蓄热式氧化器用陶瓷蓄热体性能测试及对比

杨振华 蔡鹏山 韩 润

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司)

蓄热式氧化器用陶瓷蓄热体性能测试及对比

杨振华**蔡鹏山 韩 润

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司)

介绍了蓄热式热氧化器(RTO)主要使用的几种陶瓷蓄热体，并模拟RTO设备的运行，测试几种蓄热体的性能，对RTO设备的设计具有指导意义。

蓄热式热氧化器 陶瓷蓄热体 热效率 压降

蓄热式热氧化器(Regenerative Thermal Oxidzer，RTO)是一种用于处理挥发性有机废气(VOC)的节能型环保装置，考核RTO装置的主要指标是热效率和系统压降，这两项指标都与所用的陶瓷蓄热体有密切关系。蓄热体性能测试是在不同床层高度、不同流速和不同阀切换时间下测试不同陶瓷蓄热体的热效率和压降，对蓄热式换热器及蓄热式氧化器的设计等具有技术指导意义。笔者模拟RTO设备的运行，对4种陶瓷蓄热体的热效率和压降进行了测试。

1 蓄热式热氧化器

典型的两床式RTO结构示意图如图1所示。RTO启动前先通过燃烧器对燃烧室和蓄热床进行预热；预热完成后，含有VOC的尾气进入蓄热床A进行预热，然后在燃烧室内VOC充分氧化放热；氧化完成后洁净的气体通过蓄热床B冷凝，将热量传递给蓄热床B后排入大气，此过程为半个周期。半个周期结束后，阀门切换，含有VOC的尾气先通过蓄热床B进行预热，然后在燃烧室内氧化放热，最后通过蓄热床A进行热交换放热，放热完成后，洁净的气体排入大气，至此完成一个周期。VOC高温氧化产生的热量除了满足RTO自热运行外，还有多余的热量输出，可将这些富余的热量进行二次回收利用。

图1 两床式RTO结构示意图

因陶瓷材料具有良好的耐高温、抗氧化、耐腐蚀性能和足够的机械强度，且其价格低廉，RTO设备都采用陶瓷材料作为蓄热体。陶瓷蓄热体的材料主要有黏土、刚玉、莫来石及堇青石等，常见的蓄热体形状主要有球形、鞍环状、管状、多层板片(或波纹板)和蜂窝状[1]。目前蓄热式热氧化器常用的4种蓄热体及其性能指标见表1。

2 陶瓷蓄热体的性能测试

两床式RTO测试模拟装置的主体结构由燃烧室、两个陶瓷蓄热体蓄热床和两个切换阀组成，先将其加热至工作温度再进行测试。空气(温度为Tc)由引风机吸入后从蓄热床A底部进入，空气被加热，至蓄热床B床层表层时其温度为Th；空气通过蓄热床B，该陶瓷床吸收空气所带的热量，至床层底部时温度降至To，然后通过切换阀排放。在达到规定的切换时间后阀切换，空气再从蓄热床B底部进入，空气被加热，至蓄热床A床层顶层时其温度为Th；空气通过蓄热床A，该陶瓷床吸收空气所带的热量，至床层底部时温度降至To，然后通过切换阀排放。如此周期性切换，就可以连续测试蓄热床A和B的蓄热能力，同时通过测压系统的测试可得到陶瓷床在热态工作温度下的压降ΔpH。

热效率η的计算式为：

η=(Th-To)/(Th-Ti)

(1)

式中Ti——蓄热床进口温度，℃。

压降ΔpH的计算式为：

ΔpH=Δp/H

(2)

式中H——蓄热体床层高度，m；

Δp——蓄热体床层总压降，Pa。

在室温条件下利用阀门调节空气流速u，测得4种陶瓷蓄热体的压降ΔpH如图2所示。从图2可以看出： MLM-180、40×40孔蜂窝陶瓷和Lantecomb-H蓄热体的压降相差不大，而25mm 矩鞍环蓄热体的压降明显高于前3种。这是由于MLM-180、40×40孔蜂窝陶瓷和Lantecomb-H蓄热体的孔隙率相当，且都为规整蓄热体，有直通的气流通道，而25mm矩鞍环蓄热体属于散堆蓄热体，无规则的气流通道增大了气体的压降。

图2 不同空气流速下4种陶瓷 蓄热体的压降趋势

在室温条件下，将RTO测试装置的燃烧室温度升至850℃后，使空气流速分别为1.0、1.2、1.5m/s，切换阀切换时间分别为60、90、120、180、240s，测试该条件下左右反应室的温度、空气进/出口温度、空气进/出口流量和蓄热床压降，并通过记录仪记载实验数据，按式(1)、(2)分别计算各蓄热体在不同床层高度、不同气体流速和不同切换阀切换时间下的热效率和压降。床层高度为1.5m、切换阀切换时间为60s时4种陶瓷蓄热体的热效率和压降趋势如图3所示。

从图3可以看出：在相同床层高度、切换时间和气体流速条件下，4种陶瓷蓄热体的热效率大小为Lantecomb-H>40×40孔蜂窝陶瓷>MLM-180>25mm矩鞍环，压降大小为Lantecomb-H>25mm矩鞍环>40×40孔蜂窝陶瓷>MLM-180。

a. 热效率

b. 压降图3 不同空气流速下4种陶瓷 蓄热体的热效率和压降趋势

对于同一种蓄热体，空气流速增大时，蓄热体热效率降低，压降增大；床层高度增高时，热效率升高，压降增大；切换时间增加时，蓄热体热效率降低，但压降基本没有变化。

根据目前VOC处理情况，RTO的设计要求为：VOC去除率为99%；蓄热体热效率为95%；为了延长阀门寿命，通常一个周期的切换时间为180s。根据此情况，对4种陶瓷蓄热体的使用性能做了对比(表2)。

表2 4种陶瓷蓄热体的物理性能和传热性能比较

3 结束语

在设计RTO设备时，设备的体积主要由床层高度决定，风机的大小主要由蓄热床总压降决定。选用25mm 矩鞍环蓄热体作为蓄热床时，设备体积和风机较大，设备的经济性较差，因此目前大多数RTO设备设计时使用MLM-180、40×40孔蜂窝陶瓷和Lantecomb-H蓄热体作为蓄热床，并在蓄热床底部和顶部铺一层25mm矩鞍环蓄热体，以此来分散气流。

[1] 陆震维. 有机废气的净化技术[M]. 北京：化学工业出版社，2011.

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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

**杨振华，男，1982年10月生，工程师。甘肃省兰州市，730060。

TQ052.6

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0254-6094(2015)02-0196-03

2014-06-16)