1、引言
    采用垃圾焚燒鍋爐，將垃圾在鍋爐內焚燒，利用焚燒的熱量產生蒸汽，用于供熱和發電，是解決垃圾問題的有效途徑，也是近30年發展起來的新技術。造紙垃圾焚燒鍋爐主要用于燃燒造紙廠生產過程中產生的廢棄物，如麥秸、草末、廢紙等，使用工業鍋爐燃燒造紙垃圾的技術在國內剛剛開始，專門的生產廠家還沒有，大多屬于鍋爐制造廠的附屬產品，其系統構成、性能、效果、可靠性、穩定性、環保指標等方面均有許多不足，目前存在的問題主要有燃燒效率低、污染物排放濃度高，除了運行管理不當外，還與鍋爐的設計水平有很大關系。
    而改善鍋爐的設計、運行水平的一個有效途徑就是強化燃燒，鍋爐的燃燒過程十分復雜，它涉及到湍流流動、傳熱傳質、燃燒釋熱等過程，理論解析相當困難。在過去幾十年中，燃燒技術的發展主要基于鍋爐運行所積累的經驗以及一些小規模試驗裝置所測得的數據，這些經驗和數據有極大的局限性，隨著計算機技術的不斷發展，燃燒過程的數值模擬已經成為燃燒理論研究和燃燒裝置設計的重要手段，它能夠詳細地模擬出爐內燃燒所產生的溫度場、速度場以及各種組分的分布等，富通新能源銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的木屑生物質顆粒燃料。
    本文以一臺SZL10 -1.25 - MJ型鍋爐為對象，對鍋爐的爐內過程進行模擬。模擬過程中，選用比較合適的數學物理模型和幾何結構模型，得出了爐膛內的速度場、溫度場、壓力場及氣相濃度場的分布情況。
2、物理模型
2.1物理模型
    現己推出的SZL10 -1.25 - MJ造紙垃圾焚燒鍋爐采用雙縱鍋筒、組裝水管、小鏈條爐排的結構型式，鍋爐本體上部大件采用上汽包長、下汽包短的雙鍋筒縱向布置結構，以汽包中心為對稱軸，利用對流管束、水冷壁、下降管將鍋爐上下汽包、下集箱等受壓元件組成一個整體，不需另設鋼架支撐。該鍋爐在設計上利用了高溫高速煙氣的特點，科學合理地設計了爐內旋風除塵燃盡室結構，燃盡室內有一個凸起的圓形出口，高溫煙氣在旋風燃盡室內產生強烈的旋轉，使煙氣中的可燃氣體及燃料與煙氣中的氧氣強烈混合，有利于燃燒過程的順利進行，提高了燃燒效率，降低了原始煙塵排放濃度。
2.2模擬對象的設計參數
    SZL10 -1.25 - MJ造紙垃圾焚燒鍋爐的設計參數如表1所示。
    所用燃料各元素的應用基含量、揮發分和其低位發熱量如表2所示。
3、數學模型
    爐內燃燒過程是伴隨著強烈的物質和能量交換的湍流流動過程，它包括水分蒸發、揮發分的釋放、焦炭的燃燒、輻射傳熱氣相流動，涉及流體動力學、傳熱傳質及燃燒等多個學科。本文采用適用范圍廣的標準k一ε湍流模型模擬氣相湍流輸運，用P-l輻射模型（P -1 radiation model）計算輻射傳熱。
4、邊界條件
4.1入口邊界條件
    由于鏈條爐燃料層的燃燒過程極其復雜，本文不考慮燃料的燃燒，以燃料層上表面氣體的實際速度、溫度和組分作為入口邊界條件。
4.2出口邊界條件
    出口邊界定在爐膛的出口截面，本文把出口邊界條件取為壓力出口條件( Pressure outlet boundarycondition)。顯然，爐膛出口截面上的壓力比速度容易確定，考慮到實際設計中鍋爐爐膛一般處于負壓運行，因而取出口壓力為- 50Pa（表壓力）。
4.3  固壁邊界條件
    在爐膛壁面附近，由于流體的輸運性質發生劇烈變化，需要考慮湍流輸運的減弱和層流輸運的增強對流體輸運性質的影響。為了保證計算精度，同時避免壁面附近過細的網格劃分，本文采用成熟的壁面函數法( Wall function method)來考慮壁面的影響。
5、數值模擬結果及分析
    以一臺SZL10 -1.25 - MJ造紙垃圾焚燒鍋爐為例，模擬出鍋爐運行時爐膛的溫度場、壓力場、速度場、密度場、輻射特性、湍流特性及燃燒產物各組分如02、N2、C0、C02、H2、CH。的濃度場等，為研究爐內過程提供了依據，其中爐膛溫度場、O，濃度場、CO，濃度場、壓力場及爐膛出口處的溫度分布和速度分布如圖1~圖6所示。
