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行業(yè)資訊

RTO蓄熱體蓄熱計算及工程設計運用

發(fā)布時間:2021-04-14 10:23:56 人氣:

目前環(huán)境問題中,主要包括三大類,污水處理,固廢治理,大氣污染治理。其中大氣污染治理是近幾年提出來的范疇,大氣污染治理中,初是燃煤及煤化工等行業(yè)產生的硫化物氮氧化物,造就了一大批脫硫脫硝的治理項目。近些年,開始對揮發(fā)性廢氣(VOCs 廢氣)出重拳,在面對即有效降低 VOC 排放,又能節(jié)能的目的,近些年市場上出現(xiàn)大量處理工藝,包括等離子工藝,光催化工藝,焚燒工藝等等。目前經過多年的實踐,有些處理工藝漸漸淡出,有些處理工藝得到肯定及重視,其中蓄熱式焚燒處理設備就是被市場認可的一種治理工藝。
RTO(Regenerative Thermal Oxidizer)是蓄熱式熱力氧化處理裝置的簡稱。工作原理是把廢氣通過儲能的陶瓷蓄熱體預熱后再加熱,保證廢氣達到 760 ℃及以上的高溫,在氧化室中分解成CO2和 H20 。氧化后產生的高溫煙氣通過特制的蜂窩陶瓷蓄熱體,使陶瓷升溫而蓄熱,從而使爐腔始終維持在很高的工作溫度,節(jié)省廢氣預熱、升溫的燃料消耗。陶瓷蓄熱部分由兩個或兩個以上腔室組成。本文中,針對作為 RTO 的核心部件蜂窩式陶瓷蓄熱體,采用一種計算方式,可以實時體現(xiàn)出切換的時間與運行狀態(tài)的關系,并采用 EXCEL 表格,模擬出近似曲線,通過曲線描述出平均的熱效率。

蓄熱體的類型
從二十世紀七十年代,一臺 RTO 設備出現(xiàn)開始,到現(xiàn)在蓄熱體型式有了較大的發(fā)展,初,采用鋪設橢圓鵝卵石作為蓄熱體,鵝卵石作為早的蓄熱體材料,主要是當時的技術人員發(fā)現(xiàn)其儲存較多熱量,材料比較普遍,通過試驗后確定了蓄熱的效果,然后開始進入工業(yè)化應用。在實踐中,鵝卵石的弱點也非常明顯,首先風阻大,而且不均勻,鵝卵石堆疊的過程中縫隙壓住后透風性能較低,而且是不均勻的,導致蓄熱床層受熱和放熱不均,效率差。再一個,鵝卵石不能抗高溫和溫度波動,容易碎裂破損,影響使用效率。
隨后發(fā)展出矩鞍環(huán)作為蓄熱體填料,采用工業(yè)標準化生產,可以有效的保證了縫隙的一致性,而且材質的均一性也有保證,蓄熱工藝的效率大的提高。
到目前市場上的蓄熱體主要以規(guī)整蜂窩陶瓷蓄熱體。其具有比表面積大,熱回收效率高,氣流壓降小,安裝換方便等優(yōu)勢。

