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VOCs廢氣蓄熱焚燒工藝RTO設(shè)計要素解析

 梵心4466 2020-03-31

蓄熱式焚燒裝置（RTO）是燃燒處理有機(jī)物污染廢氣，并利用蓄熱體換熱并用于廢氣本身升溫的裝置，是目前有效處理VOC廢氣的一種有效措施。

1.適合RTO裝置焚燒的廢氣情況
一般情況下，揮發(fā)性有機(jī)物濃度在25%LEL（可燃?xì)怏w爆炸下限）以下、燃燒絕熱溫升在40℃以上的廢氣，均適合RTO裝置處理。
VOCs濃度小于2000mg/Nm3、致絕熱燃燒溫升低于40℃的需助燃，以提高其絕熱溫升至40℃以上的廢氣類型。
2主要組成系統(tǒng)的工藝設(shè)計
蓄熱式焚燒裝置由蓄熱室、燃燒室、換向閥和控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成。其主要組成系統(tǒng)的工藝設(shè)計包括：蓄熱室床數(shù)選定、蓄熱體材料和類型選取和蓄熱體量的計算、空塔進(jìn)氣流速的確定；燃燒室的燃燒溫度、煙氣停留時間、燃燒器的選取；閥門切換時間；保溫耐火材料的選取和數(shù)量計算；預(yù)處理措施和安全保障措施的配套等。
2.1工藝系統(tǒng)整體要求
系統(tǒng)設(shè)計壓降低于3000Pa。蓄熱燃燒裝置應(yīng)進(jìn)行整體內(nèi)保溫，外表面溫度不高于60℃（部分熱點除外）。環(huán)境溫度較低、濕度較大時，有采取保溫、伴熱等防凝結(jié)措施。具有反燒和吹掃功能。
2.2蓄熱室
蓄熱室是焚燒裝置進(jìn)行熱量交換的空間，其具體結(jié)構(gòu)和尺寸根據(jù)熱回收效率要求、蓄熱體結(jié)構(gòu)性能、系統(tǒng)壓降等因素計算確定。
2.2.1燃燒工藝和蓄熱室數(shù)量的選定
蓄熱燃燒工藝可以分為固定式和旋轉(zhuǎn)式蓄熱燃燒等。固定式蓄熱燃燒工藝有二室、三室、五室等，理論上蓄熱室數(shù)量越多，凈化效率越高，但設(shè)備投資或者占地也隨之提高。旋轉(zhuǎn)式RTO裝置有旋轉(zhuǎn)氣缸型、盤型和旋轉(zhuǎn)閥門型，其中旋轉(zhuǎn)式RTO的結(jié)構(gòu)除驅(qū)動區(qū)、分配區(qū)外，其余與固定式相同。一般情況下，燃燒工藝考慮三室固定式蓄熱燃燒工藝的較多，占地有限制條件時可以考慮旋轉(zhuǎn)閥門型等燃燒工藝。
2.2.2蓄熱室熱回收效率要求
要求蓄熱室對熱回收效率不小于95%，主要是要控制排放氣體的溫度。熱回收效率比較簡單的計算方法處理廢氣熱量的平衡方法，如進(jìn)氣溫度在30℃，排氣溫度要求60℃，燃燒室的溫度要求在800℃時，則熱回收效率為96.1%，即(800-60)/(800-30)=96.1%。
2.2.3蓄熱體
2.2.3.1蓄熱體的基本要求
①要求比熱容不低于750J/(kg·K)，具有高比重。
②有足夠的氣體流通截面積，使氣體分布均勻、阻力低。
③耐高溫。RTO裝置操作溫度一般為750～950℃，因此一般要選用能耐1250℃溫度以上的材質(zhì)作為蓄熱體，優(yōu)先選用蜂窩陶瓷、組合式陶瓷等規(guī)整材料。
④良好的抗熱震性能。其短時間可承受的高溫沖擊要求1250℃以上，使用壽命不低于40000h。
⑤在高溫下有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和有抗高溫氧化、耐化學(xué)腐蝕。
⑥價格應(yīng)盡可能低廉。
2.2.3.2蓄熱體材質(zhì)與類型的選取
目前在RTO裝置中采用的陶瓷原材料主要有黏土、剛玉、莫來石、鋯英石、鈦酸鋁和堇青石等。在RTO裝置的蓄熱室中，蓄熱填充物主要類型有規(guī)整填料（如蜂窩填料和板波紋填料）和散堆填料（顆粒填料，如矩鞍環(huán)）兩大類。
（1）   散堆填料主要有陶瓷矩鞍環(huán)
其床層具有較大的空隙率，床層內(nèi)多為圓弧形液體通道，具有高的比重和耐酸耐熱性能。有關(guān)陶瓷矩鞍環(huán)產(chǎn)品的幾何特性及相關(guān)參數(shù)表1。
陶瓷矩鞍環(huán)與規(guī)整填料相比，優(yōu)點是價格低廉，缺點是阻力比規(guī)整填料大，且填料邊緣容易破碎，會造成床層空隙堵塞，使床層阻力大。如RTO裝置中用陶瓷矩鞍環(huán)lin（25.4mm）作為蓄熱體，為達(dá)到95%的換熱效率，需2.44～2.74m高度的床層，切換時間為2min。