    燃料在進入爐膛后，受到輻射加熱，開始烘干和析出揮發分，繼之著火和燃盡，很明顯，以上各階段是沿爐排長度相繼進行的。燃料被烘干，析出揮發分以至揮發分著火的區段稱之為準備區段，在這個區段中燃料層需要吸熱，熱量的供應主要依靠爐膛中火焰和高溫爐墻的輻射熱，整體溫度較低，圖1中爐膛左下部的溫度在700~ 900K。當進一步加熱，燃料被加熱到著火溫度，引起燃燒，于是燃料層進入主要燃燒階段，這個區域的溫度很高，在爐膛的中下部達到1300K，燃燒相當強烈。最后為燃盡階段，此處，燃料燃盡形成灰渣，稱為灰渣燃盡區段，溫度也逐漸下降，但由于主燃區溫度的擴散，溫度下降不是很明顯。
    在鏈條爐中，由于燃料是沿爐排長度分區段燃燒的，因此從火床中放出的氣體，其成分也是沿爐排長度不斷改變的。燃料受到加熱烘干時，通過燃料層空氣中氧氣的濃度基本上保持不變，其容積成分約為21%，然后揮發分不斷析出，開始著火燃燒，放出CO、C02，因此爐排上部氣體中氧氣的成分減少以至為0，當燃燒結束，不再需要氧氣，氧氣的含量又增加，圖2表現出了氧氣濃度由大到小再到大的變化趨勢。
    圖3為爐膛內部的CO．濃度分布。燃料進入爐膛受到加熱烘干時，沒有產生CO2，然后開始著火燃燒，放出CO，，爐排上部氣體中CO2成分不斷增加。反應消耗了大量的氧氣，直至耗盡，與此相對應的，出現了第一個CO2最高點。其后，隨著主要燃燒區段中還原區的出現和加厚，氣體中CO和H，成分不斷增多，CO2成分逐漸減少，缺氧情況相當嚴重，以至連揮發分中的可燃氣體也無法燃盡，隨著燃料層部分燒成灰渣，當還原區消失時，出現了第二個CO，最高點。此后，灰渣不斷增多，CO2產生量減少，所需氧氣量減少，因此燃料層上氧氣成分不斷增加，而CO，成分不斷減少。
    為了防止煙氣的泄漏和向外噴火，鍋爐要求微負壓運行，一般負壓量在幾十帕斯卡左右，圖4中整個爐膛的表壓力在-45~-55Pa之間，爐膛出口的表壓力在-49.5~-50.3Pa之間，較符合實際情況。
    爐膛出口參數是鍋爐設計運行的重要指標，也是人們所關心的，SZL10 -1.25 - MJ垃圾焚燒鍋爐爐膛出口的煙氣溫度、速度沿高度方向的分布情況如下所述。
    該鍋爐設計爐膛出口煙溫為1173K，在運行中，經實際測量得到出口煙溫在1070~1200K之間。圖5中橫坐標為爐膛出口從上到下的距離，整個爐膛出口高度為1.2 m。可以看出，隨著高度的降低爐膛出口的煙溫逐漸升高，最低溫度為1163K，最高溫度為1238K，無論從定性上還是從定量上，模擬結果都表現出了與設計值及測試值較好的一致性。
    在10t/h垃圾焚燒鍋爐運行中，經測量爐膛出口煙氣的速度為4~5m/s。圖6中橫坐標的意義同圖5中一樣，隨著高度的降低出口速度逐漸減小，最大速度為5.1 m/s，最小速度為3.3m/s，但絕大部分在4~5m/s，速度在4 m/s以下的則集中在距爐膛頂部1.05～1.2 m的下部出口處，因此該模擬結果是可以接受的。
6、結論
    本文用所建模型預測了SZL10 -1.25 - MJ造紙垃圾焚燒鍋爐的爐內過程，得到了鍋爐運行中爐膛的溫度場、壓力場以及爐膛出口的溫度和速度分布，定性上合理，定量上接近，所預測的各參數的變化趨勢也能夠從實際測量中得到驗證。從模擬的氣相濃度圖中可以看出，在爐排的頭、尾兩區段，燃料層內氣體氧氣有余，而在中部區段，氧氣卻相當缺乏。建議在以后的鍋爐設計中可以考慮根據氧氣的實際需要量分段送風，即在頭、尾兩段減少風量，而在中部增加風量，以滿足燃料完全燃燒所需要的氧氣量。
    總之，該模擬結果為了解和掌握造紙垃圾焚燒鍋爐爐內過程及其規律，提高該鍋爐的設計、運行與改造水平提供了參考。