部气冷壁气体流速分布图。(a)侧面气冷壁流速分布 (b)炉体顶部气冷壁流速分布 垃圾焚烧炉炉体气冷壁流速分布图Fig.5 Air velocity distribution coolingwall 如图5(a)所示，由于空气进口形状和气冷壁的空间结构的关系，由地脚口进入的空 气在气冷壁左右方向形成很大的漩涡，两进口气体交汇处下方也存在漩涡，从漩涡中间 开始其四周的气流存在明显的滞留，从而使该区域冷却效果大大降低。图5(b)表示了炉 体顶部气冷壁的流速分布，由于顶部加强板的导流作用，顶部很少出现漩涡，其冷却效 果也比较理想。 3．3 炉膛内的压力分布 3．3．1 调风门的作用 本文研究的对象采用负压燃烧，因此，为了达到最佳焚烧工况，炉膛负压控制至关 重要，一方面要保证焚烧过程中高温燃气不能外泄而威胁操作人员安全，另一方面要保 证有足够的空气量进入炉膛，同时必须维持炉膛温度在一定温度范围内，使垃圾充分燃 烧，烟囱出口处的废气温度也应低于相关标准规定的 375。因此，在烟囱进口处装设 调风门挡板，以调节炉膛的进气量和气冷壁进气量的比值，通过调节同时使炉膛负压维 持在一个比较理想的范围 [7,8] 3．3．2调风门不同开度下炉膛内压力发布 的（a）、（b）、（c）、（d）分别为调风门挡板在0、30、45和75时的炉膛 负压等值分布图，其中，在炉膛垂直方向分别取（1）、（2）、（3）、（4）、（5）五个点以观 察其垂直方向压力的变化。 (a)调风门全关时炉膛内部压力分布 (b)调风门30时炉膛压力分布 (c)调风门45时炉膛压力分布 (d)调风门75时炉膛压力分布 不同调风门开度下炉膛压力分布Fig.6 Pressure distribution differentsituations airdamper 可知，随着风门开度的增大，炉膛负压越来越小，进入炉膛的空气量随着负压的减小而逐渐增大。实际上，调风门的开度调节不仅影响炉膛内的压力的变化，也会