rto蓄熱焚燒爐

　　一、蓄熱體

　　蓄熱體應具備的性能

　　蓄熱體，也稱蓄熱填充物，是RTO焚燒爐裝置中的一個重要組成部分，它相當于一個換熱器，即蓄熱式換熱器。其效果是：當冷的廢氣通過熱的蓄熱體時，蓄熱體將儲存的熱量釋放，使廢氣加熱到所需的預熱溫度而蓄熱體本身被冷卻（冷周期）；預熱后的氣體進入燃燒室，經反應后熱的凈化氣通過冷的蓄熱體時，蓄熱體汲取凈化氣體的熱量，使氣體冷卻而蓄熱體本身被加熱（熱周期）。作為有機廢氣凈化裝置的RTO焚燒爐來講，對蓄熱體的要求主要包括：蓄熱體材質的物理、化學性能，蓄熱體結構的機械性能，以及蓄熱體幾何結構的流體力學和換熱性能。

　　（1）耐炎熱的天氣 RTO焚燒爐裝置的操溫度通常為750～950℃，所以要選用能耐溫度1200℃左右的材質作為蓄熱體，平常用陶瓷用料。

　　（2）起到較高的熱容量蓄熱體蓄熱能力的大小主要取決于其質量及其用料的密度和比熱容。密度與比熱容之積越大，則表明其單位容積的蓄熱能力也大，即在達到一樣的蓄熱量情況下，裝置的容積能夠做得小些。所以，蓄熱體的用料應起到高密度和高比熱容的特性。

　　（3）起到非常好的熱傳性能和優良的導熱和熱輻射性能即在冷周期時能將熱量快速傳遞給較冷的廢氣；而在熱周期時又可以快速汲取凈化氣的熱量。

　　（4）起到非常好的抗熱震性能由于蓄熱體是處于周期性的冷卻和加熱狀態，所以需要能反抗常常冷、熱交替的溫度變化。若蓄熱體不可以經受反復的溫度變化，則蓄熱體就會破碎而阻塞氣流通道，從而使床層壓降升高，甚至不可以操作。

　　（5）在炎熱的天氣下起到足夠的機械強度陶瓷用料自我很重，不同意受壓而破裂，否則會增加床層的阻力。

　　（6）抗炎熱的天氣氧化和耐化學腐蝕比如能耐廢氣燃燒后產生的SO2、HCl等腐蝕性氣體。

　　（7）蓄熱體的幾何結構應起到足夠的流通截面積，并使氣體分布均勻、阻力低等特性，并盡量起到較大的比表面積，以確保蓄熱體起到較大的有效傳熱面積。

　　（8）價格應盡量低廉，而使用壽命又要長。就日前RTO焚燒爐裝置常用的蓄熱體而言，陶瓷矩鞍環的壽命要求達到5年，而陶瓷蜂窩填料的壽命要求達到10年，但前者的價格僅為后者的1/5左右。

　　二、 蓄熱體的材質

　　通常講，蓄熱體的用料主要有陶瓷和金屬兩種。金屬類蓄熱體如鋼、鋁等用料只能用于低溫或中等溫度的場合。因為RTO焚燒爐裝置的操作溫度較高，所以不可以用金屬用料。陶瓷用料起到優良的耐炎熱的天氣、抗氧化、耐腐蝕的性能，以及起到足夠的機械強度和價廉等優點，其性能基本上都能滿足RTO的要求，全部RTO都 采納陶瓷用料作為蓄熱體。

　　日前在RTO焚燒爐裝置中 采納的陶瓷原用料，主要有黏土、剛玉、莫來石、鋯英石、鈦酸鋁和堇青石等。平常蜂窩狀蓄熱體的用料主要是堇青石和莫來石，而球狀和通常陶瓷填料蓄熱體的用料主要是氧化鋁（或高鋁材質）和莫來石。從使用性能和價格來講，選用莫來石陶瓷作蓄熱體較為合適。陶瓷用料的性能如表1所示。

　　表1 多種陶瓷用料的性能［1］

　　用料

　　密度

　　/(g/cm3)

　　熱熔

　　/(J/K)

　　耐火度/℃

　　使用溫度/℃

　　抗折強度

　　/MPa

　　熱膨脹系數

　　(室溫～900℃)

　　(X10-6/℃)

　　抗熱

　　震性

　　熱輻射率/％

　　熱導率

　　/[W/(m.K)]

