一种多蓄热室旋转换向蓄热式有机废气焚烧炉的设计

一种多蓄热室旋转换向蓄热式有机废气焚烧炉的设计

0有机废气的处理随着制造和表面处理技术的发展，有机化合物（voc）在工业中的应用日益广泛。挥发性有机化合物大多数具有特殊的气味,能导致人体呈现种种不适,并具有毒性、刺激性、致癌作用;在阳光照射下,大气中的氮氧化物、碳氢有机化合物与氧化剂发生光化学反应,生成光化学烟雾,危害人体健康及作物生长,破坏臭氧层。近年来,人们的环保意识不断增强,对控制大气污染的要求日益提高。经济、有效地处理含有挥发性有机化合物的废气已经是迫切需要解决的问题。蓄热式有机废气焚烧炉(RegenerativeThermaOxidizer,简称RTO)最早出现在美国加利福尼亚州的一个金属成品厂的卷材连续涂覆线;由于其热回收效率的大幅度提高,在欧美国家迅速推广并应用于工业VOC废气的处理。经过30年的发展,RTO经历了两室到三室再到多室的发展历程。由于RTO在有机物破坏去除效率、适用范围和低运行费用等方面的优势,必将成为工业VOC废气处理的主要设备。1rto系统在教学中的改进方案北京科技大学研发人员在研究大量国外相关文献基础上,结合自身长期从事工业炉研究的经验,对现有蓄热式有机废气焚烧炉进行了改进,自主研发国内第一套多蓄热室旋转换向蓄热式有机废气焚烧炉系统。改进后的旋转换向RTO系统的结构和工作流程如图1、表1所示。目前所有的RTO系统,在设计中都采用进气和排气的流通通道截面积相同的方案。由于排气温度高于进气温度和VOC焚烧,排气体积流量约为进气体积流量的1.4倍;加之蓄热体高低温端的结构形式不同,导致在进气和排气的流通通道截面积相同情况下,排气压力损失约为进气压力损失的2倍。改进以后的RTO设计方案采用6个蓄热室,在保持进气通道截面积不变的同时增大排气通道截面积,在进气压力损失不变的前提下可以大幅度减小排气压力损失,从而减小RTO系统的流动压力损失。同时,改进以后的RTO设计方案将原来空置的蓄热室用于排气(排气通道截面积为进气通道截面积的1.5倍),不但可以使进气和排气时的流动压力损失得到平衡,还可以增加焚烧炉的处理能力,提高设备利用率。2扫描及免疫工艺有机废气焚烧炉设计最大处理含VOC废气能力为3000m3/h,管道系统如图2所示。管路系统中,阀门V1用于控制进入焚烧炉的有机废气流量;阀门V2用于控制直接排放有机废气流量;阀门V3用于控制有机废气中掺混空气的流量;阀门V4用于控制吹扫烟气流量;阀门V5用于控制焚烧炉压力和烟气流量。引风机最大流量5000m3/h,全压大于5000Pa。焚烧炉采用环形布局,分为6个蓄热室;2个蓄热室用于进气,3个蓄热室用于排气,1个蓄热室用于吹扫。这样的布置方案既结构紧凑,又能满足进气、排气和吹扫的要求。蓄热室内充填陶瓷蜂窝蓄热体,蓄热室流通面积为0.243m2;共放置5层蜂窝蓄热体,并预留增加2层陶瓷蜂窝蓄热体的空间。燃烧室内衬200mm绝热保温材料;设计燃烧室外壁温度低于70℃。焚烧炉炉体上设置2个安全防爆泄压阀和6个检修门;检修门用于充填蓄热体。启动助燃系统燃烧器选用美国MAXON公司出品OVENPAK燃烧器,自带风机和比例调节阀。焚烧炉启动时加热能力为1256040kJ/h,启动时间20~40min。为满足焚烧炉启动时的最大加热能力需求,采用4个液化气罐并联安装供气方案。此方案允许焚烧炉启动后正常运行时,可以关闭2个液化气罐(可以在运行中更换液化气罐)。燃气供应系统设置玻璃转子流量计旁路;在需要计量时,用于液化气实际消耗量的测量。设置独立的储气间存放液化气瓶,储气间配备换气通风设备和可燃气体检测报警装置。换向阀设计是保证焚烧装置性能的决定性因素。要求换向阀的泄漏量能够控制在3%以下。其核心问题是如何解决高温条件下旋转灵活和密封的矛盾。六位九通换向阀将6个蓄热室的进气、排气和吹扫的换向集于一体,采用旋塞阀结构。这样的结构既可以保证良好的密封性,又能满足阀体阀芯之间活动灵活的要求。阀体由气动执行器驱动,每30s转动一次;每次旋转60°,即实现一个蓄热室的换向。3有机废气焚烧烧烧厂多室蓄热式有机废气焚烧炉研制成功以后,随即应用于北京市房山区的一家工厂。该工厂生产精密抛光材料;蓄热式有机废气焚烧炉用于研磨带涂布生产过程产生的有机废气的处理。该工厂原有催化氧化焚烧炉,存在处理效果不理想、能耗比较高、更换产品时需要停机和需要更换价格昂贵的催化剂等问题,目前已停止使用。多室蓄热式有机废气焚烧炉于2009年7月完成安装调试工作;至今一直用于生产,运行状况良好;在正常运行的同时,进行了一系列实验研究。