楊振華 蔡鵬山 韓 潤(rùn)

(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

蓄熱式氧化器用陶瓷蓄熱體性能測(cè)試及對(duì)比

楊振華**蔡鵬山 韓 潤(rùn)

(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

介紹了蓄熱式熱氧化器(RTO)主要使用的幾種陶瓷蓄熱體，并模擬RTO設(shè)備的運(yùn)行，測(cè)試幾種蓄熱體的性能，對(duì)RTO設(shè)備的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

蓄熱式熱氧化器 陶瓷蓄熱體 熱效率 壓降

蓄熱式熱氧化器(Regenerative Thermal Oxidzer，RTO)是一種用于處理?yè)]發(fā)性有機(jī)廢氣(VOC)的節(jié)能型環(huán)保裝置，考核RTO裝置的主要指標(biāo)是熱效率和系統(tǒng)壓降，這兩項(xiàng)指標(biāo)都與所用的陶瓷蓄熱體有密切關(guān)系。蓄熱體性能測(cè)試是在不同床層高度、不同流速和不同閥切換時(shí)間下測(cè)試不同陶瓷蓄熱體的熱效率和壓降，對(duì)蓄熱式換熱器及蓄熱式氧化器的設(shè)計(jì)等具有技術(shù)指導(dǎo)意義。筆者模擬RTO設(shè)備的運(yùn)行，對(duì)4種陶瓷蓄熱體的熱效率和壓降進(jìn)行了測(cè)試。

1 蓄熱式熱氧化器

典型的兩床式RTO結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。RTO啟動(dòng)前先通過(guò)燃燒器對(duì)燃燒室和蓄熱床進(jìn)行預(yù)熱；預(yù)熱完成后，含有VOC的尾氣進(jìn)入蓄熱床A進(jìn)行預(yù)熱，然后在燃燒室內(nèi)VOC充分氧化放熱；氧化完成后潔凈的氣體通過(guò)蓄熱床B冷凝，將熱量傳遞給蓄熱床B后排入大氣，此過(guò)程為半個(gè)周期。半個(gè)周期結(jié)束后，閥門切換，含有VOC的尾氣先通過(guò)蓄熱床B進(jìn)行預(yù)熱，然后在燃燒室內(nèi)氧化放熱，最后通過(guò)蓄熱床A進(jìn)行熱交換放熱，放熱完成后，潔凈的氣體排入大氣，至此完成一個(gè)周期。VOC高溫氧化產(chǎn)生的熱量除了滿足RTO自熱運(yùn)行外，還有多余的熱量輸出，可將這些富余的熱量進(jìn)行二次回收利用。

圖1 兩床式RTO結(jié)構(gòu)示意圖

因陶瓷材料具有良好的耐高溫、抗氧化、耐腐蝕性能和足夠的機(jī)械強(qiáng)度，且其價(jià)格低廉，RTO設(shè)備都采用陶瓷材料作為蓄熱體。陶瓷蓄熱體的材料主要有黏土、剛玉、莫來(lái)石及堇青石等，常見的蓄熱體形狀主要有球形、鞍環(huán)狀、管狀、多層板片(或波紋板)和蜂窩狀[1]。目前蓄熱式熱氧化器常用的4種蓄熱體及其性能指標(biāo)見表1。

2 陶瓷蓄熱體的性能測(cè)試

兩床式RTO測(cè)試模擬裝置的主體結(jié)構(gòu)由燃燒室、兩個(gè)陶瓷蓄熱體蓄熱床和兩個(gè)切換閥組成，先將其加熱至工作溫度再進(jìn)行測(cè)試?？諝?溫度為Tc)由引風(fēng)機(jī)吸入后從蓄熱床A底部進(jìn)入，空氣被加熱，至蓄熱床B床層表層時(shí)其溫度為Th；空氣通過(guò)蓄熱床B，該陶瓷床吸收空氣所帶的熱量，至床層底部時(shí)溫度降至To，然后通過(guò)切換閥排放。在達(dá)到規(guī)定的切換時(shí)間后閥切換，空氣再?gòu)男顭岽睟底部進(jìn)入，空氣被加熱，至蓄熱床A床層頂層時(shí)其溫度為Th；空氣通過(guò)蓄熱床A，該陶瓷床吸收空氣所帶的熱量，至床層底部時(shí)溫度降至To，然后通過(guò)切換閥排放。如此周期性切換，就可以連續(xù)測(cè)試蓄熱床A和B的蓄熱能力，同時(shí)通過(guò)測(cè)壓系統(tǒng)的測(cè)試可得到陶瓷床在熱態(tài)工作溫度下的壓降ΔpH。

