典型三床RTO設(shè)備燃爆危險(xiǎn)性數(shù)值模擬研究*

湯振東，郭 聳，程 洋，貢 顥

(南京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院安全工程系，江蘇 南京 210018)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，不可避免地帶來(lái)許多環(huán)境問(wèn)題，如北方冬季常出現(xiàn)的霧霾天氣。有學(xué)者指出霧霾的生成與石化生產(chǎn)形成的大量揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile organic compounds，下文簡(jiǎn)稱“VOCs氣體”)密切相關(guān)[1]。VOCs氣體對(duì)環(huán)境和人體都有一定危害，其是由臭氧(O3)和二次氣溶膠(SOA)混合形成的關(guān)鍵前驅(qū)物，是霧霾的前身，也是形成光化學(xué)煙霧的重要誘因，人體長(zhǎng)期吸入會(huì)對(duì)免疫系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)等造成嚴(yán)重影響[2]。為加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，高效處理VOCs氣體成為近期研究的熱點(diǎn)。目前，常用處理方法包括冷凝法、高溫燃燒法、溶液吸收法以及吸附法等[3]。隨著我國(guó)對(duì)VOCs氣體排放要求不斷提高，不少企業(yè)開(kāi)始采用蓄熱式廢氣焚燒爐(Re-generative Thermal Oxidizer，RTO) 進(jìn)行廢氣末處理[4]。三床RTO因其技術(shù)成熟、處理效果好、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)VOCs氣體處理中應(yīng)用廣泛，但三床RTO裝置配備成本較高，企業(yè)一般不會(huì)配備多臺(tái)三床RTO，而是將多種廢氣匯總后統(tǒng)一焚燒。在RTO高溫氧化廢氣時(shí)，由于VOCs氣體中含有不止1種廢氣，且大都屬于易燃易爆氣體，在運(yùn)行參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，將可能會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故，例如2015年江蘇某RTO裝置因真空泵故障導(dǎo)致進(jìn)氣速度大幅度波動(dòng)，VOCs氣體燃燒不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致其先后2次發(fā)生爆炸，造成直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)100萬(wàn)元[5]；2019年，某制藥廠RTO因未關(guān)閉甲醇蒸餾釜蒸汽閥，導(dǎo)致大量甲醇蒸汽涌入風(fēng)道形成爆炸性混合可燃?xì)怏w，引發(fā)RTO爆炸[6]。因此，如何確定RTO在各種運(yùn)行工況下的危險(xiǎn)性以及如何保證其安全穩(wěn)定的運(yùn)行需要1套切實(shí)可行的評(píng)價(jià)依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于RTO使用燃爆安全性研究也經(jīng)常采用數(shù)值模擬手段進(jìn)行。Xiao等[7]通過(guò)蓄熱式熱氧化器模擬和實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)比分析得出誤差率僅有5%，驗(yàn)證了RTO數(shù)值模擬的正確性。目前，已有研究主要集中在2個(gè)方面，即蓄熱室的蓄熱過(guò)程和燃燒室的燃燒過(guò)程[8]。例如，Huang等[9]通過(guò)Fluent軟件模擬了兩床蓄熱式氧化器內(nèi)異丙醇的燃燒過(guò)程，分析了加熱區(qū)溫度和氣體速度等因素對(duì)蓄熱式熱氧化器處理效率的影響；Morrone等[10]通過(guò)Fluent一維建模，分析了蓄熱體高度對(duì)流化床和固定床的影響；Giuntini等[11]利用一維瞬態(tài)模型與三維流場(chǎng)數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，得到了RTO燃燒室內(nèi)部的流場(chǎng)；Timothy等[12]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)甲烷在穩(wěn)態(tài)情況下的燃燒情況進(jìn)行研究，得出化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)氣質(zhì)量濃度也是正相關(guān)；劉長(zhǎng)軍等[13]采用Fluent軟件模擬RTO燃燒室內(nèi)苯氣體的爆炸及其泄爆過(guò)程，分析了點(diǎn)火位置和泄爆位置對(duì)燃燒室內(nèi)壓力的影響；Choi等[14]利用Fluent軟件模擬了穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)情況下苯、甲苯、二甲苯在三床RTO燃燒室內(nèi)的燃燒過(guò)程，得到CO和NO在RTO中心線上的分布;Choi等[14]利用Fluent軟件模擬研究了穩(wěn)定和不穩(wěn)定流場(chǎng)下三維RTO裝置中煙道氣體的溫度、壓力和組成;王紅紅[15]利用Fluent軟件模擬了二床蓄熱式熱氧化器內(nèi)苯的燃燒過(guò)程，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流量和過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)苯破壞去除率的影響最大。綜上所述，基于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的三床RTO裝置，對(duì)多組分混合廢氣的燃燒模擬研究較少，且進(jìn)氣速度和氣體含量對(duì)于燃燒室內(nèi)壓力變化的影響研究未見(jiàn)報(bào)道。因此，本文針對(duì)現(xiàn)有常用三床RTO裝置建立模型，以苯、甲苯、二甲苯、空氣混合廢氣為研究對(duì)象，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法模擬研究苯、甲苯、二甲苯混合廢氣在三床RTO中的爆炸過(guò)程，分析進(jìn)氣風(fēng)量、混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比等因素對(duì)于燃燒室內(nèi)壓力峰值變化的影響，以期可為蓄熱式廢氣焚燒爐的安全設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 理論模型的建立

