RTO燃燒室的流場與應(yīng)力分析

姚興安，劉虎禎，李寶榮

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)一般指沸點(diǎn)低于250 ℃的化學(xué)物質(zhì)，是比較常見的大氣污染物，主要來源于石化、制藥、汽車噴涂、家具涂裝等行業(yè)排放的有機(jī)廢氣，排放量已接近或超過NOx排放量，年排放量超過2 000萬噸[1]，在未來相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，VOCs肯定是監(jiān)管和處理重點(diǎn)。許多VOCs具有神經(jīng)、腎臟和肝臟毒性，甚至有致癌作用，能損害血液成分和心血管系統(tǒng)，誘發(fā)免疫系統(tǒng)疾病、內(nèi)分泌系統(tǒng)及造血系統(tǒng)疾病[2]。目前VOCs有很多種處理方式，主要包括催化氧化、活性炭吸附、催化焚燒等方法。根據(jù)VOCs廢氣產(chǎn)生特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)性，蓄熱式焚燒(RTO)技術(shù)具有凈化效率高、污染物分解徹底、換熱效率高、節(jié)能、阻力低、風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率小等優(yōu)點(diǎn)[3]，對處理VOCs有著較廣泛的應(yīng)用前景。而RTO最重要的結(jié)構(gòu)部分是氧化室，要保證廢氣流動分布均勻、一定的停留時(shí)間及結(jié)構(gòu)的可靠性，研究RTO氧化室的流場與應(yīng)力具有重要的意義。

1 RTO技術(shù)簡介

RTO技術(shù)是將廢氣中的揮發(fā)性有機(jī)污染物熱力氧化成二氧化碳和水的一種廢氣治理技術(shù)；其良好運(yùn)行的三要素為3Ts，即溫度(Temperature)、湍流度(Turbulence)以及停留時(shí)間(Time)，RTO設(shè)備的正常工作溫度為 760 ℃～800 ℃，同時(shí)RTO設(shè)備內(nèi)部需要保持較好的湍流度，使得 VOCs 廢氣在RTO設(shè)備中分布得較為均勻，避免局部高溫造成爆炸等事故的產(chǎn)生；最后，VOCs氣體污染物分子需要在高溫區(qū)停留一定時(shí)間才能取得較高的廢氣去除率。RTO設(shè)備可將廢氣燃燒放出的熱量存儲下來并用于未反應(yīng)廢氣的預(yù)熱，熱回收效率可達(dá)95%以上，從而節(jié)省廢氣升溫所需的燃料消耗。

2 RTO工作原理

蓄熱式熱氧化爐與傳統(tǒng)的催化燃燒、直燃式熱氧化爐相比，具有熱效率高(大于90%)、運(yùn)行成本低、能處理大風(fēng)量低濃度(相對于廢氣排放而言)等優(yōu)點(diǎn)。RTO裝置有兩室、三室及多室裝置，兩室RTO裝置VOCs的去除率在95%～98%，三室RTO裝置VOCs去除率可達(dá)到98%以上[4]。兩室RTO沒有吹掃工序，在進(jìn)行閥門切換時(shí)，部分VOCs廢氣沒有經(jīng)過處理直接排放，從而降低了VOCs的去除效率。多室RTO是在廢氣量非常大的情況下，為保證廢氣進(jìn)氣的均勻性，增加了同時(shí)進(jìn)氣和出氣的蓄熱室數(shù)量。目前三室RTO是主流實(shí)用裝置，較好地兼顧了效率和投資成本[5]。

三室RTO的工作原理是：揮發(fā)性有機(jī)廢氣經(jīng)過前處理的過濾器，去除廢氣中的漆霧等顆粒物，待處理的低溫廢氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入蓄熱室1，由燃料燃燒加熱至800 ℃左右，廢氣中的VOCs被氧化分解為二氧化碳和水[6]，并放出熱量；反應(yīng)后的高溫凈化氣從蓄熱室2進(jìn)入特殊結(jié)構(gòu)的陶瓷蓄熱體，絕大部分熱量被蓄熱體吸收貯存(熱效率≥95%)；經(jīng)降溫后的凈化氣一部分經(jīng)煙囪排放，另一部分被引回蓄熱室3，吹掃其中殘留的未處理廢氣；3個(gè)蓄熱室通過閥門切換依次執(zhí)行進(jìn)氣、吹掃、排氣的環(huán)節(jié)，進(jìn)行高效熱回收的同時(shí)，保證高效揮發(fā)性有機(jī)廢氣凈化效率，切換時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況可以調(diào)整，風(fēng)機(jī)由變頻器控制，以適應(yīng)不同的運(yùn)行工況。系統(tǒng)正常運(yùn)行后，待處理的低溫廢氣在蓄熱室內(nèi)已被預(yù)熱，同時(shí)揮發(fā)性有機(jī)污染物燃燒放出熱量，外加燃料的用量較少，從而達(dá)到節(jié)約能量的效果。具體工作原理及流程如圖1所示。

圖1 RTO工作原理圖

3 RTO燃燒室結(jié)構(gòu)尺寸

本公司研發(fā)的RTO燃燒室的三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，壁厚5 mm，燃燒室壁面材質(zhì)為Q235，加強(qiáng)筋材質(zhì)也為Q235。

圖2 燃燒室結(jié)構(gòu)三維圖

為減少設(shè)備、管道及其附件向周圍環(huán)境散熱或降低表面溫度，滿足節(jié)能要求的同時(shí)保障操作安全性和條件，對于介質(zhì)溫度高于60 ℃的管道、設(shè)備、室體均需要進(jìn)行保溫，保證外表面溫度不允許超過最高值50 ℃，不可實(shí)現(xiàn)區(qū)域設(shè)置防觸碰警示。

