蓄热式有机废气焚烧炉的数值模拟

蓄热式有机废气焚烧炉的数值模拟

洗衣粉产品的后续加工技术正在延长，洗衣粉产品中涂层板的比例正在逐渐增加。在彩涂板生产过程中，提取有机化合物（voc）的使用越来越多，导致了巨大的有机污染。许多代谢有机化合物具有特殊的味道，这可能会导致各种不健康行为、毒性、刺激性和致癌性。在阳光下，气氛中的氮、碳氢有机化合物和催化剂发生光化学氧化，导致光化学烟雾，危害人体健康和植物的生长，破坏臭氧层。必须有效处理包括废水在内的有机化合物的污染。蓄热式有机废气焚烧炉(regenerativethermaloxidizer,RTO)最早出现在美国加利福尼亚州一个金属成品厂的卷材连续涂覆线中,当时的设备较简单,处理容量较小,有机物的破坏和去除效率也不是很高.RTO系统由于其热回收效率的大幅度提高,在欧美国家迅速推广应用于工业VOC废气的处理.RTO在我国的研究和应用较少,在提高有机物破坏去除效率、扩大适用范围和降低运行费用等方面还有待探索.1工艺系统作流程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和表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设计方案采用六个蓄热室,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稳态流场计算方法模拟对象设计技术条件如下:废气处理能力3000m3·h-1;有机溶剂最大消耗量25kg·h-1;有机溶剂成分(质量分数)为甲苯45%,丁酮40%,乙酸乙酯15%;废气入炉温度100℃;废气入炉压力为常压;废气处理温度为760℃.在数值模拟时,湍流流动模型采用标准k--ε模型;燃烧模型采用涡团耗散模型(简称EDM模型);NOx生成模型采用简化的概率密度函数模型(简化PDF模型).在计算中,还作以下三点假设:假设化学反应全部在燃烧室内发生,在预热区和冷却区的蓄热体内,化学反应忽略不记.假设废气中的有机物成分为甲烷;目前绝大多数有机物的化学反应机理并不清楚,只有甲烷、丙烷和丁烷等少数物质的化学反应可以计算.忽略燃烧室内的辐射传热.稳态流场计算的边界条件设置如下:入口速度为抛物面分布;壁面光滑,非滑移表面;导热系数0.25W·m-2·K-1;外壁温度70℃;入口温度550℃,入口质量流量0.9875kg·s-1,入口有机物质量分数0.00696,入口氧气质量分数0.232.计算网格采用结构化方法生成的六面体网格;对壁面和顶点处的网格进行加密;节点数519849,单元体(六面体)数497500,平面数44200.3数值模拟结果和分析3.1入口温度影响废气预热温度对破坏去除率的影响如图2所示.当废气预热温度低于500℃时,燃烧室温升、燃烧室出口温度和有机物破坏去除率都随入口温度升高而升高;当废气预热温度在500～550℃时,燃烧室温升、燃烧室出口温度和有机物破坏去除率随入口温度变化的趋势减缓;当废气预热温度高于550℃时,燃烧室出口温度与入口温度的变化幅度相同,燃烧室温升、有机物破坏去除率基本不随入口温度变化而改变.由此也见,温度是影响破坏去除率的直接因素;必须满足燃烧温度高于自燃温度的条件,才可能获得较高的有机物破坏去除率.温度场计算结果显示:当废气预热温度低于500℃时,未达到甲烷的自燃温度,化学反应缓慢,燃烧室温度场分布极不均衡,燃烧室温升较低且不均匀,导致有机物破坏去除率较低;当废气预热温度高于550℃时,达到甲烷的自燃温度,化学反应加剧,燃烧室温度场分布均匀,燃烧室温升较高,导致有机物破坏去除效果较好.