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RTO在VOCs工程實(shí)例中關(guān)鍵因素的研究
來(lái)源:|作者:金瑞 |發(fā)布時(shí)間:2021-04-30 |次瀏覽
三室RTO常用于VOCs的處理,通過(guò)蓄熱室進(jìn)氣、排氣和吹掃過(guò)程的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)VOCs的充分燃燒和熱量利用。為了RTO能在工況下運(yùn)行,研究將實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)合,采用Fluent軟件的標(biāo)準(zhǔn)k
三室RTO常用于VOCs的處理,通過(guò)蓄熱室進(jìn)氣、排氣和吹掃過(guò)程的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)VOCs的充分燃燒和熱量利用。為了RTO能在工況下運(yùn)行,研究將實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)合,采用Fluent軟件的標(biāo)準(zhǔn)k-ε、熱平衡等模型對(duì)RTO的溫度分布進(jìn)行了模擬。結(jié)合入爐廢氣流量、切換時(shí)間及吹掃流量對(duì)燃燒室溫度、蓄熱體出口溫度和熱效率等關(guān)鍵因素的影響規(guī)律,得到RTO運(yùn)行的佳工況。也為其他項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供參考,在提高廢氣處理效率的同時(shí)保持裝置的平穩(wěn)持久運(yùn)行。
大氣中的揮發(fā)性化合物(Volatileorganiccompounds,VOCs),是常溫常壓下,飽和蒸汽壓力大于70Pa、且沸點(diǎn)小于260℃的化合物的統(tǒng)稱[1],它也是光化學(xué)煙霧、PM2.5和臭氧形成的重要前體物之一[2]。研究表明[3],工業(yè)VOCs污染源的排放在降低大氣環(huán)境空氣質(zhì)量的同時(shí),也給人體健康帶來(lái)不良影響。目前對(duì)VOCs排放控制加嚴(yán)格,出現(xiàn)大量處理工藝,例如膜分離、活性炭吸附、高沸點(diǎn)溶液吸收、生物轉(zhuǎn)化、冷凝回收和熱力氧化等方法[3-4]。其中,蓄熱室熱力氧化爐(RegenerativeThermalOxidizer,RTO)是熱力燃燒法的主要設(shè)備,具高、經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng),且利用效率比傳統(tǒng)的直燃式氧化爐提高70%左右等點(diǎn),近年來(lái)發(fā)展迅速。本研究對(duì)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的RTO裝置進(jìn)行實(shí)際工程運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬計(jì)算,初步分析了RTO中廢氣進(jìn)氣流量、閥門(mén)切換時(shí)間和吹掃風(fēng)量等因素對(duì)燃燒室和蓄熱室溫度變化,以及整個(gè)RTO傳熱效率的影響。
RTO處理工藝
