中儲能、釋量的動(dòng)態(tài)過(guò)程,進(jìn)行理論計算,根據RTO的閥門(mén)切換時(shí)間,來(lái)描繪出蓄熱體在釋放的過(guò)程、以及蓄熱體在回收能力的過(guò)程中,預熱氣體的溫度與排放氣體的溫度與時(shí)間之間的曲線(xiàn),并根據給出平均熱效率。在工程運用中提出近似經(jīng)驗參數進(jìn)行初步選型設計.
當前,隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展,環(huán)境問(wèn)題日益凸出,目前環(huán)境問(wèn)題中,主要包括三大類(lèi),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(lái)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(kāi)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,又能節能的目的,近些年市場(chǎng)上出現大量處理工藝,包括等離子工藝,光催化工藝,焚燒工藝等等。
目前經(jīng)過(guò)多年的實(shí)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備就是被市場(chǎng)認可的一種治理工藝。
RTO(RegenerativeThermalOxidizer)是蓄熱式熱力氧化處理裝置的簡(jiǎn)稱(chēng)。工作原理是把廢氣通過(guò)儲能的陶瓷蓄熱體預熱后再加熱,保證廢氣達到760℃及以上的高溫,在氧化室中分解成CO2和H20。氧化后產(chǎn)生的高溫煙氣通過(guò)特制的蜂窩陶瓷蓄熱體,使陶瓷升溫而蓄熱,從而使爐腔始終維持在很高的工作溫度,節省廢氣預熱、升溫的燃料消耗。陶瓷蓄熱部分由兩個(gè)或兩個(gè)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(shí)時(shí)體現出切換的時(shí)間與運行狀態(tài)的關(guān)系,并采用EXCEL表格,模擬出近似曲線(xiàn),通過(guò)曲線(xiàn)描述出平均的熱效率。
從二十世紀七十年代,一臺RTO設備出現開(kāi)始,到現在蓄熱體型式有了較大的發(fā)展,初,采用鋪設橢圓鵝卵石作為蓄熱體,鵝卵石作為早的蓄熱體材料,主要是當時(shí)的技術(shù)人員發(fā)現其儲存較多熱量,材料比較普遍,通過(guò)試驗后確定了蓄熱的效果,然后開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)化應用。在實(shí)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(guò)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,導致蓄熱床層受熱和放熱不均,效率差。再一個(gè),鵝卵石不能抗高溫和溫度波動(dòng),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)標準化生產(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。
在RTO運行的時(shí)候可以看到以下現象,在RTO升溫完畢進(jìn)入正常運行的時(shí)候,在閥門(mén)切換的時(shí)間段內,RTO進(jìn)氣倉內,出蓄熱體的氣體溫度剛開(kāi)始是接近爐膛溫度,隨著(zhù)時(shí)間的推進(jìn),溫度會(huì )越來(lái)越低,到切換的時(shí)間時(shí)達到溫度低點(diǎn)。而RTO出氣倉中的溫度,出蓄熱體的氣體溫度隨著(zhù)時(shí)間推移會(huì )越來(lái)越高。蓄熱體的平均熱效率(包括預熱過(guò)程的熱效率以及蓄熱過(guò)程的熱回收效率)與RTO切換閥的切換周期間隔息息相關(guān),設想當時(shí)間足夠長(cháng),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(dòng)現象,當爐膛中的高溫氣體通過(guò)陶瓷蓄熱體時(shí),氣體中的熱量通過(guò)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(guò)程,儲能完畢后RTO切換閥門(mén),此蓄熱體進(jìn)入溫度較低的氣體,氣體在蓄熱體中通過(guò)對流換熱,把儲在其中的熱量換到較冷的氣體中,盡可能的達到爐膛的溫度,如此可大減少爐膛內的直接加熱,可以降低RTO燃燒器的功率,達到節能的目的。
可以發(fā)現,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(gè)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),再到現在的規整填料,都是提高比表面積,同時(shí)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(shí)際的工程運用價(jià)值,規整蜂窩陶瓷蓄熱體的氣孔尺寸根據幾十年的實(shí)際工程運用經(jīng)驗,形成了常規的50cpsi(每平方英寸上的孔數)規格,目前較為常規的單塊蓄熱體尺寸為150*150*150mm或者150*150*300mm的正方體或長(cháng)方體型。