蓄熱式氧化爐處理有機(jī)廢氣原理探析范文

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《工業(yè)鍋爐雜志》2016年第5期

摘要:

從熱力學(xué)的角度對蓄熱式氧化爐系統(tǒng)加以分析，了解了蓄熱體在熱力系統(tǒng)當(dāng)中的巧妙應(yīng)用，從而更加明確了余熱爐等各組成部分的設(shè)計(jì)方向。

關(guān)鍵詞:

蓄熱式氧化爐;有機(jī)廢氣;系統(tǒng);設(shè)計(jì)

0引言

在印染、印刷、電子、有機(jī)材料等行業(yè)的生產(chǎn)過程中存在材料烘干的工序。烘干過程中會(huì)揮發(fā)出一定量的有機(jī)物混合在熱空氣中形成有機(jī)廢氣排出，嚴(yán)重污染環(huán)境，然而這些有機(jī)物均為可燃物質(zhì)，排放也是一種能源浪費(fèi)。蓄熱式氧化爐就是處理這些廢氣的一種產(chǎn)品，它將廢氣中的有機(jī)成分燃盡，并將產(chǎn)生的熱量反饋回生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。此項(xiàng)技術(shù)源于國外，近些年來在國內(nèi)也得到廣泛的應(yīng)用，系統(tǒng)的設(shè)備組成與工藝流程也在不斷變化。我公司已為多個(gè)RTO項(xiàng)目配套導(dǎo)熱油爐、換熱器等設(shè)備。如果對整個(gè)RTO系統(tǒng)有詳細(xì)的了解，更有利于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)性能，與整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更完美的匹配。RTO的工藝流程常根據(jù)蓄熱塔的數(shù)量不同而變化，雙塔式RTO是一個(gè)基本型(見圖1)，多塔式RTO由雙塔式發(fā)展而來。筆者現(xiàn)以一個(gè)雙塔式RTO的項(xiàng)目實(shí)例來說明此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。

1項(xiàng)目概述

某印染廠利用有機(jī)溶劑將染料溶解，有機(jī)溶劑由甲苯、丁酮和乙酸甲酯組成。溶解后的染料通過涂布生產(chǎn)線附著在塑料薄膜上，薄膜上同時(shí)也附著了有機(jī)溶劑。工廠配備了燃煤有機(jī)熱載體爐，利用導(dǎo)熱油帶散熱片，將熱量轉(zhuǎn)化成熱風(fēng)，最后在烘箱中利用熱風(fēng)將薄膜上的有機(jī)溶劑烘干氣化，脫離薄膜，從而得到了生產(chǎn)所需的產(chǎn)品。另一方面，大量有機(jī)溶劑成為氣態(tài)，混合在熱風(fēng)里成為有機(jī)廢氣等待處理。該工廠內(nèi)有多條生產(chǎn)線。每條生產(chǎn)線均有一個(gè)有機(jī)廢氣的出口。該印染廠的RTO工藝流程見圖2。雙塔式氧化爐結(jié)構(gòu)簡圖見圖3。

2關(guān)鍵參數(shù)

充分了解有機(jī)廢氣中各組份的理化參數(shù)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。參數(shù)見表1。

3熱平衡及節(jié)能計(jì)算［1］

3．1求廢氣燃燒后的煙氣成分比例

根據(jù)下列反應(yīng)方程式進(jìn)行計(jì)算，部分計(jì)算結(jié)果見表2。C7H8+9O2=7CO2+4H2OC4H8O+6O2=4CO2+4H2O2C3H6O+9O2=6CO2+6H2O

