废轮胎胶粒流化试验及其燃烧的数值模拟

摘要

目前中国每年产生废轮胎约5000万条，据预测，到2020年中国将成为世界最大的汽车市场，废轮胎的产生量将步入世界前列。2002年，国家经贸委制定了《再生资源回收利用“十五”发展规划》，提出了可再生资源回收利用的指导思想、发展目标、发展重点及主要对策和措施，并制定了《废旧轮胎回收利用管理方法》。如何充分利用庞大的废轮胎资源，改善环境，不仅是中国面临的问题，也是当今世界范围内的紧迫任务。 本文提出了采用流化床燃烧处理废轮胎的方法。采用试验的方法研究了废轮胎的燃烧及流化特性；并在此基础上，选择了合理的模型对废轮胎在流化床中燃烧进行了数值模拟。 通过热重分析方法对废轮胎的燃烧特性进行试验研究。研究发现废轮胎具有着火温度低、燃烧速度快等特点，比较适合燃烧；研究了升温速率、粒径对燃烧过程的影响，并计算出废轮胎燃烧动力学参数，获得其燃烧反应机理。 设计并搭建了冷态试验台，对废轮胎胶粒进行冷态流化试验，研究其流化性能及其与石英砂不同配比下的混合流化特性，得到临界流化风速和流化性能曲线。研究结果表明，料层高度对胶粒的流化性能没有影响，而其粒径对流化性能影响较大；石英砂的加入可以改善废轮胎胶粒的流化性能。 从废轮胎燃烧特性、流化性能试验结果出发，合理选择运行参数，对废轮胎流化床锅炉的各组件（炉膛、旋风分离器、返料装置、布风装置）分别进行了设计，设计出了40kg/h废轮胎流化床锅炉。 采用CFD数值计算软件FLUENT对已设计出的40kg/h废轮胎流化床锅炉进行数值模拟计算，计算得出其典型区域的温度、速度、CO2、O2分布图。通过不同工况下的计算结果对比，分析得出了废轮胎粒径、过量空气系数以及二次风的比例对燃烧过程的影响。研究结果表明细粒径废轮胎有利于燃烧；过量空气系数对燃烧效率有很大的影响，最佳过量空气系数取1.2可以获得高燃烧效率；在保证流化质量的前提下，增大二次风比例，有利于提高燃烧效率。 本文的试验及模拟分析结果为废轮胎流化床燃烧的工业化应用奠定了基础，对废轮胎的合理资源化利用有较大意义。