甲烷、一氧化碳浓度场计算结果显示,当废气预热温度低于500℃时,未达到甲烷、一氧化碳的自燃温度,化学反应缓慢,甲烷、一氧化碳浓度场分布不均衡,甲烷、一氧化碳出口浓度较高;当废气预热温度高于550℃时,达到甲烷、一氧化碳的自燃温度,化学反应加剧,甲烷、一氧化碳浓度场分布均匀,甲烷、一氧化碳出口浓度低.一氧化碳浓度场计算结果显示,一氧化碳是在甲烷氧化过程中先生成,随后又氧化消除的.与温度场计算结果对比显示,一氧化碳得到充分氧化的燃烧室温度在700℃以上,略高于一氧化碳的自燃温度652℃.3.2入口有机物质量浓度和燃烧温室升-水氧指标场实验结果焚烧炉入口有机物质量浓度对破坏去除率的影响如图3所示.当燃烧室入口有机物质量浓度低于3.33g·m-3时,燃烧室温升、燃烧室出口温度、有机物破坏去除率都随入口质量浓度升高而缓慢升高;当燃烧室入口有机物质量浓度在3.33～4.17g·m-3时,燃烧室温升、燃烧室出口温度和有机物破坏去除率随入口质量浓度升高而急剧升高;当燃烧室入口有机物质量浓度高于4.17g·m-3时,燃烧室温升、燃烧室出口温度随入口质量浓度升高而缓慢升高,有机物破坏去除率随入口温度变化而改变的幅度很小.当燃烧室入口有机物质量浓度较低时,有机物破坏去除率较低是由一氧化碳未完全氧化引起的.温度场计算结果显示当燃烧室入口有机物质量浓度5g·m-3时,化学反应剧烈,燃烧室温度场分布均匀,燃烧室温升较高,导致有机物氧化效果好.当燃烧室入口有机物质量浓度3.75g·m-3时,燃烧室温度场分布不均衡,燃烧室温升较低且不均匀,未达到一氧化碳的自燃温度,化学反应缓慢,导致有机物破坏去除率较低.由此也验证温度是影响破坏去除率的直接因素;有机物质量浓度是通过影响燃烧室温升和燃烧室温度而间接影响破坏去除率.甲烷、一氧化碳浓度场计算结果显示,当燃烧室入口有机物质量浓度5g·m-3时,化学反应剧烈,燃烧室温度场分布均匀,燃烧室温升较高,达到甲烷、一氧化碳的自燃温度,化学反应剧烈,甲烷、一氧化碳浓度场分布均匀,甲烷、一氧化碳出口浓度低;当燃烧室入口有机物质量浓度3.75g·m-3时,燃烧室温度场分布不均衡,燃烧室温升较低且不均匀,未达到一氧化碳的自燃温度,化学反应缓慢,甲烷、一氧化碳浓度场分布不均衡,甲烷、一氧化碳出口浓度较高.一氧化碳是在甲烷氧化过程中先生成,随后又氧化消除的;如果入口甲烷浓度较低时,即使达到甲烷的自燃温度,但是燃烧室温升低,可能因未达到一氧化碳的自燃温度而导致出口一氧化碳浓度极高.3.3氧质量分数对voc破坏去除率的影响在模拟中,还研究了氧质量分数变化对VOC破坏去除率的影响.焚烧炉入口氧质量分数对破坏去除率的影响如图4所示.当氧质量分数超过0.03时,即可保证有充足的氧气参加化学反应,氧质量分数不再影响VOC破坏去除率.在实际应用条件下,氧质量分数一般为0.05～0.21,始终满足有机物充分燃烧的需要.4垃圾焚烧烧炉的实验研究北京科技大学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处理.厂中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.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.焚烧炉处理能力保持在1960m3·h-1,焚烧室温度在770～780℃的条件下,焚烧炉不同工况下计算破坏去除率与实测破坏去除率的对比如表2所示.由表2可见,各工况下的破坏去除率实测值与计算值比较接近,基本达到了计算预期的有机废气处理效果.实测值比计算值略低1%～3%,这可能是由于实测值会受到换向阀门间隙的泄漏、换向期间的直接排放等影响,而在模拟中无法考虑以上因素.5温度和有机废气入炉温度和浓度影响去除率的测定(1)焚烧炉炉膛温度是影响破坏去除率的根本因素,炉膛温度必须