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VOCs废气蓄热焚烧工艺RTO设计要素解析

2020-03-16 16:36:25 东莞市中仁环保科技有限公司 阅读

蓄热式焚烧装置(RTO)是燃烧处理有机物污染废气,并利用蓄热体换热并用于废气本身升温的装置,是目前有效处理VOC废气的一种有效措施。

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一、适合RTO装置焚烧的废气情况

一般情况下,挥发性有机物浓度在25%LEL(可燃气体爆炸下限)以下、燃烧绝热温升在40℃以上的废气,均适合RTO装置处理。VOCs浓度小于2000mg/Nm³、致绝热燃烧温升低于40℃的需助燃,以提高其绝热温升至40℃以上的废气类型。

二、主要组成系统的工艺设计

蓄热式焚烧装置由蓄热室、燃烧室、换向阀和控制系统等结构组成。其主要组成系统的工艺设计包括:蓄热室床数选定、蓄热体材料和类型选取和蓄热体量的计算、空塔进气流速的确定;燃烧室的燃烧温度、烟气停留时间、燃烧器的选取;阀门切换时间;保温耐火材料的选取和数量计算;预处理措施和安全保障措施的配套等。

2.1工艺系统整体要求系统设计压降低于3000Pa。蓄热燃烧装置应进行整体内保温,外表面温度不高于60℃(部分热点除外)。环境温度较低、湿度较大时,有采取保温、伴热等防凝结措施。具有反烧和吹扫功能。

2.2蓄热室蓄热室是焚烧装置进行热量交换的空间,其具体结构和尺寸根据热回收效率要求、蓄热体结构性能、系统压降等因素计算确定。

2.2.1燃烧工艺和蓄热室数量的选定蓄热燃烧工艺可以分为固定式和旋转式蓄热燃烧等。固定式蓄热燃烧工艺有二室、三室、五室等,理论上蓄热室数量越多,净化效率越高,但设备投资或者占地也随之提高。旋转式RTO装置有旋转气缸型、盘型和旋转阀门型,其中旋转式RTO的结构除驱动区、分配区外,其余与固定式相同。一般情况下,燃烧工艺考虑三室固定式蓄热燃烧工艺的较多,占地有限制条件时可以考虑旋转阀门型等燃烧工艺。

2.2.2蓄热室热回收效率要求要求蓄热室对热回收效率不小于95%,主要是要控制排放气体的温度。热回收效率比较简单的计算方法处理废气热量的平衡方法,如进气温度在30℃,排气温度要求60℃,燃烧室的温度要求在800℃时,则热回收效率为96.1%,即(800-60)/(800-30)=96.1%。

2.2.3蓄热体

2.2.3.1蓄热体的基本要求

①要求比热容不低于750J/(kg·K),具有高比重。

②有足够的气体流通截面积,使气体分布均匀、阻力低。

③耐高温。RTO装置操作温度一般为750~950℃,因此一般要选用能耐1250℃温度以上的材质作为蓄热体,优先选用蜂窝陶瓷、组合式陶瓷等规整材料。

④良好的抗热震性能。其短时间可承受的高温冲击要求1250℃以上,使用寿命不低于40000h。

⑤在高温下有足够的机械强度和有抗高温氧化、耐化学腐蚀。

⑥价格应尽可能低廉。

2.2.3.2蓄热体材质与类型的选取目前在RTO装置中采用的陶瓷原材料主要有黏土、刚玉、莫来石、锆英石、钛酸铝和堇青石等。在RTO装置的蓄热室中,蓄热填充物主要类型有规整填料(如蜂窝填料和板波纹填料)和散堆填料(颗粒填料,如矩鞍环)两大类。