　　莫來石

　　3.23

　　4.55

　　1850

　　1400～1500

　　25

　　4.3

　　非常好

　　0.49～0.8

　　5.20

　　鋯英石

　　3.2～3.5

　　0.71

　　>2000

　　1150

　　25

　　3.3

　　非常好

　　0.4～0.8

　　2.20

　　剛玉(80%～85%Al2O3)

　　2.5～3.2

　　1.05

　　1850

　　1400

　　25

　　>7.2

　　通常

　　0.5～0.7

　　2.20

　　黏土

　　1.7～2.1

　　1.00

　　1700

　　1350

　　10～20

　　4.3～7.5

　　通常～非常好

　　0.8～0.9

　　1.39～2.40

　　鈦酸鋁

　　3.34

　　0.92

　　>1500

　　1350

　　5～20

　　1.22

　　優

　　0.55

　　0.78

　　堇青石

　　1.7

　　0.92

　　1450

　　1200

　　10～20

　　1～2

　　優良

　　0.5～0.7

　　1.97～2.32

　　文獻［2］指出：堇青石盡管抗熱震性能較好，但其燒成溫度范圍很窄，通常為1250～1350℃，溫度低時會欠燒，而達不到低的熱膨脹系數和優良的抗熱震性能；溫度過高時，堇青石會分解為莫來石和玻璃相。堇青石使用溫度僅為1100℃，使用溫度低，只能耐堿；鈦酸鋁在炎熱的天氣下易分解；鋰輝石、磷酸鋯鈉、氧化鋁等抗熱震性能較差而成本高；碳化硅、氮化硅的抗熱震性能雖較好，但價格昂貴。所以該文獻提出了選用以莫來石為主原料并加“三石”（藍晶石、紅柱石、硅線石）增韌的配料方法，合成以莫來石為主的蜂窩陶瓷。

　　RTO裝置中常用陶瓷填料作為蓄熱體，該陶瓷用料的主要化學成分是二氧化硅和氧化鋁，如表2所示。

　　表2 常用陶瓷填料的化學成分及物理性能［2］

　　化學成分

　　物理性能

　　SiO2

　　65%～72%

　　密度/（g/cm3）

　　2.10～2.40

　　Al2O3

　　>23%

　　吸水率/％

　　0.30～0.60

　　SiO2+Al2O3

　　>90%

　　氣孔率/％

　　0.6～1.10

　　TiO2

　　0.5%~0.6%

　　耐酸度/％

　　99.0

　　Fe2O3

　　約1.0%

　　耐堿度/％

　　86

　　Fe

　　0.002%

　　莫氏硬度

　　7～8

　　CaO

　　約0.3%

　　淬冷試驗

　　240～20℃ 3次不裂

　　MgO

　　0.3%~0.5%

　　冷壓強度/(N/mm2)

　　約400

　　K2O

　　1.8%~2.5%

　　熱膨脹系數

　　5.5X10-6/℃

　　Na2O

　　約0.2%

　　催化劑中毒可能性

　　無

　　三、 蓄熱體的結構類型和幾何特性

　　過去的蓄熱爐都用柵格結構的耐火磚砌成，如冶金工業、玻璃工業中經常見到的熱風爐。日前這種蓄熱體早已淘汰。近代蓄熱體都 采納陶瓷用料，并做成蜂窩狀結構借以提高熱效率和減少氣體通過時的流動阻力。在RTO焚燒爐裝置的蓄熱室中，常放置陶瓷用料制成的蓄熱填充物，主要類型有規整填料（比如蜂窩填料和板波紋填料）和散堆填料（顆粒填料，比如矩鞍環）兩大類。經常見到的陶瓷蓄熱體形狀有球狀、鞍環狀、管狀、多層板片（或波紋板）和蜂窩狀。蜂窩陶瓷蓄熱體按孔口的形狀又可分為圓形、三角形、四邊形和六邊形等。

　　評價蓄熱體的優劣，主要是其熱效率和藹流通過時的壓力損失，而這方面又與蓄熱體的結構形狀、尺寸大小和材質（熱容、熱導率、輻射率）相關。

　　日前，RTO焚燒爐裝置中常用的陶瓷蓄熱體有如下幾類。

　　（1）陶瓷矩鞍環填料陶瓷矩鞍環填料是化工、石油工業中用于傳質過程的傳統塔填料。由于陶瓷矩鞍環價廉，并且能滿足蓄熱燃燒凈化有機廢氣的工藝要求，所以曾經應用于相當多RTO裝置中。陶瓷矩鞍環及其幾何特性如圖1和表3所示。

