垃圾焚烧烟气污染扩散的多尺度数值模拟与理论分析报告

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1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：123513垃圾焚烧烟气污染扩散的多尺度数值模拟与理论分析崔鹏义，吴志根，陶文铨*，栾永翔（同济大学环境科学与工程学院，上海200092）(Tel:021-65985099,Email:wqtao@tongji.edu.cn)摘要垃圾焚烧会产生大量的二次污染,特别是会产生剧毒物质二恶英,使得原本极为推崇的垃圾焚烧发电倍受质疑。本文利用CFD技术对垃圾焚烧产生的烟气通过烟囱扩散的规律进行数值模拟，研究在较大区域范围的多尺度模型条件下，烟气在空间上气流分布和污染物分布；采用湍流标准模型及组分输运模型，分

2、析不同排烟高度和排烟速度对距离排烟地点1.4公里处的小区污染分布的影响；研究表明SO2、二恶英等烟气污染物在小区中的浓度分布随着排烟高度和排烟速度的增加而减弱，但由于气流分布的影响使得建筑物之间的背风街区污染物浓度较高。将计算结果与正态分布假设下的高斯烟羽模型进行比较，两者有较好的一致性。关键词垃圾焚烧；数值分析；二恶英；高斯烟羽模型；0前言城市生活垃圾的主要处理方式有卫生填埋、堆肥和焚烧。其中，近30年中来发展起垃圾焚烧技术，不仅可使垃圾减容90%,减量75%,杀死所有的病原微生物和寄生虫卵,而且产生的热能可以回收发电，是目前最经济有效的垃圾

3、处理技术之一[1-3]。然而垃圾焚烧会产生大量的二次污染，所生成的烟气中含有至今最毒的物质二恶英[4]，目前，全球二恶英的产生量几乎全部来自生活垃圾焚烧厂排放出来烟气[5]。垃圾焚烧产生的烟气要经过物理化学等方法处理达标后才能通过烟囱排向大气空间；烟气从烟囱排出后扩散规律的研究主要包括理论分析、实验方法和数值模拟[6-10]。理论分析中最著名的就是高斯烟羽扩散模型[11]，该模型结合当地气象气候条件，分析了排烟高度、排烟速度、大气平均风速等对烟气扩散的影响，总结出了污染物浓度分布的一维、二维和三维模型。实验方法是一类依据地面和高空观测资料的分析

4、方法,其精度很大程度上取决于观测密度。CFD数值模拟方法术是近年来迅速发展起来的一种研究流动传质、传热与反应等的有效技术手段，在环境污染控制领域作为一种研究手段越来越受到重视[12-13]。与实验方法相比,CFD数值模拟方法省却了大量复杂的实验准备工作，节约了实验设备的投资，排除了实验方法的不确定因素，具有经济、高效的特点。相比于理论分析方法，数值模拟方法能够求解更为复杂的污染物扩散问题。本研究利用基金项目：国家自然科学重点基金：No51136004，国家重点基础研究发展计划（973）:2011CB70720FLUENT软件，构建了多尺度的数值

5、计算模型,研究了垃圾焚烧产生的烟气经不同高度排放之后，在大气中扩散传质的规律，分析了排烟高度、排烟速度及大气环境对具有代表性的SO2和二恶英两个重要的污染物在排烟点附近小区的浓度分布规律的影响，对大气环境污染评价具有一定指导意义。1数学模型及求解1.1几何模型与网格划分如图1所示，计算区域为800m×800m×3000m长方体区域，前后两个800m×800m的正方形分别是计算区域的入口和出口。烟囱为直径5m的圆柱，高为H，在计算中H的取值为25m、50m和100m；烟囱位于入口平面下游的400m处，小区位于入口平面下游1.8km处，也就是烟囱下

6、游1.4km处，小区内建筑的尺寸如图1中放大部分所示。计算区域长宽高的选择考虑到烟囱排出的烟羽有充分发展的空间，不会受到计算空间左右和上部边界的影响，而且保证计算区域的出口可以采用充分发展流动的边界条件。本模型计算区域较大，流动的特征尺度从整个计算区域的几千米到住宅小区的几十米，属于系统多尺度问题[14,15]。系统多尺度问题可以采用统一方程整场求解以及分层求解逐级细化两种方法，根据本文的具体情况采用整场求解的方法，在网格的划分上充分考虑了不同区域对网格疏密的要求和计算精度与求解速度之间的平衡。网格尺度从一米到几十米范围变化，在反映污染物排出的

7、烟囱附近，污染影响的小区周围以及排放源到小区之间污染主要经过的区域，采用较高的网格密度；在其他污染物很难到达的高空及烟羽影响较小的两侧采用较粗的网格。如图2所示烟囱附近采用1-2米的分辨率的网格尺度，图3所示的小区及附近采用3-4米的网格尺度，而在其两侧及500米以上的高空网格尺度则在20米不等。总体网格数在400万左右，网格利用gambit软件生成。图1计算区域图2烟囱及附近网格密度图3小区及附近网格密度1.1控制方程与边界条件将烟气排放的扩散传质过程视为不可压缩流体流动过程，由于烟气排放温度较高，对其密度影响较大，一般排放口的烟气密度与环境

8、大气的密度不同，在垂直方向的动量方程中要考虑到浮力效应的影响。在其余方程中，可以用环境大气密度代替烟气密度，控制方程由连续性方程、动量方程、能量方程、