（2）   規(guī)整填料
①陶瓷蜂窩填料。氣流在陶瓷蜂窩填料中各自通過平行的通道，互不相混，流動成層流狀態(tài)，此狀態(tài)下壓降與氣速成正比關(guān)系，因此，陶瓷蜂窩填料遠(yuǎn)比陶瓷矩鞍環(huán)的壓降低。陶瓷蜂窩填料一般做成尺寸為150mm×150mm×300mm的柱狀蓄熱體，孔內(nèi)壁厚度分0.42mm、0.6mm、1.0mm等，并整砌于蓄熱室中?？酌芏韧ǔ?3×13（孔數(shù)169）至60×60（孔數(shù)3600）不等。孔密度越大可提供較大的傳熱面積，從而提高熱效率。陶瓷蜂窩柱是整砌在蓄熱室中，為避免因局部受堵，目前有將陶瓷蜂窩柱的一個端面做成圓弧凹面。
②多層板片組合式陶瓷蜂窩填料。板片組合式的陶瓷蜂窩填料由多層板片構(gòu)成，不采用直接擠壓成型，而是先做成單個板片，然后將多層板片黏結(jié)在一起，經(jīng)燒結(jié)而成為多層板片組合式的陶瓷蜂窩填料。該填料的每個薄片上開有溝槽，兩片組合后構(gòu)成內(nèi)部相通的通道，使氣流可以橫向和縱向地通過填料。通常每片板厚約1.5mm，組成約305mm×305mm×102mm的塊狀蓄熱體。MLM板片式蜂窩陶瓷的型號有MLM?-125、MLM?-160、MLM?-160-6、MLM?-180、MLM?-200、MLM?板-S及SR系列。
MLM?也是規(guī)整陶瓷填料，在同樣應(yīng)用條件下與傳統(tǒng)的陶瓷矩鞍環(huán)相比，MLM?的床層壓降減少50%，因其阻力比陶瓷矩鞍環(huán)低，能耗可節(jié)省30%，在現(xiàn)有的蓄熱體中抗熱能力是比較強(qiáng)的一種，容易在短時間內(nèi)達(dá)到400℃的變化溫度。陶瓷散堆填料（矩鞍環(huán)）和規(guī)整填料（Monolith和MLM?）的物理特性比較如表2所示。在達(dá)到相同的熱效率條件下，MLM?所需的容積比Monolith少；在一定氣速條件下，其壓降比矩鞍環(huán)低。MLM?的價格比Monolith低，比矩鞍環(huán)高。用MLM?替代lin矩鞍環(huán)后，填料用量為lin矩鞍環(huán)的一半，在熱效率和切換周期時間保持不變，處理能力可提高30%。
2.3空塔進(jìn)氣流速與蓄熱室截面
對于一個已經(jīng)固定蓄熱床截面積的RTO，當(dāng)進(jìn)氣空塔流速提高時，系統(tǒng)壓損均隨之增加；而熱回收效率則隨之降低。設(shè)計時一般蓄熱室要求截面空塔風(fēng)速不宜大于2m/s，當(dāng)蓄熱室截面風(fēng)速和廢氣處理能力確定后，則蓄熱室的截面積能確定。如焚燒爐處理風(fēng)量為20000Nm3/h，蓄熱室截面風(fēng)速定為1.5m/s時，則每個蓄熱室的截面積為3.7㎡，橫截面可按選擇的填料布置成正方形或長方形。
2.4蓄熱體床層高度與總壓降
設(shè)計RTO裝置時，設(shè)備的體積主要由蓄熱床高度決定，風(fēng)機(jī)功率由蓄熱床總壓降決定，表3為幾種蓄熱體的總壓降數(shù)據(jù)。從表3的數(shù)據(jù)可以看出，不同的蓄熱體，在相同的運行條件下，因床層高度帶來的床層總壓降差距較大。因此選擇蓄熱體是設(shè)計裝置的重要因素之一。
2.5蓄熱室進(jìn)出口氣體溫差蓄熱室進(jìn)出口氣體溫差不宜大于60℃。
2.6燃燒室高溫氣體在燃燒室的停留時間一般不宜低于0.75s，并根據(jù)停留時間確定燃燒室的容積與尺寸規(guī)格；燃燒室燃燒溫度高于760℃。燃燒器根據(jù)輔助燃料類型、燃燒室結(jié)構(gòu)、壓力、待處理廢氣流量、裝置啟動時間等因素配置，具備溫度自動調(diào)節(jié)的功能，符合GB19839的相關(guān)規(guī)定。一般來說，1萬m3的氣體可根據(jù)廢氣的熱值情況選擇25～60萬kcal的燃燒器，如處理廢氣量10000 m3，采用沼氣或天然氣等氣體燃料作為助燃劑，采用North American4425-5(25萬kcal/h)燃?xì)馊紵?，可調(diào)節(jié)比1∶30。如采用柴油作為助燃，采用美國NA5424-5(20萬kcal/h)燃油比例調(diào)節(jié)式燃燒器，調(diào)節(jié)比1：10。RTO裝置中使用的燃燒器主要產(chǎn)品有North American、ESApyronics、ECLIPSE、pyronics、MAXON等品牌。輔助燃料優(yōu)先選用天然氣、液化氣、輕質(zhì)柴油等清潔燃料。