3．2求廢氣燃燒溫度

根據(jù)廢氣燃燒后生成的煙氣成分制定焓溫表［2］，見表3。廢氣燃燒每小時(shí)產(chǎn)生的熱量為:62．5×42257+125×34612+62．5×23220=8418870(kJ/h)我們發(fā)現(xiàn)有機(jī)成分燃盡產(chǎn)生的熱量只能使煙氣升高約138℃。這時(shí)蓄熱塔的作用開始體現(xiàn)。塔內(nèi)蓄熱體由帶孔陶瓷磚組成，蓄熱塔分為A、B兩區(qū)。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)先采用輕油輔助燃燒將陶瓷加熱，廢氣通過陶瓷磚的孔洞吸收了磚的熱量之后，溫度升高至設(shè)定的712℃。廢氣在這個(gè)溫度下自燃，釋放出熱量，使煙氣溫度達(dá)到目標(biāo)值850℃。分解后的高溫?zé)煔鈴腂區(qū)蓄熱體經(jīng)過，將熱量傳給B區(qū)的陶瓷磚，自身溫度降至170℃并排放。隨著輔助燃燒器的關(guān)閉，A區(qū)溫度由于有廢氣的冷卻作用，不斷降溫;而B區(qū)溫度逐漸升高，系統(tǒng)排放溫度也逐漸升高。當(dāng)排放溫度超出設(shè)定值180℃時(shí)，煙氣切換閥動(dòng)作，廢氣改從B區(qū)進(jìn)、A區(qū)出，形成穩(wěn)定循環(huán)的工作狀態(tài)。

3．3求蓄熱陶瓷的理論用量

可以發(fā)現(xiàn)，蓄熱體可靈活轉(zhuǎn)換的熱量應(yīng)有能力把煙氣從160℃加熱到712℃。查焓溫表可得到此部分熱量為35253MJ/h。作為相互傳熱的陶瓷與煙氣，兩者的參數(shù)一直在變化，每個(gè)切換周期內(nèi)不同時(shí)段的傳熱率也一直變化。為了便于計(jì)算，首先要設(shè)定切換頻率，并假設(shè)溫度區(qū)間參考計(jì)算。該項(xiàng)目切換周期設(shè)定2min，2min的時(shí)間內(nèi)傳熱量應(yīng)為1172MJ。蓄熱磚的參考溫差取340℃，陶瓷比熱0.84kJ/kg•℃，計(jì)算可得單區(qū)蓄熱磚的理論最小重量為4104kg。

3．4節(jié)能計(jì)算

煙氣排放的熱損失通過熱力計(jì)算可得1214MJ/h，散熱損失根據(jù)鍋爐的經(jīng)驗(yàn)定為1．3%。則損失的熱量總計(jì)為1323MJ/h，可用熱量為7091MJ/h。余熱的利用方式為:從A、B兩蓄熱區(qū)的爐膛空間內(nèi)，將高溫?zé)煔庖?，帶余熱利用設(shè)備。根據(jù)焓溫關(guān)系反算可得，高溫?zé)煔獾囊隽繛?150m3/h(標(biāo)態(tài))。由此可知，該RTO系統(tǒng)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，可回收的熱量是7091MJ/h。

4余熱利用

根據(jù)熱力計(jì)算，可從爐膛引出加以利用的最大煙氣量是7150m3/h(標(biāo)態(tài))，最高溫度是850℃。爐膛內(nèi)部壓力約為2000Pa。煙氣含塵量極少，屬于潔凈煙氣。要將余熱煙氣中的熱量轉(zhuǎn)化為導(dǎo)熱油的熱量返還回車間的散熱片，需要一臺(tái)余熱有機(jī)熱載體爐。煙氣的條件很好，所以鍋爐可選的結(jié)構(gòu)也有很多種，該項(xiàng)目選擇的結(jié)構(gòu)為翅片管錯(cuò)列布置形成的管束，煙氣橫向沖刷管束傳熱，臥式布置。在余熱爐煙氣出口安裝調(diào)節(jié)風(fēng)門，調(diào)節(jié)通過的煙氣量。采用爐膛溫度信號控制，保證爐膛內(nèi)的溫度滿足有機(jī)成分氧化分解的要求并最大限度地供應(yīng)熱能，回收利用。