3.1焚烧温度和烧砖温度对voc破坏去除率的影响焚烧炉处理能力保持在1960m3/h,焚烧室温度在770~780℃的条件下,焚烧炉出口总VOC浓度、焚烧炉破坏去除效率随焚烧炉入口总VOC浓度的变化趋势如图3所示。由图3可见,焚烧炉出口总VOC浓度随焚烧炉入口总VOC浓度呈线性变化;焚烧炉破坏去除效率随焚烧炉入口总VOC浓度升高略有升高,但变化幅度很小,破坏去除效率基本上保持在95%以上。焚烧炉在入口VOC浓度低于2400mg/m3时可以满足国标GB16297—1996《大气污染物综合排放标准》对非甲烷总烃的排放要求。焚烧炉处理能力保持在1960m3/h,入口有机物浓度为5500mg/m3条件下,测得不同燃烧室温度下的VOC破坏去除率如图4所示。当焚烧温度低于760℃时,有机物破坏去除率随焚烧温度的增加而快速增加,基本上呈线性变化;焚烧温度在760~800℃时,有机物破坏去除率随焚烧温度的增加而增加的变化率急剧减缓;焚烧温度在800℃以上时,有机物破坏去除率基本不再随焚烧温度的增加而增加。图4中还将实验数据与数值计算得到的有机物破坏去除率随焚烧温度变化的规律进行了对比;实验数据与理论计算数据吻合较好。焚烧炉的运行温度应该达到770~780℃,才可以达到要求的有机物破坏去除率;在780℃以上的运行温度,有机物破坏去除率的提高非常有限,同时引起筑炉材料要求提高、能耗增加等问题。因此,此类焚烧炉的理想焚烧温度应控制在770~780℃之间。3.2u2004运行温度焚烧炉处理能力保持在1960m3/h,焚烧室温度在770~780℃的条件下,蓄热式焚烧炉稳定运行中液化石油气平均消耗量随焚烧炉入口总VOC浓度的变化趋势如图5所示。液化石油气平均消耗量随焚烧炉入口总VOC浓度的增加而减少,呈线性变化。常规焚烧炉液化石油气理论消耗量随焚烧炉入口总VOC浓度的变化趋势也标注于图5中;常规焚烧炉液化石油气理论消耗量通过计算得到,焚烧温度以770℃计算,废气预热温度以350℃计算。在入口VOC浓度为2400mg/m3时,蓄热式焚烧炉比常规焚烧炉节能约74%;在入口VOC浓度为5500mg/m3时,蓄热式焚烧炉节能约89%。焚烧炉处理能力保持在1960m3/h,入口有机物浓度为5500mg/m3条件下,测得不同燃烧室温度下的液化气消耗量和排烟温度如图6所示。在温度780℃以下时,随着焚烧温度的升高,燃料消耗量升高;这是由于焚烧温度低时VOC破坏去除率较低、VOC氧化释放热量少造成的。在温度高于780℃以上时,随着焚烧温度的升高,燃料消耗量升高,升高幅度较缓慢;这是由于在焚烧温度较高的区域,VOC破坏去除率基本不再随温度升高而升高,VOC氧化释放热量不再增加,而排烟带走的热量和炉体散失的热量却有所增加。由图6可见,排烟温度始终随焚烧温度的增加而增加;焚烧温度升高以后,炉内高温烟气的温度随之增加,而低温未处理有机废气的温度、流量保持不变,因此经过蓄热体换热以后的排烟温度也相应增加。由实验数据可见,焚烧炉的运行温度应该在770~780℃,此时燃料消耗量最低,同时可以达到满足使用要求的有机物破坏去除率;在780℃以上的运行温度,能量消耗显著增加,而有机物破坏去除率的提高非常有限。因此,此焚烧炉的理想焚烧温度应控制在770~780℃之间。3.3运行费用较高蓄热式有机废气焚烧炉因大幅度节能而直接带来巨大的经济效益。焚烧炉以每天工作8h、年运行300天,入口有机物浓度以2400mg/m3计算;处理能力为3000m3/h蓄热式有机废气焚烧炉年运行费用约3.98万元。目前实际应用较多的有机废气处理装置是热力焚烧炉。废气预热温度以350℃计算,处理能力为3000m3/h热力焚烧炉年运行费用约为15.86万元。建设处理能力为3000m3/h蓄热式有机废气焚烧炉的投资为25万元到30万元;而建设热力焚烧炉的投资为15万元到18万元。蓄热式废气焚烧炉与热力焚烧炉相比较,一次性投资多10万元到12万元,年运行费用少12万元;运行10个月到12个月之后,运行蓄热式废气焚烧炉节约的费用即可回收多出的投资费用。旋转换向蓄热式有机废气焚烧炉是减少大气污染和光化学污染的重要设备。如果能够推广,仅北京市每年可减少有机污染物排放3万t以上,社会效益显著。蓄热式废气焚烧炉比热力焚烧炉燃料消耗减少70%以上;前者年运行费用只有后者的25.1%,年节约运行费用约12万元。以北京市为例,如果全市有机废气排放企业都使用蓄热式焚烧炉,需要新建或改造蓄热式焚烧炉1000座以上,比使用热力焚烧