本RTO裝置布置了三個(gè)蜂窩形陶瓷體的蓄熱室及一個(gè)帶燃燒器的燃燒室,燃燒室通過(guò)增壓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)維持正壓。燃燒室主要是提供高溫氧化環(huán)境來(lái)處理廢氣,根據(jù)氧化處理廢氣的3T原則(溫度、時(shí)間和湍流程度)來(lái)設(shè)計(jì)燃燒室尺寸和結(jié)構(gòu),以保證廢氣各組分能充分燃燒分解。蓄熱室在保證密封性的同時(shí),為高溫?zé)煔夂臀矚膺M(jìn)行蓄熱放熱提供場(chǎng)所[5]。蓄熱室內(nèi)布置的蜂窩陶瓷陶瓷蓄熱體是完成煙氣和尾氣間接熱交換的媒介,其原理是蓄熱體將燃燒室排出煙氣的部分熱量吸收起來(lái)預(yù)熱新進(jìn)尾氣,使廢氣進(jìn)入爐膛時(shí)燃燒加快速完全,以此節(jié)約運(yùn)行電耗[6]。每個(gè)蓄熱室下都有進(jìn)氣閥、排氣閥和吹掃閥,交替啟閉來(lái)實(shí)現(xiàn)煙氣的導(dǎo)通和封閉。具體流程如下:首先,在預(yù)熱階段,由增壓風(fēng)機(jī)抽取空氣通過(guò)蓄熱室1進(jìn)入燃燒室,空氣在電加熱的作用下被加熱,加熱后的空氣進(jìn)入蓄熱室2放熱,然后經(jīng)過(guò)排氣煙道由煙囪排放到大氣中。在煙氣進(jìn)入煙囪前,利用吹掃風(fēng)機(jī)抽取部分出口煙氣進(jìn)入蓄熱室3進(jìn)行吹掃,將其中殘留的廢氣反吹至燃燒室中充分氧化。當(dāng)切換時(shí)間到達(dá)后,進(jìn)氣閥門(mén)、排氣閥及吹掃閥依次進(jìn)行切換,直到燃燒室溫度達(dá)到預(yù)定溫度750℃,然后將三通閥切換連通至進(jìn)氣煙道,使廢氣進(jìn)入蓄熱室開(kāi)始正常運(yùn)行。
在正常運(yùn)行時(shí),廢氣首先進(jìn)入蓄熱室1預(yù)熱到800℃以上,
預(yù)熱后的廢氣進(jìn)入燃燒室燃燒,如果廢氣熱值足夠高,放出的熱量可以使廢氣維持850℃燃燒溫度,則不需要開(kāi)啟電加熱。反之,需開(kāi)啟電加熱來(lái)使燃燒室溫度維持在850℃左右,有利于將廢氣中所含揮發(fā)性物充分分解燃燒,產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入蓄熱室2放熱。放熱后的煙氣經(jīng)過(guò)排氣煙道由煙囪排放到大氣中去。吹掃風(fēng)機(jī)的吹掃流程和預(yù)熱階段相同。到達(dá)2min切換時(shí)間時(shí),RTO通過(guò)編程控制系統(tǒng)(ProgrammableLogicController,PLC),將蓄熱室3設(shè)置為排煙出口、蓄熱室2設(shè)置為廢氣入口,蓄熱室1設(shè)置為吹掃口,并相應(yīng)的啟閉對(duì)應(yīng)的閥門(mén)。此過(guò)程因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)程序控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥工作,能在短時(shí)間內(nèi)切換閥門(mén)狀態(tài),保證三個(gè)蓄熱室一次完成蓄熱、放熱和吹掃的過(guò)程。在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)每個(gè)蓄熱室下的閥門(mén)切換狀態(tài)如表1所示。
物理模型及計(jì)算方法
RTO裝置外形尺寸分別為長(zhǎng)6850mm,寬2150mm,高3300mm。填充在每個(gè)蓄熱室的陶瓷蓄熱體的長(zhǎng)度、寬度和高度都為1500mm,蓄熱體性能范圍為孔隙率56%,比熱容880J/(kg·K),體積密度2.3g/cm3,導(dǎo)熱系數(shù)1.8W/(m·K)。裝置設(shè)計(jì)廢氣處理規(guī)模為8000m3/h左右,VOCs率大于99%,陶瓷蓄熱體換熱效率為95%,燃燒室氧化溫度850℃,廢氣在裝置內(nèi)停留時(shí)間1.5s,閥門(mén)切換時(shí)間120s,廢氣凈化后排放平均溫度70℃以下。
