大氣中的揮發(fā)性化合物(Volatile organic compounds,VOCs), 是常溫常壓下, 飽和蒸汽壓力大于70 Pa、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(Regenerative Thermal Oxidizer, 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%左右等優(yōu)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。
1 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、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)2 min 切換時(shí)間時(shí), RTO 通過(guò)編程控制系統(tǒng)(Programmable Logic Controller,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。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)蓄熱室下的閥門切換狀態(tài)如表1 所示。
2 數(shù)值模型及模擬研究
2. 1 物理模型及計(jì)算方法
RTO 裝置外形尺寸分別為長(zhǎng)6850 mm, 寬2150 mm, 高3300 mm。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1500 mm, 蓄熱體性能范圍為孔隙率56% , 比熱容880 J/ (kg·K), 體積密度2.3 g/ cm3, 導(dǎo)熱系數(shù)1.8 W/ (m·K)。裝置設(shè)計(jì)廢氣處理規(guī)模為8000 m3 / 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. 5 s, 閥門切換時(shí)間120 s, 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(2111 mg/ m3 )、苯(275 mg/ m3 )、甲苯(355 mg/ m3 )、二甲苯(220 mg/ m3 )和乙苯(150 mg/ 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8000 m3 / h,VOCs 濃度為3080 mg/ m3 , 閥門切換時(shí)間為2 min, 整個(gè)RTO
裝置三個(gè)蓄熱室完成切換時(shí)間為6 min。
2. 2 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。
2. 3 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
3. 2 閥門切換時(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)的就是閥門切換時(shí)間。因此, 閥門切換時(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8000 m3 / 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 ~2 min 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. 5 min 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。
3. 3 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8000 m3 / h, 切換時(shí)間2 min 且無(wú)電加熱的條件下, 模擬吹掃風(fēng)量從600 m3 / h 增加到2000 m3 / 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1200 m3 / 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 ~1000 m3 / 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。
4 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8000 m3 / h 時(shí), RTO 裝置各參數(shù)能維持較優(yōu)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8000 m3 / h, 切換時(shí)間為120 s, 吹掃流量為800 m3 / 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，目前RTO蓄熱爐主要用到
蜂窩陶瓷蓄熱體和
陶瓷矩鞍環(huán)。
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