RTO蓄热体蓄热计算及工程设计运用

1概述 

当前，随着经济的发展，环境问题日益凸出，目前环境问题中，主要包括三大类，污水处理，固废治理，大气污染治理。其中大气污染治理是近几年提出来的范畴，大气污染治理中，初是燃煤及煤化工等行业产生的硫化物氮氧化物，造就了一大批脱硫脱硝的治理项目。近些年，开始对挥发性废气（VOCs废气）出重拳，在面对即有效降低VOC排放，又能节能的目的，近些年市场上出现大量处理工艺，包括等离子工艺，光催化工艺，焚烧工艺等等。

目前经过多年的实践，有些处理工艺渐渐淡出，有些处理工艺得到肯定及重视，其中蓄热式焚烧处理设备就是被市场认可的一种治理工艺。

RTO(RegenerativeThermalOxidizer)是蓄热式热力氧化处理装置的简称。工作原理是把废气通过储能的陶瓷蓄热体预热后再加热，保证废气达到760℃及以上的高温，在氧化室中分解成CO2和H20。氧化后产生的高温烟气通过特制的蜂窝陶瓷蓄热体，使陶瓷升温而蓄热，从而使炉腔始终维持在很高的工作温度，节省废气预热、升温的燃料消耗。陶瓷蓄热部分由两个或两个以上腔室组成。本文中，针对作为RTO的核心部件蜂窝式陶瓷蓄热体，采用一种计算方式，可以实时体现出切换的时间与运行状态的关系，并采用EXCEL表格，模拟出近似曲线，通过曲线描述出平均的热效率。

2蓄热体的类型

从二十世纪七十年代，一台RTO设备出现开始，到现在蓄热体型式有了较大的发展，初，采用铺设椭圆鹅卵石作为蓄热体，鹅卵石作为早的蓄热体材料，主要是当时的技术人员发现其储存较多热量，材料比较普遍，通过试验后确定了蓄热的效果，然后开始进入工业化应用。在实践中，鹅卵石的弱点也非常明显，首先风阻大，而且不均匀，鹅卵石堆叠的过程中缝隙压3漏氢整改措施与效果住后透风性能较低，而且是不均匀的，导致蓄热床层受热和放热不均，效率差。再一个，鹅卵石不能抗高温和温度波动，容易碎裂破损，影响使用效率。

随后发展出矩鞍环作为蓄热体填料，采用工业标准化生产，可以有效的保证了缝隙的一致性，而且材质的均一性也有保证，蓄热工艺的效率大的提高。

到目前市场上的蓄热体主要以规整蜂窝陶瓷蓄热体。其具有比表面积大，热回收效率高，气流压降小，安装换方便等势。

3陶瓷蓄热体用量计算

在RTO运行的时候可以看到以下现象，在RTO升温完毕进入正常运行的时候，在阀门切换的时间段内，RTO进气仓内，出蓄热体的气体温度刚开始是接近炉膛温度，随着时间的推进，温度会越来越低，到切换的时间时达到温度低点。而RTO出气仓中的温度，出蓄热体的气体温度随着时间推移会越来越高。蓄热体的平均热效率（包括预热过程的热效率以及蓄热过程的热回收效率）与RTO切换阀的切换周期间隔息息相关，设想当时间足够长，进蓄热体的温度等于出蓄热体的温度，则热效率即变为零了。

从角度进行分析蓄热体的这种温度波动现象，当炉膛中的高温气体通过陶瓷蓄热体时，气体中的热量通过对流换热，积蓄在蓄热材料中，气体温度降低，蓄热体温度升高，此为热量回收过程，储能完毕后RTO切换阀门，此蓄热体进入温度较低的气体，气体在蓄热体中通过对流换热，把储在其中的热量换到较冷的气体中，尽可能的达到炉膛的温度，如此可大减少炉膛内的直接加热，可以降低RTO燃烧器的功率，达到节能的目的。

可以发现，若想提高换热的效率，一种有效的方法即提高换热面积，如此提高蓄热体的比表面积成为一个非常有效果的途径。

从一代蓄热体鹅卵石，到后面的矩鞍环，再到现在的规整填料，都是提高比表面积，同时也降低压降。比表面积并不是越大越好，也需要考虑气流压降的因素，需要有实际的工程运用价值，规整蜂窝陶瓷蓄热体的气孔尺寸根据几十年的实际工程运用经验，形成了常规的50cpsi（每平方英寸上的孔数）规格，目前较为常规的单块蓄热体尺寸为150*150*150mm或者150*150*300mm的正方体或长方体型。在150边长上开有40个左右小孔，气流压降控制在1500pa/米左右，若将孔数扩大到400cpsi，150边长上有120个孔，比表面积增加了2.5倍左右，但蓄热体的压降则到8000pa/米以上（此处压降对比都在相同的标况面风速1.2Nm/s条件下进行的），工程上缺少实际运用的可能性。运用较为成熟，高，效果好的，经过多年实践，普遍为150mm边长有40个孔的蓄热体，兼顾了经济型，成品率，效果等多个方面。

