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随着我国“退城进园”和“退二进三”政策的落实,大批污染企业进行了厂区搬迁。这些搬迁场地中遗留的污染物不仅会对周边土壤、水和空气造成污染,引起土壤板结和水体COD、BOD超标,还会散发恶臭,严重影响周边的环境安全和居民的身体健康。2019年1月,国家实施了《土壤污染防治法》,从国家法律层面规范了污染土壤的修复方法[1];同年12月,为贯彻落实《土壤污染防治法》,指导和规范建设用地土壤污染状况调查报告、土壤污染风险评估报告、风险管控效果评估报告及修复效果评估报告的评审工作,生态环境部会同自然资源部研究制定了《建设用地土壤污染状况调查、风险评估、风险管控及修复效果评估报告评审指南》[2]。2020年,中国环保产业协会发布团体标准《污染地块绿色可持续修复通则》,规定了污染地块绿色可持续修复的原则、评价方法、实施内容和技术要求[3]。
热修复技术修复周期短、效率高,因而在有机污染场地土壤修复工程中得到了普遍应用[4-7]。直接热脱附技术是热修复技术的一种,具有修复速度快、修复效率高、修复土壤种类多等优点,已被广泛运用于国内污染场地的修复中[8-9]。直接热脱附装置的加热方式主要有燃煤、燃气和电加热。燃煤加热对环境污染相对最大;电加热污染较低但装置复杂、运行成本高。目前,直接热脱附系统使用最多的是较为清洁的燃气加热单元[10-11]。为高效去除土壤中的污染物,直接热脱附设备往往存在能耗高、二次污染严重的问题。天然气燃烧产生的污染物主要为NOx,将其直接排入大气会对环境造成污染。我国十分重视工业锅炉、窑炉的NOx排放污染问题,但目前缺少针对直接热脱附装置的大气污染物排放标准,导致直接热脱附装置普遍没有采用低氮燃烧技术。
本研究通过热平衡计算得出燃气直接热脱附系统中二燃室燃烧器运行参数,利用数值模拟方法对燃烧器不同结构下的速度场、温度场、NOx浓度场进行对比,得到其最优结构,为相关设备的研发设计提供参考。
污染土壤直接热脱附燃烧器低氮优化设计及数值模拟
Low nitrogen optimization design and numerical simulation of burner for direct thermal desorption of contaminated soil
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摘要: 为解决直接热脱附设备二燃室燃烧器氮氧化物排放高的问题,利用热平衡计算方法建立其输入和输出能量平衡关系式,得到二燃室温度维持1 100 ℃时所需燃气量和助燃风量;同时,结合空气分级技术、燃料分级技术和部分预混燃烧技术对燃烧器进行优化设计,并对其燃烧情况进行了数值模拟计算。热平衡计算结果表明,维持二燃室燃烧温度1 100 ℃所需的燃气量和助燃风量分别为1 003和22 066 m3·h−1。数值模拟结果表明,增加燃气预混喷口可显著强化燃气/空气混合,使燃烧更为迅速,可防止滞后的火焰冲刷壁面,也有助于分散火焰,避免局部高温。增加二级空气通道可降低空气的出口流速,防止出现脱火现象,且利于燃气径向扩散,避免火焰集中。以上2种方法均能有效降低氮氧化物排放量,且采用燃气部分预混后二燃室出口处一氧化碳浓度大幅降低。在同时采用燃气预混喷口和二级空气通道后,NOx浓度稳定在45 mg·m−3左右,相比于现有燃烧器减少了85%。该研究结果可为直接热脱附设备二燃室燃烧器的低氮设计提供参考。Abstract: In order to solve the problem of high NOx emission from the burner of the second combustion chamber of the direct thermal desorption equipment. The input and output energy balance equations were established by using the heat balance calculation method, and the required fuel and combustion supporting air volume when the temperature of the secondary combustion chamber was maintained at 1 100 ℃ were obtained. Combined with air classification technology, fuel classification technology and partial premixed combustion technology, the burner was optimized, and its combustion was numerically simulated. The heat balance calculation results showed that the fuel gas and combustion supporting air volume required to maintain the combustion temperature of the second combustion chamber at 1 100 ℃ were 1 003 and 22 066 m3·h−1, respectively. The results showed that increasing the gas premixing nozzle can significantly strengthen the gas/air mixing, make the combustion more rapid, prevented the lagging flame from scouring the wall, dispersed the flame and avoided local high temperature. The addition of secondary air channel can reduce the outlet flow rate of air, prevent misfire, facilitate the radial diffusion of gas and avoid flame concentration. The above two methods can effectively reduce NOx emissions, and partial premixing of gas can also effectively reduce the concentration of carbon monoxide at the outlet. After the gas premixing nozzle and secondary air channel were adopted at the same time, the NOx concentration was stable at about 45 mg·m−3, and the NOx emission was reduced by 85% compared with the existing burner. The research results can provide a reference for the low nitrogen design of the secondary combustion chamber burner of the direct thermal desorption equipment.