在150邊長(cháng)上開(kāi)有40個(gè)左右小孔,氣流壓降控制在1500pa/米左右,若將孔數擴大到400cpsi,150邊長(cháng)上有120個(gè)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況面風(fēng)速1.2Nm/s條件下進(jìn)行的),工程上缺少實(shí)際運用的可能性。運用較為成熟,高,效果好的,經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐,普遍為150mm邊長(cháng)有40個(gè)孔的蓄熱體,兼顧了經(jīng)濟型,成品率,效果等多個(gè)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(shí)達不到宣傳的高工作溫度,藍太克公司會(huì )特別告知蓄熱體正常運行溫度不要超過(guò)950℃。
蜂窩陶瓷蓄熱體從開(kāi)發(fā)出來(lái)即面臨堵孔的問(wèn)題,藍太克公司開(kāi)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(wèn)題,工程實(shí)踐中具有非常好的效果。
運用多的為SHC-40規格,成為RTO蓄熱體的主流產(chǎn)品。其它規整蓄熱體也以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(shū)中,引用了德國人H.Hausen所做的數學(xué)模型,將蓄熱體的傳熱計算,轉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。
當無(wú)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,當切換時(shí)間越長(cháng),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(lái)計算。
蓄熱體需用的量的計算過(guò)程如下:
a.根據蓄熱體的規格參數,計算出比較面積m2/m3;b.設定所需要的熱效率,比如95%;c.設定爐膛溫度,如780℃;d.設定廢氣溫度,如25℃;e.設定廢氣風(fēng)量,設置進(jìn)入蓄熱式的風(fēng)速;f.根據熱效率公式,可得到出蓄熱式的溫度to;g.根據對流換熱系數公式,計算出換熱系數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,并且考慮爐膛內熱輻射影響的換熱系數,參考《傳熱學(xué)》,參考王秉銓編撰《工業(yè)爐設計手冊》中,對流換熱器的的綜合換熱系數的計算公式。i.計算周期內蓄熱體吸熱的熱量,及放熱的熱量,即進(jìn)出蓄熱體的氣體的溫差的,選取數值高的Q。j.根據蓄熱體的比表面積,可得出蓄熱體體積,參照蓄熱體的單塊尺寸,根據設計的廢氣進(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(guò)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(shí),只需要一半即可。因為蓄熱體蓄熱和放熱分別在2個(gè)室體內進(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(shū),有詳細的計算過(guò)程,這里不做過(guò)多闡述。
4陶瓷蓄熱體周期內熱效率分析
當我們通過(guò)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格尺寸,實(shí)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,需要調整出佳的周期切換時(shí)間,即對周期時(shí)間內各個(gè)瞬時(shí)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(xiàn)來(lái)進(jìn)行研究以及可指導調試。
4.1計算原理:?jiǎn)挝粫r(shí)間dt內,高溫煙氣進(jìn)入蓄熱體內,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(shí)間dt求導,則得出對應不同時(shí)間的熱量分布情況。可計算出熱效率。
4.2計算方案:RTO蓄熱體的交替切換工況導致運行的波動(dòng)性,實(shí)際計算時(shí),根據動(dòng)態(tài)的方案進(jìn)行則會(huì )比較困難,現根據理論工況,可基于如下兩個(gè)前提假設后再進(jìn)行計算:
首先,不考慮蓄熱體的來(lái)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進(jìn)行分析,但是氣體進(jìn)蓄熱體的持續時(shí)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)出的這種非穩態(tài)周期變動(dòng)的工況。基于以上兩步的設定后,分別對蓄熱室和放熱室的蓄熱體進(jìn)行計算,通過(guò)傳熱學(xué)的基本算法,計算出隨著(zhù)時(shí)間的推移,陶瓷蓄熱體內的熱量狀況,以及氣體出陶瓷蓄熱體時(shí)的溫度,可研究的瞬態(tài)的工況。
5結論
通過(guò)傳熱學(xué)原理可以模擬出蜂窩蓄熱床的蓄熱放熱過(guò)程,非常貼近實(shí)際的工況,在適當的范圍內,利于工程實(shí)際的指導運用,便于實(shí)際工程中選型、工藝設計及成本核算等方面的工作。