　　陶瓷矩鞍環

　　陶瓷矩鞍環的幾何特性［3］

　　規格

　　尺寸

　　/mm

　　比表面積

　　/(m2/m3)

　　空隙率

　　/％

　　堆積重度

　　/(kg/m3)

　　個數

　　/(1/m3)

　　Φ13

　　21x12x1.8

　　430

　　68

　　740

　　355820

　　Φ16

　　24x14x2.0

　　378

　　68.5

　　720

　　232980

　　Φ19

　　33x18x2.8

　　330

　　69

　　720

　　111548

　　Φ25

　　38x22x3.4

　　258

　　70

　　700

　　62128

　　Φ38

　　60x30x4.0

　　197

　　73

　　630

　　23368

　　Φ50

　　80x40x5.0

　　120

　　74

　　600

　　8860

　　Φ75

　　114x57x8.0

　　92

　　75

　　580

　　3000

　　Φ100

　　136.5x72.5x11.0

　　78

　　76

　　550

　　1606

　　在陶瓷矩鞍環這種散堆填料的情況下，，所用的蓄熱用料對換熱效率是起決定性效果的。另外，因為顆粒填料在床層中的羅列起到顯然的三維空間序列，所以氣體通過床層的流動呈湍流狀態。氣體在蓄熱室中周期性的反向流動，使蓄熱體接連不斷交替地加熱和冷卻，因而在一定程度上，氣流通過床層時并非均勻分布，床層的中心區域未必真正參與熱交換。按照經驗，對于一定尺寸的每立方米陶瓷矩鞍環，有一個相應的有效換熱面積。陶瓷矩鞍環與規整填料相比，其主要優點是價格低廉，但缺點是阻力比規整填料大，并且填料邊緣容易破碎而導致床層空隙被阻塞，從而會使床層阻力更大和減少了使用壽命。按照工業應用的通常經驗，如RTO裝置中用lin（25.4mm）陶瓷矩鞍環作為蓄熱體，則為了達到95%的熱效率需要8～9ft（2.44～2.74m）的床層高度，切換時間為2min［4］。

　　（1）陶瓷蜂窩填料日前在RTO裝置中大多 采納規整填料，非常是陶瓷蜂窩填料，也稱陶瓷蜂窩柱塊（Monolith），如圖2所示。因為氣流各自通過平行的通道，互不相混，其流動成層流狀態。，在散堆填料情況下，氣體通過填料層的流動是湍流狀態，因而氣體通過床層的壓降與氣速的平方呈函數關系；而在規整填料情況下，氣體的流動呈層流狀態，壓降與氣速成正比關系。所以，陶瓷蜂窩填料的壓降遠比陶瓷矩鞍環等散堆填料低。陶瓷蜂窩填料通常做成尺寸為150mmx150mmx300mm的柱狀蓄熱體，并整砌于RTO的蓄熱室中。氣流通過一塊填料截面上的孔數，稱為孔密度（也用每平方英寸孔數CSI表明），平常從13x13（孔數169）至60x60（孔數3600）。孔密度越大，則單位容積的表面積也大，即可提供較大的傳熱面積，從而提高了熱效率。

　　圖2 陶瓷蜂窩填料

　　陶瓷蜂窩填料大多 采納擠壓成型，最經常見到的陶瓷蜂窩填料其內部的孔是四邊形，其幾何特性圖表4所示。

　　表4 陶瓷蜂窩填料的幾何特性（德國Rauschert公司）［4］

　　孔道數(孔數)

　　孔密度/CSI＊

　　通道寬/mm

　　比表面積/(m2/m3)

　　空隙率/％

　　5x5(25)

　　1

　　26.3

　　117

　　77

　　13x13(169)

　　5

　　9.2

　　278

　　64

　　20x20(400)

　　11

　　6.4

　　455

　　73

　　25x25(625)

　　18

　　4.9

　　540

　　67

　　40x40(1600)

　　46

　　3.0

　　825

　　65

　　50x50(2500)

　　72

　　2.3

　　1005

　　57

　　*Cell per square inch（每平方英寸孔數）

　　該公司生產的陶瓷蜂窩填料外形尺寸大多為150x150x300mm，孔內壁厚度分0.42mm、0.6mm、1.0mm等，另外，對不同規格、不同材質的陶瓷蜂窩填料都給出了相應的物理性能數據，比如規格為40x40的陶瓷蜂窩填料，其物理性能數據如表5所示。

　　表5 不同材質的物理性能數據

　　項目

　　陶土

　　堇青石(密)

　　堇青石(多孔)

