最近做了个RTO的项目,天寒地冻,写篇文章,也算做个工作总结,全文阅读完成需要10分钟左右。

所谓RTO就是蓄热式热力焚烧的意思,在环保行业主要用于废气处理。为什么会有这项技术还是要从废气处理这个行业说起。废气处理有个特点,那就是气体量很大,污染物浓度很低,这个很好理解,气体密度一般是液体的千分之一。无论是化学反应还是车间通风过程中产生的废气,别看质量只有一点点,但是体积流量动辄就是上万立方/小时。偏偏废气中的有害成分含量很低的情况下就能对环境有很大危害,废气里面只要含一点有害物质,气味就特别明显,很容易被投诉。相关的环境标准里,对于污染物的排放要求都在几个ppm以内。因为废气处理涉及的东西都是浓度很低的,这给处理手段的选择造成了很大的困难。因为浓度低,所以无论是化学过程还是物理过程其推动力都是不足的,低浓度的体系要想浓缩成高浓度其能量消耗也是非常可观的,因此除非特殊情况很少看到能回收废气中有机物的案例。坦率的说目前废气处理行业就几个技术比较成熟,活性炭吸附,喷淋吸收,再就是直接焚烧了。其他手段吹得天花乱坠都是花架子,诸如等离子,光催化等新技术都是中看不中,用很多情况下效果不明,加了等于没加。目前来看,废气处理还是要靠这些简单粗暴的技术。

这里主要讲讲热力焚烧,这个思路最简单,既然废气里面主要的污染物是有机物,那么和汽油什么的都是类似的,我们直接一把火把它们烧掉就是了,生成的二氧化碳和水是没有污染的。当然在焚烧过程中会产生热力性Nox这个是没有办法避免的,但好在这个的处理是非常成熟了。焚烧这种方法简单粗暴,因为吸附,吸收等等化学手段本质上是污染物的转移,产生的废水和废活性炭都是要处理的。另外还有相容性的问题,特别是吸收,针对不同的物质最好是要有不同的吸收剂,这就导致工艺的不确定性和技术风险。

虽然优点很多,但焚烧这个技术也有有很大的问题,主要是燃料消耗。因为之前说过,绝大多数废气污染物浓度是很低的,要想把它点燃是不可能,换句话说就算将废气里的污染物完全燃烧产生的热量也不可能让废气达到燃烧温度。这种情况下就需要外加燃料,将废气加热到可燃烧的温度。但是外加的燃料每一点都是钱啊,省下来了燃料就是剩下来钱。

另外一方面,燃烧过后的高温废气也是不能直接排放的,这种情况下需要把这个废气冷却下来。熟悉化工生产的人都知道冷却介质也是钱。这一冷一热都是钱,于是从热量有效利用这个角度来说,最好的方法是把加热过程与冷却过程有效的结合起来。利用燃烧过后的烟气来预热进口废气,在这个过程中既降低了烟气的温度又预热了废气,加热与冷却过程的热量都节省了下来。

现在的关键问题就是加热和冷却过程如何实现了。最终我们选择了蓄热式换热器来实现这一过程。之所以这样做,主要是考虑到气体间的换热系数是非常低的。一般来说气体间的对流传热系数,也就是我们说的K值只有25-30左右,这主要是因为气体的导热能力实在太差。对于液体而言就大不一样了,液体的传热系数大概在400-500,整体而言传热系数的差距可达到20几倍。偏偏这种差距几乎不可以通过改变换热器结构进行优化,这一点和液体明显不同,对于液体换热可以采用改变换热器结构提升传热系数,例如采用板式换热器,其传热系数就可以比管壳式换热器高一倍以上。

这最终决定了对于同样的换热量,气体换热器的换热面积会比液体大20几倍。这种情况下,采用传统的管壳式换热器设备体积会非常大,而且管壳式换热器的结构是相当复杂的。因此,对于这个过程来说,管壳式换热器就结构而言是不合适的。最终蓄热式换热器进入了我们的视野,这就是现在说的RTO技术。蓄热式换热器的特点就在于换热器的结构是简单的,而且借助蓄热体,可以在单位体积下达到尽可能大的换热面积,这样设备整体结构非常紧凑。

下面这张图可以用来说明RTO技术的整体流程。

蓄热式换热器的操作是一个周期性的过程,蓄热式可以分成几个部分,为了详细解释,我们用最简单的双蓄热体模式作为例子来进行介绍。这种换热器一般有A,B两个蓄热室。

在周期开始的时候,蓄热式A温度高,蓄热室B温度低。有机废气首先进入温度高的A蓄热室,在蓄热室内被预热,同时A蓄热室蓄热体温度降低。

经过蓄热室的有机废气温度升高,在燃烧室内,与燃料混合燃烧后进一步升高温度。随后从蓄热体B流出。在经过蓄热体B时由于蓄热体温度低,气体被冷却,同时蓄热体B温度升高,完成一个周期循环。

完成一个周期循环后此时蓄热体B温度高,蓄热体A温度低。此时与循环开始的时候相比蓄热体AB的地位交换了一下。在下一个循环过程中通过换向阀切换,废气先经过蓄热体B加热,再由蓄热体A冷却。整个操作过程中两个蓄热体交替作为加热和冷却介质。

下面这个图是计算机模拟的蓄热陶瓷进出口气体温度变化变化图,可以看出它们都是周期性变化的。

最后说一说蓄热体,蓄热体是RTO设备中最重要的部分。一般而言对蓄热体要求有几个。

首先,蓄热体热容要大,就是载热能力要强,载热能力强的蓄热体可以在一个周期内加热更多的气体。这样气体的切换周期就可以延长,目前的RTO气体的切换周期是分钟级的,频繁的切换对系统的控制条件要求很高而且对阀门和蓄热体的损害都很大。

其次,蓄热体热膨胀要小,这主要是由于蓄热体在加热和冷却过程中会产生膨胀与收缩,这个过程中蓄热体反复变形容易受热应力而破坏。

蓄热体导热系数要好,我们知道虽然蓄热体和空气的换热是对流传热,实际上蓄热体传热系数对空气换热过程影响不大。但是蓄热体导热不良会导致蓄热体内部温度分布不均,同样会导致局部热应力过大而形成对蓄热体的破坏。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:知乎用户(登录查看详情)

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