(1)   散堆填料主要有陶瓷矩鞍环其床层具有较大的空隙率,床层内多为圆弧形液体通道,具有高的比重和耐酸耐热性能。有关陶瓷矩鞍环产品的几何特性及相关参数表1。

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陶瓷矩鞍环与规整填料相比,优点是价格低廉,缺点是阻力比规整填料大,且填料边缘容易破碎,会造成床层空隙堵塞,使床层阻力大。如RTO装置中用陶瓷矩鞍环lin(25.4mm)作为蓄热体,为达到95%的换热效率,需2.44~2.74m高度的床层,切换时间为2min。

(2)   规整填料

①陶瓷蜂窝填料。气流在陶瓷蜂窝填料中各自通过平行的通道,互不相混,流动成层流状态,此状态下压降与气速成正比关系,因此,陶瓷蜂窝填料远比陶瓷矩鞍环的压降低。陶瓷蜂窝填料一般做成尺寸为150mm×150mm×300mm的柱状蓄热体,孔内壁厚度分0.42mm、0.6mm、1.0mm等,并整砌于蓄热室中。孔密度通常从13×13(孔数169)至60×60(孔数3600)不等。孔密度越大可提供较大的传热面积,从而提高热效率。陶瓷蜂窝柱是整砌在蓄热室中,为避免因局部受堵,目前有将陶瓷蜂窝柱的一个端面做成圆弧凹面。

②多层板片组合式陶瓷蜂窝填料。板片组合式的陶瓷蜂窝填料由多层板片构成,不采用直接挤压成型,而是先做成单个板片,然后将多层板片黏结在一起,经烧结而成为多层板片组合式的陶瓷蜂窝填料。该填料的每个薄片上开有沟槽,两片组合后构成内部相通的通道,使气流可以横向和纵向地通过填料。通常每片板厚约1.5mm,组成约305mm×305mm×102mm的块状蓄热体。MLM板片式蜂窝陶瓷的型号有MLM®-125、MLM®-160、MLM®-160-6、MLM®-180、MLM®-200、MLM®板-S及SR系列。

MLM®也是规整陶瓷填料,在同样应用条件下与传统的陶瓷矩鞍环相比,MLM®的床层压降减少50%,因其阻力比陶瓷矩鞍环低,能耗可节省30%,在现有的蓄热体中抗热能力是比较强的一种,容易在短时间内达到400℃的变化温度。陶瓷散堆填料(矩鞍环)和规整填料(Monolith和MLM®)的物理特性比较如表2所示。在达到相同的热效率条件下,MLM®所需的容积比Monolith少;在一定气速条件下,其压降比矩鞍环低。MLM®的价格比Monolith低,比矩鞍环高。用MLM®替代lin矩鞍环后,填料用量为lin矩鞍环的一半,在热效率和切换周期时间保持不变,处理能力可提高30%。

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2.3空塔进气流速与蓄热室截面对于一个已经固定蓄热床截面积的RTO,当进气空塔流速提高时,系统压损均随之增加;而热回收效率则随之降低。设计时一般蓄热室要求截面空塔风速不宜大于2m/s,当蓄热室截面风速和废气处理能力确定后,则蓄热室的截面积能确定。如焚烧炉处理风量为20000Nm³/h,蓄热室截面风速定为1.5m/s时,则每个蓄热室的截面积为3.7㎡,横截面可按选择的填料布置成正方形或长方形。

2.4蓄热体床层高度与总压降设计RTO装置时,设备的体积主要由蓄热床高度决定,风机功率由蓄热床总压降决定,表3为几种蓄热体的总压降数据。从表3的数据可以看出,不同的蓄热体,在相同的运行条件下,因床层高度带来的床层总压降差距较大。因此选择蓄热体是设计装置的重要因素之一。

