蓄熱式熱氧化器轉(zhuǎn)化效率的研究

楊振華 馬曉馳 蔡鵬山 韓 潤

(天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司)

蓄熱式熱氧化器轉(zhuǎn)化效率的研究

楊振華*馬曉馳 蔡鵬山 韓 潤

(天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司)

對蓄熱式熱氧化器的轉(zhuǎn)化效率有影響的各個因素進(jìn)行了分析，通過建立實(shí)驗(yàn)平臺、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出溫度對蓄熱式熱氧化器轉(zhuǎn)化效率起決定作用，含氧量并不影響蓄熱式熱氧化器轉(zhuǎn)化效率，這為蓄熱式熱氧化器設(shè)備的設(shè)計提供了依據(jù)，并對其向更廣領(lǐng)域推廣奠定了基礎(chǔ)。

蓄熱式熱氧化器 溫度 轉(zhuǎn)化效率

揮發(fā)性有機(jī)廢氣(VOC)主要有碳?xì)浠衔锖秃械?、氧、硫及鹵素等的碳?xì)浠衔?，VOC主要來源于石化、煉油、工業(yè)噴涂、汽車制造、印刷及輕工等行業(yè)，其對環(huán)境的影響很大。大多數(shù)VOC有毒且有惡臭味，甚至有些是致癌物質(zhì)。在光照條件下，VOC還會和氮氧化物等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成光霧，嚴(yán)重影響人們的健康。目前處理VOC的方法主要有吸附法、吸收法、水洗、化學(xué)洗滌、生物洗滌、生物床及熱氧化法等，其中熱氧化法又包括直接燃燒法和熱力燃燒法、催化燃燒法。蓄熱式熱氧化器(Regenerative Thermal Oxidizer，RTO)就是熱力燃燒法的一種，由于RTO具有熱回收效率高、節(jié)能及操作費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，已被業(yè)界逐步認(rèn)同，成為處理有機(jī)廢氣的主要途徑。

1 蓄熱式熱氧化器裝置簡介

蓄熱式熱氧化器在處理有機(jī)廢氣方面顯示了獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，其基本工作原理是蓄熱氧化，即在一定的溫度下將VOC氧化成二氧化碳和水，反應(yīng)方程式為aCxHyOz+bO2→cCO2+dH2O。

典型的兩床式RTO主要由燃燒反應(yīng)室、兩個蓄熱室和切換閥組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。RTO啟動前先通過燃燒器對燃燒室和填料床進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱完成后，含有VOC的尾氣先進(jìn)入填料床A預(yù)熱，然后通過燃燒室，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填料床B冷凝，將熱量傳遞給陶瓷床B后，潔凈的氣體排入大氣，此過程為半個周期；半個周期結(jié)束后，閥門切換，含有VOC的氣體先通過陶瓷床B預(yù)熱，然后在燃燒室氧化放熱，再通過填料床A進(jìn)行熱交換放熱，放熱完成后，潔凈的氣體排入大氣，至此完成一個周期循環(huán)[1]。

圖1 典型兩床式RTO結(jié)構(gòu)示意圖

2 影響RTO轉(zhuǎn)化效率的因素

RTO性能的好壞主要由RTO的運(yùn)行費(fèi)用和RTO對VOC中有機(jī)廢氣的轉(zhuǎn)化效率來決定。由于RTO裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全自動控制，因此設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用主要取決于運(yùn)行的能耗。目前，RTO的熱回收效率都能達(dá)到95%以上，因此設(shè)備運(yùn)行中所需要的能耗完全取決于廢氣中有機(jī)成分的含量。一般如果廢氣中有機(jī)成分的含量達(dá)到0.450‰以上，RTO裝置就不需要額外的能耗，維持自己的正常運(yùn)行。影響RTO轉(zhuǎn)化效率的因素主要有廢氣在反應(yīng)室的駐留時間、反應(yīng)室的溫度和廢氣中氧氣的含量。

2.1廢氣在反應(yīng)室的駐留時間對RTO轉(zhuǎn)化效率的影響

氣體駐留時間的長短不但影響到RTO裝置的轉(zhuǎn)化效率，也關(guān)系RTO裝置的大小。在一定的反應(yīng)溫度下，氣體在燃燒室內(nèi)駐留的時間越長其轉(zhuǎn)化效率就越高，同時，RTO設(shè)備的體積也將越大。若不增加燃燒室的體積，也可將進(jìn)氣口的氣體流速減小，同樣可達(dá)到增加氣體駐留時間的目的，但這樣會降低RTO設(shè)備的處理量。通常在一定的處理氣量下，當(dāng)VOC達(dá)到其氧化溫度時，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，駐留時間取1.0～1.3s即可滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2廢氣中氧氣含量對RTO轉(zhuǎn)化效率的影響

RTO對VOC的處理過程其實(shí)就是將其在燃燒室內(nèi)氧化的過程，因此氧化過程中氧的含量對RTO裝置有著重要的作用。在一般情況下，工業(yè)廢氣中所含的氧氣完全能夠滿足VOC的氧化需求，但是在個別情況下，工藝尾氣中氧氣的含量會比較低，如生產(chǎn)對苯二甲酸(PTA)的工藝尾氣，其尾氣中氧氣的濃度不足5%。