由于RTO中的傳熱和燃燒過(guò)程的工程設(shè)計(jì)十分復(fù)雜,因此采用以下假設(shè)進(jìn)行模擬:(1)RTO裝置處理的VOCs成分和平均濃度分別為非甲烷總烴(2111mg/m3)、苯(275mg/m3)、甲苯(355mg/m3)、二甲苯(220mg/m3)和乙苯(150mg/m3)。根據(jù)熱值和體積的換算,將廢氣中的VOCs的非甲烷總烴組成假定為乙烷,其余成分因?yàn)槭蔷哂邢嗨苹瘜W(xué)性質(zhì)的苯的同系物,因此看作相同熱值的甲苯進(jìn)行模擬。(2)假設(shè)入爐廢氣為不可壓縮流體,在蓄熱室內(nèi)和陶瓷蓄熱體進(jìn)行充分熱交換,且蓄熱室的壁面損失小到可以忽略[7]。(3)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為800℃附近,該組分的廢氣已經(jīng)可以充分氧化,穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電加熱提供的燃燒熱也忽略不計(jì),即進(jìn)氣、吹掃廢氣和VOCs燃燒的輸入熱值與排氣的輸出熱值相等。
此次模擬采用CFD商用軟件Fluent中提供的典型數(shù)值模型,即流動(dòng)模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,蓄熱室采用熱平衡模型,輻射模型采用DO模型,燃燒過(guò)程采用有限化學(xué)速率/渦耗散模型[2]。根據(jù)物理模型的提供的驗(yàn)證條件:廢氣流量8000m3/h,VOCs濃度為3080mg/m3,閥門(mén)切換時(shí)間為2min,整個(gè)RTO裝置三個(gè)蓄熱室完成切換時(shí)間為6min。
數(shù)值模型正確性的驗(yàn)證
在連續(xù)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定運(yùn)行階段多個(gè)切換周期后,將燃燒室三個(gè)熱電偶及變送器監(jiān)測(cè)的爐膛溫度值計(jì)算得到平均值,同時(shí)將每個(gè)蓄熱室中的出口位置熱電偶的溫度值進(jìn)行記錄,圖2為同一測(cè)點(diǎn)的工程實(shí)際數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬值的對(duì)比。通過(guò)對(duì)比,得到溫度模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的相對(duì)誤差均在4%以內(nèi),這也可能是RTO裝置的切換閥因閥板和閥座密封性很難保證、氧化爐爐膛上部的防爆裝置存在泄漏,以及溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備的精確度不夠等問(wèn)題造成的。因此,燃燒室和蓄熱室溫度測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)值的平均值和模擬值相對(duì)誤差滿足數(shù)值模型準(zhǔn)確性的要求,所以此數(shù)值模型可以較好的反應(yīng)RTO裝置在正常運(yùn)行階段的溫度變化情況。
RTO溫度場(chǎng)的模擬研究
圖3反映了一個(gè)右側(cè)進(jìn)氣、左側(cè)排氣,中間吹掃過(guò)程時(shí)RTO裝置蓄熱室及燃燒室的溫度分布情況。由于蓄熱體體積緊湊且導(dǎo)熱性好,能在短時(shí)間使同一水平截面的溫度達(dá)到相近溫度,但是蓄熱體在蓄熱室邊緣的密封裝置仍然會(huì)影響煙氣的流動(dòng)。并且蓄熱體能夠?qū)U氣和煙氣進(jìn)行有效的吸收和釋放熱量,因此在豎直方向蓄熱體和氣體都呈現(xiàn)出明顯的溫度梯度。同時(shí),當(dāng)進(jìn)氣排氣方向發(fā)生變化時(shí),燃燒室內(nèi)溫度也會(huì)出現(xiàn)波動(dòng),且分布不均勻。對(duì)于燃燒室結(jié)構(gòu),也有裝置將燃燒室頂部?jī)蓚?cè)的直角改為切角,使得煙氣湍流充分,減小低溫區(qū)出現(xiàn)的可能性
關(guān)鍵操作參數(shù)對(duì)RTO處理效率的影響