2.7吹掃氣體量
吹掃氣體量一般按照處理廢氣量的10%計算，可以單獨設(shè)置風(fēng)機(jī)送新風(fēng)。
2.8閥門與切換周期
(1)固定式燃燒工藝采用切換閥（包括吹掃）選用氣動蝶閥，切換閥是固定式RTO裝置進(jìn)行循環(huán)熱交換的關(guān)鍵部件，必須在規(guī)定的時間準(zhǔn)確地進(jìn)行切換，且保證泄漏量?。ā?%），壽命長（可達(dá)100萬次），啟閉迅速（≤1s）。RTO裝置一般規(guī)定要求切換周期在90～180S。旋轉(zhuǎn)式分配區(qū)的廢
(2)旋轉(zhuǎn)式燃燒工藝旋轉(zhuǎn)分配閥是旋轉(zhuǎn)式燃燒工藝的核心部件，采用回轉(zhuǎn)式空氣分配閥。具體可根據(jù)設(shè)計處理風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)嘴數(shù)量和閥芯轉(zhuǎn)速要求來選擇合適的空氣分配閥。
3.保溫耐火材料
要求質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)低（常溫下導(dǎo)熱系數(shù)低于0.03W/(m·k)、抗熱震性好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)。一般情況下，裝置的燃燒室及蓄熱室內(nèi)保溫可采用耐火硅酸鋁纖維，其耐熱可達(dá)1200℃，絨重為220kg/m3。鋪設(shè)時，燃燒室及蓄熱室上部厚≤225mm，蓄熱室進(jìn)出風(fēng)區(qū)厚≤120mm。保溫層一般設(shè)三層，其中含兩層硅酸鋁纖維氈及一層硅酸鋁纖維模塊。硅酸鋁纖維模塊內(nèi)設(shè)置耐熱鋼骨架，用錨固件固定在裝置殼體上。
4.后處理要求
處理含氮有機(jī)物造成煙氣氮氧化物排放超標(biāo)時，采用選脫硝工藝進(jìn)行后處理。當(dāng)處理含硫或含鹵素有機(jī)物產(chǎn)生二氧化硫、鹵化氫時，采用吸收等工藝進(jìn)行后處理。
5.安全措施要求
①  當(dāng)廢氣濃度波動較大時，在前端采取稀釋、緩沖等措施。
②  需在RTO裝置與主體生產(chǎn)裝置之間的管道系統(tǒng)中安裝阻火器或防火閥。當(dāng)進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)管道采用金屬材質(zhì)時，采取法蘭跨接、系統(tǒng)接地等措施，防止靜電產(chǎn)生、積聚。
③  應(yīng)具有過熱保護(hù)功能，保溫設(shè)計符合SGBZ-0805的相關(guān)規(guī)定。
④  燃料供給系統(tǒng)設(shè)置高低壓保護(hù)和泄漏報警裝置；設(shè)安全可靠的火焰控制系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)等。燃燒器點火操作應(yīng)符合GB19839的相關(guān)規(guī)定。
⑤  管路系統(tǒng)和蓄熱燃燒裝置的防爆泄壓設(shè)計應(yīng)符合GB50160的相關(guān)規(guī)定。壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)置低壓保護(hù)和報警裝置。風(fēng)機(jī)、電機(jī)和置于現(xiàn)場的電氣儀表等設(shè)備應(yīng)防爆，等級應(yīng)不低于現(xiàn)場級別。
⑥  具備短路保護(hù)，接地電阻應(yīng)小于4Ω。安裝符合GB50057規(guī)定的避雷裝置。
6.設(shè)計案例
美國藍(lán)太克產(chǎn)品有限公司將MLM?蓄熱體用于RTO的設(shè)計參數(shù)與lin陶瓷矩鞍環(huán)的進(jìn)行了比較，如表4所示。
蓄熱燃燒裝置處理揮發(fā)性有機(jī)物廢氣的工藝設(shè)計重點是蓄熱體材質(zhì)和類型的選擇，確保能滿足熱回收效率和運行穩(wěn)定性；焚燒工藝的類型選擇要具有經(jīng)濟(jì)可行、符合企業(yè)實際；同時根據(jù)廢氣的具體情況選擇合適的燃燒溫度和配套設(shè)施。

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