蓄熱式氧化器用陶瓷蓄熱體性能測試及對比

楊振華 蔡鵬山 韓 潤

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

蓄熱式氧化器用陶瓷蓄熱體性能測試及對比

楊振華**蔡鵬山 韓 潤

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

介紹了蓄熱式熱氧化器(RTO)主要使用的幾種陶瓷蓄熱體，并模擬RTO設備的運行，測試幾種蓄熱體的性能，對RTO設備的設計具有指導意義。

蓄熱式熱氧化器 陶瓷蓄熱體 熱效率 壓降

蓄熱式熱氧化器(Regenerative Thermal Oxidzer，RTO)是一種用于處理揮發性有機廢氣(VOC)的節能型環保裝置，考核RTO裝置的主要指標是熱效率和系統壓降，這兩項指標都與所用的陶瓷蓄熱體有密切關系。蓄熱體性能測試是在不同床層高度、不同流速和不同閥切換時間下測試不同陶瓷蓄熱體的熱效率和壓降，對蓄熱式換熱器及蓄熱式氧化器的設計等具有技術指導意義。筆者模擬RTO設備的運行，對4種陶瓷蓄熱體的熱效率和壓降進行了測試。

1 蓄熱式熱氧化器

典型的兩床式RTO結構示意圖如圖1所示。RTO啟動前先通過燃燒器對燃燒室和蓄熱床進行預熱；預熱完成后，含有VOC的尾氣進入蓄熱床A進行預熱，然后在燃燒室內VOC充分氧化放熱；氧化完成后潔凈的氣體通過蓄熱床B冷凝，將熱量傳遞給蓄熱床B后排入大氣，此過程為半個周期。半個周期結束后，閥門切換，含有VOC的尾氣先通過蓄熱床B進行預熱，然后在燃燒室內氧化放熱，最后通過蓄熱床A進行熱交換放熱，放熱完成后，潔凈的氣體排入大氣，至此完成一個周期。VOC高溫氧化產生的熱量除了滿足RTO自熱運行外，還有多余的熱量輸出，可將這些富余的熱量進行二次回收利用。

圖1 兩床式RTO結構示意圖

因陶瓷材料具有良好的耐高溫、抗氧化、耐腐蝕性能和足夠的機械強度，且其價格低廉，RTO設備都采用陶瓷材料作為蓄熱體。陶瓷蓄熱體的材料主要有黏土、剛玉、莫來石及堇青石等，常見的蓄熱體形狀主要有球形、鞍環狀、管狀、多層板片(或波紋板)和蜂窩狀[1]。目前蓄熱式熱氧化器常用的4種蓄熱體及其性能指標見表1。

2 陶瓷蓄熱體的性能測試

兩床式RTO測試模擬裝置的主體結構由燃燒室、兩個陶瓷蓄熱體蓄熱床和兩個切換閥組成，先將其加熱至工作溫度再進行測試?？諝?溫度為Tc)由引風機吸入后從蓄熱床A底部進入，空氣被加熱，至蓄熱床B床層表層時其溫度為Th；空氣通過蓄熱床B，該陶瓷床吸收空氣所帶的熱量，至床層底部時溫度降至To，然后通過切換閥排放。在達到規定的切換時間后閥切換，空氣再從蓄熱床B底部進入，空氣被加熱，至蓄熱床A床層頂層時其溫度為Th；空氣通過蓄熱床A，該陶瓷床吸收空氣所帶的熱量，至床層底部時溫度降至To，然后通過切換閥排放。如此周期性切換，就可以連續測試蓄熱床A和B的蓄熱能力，同時通過測壓系統的測試可得到陶瓷床在熱態工作溫度下的壓降ΔpH。

熱效率η的計算式為：

η=(Th-To)/(Th-Ti)

(1)

式中Ti——蓄熱床進口溫度，℃。

壓降ΔpH的計算式為：

ΔpH=Δp/H

(2)

式中H——蓄熱體床層高度，m；

Δp——蓄熱體床層總壓降，Pa。

在室溫條件下利用閥門調節空氣流速u，測得4種陶瓷蓄熱體的壓降ΔpH如圖2所示。從圖2可以看出： MLM-180、40×40孔蜂窩陶瓷和Lantecomb-H蓄熱體的壓降相差不大，而25mm 矩鞍環蓄熱體的壓降明顯高于前3種。這是由于MLM-180、40×40孔蜂窩陶瓷和Lantecomb-H蓄熱體的孔隙率相當，且都為規整蓄熱體，有直通的氣流通道，而25mm矩鞍環蓄熱體屬于散堆蓄熱體，無規則的氣流通道增大了氣體的壓降。

圖2 不同空氣流速下4種陶瓷 蓄熱體的壓降趨勢

在室溫條件下，將RTO測試裝置的燃燒室溫度升至850℃后，使空氣流速分別為1.0、1.2、1.5m/s，切換閥切換時間分別為60、90、120、180、240s，測試該條件下左右反應室的溫度、空氣進/出口溫度、空氣進/出口流量和蓄熱床壓降，并通過記錄儀記載實驗數據，按式(1)、(2)分別計算各蓄熱體在不同床層高度、不同氣體流速和不同切換閥切換時間下的熱效率和壓降。床層高度為1.5m、切換閥切換時間為60s時4種陶瓷蓄熱體的熱效率和壓降趨勢如圖3所示。

從圖3可以看出：在相同床層高度、切換時間和氣體流速條件下，4種陶瓷蓄熱體的熱效率大小為Lantecomb-H>40×40孔蜂窩陶瓷>MLM-180>25mm矩鞍環，壓降大小為Lantecomb-H>25mm矩鞍環>40×40孔蜂窩陶瓷>MLM-180。

a. 熱效率

b. 壓降圖3 不同空氣流速下4種陶瓷 蓄熱體的熱效率和壓降趨勢

對于同一種蓄熱體，空氣流速增大時，蓄熱體熱效率降低，壓降增大；床層高度增高時，熱效率升高，壓降增大；切換時間增加時，蓄熱體熱效率降低，但壓降基本沒有變化。

根據目前VOC處理情況，RTO的設計要求為：VOC去除率為99%；蓄熱體熱效率為95%；為了延長閥門壽命，通常一個周期的切換時間為180s。根據此情況，對4種陶瓷蓄熱體的使用性能做了對比(表2)。

表2 4種陶瓷蓄熱體的物理性能和傳熱性能比較

3 結束語

在設計RTO設備時，設備的體積主要由床層高度決定，風機的大小主要由蓄熱床總壓降決定。選用25mm 矩鞍環蓄熱體作為蓄熱床時，設備體積和風機較大，設備的經濟性較差，因此目前大多數RTO設備設計時使用MLM-180、40×40孔蜂窩陶瓷和Lantecomb-H蓄熱體作為蓄熱床，并在蓄熱床底部和頂部鋪一層25mm矩鞍環蓄熱體，以此來分散氣流。

[1] 陸震維. 有機廢氣的凈化技術[M]. 北京：化學工業出版社，2011.

聲明

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PerformanceTestandComparisonofCeramicRegeneratorinRegenerativeThermalOxidizer

YANG Zhen-hua, CAI Peng-shan, HAN Run

(TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730060,China)

Some ceramic regenerators for RTO (regenerative thermal oxidizer) system were described; and their performance were tested in simulating RTO operation. It has guiding significance to the RTO design.

RTO, ceramic regenerator, heat efficiency, pressure drop

**楊振華，男，1982年10月生，工程師。甘肅省蘭州市，730060。

TQ052.6

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0254-6094(2015)02-0196-03

2014-06-16)