本研究由Rui Sun（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院）、Tamer M. Ismail（苏伊士运河大学机械工程系）和M. Abd El-Salam（开罗大学基础科学系）合作完成，发表于2015年4月的《Journal of Environmental Management》第157卷（111-117页）。研究聚焦于城市固体废物（Municipal Solid Waste, MSW）在固定床中的燃烧过程数值模拟，重点分析了气体浓度分布和二噁英（dioxin）生成机制，旨在优化垃圾焚烧炉设计及污染物控制策略。
城市固体废物处理主要包括分类回收、卫生填埋、堆肥和焚烧四种方式。焚烧法因其显著的减容（体积减少90%以上）和减重（质量减少70%）优势，成为主流技术之一。然而，焚烧过程中产生的氮氧化物（NOx）和二噁英等污染物对环境和健康构成严重威胁。中国垃圾普遍具有低热值、高含水率的特点，使得炉排式焚烧炉（grate incinerator）成为首选，但其燃烧过程和污染物生成机制尚需深入研究。本研究通过建立数值模型，结合实验验证，旨在揭示固定床内MSW燃烧的动态特性及污染物生成规律。
研究团队设计了一维固定床燃烧实验台（图S1），燃烧室由耐高温铝材、不锈钢和隔热层构成。实验样品为模拟MSW，包含硬纸板（30×30 mm碎块）、蔬菜残渣和干沙，按比例混合后测定工业分析（proximate analysis）和元素分析（ultimate analysis）（表2、表3）。床层温度通过热电偶监测，气体采样点位于床层不同高度（208 mm、298 mm、388 mm），初级空气（PA）从底部通入，流量为1.379×10⁻³ m³/s。
研究建立了二维非稳态模型，耦合质量、动量、能量和组分守恒方程，涵盖以下关键子模型：
- 燃烧过程：模拟水分蒸发（moisture evaporation）、挥发分脱除（volatile devolatilization）、焦炭燃烧（char combustion）等阶段，考虑床层体积随反应速率的变化。
- NOx生成与还原：采用De Soete提出的简化反应机制，假设挥发分氮以HCN形式释放（式2），通过Arrhenius方程计算NO生成速率（式3-5），并引入焦炭氮的异相还原反应（式7）。
- 二噁英生成：结合均相（气相前驱体如氯苯）和异相（灰分表面催化）反应模型（式8-10），考虑HCl分压、灰分浓度及SO₂抑制效应（式9）。
采用标准k-ε湍流模型和涡耗散（eddy-dissipation）子模型求解控制方程，假设气体为不可压缩理想气体。初始床层孔隙率0.6，颗粒直径0.02 m，高度0.52 m，初始重量2 kg。计算时间步长1 s，总时长7200 s，残差收敛标准0.1%。
模拟与实验数据高度吻合（图2）。燃烧过程分为四个阶段：
- 水分蒸发（0-2000 s）：占全程2/3时间，床层温度升至100°C后快速进入热解阶段。
- 挥发分燃烧（2000-3500 s）：温度梯度陡增，峰值达700-800°C（图3），燃烧前沿（combustion front）向下均匀传播。
- 焦炭燃烧（3500 s后）：反应速率减缓，床层上部未燃焦炭积累，中部形成高温区。
模拟显示（图5），二噁英在1400 s开始生成，3000 s后因高温分解（>850°C）浓度下降至20 ng/nm³。异相反应速率在150-400°C区间随温度升高而降低（图6），验证了温度对二噁英生成的抑制作用。
本研究通过实验与数值模拟结合，明确了MSW固定床燃烧的阶段性特征及污染物生成动力学机制，其科学价值体现在：
1. 燃烧过程解析：揭示了水分蒸发为限速步骤，为优化炉排设计（如分段供风）提供理论依据。
2. 污染物控制：验证了De Soete模型对NOx预测的适用性，提出二噁英生成的关键温度窗口（400°C以下），支持“高温焚烧+快速冷却”的减排策略。
3. 方法学创新：开发的二维非稳态模型可扩展至移动床模拟，为后续研究提供工具支持。
此外，研究指出二噁英生成机制的复杂性需进一步探索异构体分析，这为后续研究指明了方向。