化工废液焚烧装置燃烧过程及污染物生成特性的数值模拟

摘要

废液焚烧炉是众多废液焚烧装置中应用最为广泛的装置，也是废液焚烧处理技术的核心设备，适用于各类不同的情况。能够处理各类组分复杂的有机废液，并具有燃烧效率高、调节温度速度快、建设费用和维护费用相对较低等优点;但焚烧炉内燃烧反应十分复杂，温度过高，炉内温度分布不均匀，火焰过长，NOx排放量较大，易发生积灰结渣，同时对于雾化较难、固态悬浮物浓度较高的有机废液处理效果不佳是焚烧炉在工程实践中常遇到的典型问题。随着计算机硬件设备及软件的快速发展，可以采用数值模拟的方法分析化工废液在焚烧炉内的燃烧过程及污染物生成特性，为工程实践中优化操作化工废液焚烧装置提供可靠的理论依据。因此，建立合理的几何模型和数学模型能够准确的模拟焚烧炉内的燃烧过程及污染物生成特性，对工程实践应用具有指导意义。
　　本文应用FLUENT软件对某炼化企业处理量为10 t·h-1的废液焚烧炉燃烧过程进行三维数值模拟，采用Realizable k-ε湍流方程及质量、能量、动量、化学组分的守恒方程描述流动和燃烧过程，选择随机游走模型(RSM)追踪废液燃烧粒子的运动轨迹以及瞬时湍流脉动对废液燃烧粒子的影响;使用局部化学平衡的简化PDF模型来模拟废液燃烧过程，并用β函数计算不同混合分数下各标量的时均值。此外，使用DPM颗粒模型模拟工业有机废液雾化颗粒的分布，计算过程中考虑了液滴气化和液滴内部传热对传热、传质的影响;选用P1模型模拟炉内的辐射过程;依据各类型NOx的生成机理及炉内温度较高等特点，使用热力型NOx、燃料型NOx快速型NOx模型模拟NOx的生成。
　　全面系统地研究了不同过量空气系数、不同配风比下工业有机废液在废液焚烧处理装置中的燃烧情况，获得了装置内流场、温度场、各组分浓度分布及火焰形状的详尽信息，揭示了炉膛内燃烧、流动等特点。详细分析废液中有毒有害物质在该装置内的燃烧分解特性并结合NOx生成机理阐明了炉内燃料型NOx、热力型NOx及总体NOx的生成特征，计算结果与现场测量值吻合较好。计算结果表明，过量空气系数、配风比是焚烧炉内燃烧过程及污染物生成特性的重要影响因素，合理选用过量空气系数及配风比能够提高燃烧效率，降低污染物排放浓度，实现化工废液焚烧装置的最优运行。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 我国废水排放现状

1．3 高浓度含盐有机废液处理技术路线

1．3．1 吸附法

1．3．2 萃取法

1．3．3 氧化法

1．3．4 膜分离法

1．3．1 焚烧法

1．4 焚烧法处理高浓度含盐有机废液的国内外研究现状

1．5 焚烧法处理高浓度含盐有机废液

1．6 废液焚烧装置简介

1．7 本文主要研究内容

2 数值模拟的基本模型及理论基础

2．1 湍流流动模型

2．1．1 湍流控制方程

2．1．2 湍流流动方程

2．2 离散相模型

2．3 混合分数／PDF模型

2．4 辐射模型

2．5 化学反应模型

2．6 NOx反应模型

2．6．1 热力型NOx

2．6．2 燃料型NOx

2．6．3 快速型NOx

2．7 本章小结

3 燃烧过程的数值模拟

3．1 化工废液焚烧装置概况

3．2 基本假设

3．3 网格处理

3．4 边界条件的确定

3．4．1 燃料成分的输入

3．4．2 壁面边界条件

3．4．3 入口边界条件

3．4．4 出口边界条件

3．5 求解策略

3．6 模型验证

3．6．1 模拟工况介绍及网格独立性验证

3．6．2 计算值与测量值的对比验证

3．7 本章小结

4 模拟结果分析

4．1 装置内速度场及温度场分析

4．2 装置内烟气流动及粒子运动轨迹分析

4．3 装置内各组分浓度分布

4．3．1 装置内CO2及O2浓度分布

4．3．2 装置内CO浓度分布

4．3．3 装置内NOx浓度分布

4．4 过量空气系数对燃烧特性的影响

4．4．1 过量空气系数对装置内速度场的影响

4．4．2 过量空气系数对烟气流动流线及粒子运动轨迹的影响

4．4．3 过量空气系数对装置内温度场分布的影响

4．4．4 过量空气系数对装置内CO2和O2浓度分布的影响

4．4．5 过量空气系数对装置内CO浓度分布的影响

4．5 配风比对燃烧特性的影响

4．5．1 配风比对装置内速度场的影响

4．5．2 配风比对烟气流动流线及粒子运动轨迹的影响

4．5．3 配风比对装置内温度场分布的影响

4．5．4 配风比对装置内CO2和O2浓度分布的影响

4．5．5 配风比对装置内CO浓度分布的影响

4．6 本章小结

5 污染物的排放特性研究及最佳工况选择

5．1 废液中有毒有害物质燃烧分解特性

5．2 过量空气系数对NOx排放特性的影响

5．3 配风比对NOx排放特性的的影响

5．4 最佳运行参数选择

5．5 本章小结

6 结论及展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