化工进展 ›› 2023, Vol. 42 ›› Issue (2): 1061-1072.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0738
陈佳昆1,2(), 汤健1,2(), 夏恒1,2, 乔俊飞1,2
收稿日期:
2022-04-24
修回日期:
2022-06-04
出版日期:
2023-02-25
发布日期:
2023-03-13
通讯作者:
汤健
作者简介:
陈佳昆(1998—),男,硕士研究生,研究方向为城市固废焚烧过程数值仿真与建模。E-mail:ChenJK@emails.bjut.edu.cn。
基金资助:
CHEN Jiakun1,2(), TANG Jian1,2(), XIA Heng1,2, QIAO Junfei1,2
Received:
2022-04-24
Revised:
2022-06-04
Online:
2023-02-25
Published:
2023-03-13
Contact:
TANG Jian
摘要:
城市固废焚烧(MSWI)过程产生的二𫫇英(DXN)是至今机理仍复杂不清的剧毒污染物,获悉DXN在炉排炉内的生成、燃烧和再生成等过程的边界条件对降低污染排放极为重要。对此,本文提出了城市固废炉排炉焚烧过程DXN排放浓度数值仿真方法。首先,依据面向DXN的典型炉排炉MSWI工艺流程,描述焚烧炉内固相燃烧、气相燃烧、高温换热和低温换热等与DXN相关反应的机理。接着,依据上述所划分区域,结合实际MSWI过程相关参数构建DXN数值仿真模型。最后,基于烟气分流分率所表征的反应物浓度和不同区域的反应温度进行单因素分析,以获取G1处DXN浓度的边界条件,并基于正交实验分析分流分率和反应温度对G1处DXN浓度的影响,进而获得最优参数组合。基于北京某MSWI电厂实际数据的数值仿真分析与验证,表明了该数值仿真模型的有效性,为后续优化控制G1处的DXN排放浓度提供了支撑。
中图分类号:
陈佳昆, 汤健, 夏恒, 乔俊飞. 城市固废炉排炉焚烧过程二𫫇英排放浓度数值仿真[J]. 化工进展, 2023, 42(2): 1061-1072.
CHEN Jiakun, TANG Jian, XIA Heng, QIAO Junfei. Numerical simulation of dioxin emission concentration in grate furnace incineration processes for municipal solid waste[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2023, 42(2): 1061-1072.
模块类型 | 模块名称 | 模块作用 | 温度/℃ | 压强/kPa |
---|---|---|---|---|
RStoic | Dry | 降低MSW含水率 | 250 | 101.295 (微负压) |
Deacon | Deacon反应 | 600 | ||
RGibbs | CombustionA1-CombustionA10 CombustionB1-CombustionB10 CombustionC1-CombustionC10 CombustionD1-CombustionD10 | 固相燃烧,产生DXN | 500 | |
600 | ||||
700 | ||||
500 | ||||
PY1-PY10 | 气相燃烧,DXN分解 | 850 | ||
HG1-HG10 | 高温气相反应 | 650 | ||
PC1-PC10 | 前体催化反应 | 350 | ||
DN1-DN10 | 从头合成反应 | 350 | ||
RYield | DryGrate BurnGrate1 BurnGrate2 BurnoutGrate | 将MSW转化为 可识别的 常规组分, 模拟挥发分析出 | 500 | |
600 | ||||
700 | ||||
500 | ||||
Sep | Sep1-Sep10 | 组分分离 | — | — |
Fsplit | Split1-Split21 | 分离流股 | — | — |
Mixer | Mix1-Mix11 | 混合流股 | — | — |
表1 所采用模型模块的统计信息
模块类型 | 模块名称 | 模块作用 | 温度/℃ | 压强/kPa |
---|---|---|---|---|
RStoic | Dry | 降低MSW含水率 | 250 | 101.295 (微负压) |
Deacon | Deacon反应 | 600 | ||
RGibbs | CombustionA1-CombustionA10 CombustionB1-CombustionB10 CombustionC1-CombustionC10 CombustionD1-CombustionD10 | 固相燃烧,产生DXN | 500 | |
600 | ||||
700 | ||||
500 | ||||
PY1-PY10 | 气相燃烧,DXN分解 | 850 | ||
HG1-HG10 | 高温气相反应 | 650 | ||
PC1-PC10 | 前体催化反应 | 350 | ||
DN1-DN10 | 从头合成反应 | 350 | ||
RYield | DryGrate BurnGrate1 BurnGrate2 BurnoutGrate | 将MSW转化为 可识别的 常规组分, 模拟挥发分析出 | 500 | |
600 | ||||
700 | ||||
500 | ||||
Sep | Sep1-Sep10 | 组分分离 | — | — |
