城镇生活垃圾焚烧火焰辐射特性及其燃烧优化的研究

摘要

中国城镇生活垃圾通常具有组分复杂多变、水分含量高、入炉热值低等特点，当这些生活垃圾进入炉排焚烧炉后，经常出现垃圾偏烧、焚烧污染物超标等问题。因此，开展生活垃圾炉排焚烧炉的燃烧诊断对于提高垃圾焚烧效率和减少环境污染是十分必要的。火焰温度作为表征燃烧状态的最重要参数之一，对它的测量已成为燃烧诊断的主要方式。目前，最具应用前景的火焰温度测量技术是火焰发射光谱法。由于缺乏准确描述火焰发射率的模型，发射光谱测温法一般将实际非灰体的火焰看成灰体来处理。结果，该方法测得的并不是火焰的真实温度，而是亮度温度，限制了生活垃圾炉排焚烧炉燃烧诊断的准确性。 本文主要研究目的是构建城镇生活垃圾焚烧火焰的光谱发射率模型。通过实验分析了多种城镇生活垃圾焚烧火焰的发射光谱，确定了火焰的发射辐射强度由其中的碳黑颗粒云团主导。根据实验确定的碳黑颗粒形态结构，定量计算了其相关辐射特性参数，并据此给出了城镇生活垃圾焚烧火焰的光谱发射率模型。最后，基于该火焰光谱发射率模型，本文开发了更加准确的火焰测温方法并对一台700t/d生活垃圾炉排焚烧炉实施了燃烧诊断优化。本文研究的主要内容和结论如下： 首先，开展了城镇生活垃圾可燃组分焚烧火焰发射光谱的研究，为后续工作明确研究对象。实验结果表明，城镇生活垃圾焚烧火焰在λ=0.5?0.9μm波段上的发射光谱是由固体颗粒物引发的连续发射光谱和碱金属引发的线状原子发射光谱组成。考虑到垃圾焚烧后气体产物的发射光谱主要分布于近紫外和远红外波段内及火焰内部存在的固体颗粒主要为碳黑颗粒，因此，在λ=0.5?0.9μm波段上碳黑颗粒可被认为是火焰发射辐射的主导者，进而将城镇生活垃圾焚烧火焰辐射特性的研究转变为其中碳黑颗粒辐射特性的研究。 然后，实验确定了常见城镇生活垃圾可燃组分焚烧火焰中碳黑颗粒的形态结构，为准确计算碳黑颗粒的辐射特性奠定了基础。另外，为方便后续综合各种碳黑颗粒云团提出统一的辐射特性计算模型和进行该计算模型的验证，本文还采用层流乙烯扩散火焰来简化生活垃圾在炉排上高温热解后其烯烃类等挥发分气体的扩散燃烧。实现结果表明，常见城镇生活垃圾可燃组分单独焚烧及其典型比例混合焚烧火焰和层流乙烯扩散火焰中碳黑基础颗粒的(d)p=26.5~46nm，碳黑颗粒的(N)=48~107，碳黑团聚体的Df=1.70~1.79和kf=2.05~2.48，且碳黑基础颗粒的粒径分布PDF(dp)和碳黑颗粒中所含碳黑基础颗粒数分布PDF(N)的统计数据均可采用对数正态分布或双对数正态分布较好拟合。 根据实验确定的碳黑形态结构参数，提出了一种更加符合实际情况的碳黑基础颗粒团聚过程的模拟方法。不同O2浓度下层流乙烯扩散火焰中轴线处碳黑基础颗粒团聚过程的模拟结果显示，碳黑基础颗粒的团聚过程是十分迅速的，仅需不到20ms的时间即可生成较大的碳黑团聚体（N=50~150）；当O2浓度从21%上升至40%时，团聚过程所需的时间从18.5ms逐渐下降至8.8ms，而模拟生成的碳黑团聚体的分形参数几乎不变（Df=1.70~1.74和kf=2.13~2.23）。 最后，基于模拟生成的碳黑颗粒三维形态结构和离散偶极子近似法（DDA）提出了可定量计算城镇生活垃圾焚烧火焰中碳黑颗粒云团辐射特性（如吸收系数k、散射系数σ、不对称因子g和单次散射反照率ω）的计算模型。计算结果表明，当碳黑基础颗粒的平均直径(d)p或碳黑颗粒所含碳黑基础颗粒的平均数(N)增大时，碳黑颗粒云团的k、σ、g和ω均会变大或趋向饱和；当入射波长λ从0.40μm上升至3.00μm时，k、σ、g和ω会降低70~99%。通过分析城镇生活垃圾焚烧火焰中碳黑颗粒云团辐射特性的定量计算结果，提出了其火焰光谱发射率模型：ε(λ)=1exp(MXλ1.23)，并据此开发了一种基于火焰发射辐射图像的火焰测温方法。该火焰测温法的准确性得到了实验验证并成功对一台处理量为700t/d的生活垃圾焚烧炉进行了燃烧诊断优化。

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