引言污泥具有含水率高、易腐败、有恶臭、含有重金属及其他有机污染物等特点，未经有效处理排放有可能污染地下水、地表水和土壤[1-2]。目前，污泥无害化处理主要采用焚烧法，将其与生活垃圾混合燃烧[3]。污泥在污水厂内进行机械脱水，含水率一般能够降至65%，污泥热值低，难以引燃[4-6]。因此，需要对传统城市垃圾焚烧炉炉拱结构进行改进设计，使高含水率的污泥可以与生活垃圾混合燃烧，实现污泥的无害化处理[7]。这也是本文的主要研究目的。文中以400T/D垃圾焚烧炉为研究对象，对其进行数值模拟分析并改进结构，以实现高含水率污泥与生活垃圾混合物燃烧，通过热态实验验证应用效果。1传统城市垃圾焚烧的炉拱结构400T/D垃圾焚烧炉炉拱结构如图1所示。炉排下方依次安装有4个风室，由左向右分别为1#风室、2#风室、3#风室、4#风室。污泥和城市垃圾混合物燃烧过程中水分的干燥主要发生在前拱的下部（1#风室位置），必须尽可能提高前拱下部区域的温度，以确保垃圾能够尽快干燥，顺利点燃。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.023.F001图1400T/D垃圾焚烧炉炉拱结构（单位：mm）在图1中，传统垃圾焚烧炉的前拱对炉排的覆盖率很低，新燃料的辐射加热效果差，这对高含水量的新燃料的顺利点火极为不利。有3种有效方法解决上述问题：第一，应提高1#风室的炉拱覆盖率，增加热辐射，增加烟气停留时间。第二，在前拱下方区域形成大范围的烟气回流，即形成涡流以加强高温烟气与新燃料表面之间的对流传热，并加速固体废物中所含水分的蒸发速率。第三，垃圾焚烧主要发生在2#和3#风室，2#和3#风室应具有相等的空气分布，并应增加空气分布量；同时，应减少干燥段（1#风室）和燃尽段（4#风室）中的空气分布，以便垃圾在充足的时间内在2#和3#风室充分燃烧；应避免形成局部高温区域，防止生成过多的NOx[8-9]。传统的垃圾焚烧炉炉拱结构不适合污泥与生活垃圾混合物燃烧，原因是后拱出口和前拱之间的距离太大，形成了非常大的间隙；前拱的热辐射面积小，很难使后拱的高温烟气渗透到前拱区域，无法形成烟气回流产生的涡流，必须进行改进。因此，文中采用冷态数值模拟和热态实验对垃圾焚烧炉的拱结构进行研究，试图找到适合高含水量的污泥和城市垃圾混合物燃烧的炉拱结构。2冷态数值模拟传统垃圾焚烧炉冷态数值模拟的边界条件如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.023.T001表1传统垃圾焚烧炉冷态数值模拟的边界条件边界名称边界类型数值进口1速度进口0.70 m/s进口2速度进口1.43 m/s进口3速度进口1.40 m/s出口压力出口0 Pa壁面条件静止壁面非滑移传统垃圾焚烧炉炉拱结构流场的冷态数值模拟结果如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.023.F002图2传统垃圾焚烧炉炉拱结构流场的冷态数值模拟结果由图2可知，来自后拱区的高温烟气通过喉部直接进入炉膛上部。前拱区域下部形成的涡流非常微弱，前拱对炉排的覆盖范围很小。这导致高温烟气与新燃料层表面之间的对流传热明显减弱，新燃料表面与前拱之间的热辐射很小，不能满足高水分燃料燃烧的要求。问题的解决方法如下：第一，加大前拱的面积，以便辐射更多的热量到新的燃料层。第二，防止从后拱流出的高温烟气快速离开炉拱区域，同时加强前拱下部区域的烟气涡流以及高温烟气与新燃料层之间的对流传热。根据分析结果改进传统垃圾焚烧炉炉拱结构，改进后的垃圾焚烧炉炉拱结构如图3所示。安装1个连接前拱垂直段末端和后拱出口末端的直中拱。为了避免烟气堵塞，中拱上必须安装足够的烟气流通面积。根据文献[10]，在中拱上设置10个直径为700 mm的排烟孔。图3改进后的垃圾焚烧炉炉拱结构10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.023.F3a110.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.023.F3a2改进后的垃圾焚烧炉炉拱结构流场的冷态数值模拟结果如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.023.F004图4改进后的垃圾焚烧炉炉拱结构流场的冷态数值模拟结果由图4可知，与传统垃圾焚烧炉相比，安装中拱后，前拱下方的烟气涡流区体积变大，旋转更剧烈，可以对干燥段的垃圾进行多次对流传热。这极大地增强了高温烟气和新燃料层表面之间的对流传热，使新燃料能够快速干燥。由于中拱的面积较大，前拱对新燃料层表面的辐射角系数明显增大。因此，中拱可以有效吸收高温烟气的热量，通过再辐射将其传递到新燃料层的表面[11-12]，加快新燃料中水分的蒸发和干燥，从而促进高水分燃料的顺利点火和燃尽。3热态实验为了进一步验证设计方法的准确性，对改进后的垃圾焚烧炉进行热态实验。为了尽可能准确地获得炉拱区的温度分布，设置9个温度检测点。焚烧炉的测点分布如图5所示。炉拱改进前后9个测点的温度如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.023.F005图5焚烧炉的测点分布10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.023.F006图6炉拱改进前后9个测点的温度由图6可知，测点1的温度非常低，测点2的温度远高于测点1；测点3、4、5的温度也很低，而测点6、7、8、9的温度很高。燃料在测点1处未完全点燃，此处的温度在140 ℃左右，安装中拱后测点1温度能够达到180 ℃的原因是高温烟气已经返回到前拱下方的测点1区域。测点1处温度升高有利于低热值燃料的顺利点火。测点2温度高的原因是这里的燃料起火并燃烧强烈，此处有高温烟气回流，导致温度急剧上升。测点3、4、5处的温度较低，因为这些测点处于燃烧区域，燃料不会释放太多热量。测点6、7、8的温度也很高，因为这些测点处于强燃烧区域，燃料释放大量热量。测点9温度高的原因是安装中拱后，高温烟气通过测点9流回前拱下方区域。安装中拱后整个炉膛温度升高，这与冷态数值模拟结果一致。改进后的焚烧炉可以使用含水量高且难以燃烧的燃料，对特定燃料焚烧炉的设计具有一定的参考意义。根据现场检测报告，改造后的焚烧炉内垃圾的有机成分已基本燃烧殆尽，炉渣的灼烧损失率小于1%，符合设计要求，证明了改进设计方案的正确性。4结语根据城市垃圾和污泥组成的固体废物水分含量高的特点，提出了处理高水分混合垃圾的专用焚烧炉炉拱结构的创新设计，主要对传统垃圾焚烧炉的拱结构进行改进，在喉部安装中拱，中拱上安装了10个直径为700 mm的烟气排放孔。通过冷态数值模拟和热态实验验证了改进后焚烧炉炉拱结构的合理性，中拱可以有效吸收高温烟气的热量，并将热量重新辐射到新的燃料层，从而解决城市垃圾和污泥混合物含水量高导致的难以点燃的问题。