5控制系統(tǒng)

5．1爐膛溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)

爐膛溫度的控制是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，是廢氣得到充分處理的保證，而且溫度的變化與多種因素有關(guān)。

(1)爐膛溫度與廢氣濃度的關(guān)系

當(dāng)廢氣有機(jī)成分濃度降低時(shí)，有機(jī)成分分解獲得的熱能降低，直接導(dǎo)致爐膛溫度降低，可設(shè)定爐膛低溫值，減小去余熱鍋爐的煙氣量。當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)門全關(guān)時(shí)，爐膛溫度仍然低于設(shè)定值，需開啟輔助燃燒器。此情況說明廢氣分解產(chǎn)生的熱量已經(jīng)低于系統(tǒng)自身的散熱損失與排煙損失的總和。如果廢氣濃度大于設(shè)計(jì)濃度，爐膛溫度會(huì)超高，可增大余熱引出的煙氣量調(diào)節(jié)。增大的煙氣量視熱載體溫度需求而定。必要時(shí)做緊急排放，將一部分爐膛煙氣直接排放到煙囪來降低溫度。

(2)爐膛溫度與余熱利用的關(guān)系

過量引出爐膛煙氣會(huì)導(dǎo)致爐膛溫度降低，可通過調(diào)節(jié)風(fēng)門控制。

(3)爐膛溫度與廢氣量的關(guān)系

項(xiàng)目是根據(jù)系統(tǒng)的最大處理量來設(shè)計(jì)的，所以常遇到廢氣量低于設(shè)計(jì)值的情況。處理方法與廢氣濃度降低的方法相同。

(4)爐膛溫度與蓄熱體切換頻率的關(guān)系

一般來講蓄熱體的質(zhì)量都有較大余量，切換頻率可以降低，可以維持較穩(wěn)定的爐膛溫度。當(dāng)設(shè)計(jì)的蓄熱體質(zhì)量偏小時(shí)，只有提高切換頻率才能提高爐膛溫度的穩(wěn)定性。如果切換頻率與蓄熱體質(zhì)量不協(xié)調(diào)，很可能造成快速降溫甚至熄火的情況。

5．2系統(tǒng)風(fēng)機(jī)自動(dòng)調(diào)速

系統(tǒng)風(fēng)機(jī)將生產(chǎn)線廢氣吸入風(fēng)機(jī)，然后鼓入蓄熱體進(jìn)入爐膛。風(fēng)機(jī)變頻控制，根據(jù)廢氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并滿足爐膛的壓力足夠克服蓄熱體對煙氣的阻力的要求。

5．3智能報(bào)警

爐膛設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)的溫度控制與報(bào)警;蓄熱段設(shè)置多個(gè)位置的溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警;爐膛低壓報(bào)警與差壓控制。

5．4相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

余熱有機(jī)熱載體爐的控制需符合《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，輔助燃燒器及系統(tǒng)符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)即可。

6總結(jié)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際的使用情況，煙囪進(jìn)煙處有機(jī)物的濃度小于50mg/m3(標(biāo)態(tài))，達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)要求;廢氣的處理效率達(dá)到了99%。該系統(tǒng)的技術(shù)核心在于蓄熱體與煙氣的熱量轉(zhuǎn)換、燃燒的控制與煙氣的往復(fù)切換，涉及到了燃燒學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等基礎(chǔ)知識。整個(gè)RTO的技術(shù)并沒有超出我們熟知的鍋爐基礎(chǔ)知識，但通過一些新穎的結(jié)構(gòu)、部件及系統(tǒng)的配合，達(dá)到了理想的效果。當(dāng)然RTO也有很多其他的變化值得我們鉆研。

參考文獻(xiàn)：

［1］徐旭常．周力行．燃燒技術(shù)手冊［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

［2］吳曉華．工業(yè)鍋爐設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法［M］．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003．

作者:付佐旭 單位:常州恒大鍋爐制造有限公司