通過(guò)工程實(shí)例和數(shù)值模擬對(duì)影響RTO裝置運(yùn)行狀態(tài)的三個(gè)關(guān)鍵操作參數(shù)(進(jìn)氣風(fēng)量、閥門(mén)切換時(shí)間、吹掃風(fēng)量)進(jìn)行分別討論,得到不同操作參數(shù)下,RTO的燃燒室、三個(gè)蓄熱室及出口溫度的分布狀況,再結(jié)合熱效率來(lái)確定工況。熱效率的計(jì)算公式如下:
式中:Toc為燃燒室溫度,℃;Tout為蓄熱室出口溫度,℃;Tin為廢氣進(jìn)口溫度,℃。
入爐廢氣流量的影響
圖4為蓄熱室出口溫度、燃燒室溫度和熱效率隨著如爐廢氣流量增加的變化趨勢(shì)。其中,廢氣的VOCs濃度和切換閥周期不變,反沖流量恒定,電加熱未開(kāi)啟?？梢?jiàn)在多個(gè)中,出口排煙溫度、燃燒室溫度和熱效率都呈先升后降趨勢(shì),分別在廢氣流量5400m3/h、7200m3/h和7400m3/h時(shí),達(dá)到78℃、876℃和92.17%的峰值,并逐漸降低趨于平穩(wěn),這與耿文廣等[9]結(jié)論相近。當(dāng)廢氣流量高于7000m3/h時(shí),出口排煙溫度降低明顯,主要是因?yàn)閺U氣進(jìn)氣過(guò)程中蓄熱體吸收的熱量隨排氣過(guò)程中氣體釋放的熱量增加而增加,從而導(dǎo)致出口溫度降低。廢氣流量的增加,使燃燒室內(nèi)VOCs氧化分解所釋放的熱量增加,并在7200m3/h廢氣流量時(shí),達(dá)到燃燒室溫度達(dá)到890℃的峰值。但是,廢氣流量的進(jìn)一步增加導(dǎo)致廢氣在燃燒室的停留時(shí)間降低,VOCs氧化不完全,燃燒室溫度略有降低并維持在850℃左右。且增加的廢氣流量有利于熱效率提高,當(dāng)廢氣達(dá)到7500m3/h時(shí),熱效率達(dá)到大值92.2%,這主要是因?yàn)槿紵胰紵郎囟壬仙?廢氣燃燒充分,在進(jìn)氣溫度不變時(shí)排氣溫度降低。但是燃燒室溫度和處理廢氣能力達(dá)到飽和,排煙溫度趨于穩(wěn)定,裝置熱效率逐漸維持在90%左右。
閥門(mén)切換時(shí)間的影響
切換閥是RTO系統(tǒng)中關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件,也是容易產(chǎn)生煙氣泄露的部件[10]。閥門(mén)通過(guò)切換來(lái)控制氣體在每一個(gè)蓄熱體的流入和流出,RTO的周期操作時(shí)間對(duì)應(yīng)的就是閥門(mén)切換時(shí)間。因此,閥門(mén)切換時(shí)間對(duì)燃燒室溫度的均勻性和蓄熱室溫度梯度分布都有影響。如果閥門(mén)切換時(shí)間短并且切換頻率高,則會(huì)造成切換閥的使用壽命縮短。反之閥門(mén)切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)造成兩個(gè)影響:首先,容易造成一個(gè)周期內(nèi)RTO進(jìn)氣量驟增,廢氣在通過(guò)進(jìn)氣側(cè)蓄熱室時(shí)吸收大量熱量,蓄熱室對(duì)入爐廢氣預(yù)熱效果逐漸降低,導(dǎo)致進(jìn)入燃燒室的廢氣需要電加熱一段時(shí)間才能達(dá)到著火點(diǎn);其次,廢氣在經(jīng)過(guò)燃燒室氧化后到達(dá)排氣蓄熱室時(shí),該蓄熱室已經(jīng)達(dá)到熱量飽和,無(wú)法再吸收煙氣熱量,造成高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)煙囪排放到大氣中,使得整個(gè)RTO裝置的對(duì)的利用效率降低。