　　莫來石

　　石英陶瓷

　　原料密度/（g/m3）

　　2.68

　　2.42

　　2.16

　　2.31

　　2.47

　　堆重/(kg/m3)

　　965

　　871

　　778

　　832

　　889

　　平均熱脹系數/1(0-6K-1)

　　6.2

　　3.5

　　3.4

　　6.2

　　4.8

　　比熱容/［J/(kg.K)］

　　992

　　942

　　1016

　　998

　　897

　　熱導率/［W/(m.K)］

　　2.97

　　1.89

　　1.63

　　2.24

　　1.37

　　耐溫度急變/K

　　500

　　500

　　600

　　550

　　500

　　軟化點/℃

　　1500

　　1320

　　1400

　　1580

　　1380

　　使用溫度/℃

　　1400

　　1200

　　1300

　　1480

　　1280

　　平均儲熱能力/［kW.h/(m3.K)］

　　0.266

　　0.228

　　0.219

　　0.231

　　0.222

　　通常陶瓷蜂窩填料材質是氧化鋁、堇青石（致密、多孔）、莫來石。因為蜂窩陶瓷內部有相當多平行貫穿的通道，呈薄壁格子狀結構，所以與通常顆粒狀陶瓷填料相比，起到低熱膨脹性、比表面積大、低壓降、非常好的傳熱性能和分量輕的優點，所以在RTO裝置中獲得廣泛應用。蜂窩陶瓷價格通常較貴，但使用壽命長。

　　陶瓷蜂窩柱是整砌在蓄熱室中，因為每個小孔的通道都是從上到下直通的，所以一旦小孔局部被阻塞，就使整個通道受阻。因此，日前也有將陶瓷蜂窩柱的一個端面做成圓弧凹面，這樣可幸免因局部受堵而影響全局。

　　（1）多層板片組合式陶瓷蜂窩填料（MLM?）［3］值得一提的是，美國藍太克產品有限公司開發了用于RTO裝置中的MLM?陶瓷蜂窩填料。MLM?（Multi－Layer－Media）產品是專為RTO裝置設計的陶瓷規整填料，這里臨時稱它“多層板片組合陶瓷蜂窩填料”。這種板片組合式的陶瓷蜂窩填料是由多層板片構成，不是 采納直接擠壓成型，而是先做成單個板片，然后將多層板片黏結在共同，經燒結而成為多層板片組合式的陶瓷蜂窩填料。該填料的每個薄片上開有溝槽，兩片組合后構成內部相通的通道，使氣流能夠橫向和縱向地通過填料。平常每片板厚約1.5mm，組成約305mmx305mmx102mm的塊狀蓄熱體。從其結構看，MLM?的性能比較接近蜂窩填料，而在一樣應用條件下與傳統的陶瓷矩鞍環相比，用MLM?后的床層壓降降低50%，因其阻力比陶瓷矩鞍環低，能耗可節省30%。

　　MLM?的優勢特點如下：

　　多層板片設計，升溫后蓄熱陶瓷不殘留熱應力；

　　同意氣流在板片間橫向流動，蓄熱體抗阻塞性能佳；

　　空隙率高，蓄熱床設計的空塔流速較高，換熱效率高；

　　空隙率高，蓄熱床壓力減少；

　　板片機械強度高，抗熱震能力強；

　　層間以90度交叉安裝，現場安裝的適應性強；

　　具成本優勢，有的性價比。

　　日前生產的MLM?系列有五個規格，其特性及圖形如表6和圖3

　　圖3 MLM?

　　表6 MLM?的特性

　　項目

　　MLM?-125

　　MLM?-160

　　MLM?-180

　　MLM?-200

　　MLM?-S

　　尺寸/mm

　　305x305x102

　　305x305x102

　　305x305x102

　　305x305x102

　　305x305x102

　　熱容/(KJ/m3-℃)

　　670

　　810

　　940

　　1070

　　1070

　　分量/(kg/m3)

　　640

　　840

　　950

　　1060

　　1060

　　空隙率/％

　　72

　　64

　　59

　　54

　　53

　　陶瓷比重

　　2.25-2.35

　　2.25-2.35

　　2.25-2.35

　　2.25-2.35

　　2.25-2.35

　　吸水率(ASTMC373)

　　<0.5%

　　<0.5%

　　<0.5%

　　<0.5%

　　<0.5%

　　抗酸強度分量損失(ASTMC279)

　　<4%

　　<4%

　　<4%

　　<4%

　　<4%

　　工作溫度/℃

　　1180

　　1180

　　1180

　　1180

　　1180

　　冷壓強度/(kg/cm2)