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表 1 3种工况下二燃室出口一氧化碳与氮氧化物浓度
Table 1. Concentration of CO and NOx at outlet of secondary combustion chamber under three working conditions
工况组别 尾气质量浓度/(mg·m−3) 一氧化碳 氮氧化物 一 18 91 二 1 76 三 0 45 -
[1] 中华人民共和国生态环境部. 中华人民共和国土壤污染防治法[EB/OL]. [2020-10-11]. http://www.mee.gov.cn/ywgz/fgbz/fl/201809/t20180907_549845.shtml. [2] 中华人民共和国中央人民政府. 关于印发《建设用地土壤污染状况调查、风险评估、风险管控及修复效果评估报告评审指南》的通知[EB/OL]. [2020-10-11]. http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2019-12/20/content_5462706.htm. [3] 中国环境保护产业协会. 关于发布《污染地块绿色可持续修复通则》(T/CAEPI 26-2020)的公告[EB/OL]. [2020-10-11]. http://www.caepi.org.cn/epasp/website/webgl/webglController/view?xh=1588125567041030281728. [4] 沈宗泽, 陈有鑑, 李书鹏, 等. 异位热脱附技术与设备在我国污染场地修复工程中的应用[J]. 环境工程学报, 2019, 13(9): 2060-2073. doi: 10.12030/j.cjee.201905144 [5] 杨振, 靳青青, 衣桂米, 等. 原地异位建堆热脱附技术和设备在石油污染土壤修复中的应用[J]. 环境工程学报, 2019, 13(9): 2083-2091. doi: 10.12030/j.cjee.201905168 [6] 许优, 顾海林, 詹明秀, 等. 有机污染土壤异位直接热脱附装置节能降耗方案[J]. 环境工程学报, 2019, 13(9): 2074-2082. doi: 10.12030/j.cjee.201906011 [7] LIU J, ZHANG H, YAO Z. Thermal desorption of PCBs contaminated soil with calcium hydroxide in a rotary kiln[J]. Chemosphere, 2019, 220(4): 1041-1046. [8] 王开阳, 刘龙杰, 邵志国, 等. 热脱附处理技术在石油污染土壤中的研究进展[J]. 山西化工, 2020, 40(4): 22-25. [9] 桑义敏, 余望, 籍龙杰, 等. 土壤直接热脱附过程中二恶英生成特性和抑制机理研究进展[J]. 环境工程学报, 2020, 14(11): 2912-2923. doi: 10.12030/j.cjee.202002036 [10] 刘宇程, 王茂仁, 吴建发, 等. 油基岩屑热脱附处理技术研究进展[J]. 天然气工业, 2020, 40(2): 140-148. doi: 10.3787/j.issn.1000-0976.2020.02.017 [11] 葛松, 孟宪荣, 许伟, 等. 原位电阻热脱附土壤升温机制及影响因素[J]. 环境科学, 2020, 41(8): 3822-3828. [12] 吴碧君. 燃烧过程中氮氧化物的生成机理[J]. 电力环境保护, 2003(4): 9-12. [13] WANG Y Q, ZHOU Y G, BAI N M, et al. Experimental investigation of the characteristics of NOx emissions with multiple deep air-staged combustion of lean coal[J]. Fuel, 2020, 280: 118416. doi: 10.1016/j.fuel.2020.118416 [14] 李慧, 杨石, 周建明. 半焦空气分级燃烧NOx排放试验研究[J]. 洁净煤技术, 2020, 26(2): 109-114. [15] 张向宇, 白文刚, 贾子秀, 等. 空气分级对旋风燃烧液态排渣及NOx排放的影响[J]. 燃烧科学与技术, 2020, 26(4): 376-381. [16] MINER J, BOWMAN C. Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion[J]. Progress in Energy & Combustion Science, 1990, 15(4): 287-338. [17] KHANAFER K, AITHAL S M. Fluid-dynamic and NOx computation in swirl burners[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2011, 23(54): 4807-4816. [18] 董勇, 严响林, 闵宏斌, 等. 新型双分级低NOx直流燃烧器的应用[J]. 热力发电, 2012, 41(3): 55-57. doi: 10.3969/j.issn.1002-3364.2012.03.055 [19] 宋少鹏, 卓建坤, 李娜, 等. 燃料分级与烟气再循环对天然气低氮燃烧特性影响机理[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(24): 6849-6858. [20] ZHAO S L, FAN Y X, TIAN T D, et al. Influence of injection scheme on flame characteristics in partially premixed combustion[J]. Energy, 2020, 205: 118058. doi: 10.1016/j.energy.2020.118058 [21] 宋在乐. 天然气扩散燃烧炭黑生成及与火焰辐射和NOx排放相互作用研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2007. [22] 宋爽, 孙明曦. 带稳焰的预混燃烧火焰离焰特性实验研究[J]. 煤气与热力, 2019, 39(10): 30-34.