陶瓷蓄熱體用量計算
在 RTO 運行的時候可以看到以下現(xiàn)象,在 RTO 升溫完畢進入正常運行的時候,在閥門切換的時間段內,RTO 進氣倉內,出蓄熱體的氣體溫度剛開始是接近爐膛溫度,隨著時間的推進,溫度會越來越低,到切換的時間時達到溫度低點。而 RTO 出氣倉中的溫度,出蓄熱體的氣體溫度隨著時間推移會越來越高。蓄熱體的平均熱效率(包括預熱過程的熱效率以及蓄熱過程的熱回收效率)與RTO 切換閥的切換周期間隔息息相關,設想當時間足夠長,進蓄熱體的溫度等于出蓄熱體的溫度,則熱效率即變?yōu)榱懔?。從角度進行分析蓄熱體的這種溫度波動現(xiàn)象,當爐膛中的高溫氣體通過陶瓷蓄熱體時,氣體中的熱量通過對流換熱,積蓄在蓄熱材料中,氣體溫度降低,蓄熱體溫度升高,此為熱量回收過程,儲能完畢后 RTO 切換閥門,此蓄熱體進入溫度較低的氣體,氣體在蓄熱體中通過對流換熱,把儲在其中的熱量換到較冷的氣體中,盡可能的達到爐膛的溫度,如此可大減少爐膛內的直接加熱,可以降低 RTO 燃燒器的功率,達到節(jié)能的目的。
可以發(fā)現(xiàn),若想提高換熱的效率,一種有效的方法即提高換熱面積,如此提高蓄熱體的比表面積成為一個非常有效果的途徑。從一代蓄熱體鵝卵石,到后面的矩鞍環(huán),再到現(xiàn)在的規(guī)整填料,都是提高比表面積,同時也降低壓降。比表面積并不是越大越好,也需要考慮氣流壓降的因素,需要有實際的工程運用價值,規(guī)整蜂窩陶瓷蓄熱體的氣孔尺寸根據(jù)幾十年的實際工程運用經驗,形成了常規(guī)的 50cpsi(每平方英寸上的孔數(shù))規(guī)格,目前較為常規(guī)的單塊蓄熱體尺寸為 150*150*150mm 或者 150*150*300mm 的正方體或長方體型。在 150 邊長上開有 40 個左右小孔,氣流壓降控制在 1500pa/米左右,若將孔數(shù)擴大到 400cpsi,150 邊長上有 120 個孔,比表面積增加了 2.5 倍左右,但蓄熱體的壓降則到 8000pa/米以上(此處壓降對比都在相同的標況面風速 1.2Nm/s 條件下進行的),工程上缺少實際運用的可能性。運用較為成熟,高,效果好的,經過多年實踐,普遍為 150mm 邊長有 40 個孔的蓄熱體,兼顧了經濟型,成品率,效果等多個方面。
關于高工作溫度,由于其 Al2O3 的含量較低,其產品其實達不到宣傳的高工作溫度,藍太克公司會特別告知蓄熱體正常運行溫度不要超過 950℃。
蜂窩陶瓷蓄熱體從開發(fā)出來即面臨堵孔的問題,藍太克公司開發(fā)的一款賽格蒙分層式蓄熱體可以較好的解決部分堵孔的問題,工程實踐中具有非常好的效果。運用多的為 SHC-40 規(guī)格,成為 RTO 蓄熱體的主流產品。其它規(guī)整蓄熱體也以 40 孔為主要的 RTO 用蓄熱體。在陸震維編撰的《廢氣凈化技術》一書中,引用了德國人H.Hausen 所做的數(shù)學模型,將蓄熱體的傳熱計算,轉換成換熱器的模型進行計算。其前提假定原理是一股氣體,在冷周期中吸收的熱量,與另一股氣體,在熱周期中釋放的熱量相等。當無的經常切換的情況下,則熱效率與相同大小的間壁式換熱器一樣,當切換時間越長,熱效率則也越低。
目前對 RTO 的熱效率大多是按換熱器的溫度效率來計算。
蓄熱體需用的量的計算過程如下:
a.根據(jù)蓄熱體的規(guī)格參數(shù),計算出比較面積 m2 /m3;b.設定所需要的熱效率,比如 95%;c.設定爐膛溫度,如 780℃;d.設定廢氣溫度,如 25℃;e.設定廢氣風量,設置進入蓄熱式的風速;
f.根據(jù)熱效率公式,可得到出蓄熱式的溫度 to;g.根據(jù)對流換熱系數(shù)公式,計算出換熱系數(shù) α;h.分別計算廢氣進出蓄熱體以及煙氣進出蓄熱體的換熱系數(shù),并且考慮爐膛內熱輻射影響的換熱系數(shù),參考《傳熱學》,參考
i.計算周期內蓄熱體吸熱的熱量,及放熱的熱量,即進出蓄熱體的氣體的溫差的,選取數(shù)值高的 Q。
j.根據(jù)蓄熱體的比
表面積,可得出蓄熱體體積,參照蓄熱體的單塊尺寸,根據(jù)設計的廢氣進蓄熱體的風速,可計算出,蓄熱體的迎風面面積,則可得出蓄熱體的堆高度。此處需要注意的是,通過公式計算出的換熱面積
A,包含了冷卻面積和加熱面積兩部分,所以計算蓄熱體用量時,只需要一半即可。因為蓄熱體蓄熱和放熱分別在 2 個室體內進行。k.關于陶瓷蓄熱體對層的流體壓損,參考陸震維的《廢氣的凈化技術》一書,有詳細的計算過程,這里不做過多闡述。
4 陶瓷蓄熱體周期內熱效率分析
當我們通過上述步驟計算出蓄熱體的堆積式樣之后,由于蓄熱體的固定規(guī)格尺寸,實際的用量是大于理論計算值的,為了充分發(fā)揮蓄熱體的功能,需要調整出佳的周期切換時間,即對周期時間內各個瞬時狀態(tài)的蓄熱體的情況,以及氣體出蓄熱體的狀況進行進一步的分析,以得出理論計算溫度曲線來進行研究以及可指導調試。
4.1 計算原理:單位時間 dt 內,高溫煙氣進入蓄熱體內,總焓為dQ,暫不考慮熱損失,一部分為蓄熱體吸收的 Q1,一部分為出蓄熱體的氣體的焓 Q2 對時間 dt 求導,則得出對應不同時間的熱量分布情況??捎嬎愠鰺嵝?。
4.2 計算方案:RTO 蓄熱體的交替切換工況導致運行的波動性,
實際計算時,根據(jù)動態(tài)的方案進行則會比較困難,現(xiàn)根據(jù)理論工況,可基于如下兩個前提假設后再進行計算:首先,不考慮蓄熱體的來回切換,分別對蓄熱工作的蓄熱體和放熱工作的蓄熱體單獨進行分析,但是氣體進蓄熱體的持續(xù)時間保持一樣,即 τc=τh。然后,假定在正常切換的工況之前,蓄熱體已經蓄熱完畢,處于平衡狀態(tài)。并且分別研究單股廢氣進蓄熱體,以及單股廢氣出蓄熱體的工況。并不研究蓄熱體進出的這種非穩(wěn)態(tài)周期變動的工況。基于以上兩步的設定后,分別對蓄熱室和放熱室的蓄熱體進行計算,通過傳熱學的基本算法,計算出隨著時間的推移,陶瓷蓄熱體內的熱量狀況,以及氣體出陶瓷蓄熱體時的溫度,可研究的瞬態(tài)的工況。
5 結論
通過傳熱學原理可以模擬出蜂窩蓄熱床的蓄熱放熱過程,非常貼近實際的工況,在適當?shù)姆秶鷥?,利于工程實際的指導運用,便于實際工程中選型、工藝設計及成本核算等方面的工作。

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