1.1 物理模型的建立

參考濟(jì)南某公司制造的三床RTO裝置，設(shè)定長(zhǎng)10 m，高5 m，主要分上下2部分，上部為燃燒室用于氧化廢氣，下部為蓄熱室用于儲(chǔ)存燃燒產(chǎn)生的熱量，可對(duì)后續(xù)進(jìn)入的氣體進(jìn)行預(yù)熱。根據(jù)其結(jié)構(gòu)參數(shù)按1∶1比例建立蓄熱式廢氣焚燒爐三維模型，用來(lái)模擬混合廢氣氣體燃燒及爆炸過(guò)程，如圖1所示。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為3 168 308，網(wǎng)格質(zhì)量0.85。

圖1 物理模型示意Fig.1 Schematic diagram of physical model

壁面設(shè)置為絕熱壁面條件，蓄熱室壁面溫度673 K，用于模擬蓄熱室對(duì)氣體的預(yù)熱；燃燒溫度設(shè)為1 373 K，用于模擬RTO中燃燒室內(nèi)實(shí)際溫度條件；燃燒室壁面溫度常溫298 K；選擇速度入口邊界條件，進(jìn)氣溫度保持300 K不變，氣體進(jìn)出口壓力為0 MPa(表壓)，即大氣壓。同時(shí)在點(diǎn)火源周?chē)贾帽O(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)燃燒室內(nèi)爆炸壓力的變化，坐標(biāo)為(0，4.5，5) m。

1.2 計(jì)算模型的建立

苯、甲苯、二甲苯混合廢氣的爆炸燃燒過(guò)程是1個(gè)復(fù)雜的湍流燃燒過(guò)程，模擬中選擇Realizek-ε模型[16]作為湍流模型，有限速率模型作為燃燒模型，自定義化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行反應(yīng)物及生成物的輸運(yùn)組分方程求解，如式(1)～(3)所示，通過(guò)渦耗散模型(Eddy-Dissipation)將反應(yīng)速率作為源項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

(2)

(3)

按照苯、甲苯、二甲苯等的混合比例為1∶1∶1、混合可燃?xì)怏w與空氣的摩爾占比為0.05進(jìn)行初始化設(shè)置，壓力和速度采用SIMPLEC (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations-Consistent) 算法求解，數(shù)值計(jì)算采用非定常求解器求解。

2 蓄熱式廢氣焚燒爐內(nèi)部燃燒及爆炸過(guò)程的分析

2.1 進(jìn)氣風(fēng)量對(duì)蓄熱式廢氣焚燒爐爆炸過(guò)程的影響

為了模擬和分析蓄熱式廢氣焚燒爐內(nèi)部燃燒過(guò)程，根據(jù)模擬選用的三床蓄熱式廢氣焚燒爐設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況，保持RTO裝置內(nèi)部各氣體含量不變，以10 000，30 000 m3/h為界限確定進(jìn)氣風(fēng)量，即選擇300，1 500，3 000，10 000，15 000，21 000，30 000，45 000 m3/h，研究進(jìn)氣風(fēng)量處于一般運(yùn)行工況、低于運(yùn)行工況、高于運(yùn)行工況時(shí)RTO內(nèi)的燃燒過(guò)程，為了清晰表示不同進(jìn)氣風(fēng)量下燃燒室內(nèi)的燃燒過(guò)程，截取不同時(shí)間下的溫度云圖，結(jié)果如圖2所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線、不同進(jìn)氣風(fēng)量下的峰值超壓及到達(dá)峰值超壓的時(shí)間，如圖3所示。

圖2 蓄熱式廢氣焚燒爐內(nèi)溫度分布情況Fig.2 Temperature distribution in regenerative waste gas incinerator

圖3 不同進(jìn)氣風(fēng)量下的結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of results under different intake air volumes