不同保溫材料具有不同溫度使用范圍和隨溫度變化的導(dǎo)熱系數(shù)。硅酸鋁棉及其制品是工業(yè)爐窯常用的保溫材料，耐溫可達(dá) 1 000 ℃～1 200 ℃，也是RTO常用的內(nèi)保溫材料。遵循通用化原則，方便后期外購和安裝的便捷性，此系統(tǒng)保溫材料全部選用硅酸鋁棉及其制品。管道和設(shè)備的保溫厚度主要取決于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，而導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化，可近似為與保溫內(nèi)外溫度的算術(shù)平均值Tm成線性關(guān)系。

根據(jù)《98R418 管道及設(shè)備保溫》進(jìn)行保溫厚度的計(jì)算，對于設(shè)備和管道，保溫厚度為：

(1)

式中：λ為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，取0.035 W/﹙m·℃﹚;α為保溫層外表面放熱系數(shù)，室外安裝時(shí)取8.141 W/﹙m2·℃﹚；To為介質(zhì)溫度，℃；Tα為環(huán)境溫度，取35 ℃；Ts為保溫層外表面溫度，取50 ℃。

由式(1)可知，保溫厚度δ=0.035/8.141×(800-50)/(50-35)=215 mm,本文設(shè)計(jì)的保溫厚度為250 mm。

RTO內(nèi)部溫度在實(shí)際運(yùn)行中保持在760 ℃～800 ℃，經(jīng)計(jì)算壁面安裝250 mm厚的保溫棉，材質(zhì)為硅酸鋁。本單位設(shè)計(jì)RTO的風(fēng)量為10 000 Nm3/h，燃燒室最大壓力可達(dá)到800 Pa(表)，燃燒室的設(shè)計(jì)尺寸如圖3所示。取截面中點(diǎn)的流動軌跡為廢氣流動軌跡，估算廢氣的停留時(shí)間。

圖3 RTO燃燒室設(shè)計(jì)尺寸

4 RTO樣機(jī)燃燒室流場分析

考慮到廢氣在氧化室的停留時(shí)間需要超過1 s，因此利用Solidworks軟件的流體仿真模塊得到廢氣在燃燒室的速度場。由于RTO的設(shè)計(jì)風(fēng)量是10 000 Nm3/h，而RTO燃燒室的最高溫度在800 ℃左右，因此設(shè)置燃燒室廢氣入口體積流量為10.918 m3/s，考慮到后期需要利用RTO爐膛高溫氣間接預(yù)熱脫附氣，需保證爐膛壓力在800 Pa(表),因此設(shè)置廢氣出口處靜壓為800 Pa(表)。由圖4可知，速度最大處為6.134 m/s，由于截面中點(diǎn)的路徑長度為6.83 m，因此廢氣停留時(shí)間大于1 s。由廢氣1 s時(shí)的流體跡線可知，大部分廢氣未離開氧化室，符合設(shè)計(jì)要求，與理論計(jì)算相符。

圖4 RTO燃燒室的流體1 s時(shí)的運(yùn)動跡線

5 RTO樣機(jī)燃燒室溫度場分析

為保證外表面溫度不允許超過最高值 50 ℃，需對RTO燃燒室的結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場分析。其中定義外壁的空氣溫度為35 ℃，熱交換系數(shù)為20 W/m2/K，保溫棉的內(nèi)表面溫度為800 ℃，熱交換系數(shù)為8 W/m2/K。由圖5可知，當(dāng)保溫棉厚度為250 mm時(shí)，RTO燃燒室外壁溫度大概在50 ℃以下，滿足了工業(yè)要求。

圖5 RTO燃燒室外壁面溫度分布(保溫厚度250 mm)

6 RTO樣機(jī)燃燒室應(yīng)力分析

考慮到后期需要利用RTO爐膛高溫氣間接預(yù)熱脫附氣，需保證爐膛壓力在800 Pa(表)。因?yàn)闋t膛承受一定的壓力，因此對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。考慮到RTO燃燒室外殼溫度大約在50 ℃，所以給外殼施加50 ℃的溫度載荷。RTO燃燒室內(nèi)壁面施加800 Pa(表)的壓力載荷，燃燒室與蓄熱室連接處采用固定約束，并考慮RTO燃燒室的重力載荷，應(yīng)力云圖如圖6所示，最大應(yīng)力為165 MPa<235 MPa,因此該結(jié)構(gòu)安全。圖7為RTO燃燒室外殼的變形圖，最大變形為23.9 mm。

圖6 RTO燃燒室應(yīng)力云圖

圖7 RTO燃燒室變形云圖

7 結(jié)束語

通過對RTO的燃燒室結(jié)構(gòu)的流場分析來驗(yàn)證本公司所設(shè)計(jì)的RTO結(jié)構(gòu)的燃燒室廢氣停留時(shí)間，流場分析結(jié)果表明，廢氣停留時(shí)間已經(jīng)超過1 s。

通過對RTO燃燒室結(jié)構(gòu)的溫度場分析來驗(yàn)證本公司所設(shè)計(jì)的保溫層厚度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證外表面溫度不允許超過最高值 50 ℃，結(jié)果分析表明，RTO外殼溫度符合安全要求。

通過對RTO燃燒室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析來驗(yàn)證溫度、氣壓對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響是否較大，分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，沒有發(fā)生破壞。