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RTO蓄熱體蓄熱計算及工程設(shè)計運(yùn)用

來源:|作者:金瑞 |發(fā)布時間:2021-03-30 |次瀏覽
對蓄熱式焚燒爐(以下稱為 RTO)中的蜂窩陶瓷蓄熱體中儲能、釋量的動態(tài)過程,進(jìn)行 理論計算,根據(jù) RTO 的閥門切換時間,來描繪出蓄熱體在釋放的過程、以及蓄熱體在回收能力的過
本文根據(jù)傳熱學(xué)基本計算原理,對蓄熱式焚燒爐(以下稱為RTO)中的蜂窩陶瓷蓄熱體中儲能、釋量的動態(tài)過程,進(jìn)行理論計算,根據(jù)RTO的閥門切換時間,來描繪出蓄熱體在釋放的過程、以及蓄熱體在回收能力的過程中,預(yù)熱氣體的溫度與排放氣體的溫度與時間之間的曲線,并根據(jù)給出平均熱效率。在工程運(yùn)用中提出近似經(jīng)驗參數(shù)進(jìn)行初步選型設(shè)計.
1概述 
當(dāng)前,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,環(huán)境問題日益凸出,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(chǎn)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(jīng)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(shè)備就是被市場認(rèn)可的一種治理工藝。
RTO(RegenerativeThermalOxidizer)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(yù)熱后再加熱,保證廢氣達(dá)到760℃及以上的高溫,在氧化室中分解成CO2和H20。氧化后產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^特制的蜂窩陶瓷蓄熱體,使陶瓷升溫而蓄熱,從而使?fàn)t腔始終維持在很高的工作溫度,節(jié)省廢氣預(yù)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(yùn)行狀態(tài)的關(guān)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。
2蓄熱體的類型
從二十世紀(jì)七十年代,一臺RTO設(shè)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(shè)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(dāng)時的技術(shù)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(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用。在實踐中,鵝卵石的弱點(diǎn)也非常明顯,首先風(fēng)阻大,而且不均勻,鵝卵石堆疊的過程中縫隙壓3漏氫整改措施與效果住后透風(fēng)性能較低,而且是不均勻的,導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),可以有效的保證了縫隙的一致性,而且材質(zhì)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,安裝換方便等勢。
3陶瓷蓄熱體用量計算
在RTO運(yùn)行的時候可以看到以下現(xiàn)象,在RTO升溫完畢進(jìn)入正常運(yùn)行的時候,在閥門切換的時間段內(nèi),RTO進(jìn)氣倉內(nèi),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(jìn),溫度會越來越低,到切換的時間時達(dá)到溫度低點(diǎn)。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(yù)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(guān),設(shè)想當(dāng)時間足夠長,進(jìn)蓄熱體的溫度等于出蓄熱體的溫度,則熱效率即變?yōu)榱懔恕?/div>
從角度進(jìn)行分析蓄熱體的這種溫度波動現(xiàn)象,當(dāng)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(jìn)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(dá)到爐膛的溫度,如此可大減少爐膛內(nèi)的直接加熱,可以降低RTO燃燒器的功率,達(dá)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(yùn)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(yùn)用經(jīng)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(kuò)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(biāo)況面風(fēng)速1.2Nm/s條件下進(jìn)行的),工程上缺少實際運(yùn)用的可能性。運(yùn)用較為成熟,高,效果好的,經(jīng)過多年實踐,普遍為150mm邊長有40個孔的蓄熱體,兼顧了經(jīng)濟(jì)型,成品率,效果等多個方面。
關(guān)于高工作溫度,由于其Al2O3的含量較低,其產(chǎn)品其實達(dá)不到宣傳的高工作溫度,藍(lán)太克公司會特別告知蓄熱體正常運(yùn)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(lán)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(yùn)用多的為SHC-40規(guī)格,成為RTO蓄熱體的主流產(chǎn)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(shù)》一書中,引用了德國人H.Hausen所做的數(shù)學(xué)模型,將蓄熱體的傳熱計算,轉(zhuǎn)換成換熱器的模型進(jìn)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(dāng)無限的經(jīng)常切換的限情況下,則熱效率與相同大小的間壁式換熱器一樣,當(dāng)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(shè)定所需要的熱效率,比如95%;c.設(shè)定爐膛溫度,如780℃;d.設(shè)定廢氣溫度,如25℃;e.設(shè)定廢氣風(fēng)量,設(shè)置進(jìn)入蓄熱式的風(fēng)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(jìn)出蓄熱體以及煙氣進(jìn)出蓄熱體的換熱系數(shù),并且考慮爐膛內(nèi)熱輻射影響的換熱系數(shù),參考《傳熱學(xué)》,參考王秉銓編撰《工業(yè)爐設(shè)計手冊》中,對流換熱器的的綜合換熱系數(shù)的計算公式。i.計算周期內(nèi)蓄熱體吸熱的熱量,及放熱的熱量,即進(jìn)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(shè)計的廢氣進(jìn)蓄熱體的風(fēng)速,可計算出,蓄熱體的迎風(fēng)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(nèi)進(jìn)行。k.關(guān)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(shù)》一書,有詳細(xì)的計算過程,這里不做過多闡述。
4陶瓷蓄熱體周期內(nèi)熱效率分析 
當(dāng)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(diào)整出佳的周期切換時間,即對周期時間內(nèi)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(jìn)行進(jìn)一步的分析,以得出理論計算溫度曲線來進(jìn)行研究以及可指導(dǎo)調(diào)試。
4.1計算原理:單位時間dt內(nèi),高溫?zé)煔膺M(jìn)入蓄熱體內(nèi),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(dǎo),則得出對應(yīng)不同時間的熱量分布情況??捎嬎愠鰺嵝省?/div>
4.2計算方案:RTO蓄熱體的交替切換工況導(dǎo)致運(yùn)行的波動性,實際計算時,根據(jù)動態(tài)的方案進(jìn)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(shè)后再進(jìn)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(dú)進(jìn)行分析,但是氣體進(jìn)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(jīng)蓄熱完畢,處于平衡狀態(tài)。并且分別研究單股廢氣進(jìn)蓄熱體,以及單股廢氣出蓄熱體的工況。并不研究蓄熱體進(jìn)出的這種非穩(wěn)態(tài)周期變動的工況?;谝陨蟽刹降脑O(shè)定后,分別對蓄熱室和放熱室的蓄熱體進(jìn)行計算,通過傳熱學(xué)的基本算法,計算出隨著時間的推移,陶瓷蓄熱體內(nèi)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(jié)論 
通過傳熱學(xué)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(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),利于工程實際的指導(dǎo)運(yùn)用,便于實際工程中選型、工藝設(shè)計及成本核算等方面的工作。