為了研究閥門(mén)切換時(shí)間對(duì)RTO裝置運(yùn)行的影響,在維持入爐廢氣流量8000m3/h且關(guān)閉燃燒室電加熱設(shè)備狀態(tài),通過(guò)改變切換時(shí)間來(lái)觀察排氣出口溫度、燃燒室溫度和熱效率的變化,結(jié)果如圖5所示。切換時(shí)間在1~2min時(shí),燃燒室溫度逐漸下降,且排煙出口溫度上升,說(shuō)明燃燒室內(nèi)物燃燒不充分,不利于提高熱效率和廢氣處理效率。同時(shí),熱效率也隨著切換時(shí)間的增加而減少,不利于VOCs的高效處理和余熱利用。切換時(shí)間的逐漸增加在2~2.5min時(shí),蓄熱室吸收的熱量增加,導(dǎo)致蓄熱室與煙氣的溫差減小,排氣出口溫度升高,且燃燒室溫度和熱效率仍有降低。隨著切換時(shí)間的進(jìn)一步增加到2.5分鐘以上,進(jìn)氣過(guò)程的蓄熱室溫度進(jìn)一步下降,導(dǎo)致進(jìn)氣蓄熱體和燃燒室中的氣體溫度繼續(xù)下降,在排氣過(guò)程中供給蓄熱體吸收的熱量減少,排氣出口溫度開(kāi)始下降,有利于熱效率的提高。
吹掃風(fēng)量的影響
吹掃過(guò)程是通過(guò)吹掃風(fēng)機(jī)將殘留在蓄熱室內(nèi)的VOCs帶入燃燒室,以提高廢氣的效率[11]。但目前RTO反吹風(fēng)量的設(shè)計(jì)大多基于工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)不同工況下的實(shí)際運(yùn)行參考性不高。為了研究吹掃風(fēng)量對(duì)RTO裝置運(yùn)行的影響,試驗(yàn)設(shè)定在廢氣流量8000m3/h,切換時(shí)間2min且無(wú)電加熱的條件下,模擬吹掃風(fēng)量從600m3/h增加到2000m3/h時(shí)出口溫度、燃燒室溫度和熱效率變化情況。如圖6所示。由于吹掃風(fēng)是從排至煙囪的煙氣中抽取,實(shí)際吹掃風(fēng)中含有的VOCs濃度較低,無(wú)法給燃燒室提供多的。同時(shí),過(guò)大的吹掃風(fēng)量增加了進(jìn)入進(jìn)氣和排氣蓄熱室的流量,降低了實(shí)際發(fā)生氧化反應(yīng)的廢氣的預(yù)熱溫度,且降低了出口溫度。雖然熱效率在1200m3/h吹掃風(fēng)量附近有一定程度的增加,但結(jié)合燃燒室溫度和經(jīng)濟(jì)因素,800~1000m3/h區(qū)間內(nèi)較為合理與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)吹掃風(fēng)量占進(jìn)氣流量的10%左右結(jié)論相近[12]。同時(shí)可以看出,吹掃風(fēng)量越大,燃燒室的溫度越低,需要開(kāi)啟電加熱器提供熱量來(lái)提高燃燒室的溫度,增加運(yùn)行成本。
結(jié)論
三室RTO在穩(wěn)定過(guò)程中的實(shí)測(cè)溫度和模擬溫度相對(duì)誤差小于4%。在準(zhǔn)確性驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)燃燒室因?yàn)檫M(jìn)氣、排氣和吹掃過(guò)程的切換而溫度分布不均勻。對(duì)于燃燒室溫度、蓄熱室出口溫度和熱效率等參數(shù)大多隨入爐廢氣流量、切換時(shí)間和吹掃流量的變化呈線性變化趨勢(shì)。當(dāng)入爐廢氣流量控制在8000m3/h時(shí),RTO裝置各參數(shù)能維持較工況。同時(shí),在燃燒室溫度和入爐廢氣溫度一定時(shí),熱效率和出口溫度的變化趨勢(shì)相反。對(duì)吹掃流量的模擬結(jié)果表明,當(dāng)其值為入爐廢氣流量的1/10時(shí),有利于RTO運(yùn)行。綜上,通過(guò)對(duì)關(guān)鍵因素研究表明,在現(xiàn)有VOCs成分和濃度條件下,佳操作參數(shù)分別為廢氣流量為8000m3/h,切換時(shí)間為120s,吹掃流量為800m3/h。且相對(duì)于吹掃風(fēng)量,入爐廢氣流量和切換時(shí)間的變化對(duì)關(guān)鍵參數(shù)影響大。