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2.5蓄热室进出口气体温差

蓄热室进出口气体温差不宜大于60℃。

2.6燃烧室高温气体在燃烧室的停留时间

一般不宜低于0.75s,并根据停留时间确定燃烧室的容积与尺寸规格;燃烧室燃烧温度高于760℃。燃烧器根据辅助燃料类型、燃烧室结构、压力、待处理废气流量、装置启动时间等因素配置,具备温度自动调节的功能,符合GB19839的相关规定。一般来说,1万m³的气体可根据废气的热值情况选择25~60万kcal的燃烧器,如处理废气量10000 m³,采用沼气或天然气等气体燃料作为助燃剂,采用North American4425-5(25万kcal/h)燃气燃烧器,可调节比1∶30。如采用柴油作为助燃,采用美国NA5424-5(20万kcal/h)燃油比例调节式燃烧器,调节比1:10。RTO装置中使用的燃烧器主要产品有North American、ESApyronics、ECLIPSE、pyronics、MAXON等品牌。辅助燃料优先选用天然气、液化气、轻质柴油等清洁燃料。

2.7吹扫气体量

吹扫气体量一般按照处理废气量的10%计算,可以单独设置风机送新风。

2.8阀门与切换周期

(1)固定式燃烧工艺采用切换阀(包括吹扫)选用气动蝶阀,切换阀是固定式RTO装置进行循环热交换的关键部件,必须在规定的时间准确地进行切换,且保证泄漏量小(≤1%),寿命长(可达100万次),启闭迅速(≤1s)。RTO装置一般规定要求切换周期在90~180S。旋转式分配区的废

(2)旋转式燃烧工艺旋转分配阀是旋转式燃烧工艺的核心部件,采用回转式空气分配阀。具体可根据设计处理风量、风压、风嘴数量和阀芯转速要求来选择合适的空气分配阀。

三、保温耐火材料

要求质量轻、导热系数低(常温下导热系数低于0.03W/(m·k)、抗热震性好、化学稳定性强。一般情况下,装置的燃烧室及蓄热室内保温可采用耐火硅酸铝纤维,其耐热可达1200℃,绒重为220kg/m³。铺设时,燃烧室及蓄热室上部厚≤225mm,蓄热室进出风区厚≤120mm。保温层一般设三层,其中含两层硅酸铝纤维毡及一层硅酸铝纤维模块。硅酸铝纤维模块内设置耐热钢骨架,用锚固件固定在装置壳体上。

四、后处理要求

处理含氮有机物造成烟气氮氧化物排放超标时,采用选脱硝工艺进行后处理。当处理含硫或含卤素有机物产生二氧化硫、卤化氢时,采用吸收等工艺进行后处理。

五、安全措施要求

①  当废气浓度波动较大时,在前端采取稀释、缓冲等措施。

②  需在RTO装置与主体生产装置之间的管道系统中安装阻火器或防火阀。当进风、排风管道采用金属材质时,采取法兰跨接、系统接地等措施,防止静电产生、积聚。

③  应具有过热保护功能,保温设计符合SGBZ-0805的相关规定。

④  燃料供给系统设置高低压保护和泄漏报警装置;设安全可靠的火焰控制系统、温度监测系统、压力控制系统等。燃烧器点火操作应符合GB19839的相关规定。

⑤  管路系统和蓄热燃烧装置的防爆泄压设计应符合GB50160的相关规定。压缩空气系统设置低压保护和报警装置。风机、电机和置于现场的电气仪表等设备应防爆,等级应不低于现场级别。

⑥  具备短路保护,接地电阻应小于4Ω。安装符合GB50057规定的避雷装置。

六、设计案例

美国蓝太克产品有限公司将MLM®蓄热体用于RTO的设计参数与lin陶瓷矩鞍环的进行了比较,如表4所示。

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蓄热燃烧装置处理挥发性有机物废气的工艺设计重点是蓄热体材质和类型的选择,确保能满足热回收效率和运行稳定性;焚烧工艺的类型选择要具有经济可行、符合企业实际;同时根据废气的具体情况选择合适的燃烧温度和配套设施。

来源:VOCs治理减排技术



标签:   蓄热焚烧工艺