由圖2可知，不同工況不同時(shí)刻的溫度分布云圖可以看出，以進(jìn)氣風(fēng)量1 500 m3/h為界限，在16 s時(shí)，進(jìn)氣風(fēng)量低于或高于1 500 m3/h時(shí)，RTO內(nèi)的火焰區(qū)面積隨著進(jìn)氣風(fēng)量的增加而增大，由表1可知，燃燒室內(nèi)的最高溫度隨進(jìn)氣風(fēng)量的增加而升高，這說(shuō)明燃燒速度都隨著進(jìn)氣風(fēng)量的增加而升高，但進(jìn)氣風(fēng)量從1 500 m3/h增加到3 000 m3/h，火焰區(qū)面積明顯減小，燃燒速度明顯下降，這與燃燒室內(nèi)的壓力變化有關(guān)，對(duì)比進(jìn)氣風(fēng)量在1 500，3 000 m3/h的壓力變化曲線可以看出，到達(dá)峰值超壓的時(shí)間增加，同時(shí)峰值超壓升高，說(shuō)明進(jìn)氣風(fēng)量的增加使得熱量損失增加，導(dǎo)致燃燒速度降低，但隨著火焰區(qū)增大導(dǎo)致熱量局部積聚，進(jìn)而引起燃燒室內(nèi)發(fā)生爆燃導(dǎo)致其峰值超壓升高。混合可燃?xì)怏w在燃燒室中前期點(diǎn)燃較慢，溫度從高溫點(diǎn)火源附近開(kāi)始升高，然后火焰首先向燃燒室上方擴(kuò)散，在8 s時(shí)已經(jīng)升高至2 500 K以上，說(shuō)明苯、甲苯、二甲苯與氧氣的燃燒反應(yīng)十分劇烈，在16 s時(shí)，除進(jìn)氣風(fēng)量3 000 m3/h外，其余工況下燃燒室整體溫度都達(dá)到2 000 K以上；在16～20 s，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@加快，火焰首先向氣體出口處擴(kuò)散，這是由于爆炸產(chǎn)生的高壓與外界大氣壓形成1個(gè)內(nèi)外壓差，導(dǎo)致火焰優(yōu)先向氣體出口擴(kuò)散，然后從燃燒室向左側(cè)蓄熱室擴(kuò)散，在進(jìn)氣風(fēng)量低于3 000 m3/h時(shí)，溫度首先從左側(cè)蓄熱室升高，而進(jìn)氣風(fēng)量10 000 m3/h和15 000 m3/h時(shí)右側(cè)蓄熱室先升溫，在進(jìn)氣風(fēng)量高于15 000 m3/h時(shí)，3個(gè)蓄熱室內(nèi)溫度基本同步升高，這有利于對(duì)后續(xù)氣體均勻加熱；在20 s之后，溫度升高主要在下部進(jìn)氣管道中，到37 s下部管道基本達(dá)到2 000 K以上，在此過(guò)程中要注意對(duì)進(jìn)氣管道進(jìn)行降溫，防止進(jìn)氣管道長(zhǎng)期受熱導(dǎo)致其硬度下降。進(jìn)氣風(fēng)量在45 000 m3/h時(shí)，溫度從燃燒室和蓄熱室一起升高，且升溫速率極高，在8 s整個(gè)腔體內(nèi)達(dá)到2 000 K以上的高溫，燃燒速度相較于其他工況要大的多。

由圖3(a)～圖3(c)可知，以3 000 m3/h和30 000 m3/h為界限，隨著進(jìn)氣風(fēng)量的增大，呈現(xiàn)出3種不同的壓力變化規(guī)律。進(jìn)氣風(fēng)量小于3 000 m3/h時(shí)，即從300 m3/h增加到1 500 m3/h，峰值超壓升高且到達(dá)峰值超壓的時(shí)間縮短，說(shuō)明進(jìn)氣風(fēng)量的增加會(huì)加快燃燒速度；進(jìn)氣風(fēng)量大于3 000 m3/h小于21 000 m3/h時(shí)，峰值超壓不斷降低但到達(dá)峰值超壓的時(shí)間在不斷降低，說(shuō)明進(jìn)氣風(fēng)量越大反應(yīng)速度越快，因此整體反應(yīng)時(shí)間變短，燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楸嫉乃俣燃涌欤虼说竭_(dá)最大壓力的時(shí)間變短，但同時(shí)高速運(yùn)動(dòng)的氣流會(huì)帶走大量熱量，導(dǎo)致峰值超壓降低；進(jìn)氣風(fēng)量大于21 000 m3/h，即從30 000 m3/h至45 000 m3/h，峰值超壓急劇升高且到達(dá)峰值超壓的時(shí)間急劇縮短，在45 000 m3/h時(shí)峰值超壓達(dá)到0.68 MPa，高速氣體大量涌入，反應(yīng)極其迅速，氣體高速運(yùn)動(dòng)帶走的熱量遠(yuǎn)不如混合可燃?xì)怏w爆燃產(chǎn)生的熱量，因而壓力急劇升高。因此，RTO正常運(yùn)行的安全風(fēng)量要限制在30 000 m3/h以下，進(jìn)氣風(fēng)量低時(shí)溫度低，廢氣轉(zhuǎn)化速率低，能源損耗大，且較低的進(jìn)氣風(fēng)量下不利于蓄熱室對(duì)后續(xù)氣體進(jìn)行均勻加熱，最佳的進(jìn)氣風(fēng)量在15 000～30 000 m3/h，但在最佳的工況運(yùn)行時(shí)，整個(gè)燃燒過(guò)程中壓力變化出現(xiàn)2次峰值超壓，到達(dá)峰值超壓的時(shí)間隨著進(jìn)氣風(fēng)量的增加而縮短，在實(shí)際生產(chǎn)中需要在2個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)多加防范，以保證安全生產(chǎn)。

