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《工業鍋爐雜志》2016年第5期

摘要:

從熱力學的角度對蓄熱式氧化爐系統加以分析，了解了蓄熱體在熱力系統當中的巧妙應用，從而更加明確了余熱爐等各組成部分的設計方向。

關鍵詞:

蓄熱式氧化爐;有機廢氣;系統;設計

0引言

在印染、印刷、電子、有機材料等行業的生產過程中存在材料烘干的工序。烘干過程中會揮發出一定量的有機物混合在熱空氣中形成有機廢氣排出，嚴重污染環境，然而這些有機物均為可燃物質，排放也是一種能源浪費。蓄熱式氧化爐就是處理這些廢氣的一種產品，它將廢氣中的有機成分燃盡，并將產生的熱量反饋回生產線，實現節能環保的目的。此項技術源于國外，近些年來在國內也得到廣泛的應用，系統的設備組成與工藝流程也在不斷變化。我公司已為多個RTO項目配套導熱油爐、換熱器等設備。如果對整個RTO系統有詳細的了解，更有利于提高產品的設計性能，與整個系統實現更完美的匹配。RTO的工藝流程常根據蓄熱塔的數量不同而變化，雙塔式RTO是一個基本型(見圖1)，多塔式RTO由雙塔式發展而來。筆者現以一個雙塔式RTO的項目實例來說明此系統的設計原理。

1項目概述

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

2關鍵參數

充分了解有機廢氣中各組份的理化參數是設計的關鍵。參數見表1。

3熱平衡及節能計算［1］

3．1求廢氣燃燒后的煙氣成分比例

根據下列反應方程式進行計算，部分計算結果見表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。廢氣燃燒每小時產生的熱量為:62．5×42257+125×34612+62．5×23220=8418870(kJ/h)我們發現有機成分燃盡產生的熱量只能使煙氣升高約138℃。這時蓄熱塔的作用開始體現。塔內蓄熱體由帶孔陶瓷磚組成，蓄熱塔分為A、B兩區。在系統啟動時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，溫度升高至設定的712℃。廢氣在這個溫度下自燃，釋放出熱量，使煙氣溫度達到目標值850℃。分解后的高溫煙氣從B區蓄熱體經過，將熱量傳給B區的陶瓷磚，自身溫度降至170℃并排放。隨著輔助燃燒器的關閉，A區溫度由于有廢氣的冷卻作用，不斷降溫;而B區溫度逐漸升高，系統排放溫度也逐漸升高。當排放溫度超出設定值180℃時，煙氣切換閥動作，廢氣改從B區進、A區出，形成穩定循環的工作狀態。

3．3求蓄熱陶瓷的理論用量

可以發現，蓄熱體可靈活轉換的熱量應有能力把煙氣從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，兩者的參數一直在變化，每個切換周期內不同時段的傳熱率也一直變化。為了便于計算，首先要設定切換頻率，并假設溫度區間參考計算。該項目切換周期設定2min，2min的時間內傳熱量應為1172MJ。蓄熱磚的參考溫差取340℃，陶瓷比熱0.84kJ/kg•℃，計算可得單區蓄熱磚的理論最小重量為4104kg。

3．4節能計算

煙氣排放的熱損失通過熱力計算可得1214MJ/h，散熱損失根據鍋爐的經驗定為1．3%。則損失的熱量總計為1323MJ/h，可用熱量為7091MJ/h。余熱的利用方式為:從A、B兩蓄熱區的爐膛空間內，將高溫煙氣引出，帶余熱利用設備。根據焓溫關系反算可得，高溫煙氣的引出量為7150m3/h(標態)。由此可知，該RTO系統在穩定工作狀態下，可回收的熱量是7091MJ/h。

4余熱利用

根據熱力計算，可從爐膛引出加以利用的最大煙氣量是7150m3/h(標態)，最高溫度是850℃。爐膛內部壓力約為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化為導熱油的熱量返還回車間的散熱片，需要一臺余熱有機熱載體爐。煙氣的條件很好，所以鍋爐可選的結構也有很多種，該項目選擇的結構為翅片管錯列布置形成的管束，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節風門，調節通過的煙氣量。采用爐膛溫度信號控制，保證爐膛內的溫度滿足有機成分氧化分解的要求并最大限度地供應熱能，回收利用。

5控制系統

5．1爐膛溫度自動調節

爐膛溫度的控制是整個控制系統的關鍵，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。

(1)爐膛溫度與廢氣濃度的關系

當廢氣有機成分濃度降低時，有機成分分解獲得的熱能降低，直接導致爐膛溫度降低，可設定爐膛低溫值，減小去余熱鍋爐的煙氣量。當調節風門全關時，爐膛溫度仍然低于設定值，需開啟輔助燃燒器。此情況說明廢氣分解產生的熱量已經低于系統自身的散熱損失與排煙損失的總和。如果廢氣濃度大于設計濃度，爐膛溫度會超高，可增大余熱引出的煙氣量調節。增大的煙氣量視熱載體溫度需求而定。必要時做緊急排放，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系

過量引出爐膛煙氣會導致爐膛溫度降低，可通過調節風門控制。

(3)爐膛溫度與廢氣量的關系

項目是根據系統的最大處理量來設計的，所以常遇到廢氣量低于設計值的情況。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系

一般來講蓄熱體的質量都有較大余量，切換頻率可以降低，可以維持較穩定的爐膛溫度。當設計的蓄熱體質量偏小時，只有提高切換頻率才能提高爐膛溫度的穩定性。如果切換頻率與蓄熱體質量不協調，很可能造成快速降溫甚至熄火的情況。

5．2系統風機自動調速

系統風機將生產線廢氣吸入風機，然后鼓入蓄熱體進入爐膛。風機變頻控制，根據廢氣量進行調節，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智能報警

爐膛設置關鍵點的溫度控制與報警;蓄熱段設置多個位置的溫度傳感器，實時監控報警;爐膛低壓報警與差壓控制。

5．4相關標準

余熱有機熱載體爐的控制需符合《鍋爐安全技術監察規程》，輔助燃燒器及系統符合相關國家標準即可。

6總結

根據現場實際的使用情況，煙囪進煙處有機物的濃度小于50mg/m3(標態)，達到國家排放標準要求;廢氣的處理效率達到了99%。該系統的技術核心在于蓄熱體與煙氣的熱量轉換、燃燒的控制與煙氣的往復切換，涉及到了燃燒學、傳熱學、流體力學等基礎知識。整個RTO的技術并沒有超出我們熟知的鍋爐基礎知識，但通過一些新穎的結構、部件及系統的配合，達到了理想的效果。當然RTO也有很多其他的變化值得我們鉆研。

參考文獻：

［1］徐旭常．周力行．燃燒技術手冊［M］．北京:化學工業出版社，2008．

［2］吳曉華．工業鍋爐設計計算標準方法［M］．北京:中國標準出版社，2003．

作者:付佐旭 單位:常州恒大鍋爐制造有限公司