2.3反應(yīng)室的溫度對RTO轉(zhuǎn)化效率的影響

反應(yīng)室溫度也是影響VOC氧化效率的主要因素之一。在沒有催化作用的條件下，要使VOC發(fā)生氧化分解反應(yīng)，其溫度必須控制在VOC的自燃溫度以上。但是在VOC當(dāng)達(dá)到自燃溫度時，并不能充分被氧化，通常認(rèn)為溫度越高其氧化效果好，但溫度升高，必然會增加能耗。

3 RTO裝置轉(zhuǎn)化效率模擬實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)簡介

筆者為了明確分析廢氣中氧氣的含量和反應(yīng)室溫度對RTO轉(zhuǎn)化效率的影響做了模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用模擬RTO實(shí)驗(yàn)臺(圖2)，用一氧化碳?xì)怏w模擬有機(jī)廢氣，檢測設(shè)備采用綜合煙氣分析儀器(英國KANE QUINTOX，編號：852057890)。

圖2 模擬RTO實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

3.2實(shí)驗(yàn)過程分析

為了消除時間對RTO轉(zhuǎn)化效率的影響，實(shí)驗(yàn)裝置必須嚴(yán)格控制氣體在反應(yīng)室的駐留時間，本裝置通過改變進(jìn)氣量和反應(yīng)室的體積來共同控制氣體在反應(yīng)室的駐留時間，其原理如下[2]：

(1)

(2)

式中q1——進(jìn)氣量，m3/h；

q2——排氣量，m3/h；

t——?dú)怏w在反應(yīng)室停留時間，s；

T1——進(jìn)氣溫度，℃；

T2——管壁溫度，℃；

V——反應(yīng)室體積，m3。

在實(shí)驗(yàn)開始時，先打壓檢測實(shí)驗(yàn)臺的氣密性，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，然后加熱爐升溫，保持加熱爐溫度為850℃。檢測調(diào)節(jié)完分析儀后，可根據(jù)檢測儀器手動調(diào)節(jié)氮?dú)?、氧氣和一氧化碳控制閥，使其在所需的范圍內(nèi)，當(dāng)檢測儀、流量計穩(wěn)定后打印檢測數(shù)據(jù)。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在溫度基本恒定的條件下，調(diào)節(jié)入口處氧氣和一氧化碳閥門的開度，待體積含量穩(wěn)定時，采集數(shù)據(jù)，測定結(jié)果見表1。

由表1可見，在溫度基本恒定、氧氣含量較低時，當(dāng)反應(yīng)室溫度大于850℃，在低氧含量的情況下，不同濃度的一氧化碳，其轉(zhuǎn)化率都能達(dá)到99%以上。這就說明氧氣的含量對轉(zhuǎn)化率沒有影響。

表1 恒定溫度不同的O2和CO體積比下CO的轉(zhuǎn)化率比較

在入口流量(7.45m3/h)、氧氣(3.1%)和一氧化碳(8.597‰)的體積百分比基本恒定的條件下，調(diào)節(jié)熱氧化爐的溫度，當(dāng)溫度比較穩(wěn)定時采集數(shù)據(jù)，測定結(jié)果見表2。

表2 恒定O2和CO體積比不同溫度下CO的轉(zhuǎn)化率比較

由表2可見，當(dāng)氧氣和一氧化碳含量固定時，不同溫度下一氧化碳的轉(zhuǎn)化率不同，溫度對一氧化碳的轉(zhuǎn)化率影響很大。當(dāng)溫度達(dá)到850℃以上時，一氧化碳的轉(zhuǎn)化率都大于99%，且溫度越高，轉(zhuǎn)化率也就越高；當(dāng)溫度低于850℃時，一氧化碳的轉(zhuǎn)化率急劇下降。由此可知，溫度對一氧化碳的轉(zhuǎn)化效率起著決定性作用。

4 結(jié)束語

RTO 裝置熱效率高、運(yùn)行可靠、維護(hù)費(fèi)用低且自動化程度高，目前需要處理的有機(jī)廢氣濃度普遍較高，不管是從環(huán)境保護(hù)還是資源節(jié)約的角度來看，有機(jī)廢氣的轉(zhuǎn)化效率是設(shè)備設(shè)計的主要因素。筆者對蓄熱式熱氧化器的轉(zhuǎn)化效率研究，為蓄熱式熱氧化器設(shè)備的設(shè)計提供了依據(jù)，同時更高有機(jī)廢氣轉(zhuǎn)化效率將會帶來更大的經(jīng)濟(jì)利益，對蓄熱式熱氧化器的推廣奠定了基礎(chǔ)。

[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.

[2] 董學(xué)軍.化工工藝設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

StudyofConversionRateofRegenerativeThermalOxidizer

YANG Zhen-hua, MA Xiao-chi, CAI Peng-shan, HAN Run

(TianhuaChemicalMachinery&AutomationInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730060,China)

The factors which affecting the regenerative thermal oxidizer’s(RTO) conversion rate were analyzed. Through setting up experimental platform to analyze the testing data, the conclusion that combustion chamber’s temperature plays decisive action on RTO’s conversion rate and the oxygen content without influence on the conversion rate was reached. This conclusion provides the basis for the RTO system design and extending its application scope.

RTO, temperature, conversion rate

*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)01-0042-03

2014-04-02，

2015-01-05)