关于高工作温度，由于其Al2O3的含量较低，其产品其实达不到宣传的高工作温度，蓝太克公司会特别告知蓄热体正常运行温度不要超过950℃。

蜂窝陶瓷蓄热体从开发出来即面临堵孔的问题，蓝太克公司开发的一款赛格蒙分层式蓄热体可以较好的解决部分堵孔的问题，工程实践中具有非常好的效果。

运用多的为SHC-40规格，成为RTO蓄热体的主流产品。其它规整蓄热体也以40孔为主要的RTO用蓄热体。

在陆震维编撰的《废气净化技术》一书中，引用了德国人H.Hausen所做的数学模型，将蓄热体的传热计算，转换成换热器的模型进行计算。其前提假定原理是一股气体，在冷周期中吸收的热量，与另一股气体，在热周期中释放的热量相等。

当无限的经常切换的限情况下，则热效率与相同大小的间壁式换热器一样，当切换时间越长，热效率则也越低。

目前对RTO的热效率大多是按换热器的温度效率来计算。

蓄热体需用的量的计算过程如下： 

a.根据蓄热体的规格参数，计算出比较面积m2/m3；b.设定所需要的热效率，比如95%；c.设定炉膛温度，如780℃；d.设定废气温度，如25℃；e.设定废气风量，设置进入蓄热式的风速；f.根据热效率公式，可得到出蓄热式的温度to；g.根据对流换热系数公式，计算出换热系数α；h.分别计算废气进出蓄热体以及烟气进出蓄热体的换热系数，并且考虑炉膛内热辐射影响的换热系数，参考《传热学》,参考王秉铨编撰《工业炉设计手册》中，对流换热器的的综合换热系数的计算公式。i.计算周期内蓄热体吸热的热量，及放热的热量，即进出蓄热体的气体的温差的，选取数值高的Q。j.根据蓄热体的比表面积，可得出蓄热体体积，参照蓄热体的单块尺寸，根据设计的废气进蓄热体的风速，可计算出，蓄热体的迎风面面积，则可得出蓄热体的堆高度。此处需要注意的是，通过公式计算出的换热面积A，包含了冷却面积和加热面积两部分，所以计算蓄热体用量时，只需要一半即可。因为蓄热体蓄热和放热分别在2个室体内进行。k.关于陶瓷蓄热体对层的流体压损，参考陆震维的《废气的净化技术》一书，有详细的计算过程，这里不做过多阐述。

4陶瓷蓄热体周期内热效率分析 

当我们通过上述步骤计算出蓄热体的堆积式样之后，由于蓄热体的固定规格尺寸，实际的用量是大于理论计算值的，为了充分发挥蓄热体的功能，需要调整出佳的周期切换时间，即对周期时间内各个瞬时状态的蓄热体的情况，以及气体出蓄热体的状况进行进一步的分析，以得出理论计算温度曲线来进行研究以及可指导调试。

4.1计算原理：单位时间dt内，高温烟气进入蓄热体内，总焓为dQ，暂不考虑热损失，一部分为蓄热体吸收的Q1，一部分为出蓄热体的气体的焓Q2对时间dt求导，则得出对应不同时间的热量分布情况。可计算出热效率。

4.2计算方案：RTO蓄热体的交替切换工况导致运行的波动性，实际计算时，根据动态的方案进行则会比较困难，现根据理论工况，可基于如下两个前提假设后再进行计算：

首先，不考虑蓄热体的来回切换，分别对蓄热工作的蓄热体和放热工作的蓄热体单独进行分析，但是气体进蓄热体的持续时间保持一样，即τc=τh。然后，假定在正常切换的工况之前，蓄热体已经蓄热完毕，处于平衡状态。并且分别研究单股废气进蓄热体，以及单股废气出蓄热体的工况。并不研究蓄热体进出的这种非稳态周期变动的工况。基于以上两步的设定后，分别对蓄热室和放热室的蓄热体进行计算，通过传热学的基本算法，计算出随着时间的推移，陶瓷蓄热体内的热量状况，以及气体出陶瓷蓄热体时的温度，可研究的瞬态的工况。

5结论 

通过传热学原理可以模拟出蜂窝蓄热床的蓄热放热过程，非常贴近实际的工况，在适当的范围内，利于工程实际的指导运用，便于实际工程中选型、工艺设计及成本核算等方面的工作。