Fsplit | Split1-Split21 | 分离流股 | — | — |
Mixer | Mix1-Mix11 | 混合流股 | — | — |
工业分析 | 元素分析 | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
水分M(ar) | 固定碳FC(d) | 挥发分 V(d) | 灰分 ASH(d) | C(d) | H(d) | N(d) | Cl(d) | S(d) | O(d) | |
36.3 | 14.16 | 60.08 | 25.76 | 47.66 | 6.17 | 0.33 | 0.88 | 0.17 | 19.03 |
表2 工业现场MSW的工业分析和元素分析单位:%
工业分析 | 元素分析 | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
水分M(ar) | 固定碳FC(d) | 挥发分 V(d) | 灰分 ASH(d) | C(d) | H(d) | N(d) | Cl(d) | S(d) | O(d) | |
36.3 | 14.16 | 60.08 | 25.76 | 47.66 | 6.17 | 0.33 | 0.88 | 0.17 | 19.03 |
位置 | 温度/℃ | 流量/kg·h-1 | 组成(摩尔分率) |
---|---|---|---|
一次风 | |||
干燥炉排 | 226.85 | 20688 | N2/O2=0.79/0.21 |
燃烧炉排1 | 226.85 | 43962 | |
燃烧炉排2 | 226.85 | 18102 | |
燃烬炉排 | 226.85 | 5172 | |
二次风 | |||
炉膛前拱和后拱 | 28.65 | 9051 |
表3 与工业现场相同的一次风和二次风设置
位置 | 温度/℃ | 流量/kg·h-1 | 组成(摩尔分率) |
---|---|---|---|
一次风 | |||
干燥炉排 | 226.85 | 20688 | N2/O2=0.79/0.21 |
燃烧炉排1 | 226.85 | 43962 | |
燃烧炉排2 | 226.85 | 18102 | |
燃烬炉排 | 226.85 | 5172 | |
二次风 | |||
炉膛前拱和后拱 | 28.65 | 9051 |
来源模块-流股名称 | 分流分率 | 反应模块-温度名称 | 温度/℃ |
---|---|---|---|
Split9-SPY | 1×10-4 | Pyrolysis-TPY | 850 |
Split15-SHG | 1×10-3 | Homogeneous-THG | 650 |
Split17-SPC | 1×10-3 | PrecursorCatalytic-TPC | 350 |
Split20-SDN | 1×10-7 | DeNovo-TDN | 350 |
表4 DXN相关模块的分流分率与反应温度设置
来源模块-流股名称 | 分流分率 | 反应模块-温度名称 | 温度/℃ |
---|---|---|---|
Split9-SPY | 1×10-4 | Pyrolysis-TPY | 850 |
Split15-SHG | 1×10-3 | Homogeneous-THG | 650 |
Split17-SPC | 1×10-3 | PrecursorCatalytic-TPC | 350 |
Split20-SDN | 1×10-7 | DeNovo-TDN | 350 |
水平 | A | B | C | D | E/℃ | F/℃ | G/℃ | H/℃ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 5×10-5 | 5×10-4 | 5×10-4 | 5×10-8 | 800 | 500 | 200 | 200 |
2 | 1×10-4 | 1×10-3 | 1×10-3 | 1×10-7 | 850 | 650 | 350 | 350 |
3 | 1.5×10-4 | 1.5×10-3 | 1.5×10-3 | 1.5×10-7 | 900 | 800 | 500 | 500 |
表5 因素水平表
水平 | A | B | C | D | E/℃ | F/℃ | G/℃ | H/℃ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 5×10-5 | 5×10-4 | 5×10-4 | 5×10-8 | 800 | 500 | 200 | 200 |
2 | 1×10-4 | 1×10-3 | 1×10-3 | 1×10-7 | 850 | 650 | 350 | 350 |
3 | 1.5×10-4 | 1.5×10-3 | 1.5×10-3 | 1.5×10-7 | 900 | 800 | 500 | 500 |
案例 | A | B | C | D | E | F | G | H | DXN浓度/ng TEQ·m-3 | PCDFs浓度/ng·m-3 | PCDDs浓度/ng·m-3 | PCDFs/PCDDs |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0.0578 | 0.1759 | 0.1295 | 1.3579 |
2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 0.0353 | 0.1343 | 0.0984 | 1.3650 |
3 | 1 | 1 | 1 | 1 | 3 | 3 | 3 | 3 | 0.0286 | 0.1087 | 0.0793 | 1.3700 |