熱效率η的計(jì)算式為：

η=(Th-To)/(Th-Ti)

(1)

式中Ti——蓄熱床進(jìn)口溫度，℃。

壓降ΔpH的計(jì)算式為：

ΔpH=Δp/H

(2)

式中H——蓄熱體床層高度，m；

Δp——蓄熱體床層總壓降，Pa。

在室溫條件下利用閥門調(diào)節(jié)空氣流速u，測(cè)得4種陶瓷蓄熱體的壓降ΔpH如圖2所示。從圖2可以看出： MLM-180、40×40孔蜂窩陶瓷和Lantecomb-H蓄熱體的壓降相差不大，而25mm 矩鞍環(huán)蓄熱體的壓降明顯高于前3種。這是由于MLM-180、40×40孔蜂窩陶瓷和Lantecomb-H蓄熱體的孔隙率相當(dāng)，且都為規(guī)整蓄熱體，有直通的氣流通道，而25mm矩鞍環(huán)蓄熱體屬于散堆蓄熱體，無(wú)規(guī)則的氣流通道增大了氣體的壓降。

圖2 不同空氣流速下4種陶瓷 蓄熱體的壓降趨勢(shì)

在室溫條件下，將RTO測(cè)試裝置的燃燒室溫度升至850℃后，使空氣流速分別為1.0、1.2、1.5m/s，切換閥切換時(shí)間分別為60、90、120、180、240s，測(cè)試該條件下左右反應(yīng)室的溫度、空氣進(jìn)/出口溫度、空氣進(jìn)/出口流量和蓄熱床壓降，并通過(guò)記錄儀記載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，按式(1)、(2)分別計(jì)算各蓄熱體在不同床層高度、不同氣體流速和不同切換閥切換時(shí)間下的熱效率和壓降。床層高度為1.5m、切換閥切換時(shí)間為60s時(shí)4種陶瓷蓄熱體的熱效率和壓降趨勢(shì)如圖3所示。

從圖3可以看出：在相同床層高度、切換時(shí)間和氣體流速條件下，4種陶瓷蓄熱體的熱效率大小為L(zhǎng)antecomb-H>40×40孔蜂窩陶瓷>MLM-180>25mm矩鞍環(huán)，壓降大小為L(zhǎng)antecomb-H>25mm矩鞍環(huán)>40×40孔蜂窩陶瓷>MLM-180。

a. 熱效率

b. 壓降圖3 不同空氣流速下4種陶瓷 蓄熱體的熱效率和壓降趨勢(shì)

對(duì)于同一種蓄熱體，空氣流速增大時(shí)，蓄熱體熱效率降低，壓降增大；床層高度增高時(shí)，熱效率升高，壓降增大；切換時(shí)間增加時(shí)，蓄熱體熱效率降低，但壓降基本沒(méi)有變化。

根據(jù)目前VOC處理情況，RTO的設(shè)計(jì)要求為：VOC去除率為99%；蓄熱體熱效率為95%；為了延長(zhǎng)閥門壽命，通常一個(gè)周期的切換時(shí)間為180s。根據(jù)此情況，對(duì)4種陶瓷蓄熱體的使用性能做了對(duì)比(表2)。

表2 4種陶瓷蓄熱體的物理性能和傳熱性能比較

3 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)計(jì)RTO設(shè)備時(shí)，設(shè)備的體積主要由床層高度決定，風(fēng)機(jī)的大小主要由蓄熱床總壓降決定。選用25mm 矩鞍環(huán)蓄熱體作為蓄熱床時(shí)，設(shè)備體積和風(fēng)機(jī)較大，設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性較差，因此目前大多數(shù)RTO設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)使用MLM-180、40×40孔蜂窩陶瓷和Lantecomb-H蓄熱體作為蓄熱床，并在蓄熱床底部和頂部鋪一層25mm矩鞍環(huán)蓄熱體，以此來(lái)分散氣流。

[1] 陸震維. 有機(jī)廢氣的凈化技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

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PerformanceTestandComparisonofCeramicRegeneratorinRegenerativeThermalOxidizer

YANG Zhen-hua, CAI Peng-shan, HAN Run

(TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730060,China)

Some ceramic regenerators for RTO (regenerative thermal oxidizer) system were described; and their performance were tested in simulating RTO operation. It has guiding significance to the RTO design.

RTO, ceramic regenerator, heat efficiency, pressure drop

**楊振華，男，1982年10月生，工程師。甘肅省蘭州市，730060。

TQ052.6

A

0254-6094(2015)02-0196-03

2014-06-16)