表1 不同工況下燃燒室內(nèi)16 s時(shí)最高溫度Table 1 Maximum temperature in combustion chamber at 16 s under different working conditions

2.2 混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比對(duì)蓄熱式廢氣焚燒爐內(nèi)部壓力的影響

為了分析氣體含量對(duì)蓄熱式廢氣焚燒爐內(nèi)部壓力的影響，保持進(jìn)氣風(fēng)量21 000 m3/h不變，改變混合可燃?xì)怏w-空氣的摩爾占比，假設(shè)各氣體混合均勻，研究混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比在0.01，0.05，0.1，0.15，0.2下的壓力變化規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比為0.01時(shí)，到達(dá)峰值超壓的時(shí)間為30.3 s，峰值超壓為0.06 MPa，此時(shí)燃燒速度慢，因此內(nèi)部壓力低；混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比從0.01升高至0.05時(shí)，到達(dá)峰值超壓的時(shí)間縮短為14.6 s，但峰值超壓升高至0.16 MPa，說(shuō)明混合可燃?xì)怏w含量的增加會(huì)加快燃燒速度；混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比從0.05升高至0.1時(shí)，峰值超壓急劇升高，達(dá)到了0.93 MPa，說(shuō)明在此氣體含量下，反應(yīng)極其迅速，危險(xiǎn)性極大，這也解釋了為什么RTO爐內(nèi)廢氣的積聚會(huì)引發(fā)爆炸事故；混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比從0.1升高至0.15時(shí)，峰值超壓迅速降低，由圖5可知，峰值超壓較低，僅0.025 MPa，基本沒(méi)有爆炸危險(xiǎn)性，此工況為最安全的工況，但在此氣體含量下，燃燒速度和燃燒強(qiáng)度低，過(guò)低的燃燒速度導(dǎo)致能源消耗大，不利于工業(yè)生產(chǎn)；混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比從0.15升高至0.2時(shí)，峰值超壓升高至0.2 MPa，到達(dá)峰值超壓的時(shí)間縮短到12.7 s，相比于混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比在0.05時(shí)，此時(shí)燃燒速度更快。從上述可以看出，混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比在0.15時(shí)，RTO爐內(nèi)壓力很低但燃燒速度很慢，升高至0.2時(shí)，燃燒速度明顯加快且較高的氣體含量有利于減少能源損耗，從能源損耗和安全生產(chǎn)兩個(gè)角度出發(fā)，得到最佳的混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比為0.15～0.2。

圖4 不同混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比下的壓力變化Fig.4 Pressure variation under different mixed combustible gas and air molar ratios

圖5 混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比0.15下的壓力變化Fig.5 Pressure variation under mixed combustible gas and air molar ratio of 0.15

3 結(jié)論

1)燃燒室的溫度變化與氣體速度變化保持一致；同時(shí)，隨著進(jìn)氣風(fēng)量的增加，氣體燃燒速度先升高后下降后再升高。

2)進(jìn)氣風(fēng)量高于15 000 m3/h時(shí)，廢氣轉(zhuǎn)化效率高且有利于蓄熱室對(duì)后續(xù)氣體均勻加熱，從能源損耗和安全生產(chǎn)2個(gè)方面綜合考慮，最佳進(jìn)氣風(fēng)量為15 000 m3/h到30 000 m3/h，與RTO運(yùn)行的實(shí)際工況相符合。

3)最佳運(yùn)行工況下，燃燒過(guò)程中出現(xiàn)2個(gè)峰值超壓，且其到達(dá)極值點(diǎn)的時(shí)間隨進(jìn)氣風(fēng)量的增加而縮短，實(shí)際使用中需在2個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)多加防范，以保障生產(chǎn)安全。

4)燃燒過(guò)程中的峰值超壓隨著混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比的增加先增加后減小再增加，在摩爾占比為0.15時(shí)峰值超壓最小，但此時(shí)燃燒速度較慢，從安全生產(chǎn)和能源損耗2個(gè)方面綜合考慮，得出最佳的混合氣體-空氣摩爾占比為0.15～0.2。