25 | 3 | 3 | 2 | 1 | 1 | 3 | 2 | 3 | 0.1395 | 0.4210 | 0.4345 | 0.9688 |
26 | 3 | 3 | 2 | 1 | 2 | 1 | 3 | 1 | 0.1532 | 0.5059 | 0.4225 | 1.1974 |
27 | 3 | 3 | 2 | 1 | 3 | 2 | 1 | 2 | 0.1740 | 0.6211 | 0.4419 | 1.4055 |
表6 正交实验方案及结果
案例 | A | B | C | D | E | F | G | H | DXN浓度/ng TEQ·m-3 | PCDFs浓度/ng·m-3 | PCDDs浓度/ng·m-3 | PCDFs/PCDDs |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0.0578 | 0.1759 | 0.1295 | 1.3579 |
2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 0.0353 | 0.1343 | 0.0984 | 1.3650 |
3 | 1 | 1 | 1 | 1 | 3 | 3 | 3 | 3 | 0.0286 | 0.1087 | 0.0793 | 1.3700 |
25 | 3 | 3 | 2 | 1 | 1 | 3 | 2 | 3 | 0.1395 | 0.4210 | 0.4345 | 0.9688 |
26 | 3 | 3 | 2 | 1 | 2 | 1 | 3 | 1 | 0.1532 | 0.5059 | 0.4225 | 1.1974 |
27 | 3 | 3 | 2 | 1 | 3 | 2 | 1 | 2 | 0.1740 | 0.6211 | 0.4419 | 1.4055 |
指标 | A | B | C | D | E | F | G | H |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
DXN浓度 | ||||||||
极差R | 0.0301 | 0.0632 | 0.0609 | 0.0502 | 0.0066 | 0.0028 | 0.0373 | 0.0323 |
主次顺序 | B>C>D>G>H>A>E>F | |||||||
最优水平 | A1 | B1 | C1 | D1 | E2 | F2 | G3 | H3 |
PCDFs浓度 | ||||||||
极差R | 0.0896 | 0.1657 | 0.1423 | 0.1308 | 0.0301 | 0.0266 | 0.1415 | 0.124 |
主次顺序 | B>C>G>D>H>A>E>F | |||||||
最优水平 | A1 | B1 | C1 | D1 | E1 | F3 | G3 | H3 |
PCDDs浓度 | ||||||||
极差R | 0.1573 | 0.1331 | 0.1254 | 0.1125 | 0.0348 | 0.0287 | 0.0709 | 0.08 |
主次顺序 | A>B>C>D>H>G>E>F | |||||||
最优水平 | A1 | B1 | C1 | D1 | E3 | F1 | G3 | H3 |
PCDFs/PCDDs | ||||||||
极差R | 0.436 | 0.158 | 0.148 | 0.163 | 0.107 | 0.208 | 0.208 | 0.213 |
主次顺序 | A>H>G>F>D>B>C>E | |||||||
最优水平 | — | — | — | — | — | — | — | — |
表7 极差分析表
指标 | A | B | C | D | E | F | G | H |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
DXN浓度 | ||||||||
极差R | 0.0301 | 0.0632 | 0.0609 | 0.0502 | 0.0066 | 0.0028 | 0.0373 | 0.0323 |
主次顺序 | B>C>D>G>H>A>E>F | |||||||
最优水平 | A1 | B1 | C1 | D1 | E2 | F2 | G3 | H3 |
PCDFs浓度 | ||||||||
极差R | 0.0896 | 0.1657 | 0.1423 | 0.1308 | 0.0301 | 0.0266 | 0.1415 | 0.124 |
主次顺序 | B>C>G>D>H>A>E>F | |||||||
最优水平 | A1 | B1 | C1 | D1 | E1 | F3 | G3 | H3 |
PCDDs浓度 | ||||||||
极差R | 0.1573 | 0.1331 | 0.1254 | 0.1125 | 0.0348 | 0.0287 | 0.0709 | 0.08 |
主次顺序 | A>B>C>D>H>G>E>F | |||||||
最优水平 | A1 | B1 | C1 | D1 | E3 | F1 | G3 | H3 |
PCDFs/PCDDs | ||||||||
极差R | 0.436 | 0.158 | 0.148 | 0.163 | 0.107 | 0.208 | 0.208 | 0.213 |
主次顺序 | A>H>G>F>D>B>C>E | |||||||
最优水平 | — | — | — | — | — | — | — | — |
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