　　4210

　　5380

　　6120

　　7340

　　7340

　　由于MLM?也是一種類型的規整陶瓷填料，價格雖比陶瓷矩鞍環貴，但其性能也比陶瓷矩鞍環好；另外，與傳統的陶瓷蜂窩填料（Monolith）相比，其性價比較高。在現有的蓄熱體中抗熱政能力是的一種，容易達到△t 400攝氏度，MLM?是值得選用的。日前MLM?在各個國家中得到廣泛使用。

　　美國藍太克產品有限公司將MLM?蓄熱體用于RTO的設計參數，以及與lin陶瓷矩鞍環的比較推薦如下。

　　設計實例：

　　有機廢氣處理量

　　53858Nm3/h

　　廢氣入口溫度

　　20℃

　　燃燒室溫度

　　816℃

　　切換時間

　　90s

　　燃燒器空氣/入口廢氣

　　1:100

　　熱效率

　　95%

　　介紹設計：

　　蓄熱體

　　MLM?

　　切換時間

　　90s

　　燃燒器空氣／燃料氣

　　10:1

　　蓄熱室尺寸

　　3048mmx3353mm

　　設計氣體容積流率

　　1.46Nm3/(m2.s)

　　床層高度

　　1122mm

　　蓄熱體容積（兩床）

　　22.9m3

　　氣體通過兩床的壓力降

　　19mbar

　　與lin（25mm）陶瓷矩鞍環比較：

　　蓄熱體

　　Lin(25mm)陶瓷矩鞍環

　　蓄熱室尺寸

　　3048mmx4572mm

　　氣速

　　1.07m/s

　　床層高度

　　2743mm

　　蓄熱體容積（兩床）

　　76.4m3

　　氣流通過兩床的壓力降

　　47mbar

　　比較結果是：用MLM?蓄熱體代替陶瓷矩鞍環可節省操作費50000美元/年，節省投資約25%～30%。

　　文獻［4］對陶瓷散堆填料（矩鞍環）和規整填料（Monolith和MLM?）的物理特性做了比較，如表7所示。

　　表7 矩鞍環，Monolith和MLM?的物理特性比較

　　物理特性

　　lin矩鞍環

　　孔數40x40Monolith

　　MLM?-200

　　堆積密度/(kg/m3)

　　672

　　1041

　　1060

　　空隙率/％

　　69

　　65

　　54

　　rto焚燒爐廠家

　　在達到相同的熱效率條件下，MLM?所需的容積比Monolith少；在一定氣速條件下，其壓降比矩鞍環低。MLM?的價格比Monolith低，但比矩鞍環高。據報道，用MLM?替代RTO裝置中原有的lin矩鞍環后，其處理能力提高30%，容積僅為lin矩鞍環的一半，而熱效率和循環時間保持不變［4］。

　　（1）賽格蒙?分層式蜂窩陶瓷

　　還有美國藍太克產品有限公司在代MLM?和第二代LanteComb蓄熱體的基礎上，進一步研發出了起到更高換熱效率及更優抗堵性能的第三代蓄熱體—賽格蒙?分層式蜂窩陶瓷。這一蓄熱體的特點是將蓄熱體橫向切分成若干片層，片層與片層之間留有空隙。氣流通過蓄熱體時可在片層間的空隙中橫向流動，這一特點使得氣體和溫度分布更加均勻，大大提高蓄熱體的換熱效率；另外，的分層結構令蓄熱體不易阻塞，即使出現阻塞情況，也只是在局部片層內部阻塞，而不會發生像Monolith阻塞時的蓄熱床層整體坍塌的情況。

　　賽格蒙?分層式蜂窩陶瓷的優勢概括如下。

　　l 通過賽格蒙?分層式蜂窩陶瓷的氣流能夠在層間橫向擴散,這一特性使得氣流分布更加均勻,換熱效率更高。

　　l 的分層結構使得單片間存在空隙,極大地提高了蓄熱材的抗阻塞性能,幸免出現因VOCs堆積損壞蓄熱材的現象,而且從根本上改進了傳統蜂窩陶瓷阻塞時,整條氣流通道全部失效的缺點;

　　l分層結構解決了傳統蜂窩陶瓷無法克服的熱應力問題;

　　l 模塊中的4個墊片可在片層與片層間留有空隙,而傳統蜂窩陶瓷在安裝時需要單獨放置墊片,這一結構改進使得賽格蒙?分層式蜂窩陶瓷安裝更便捷;

　　l 賽格蒙?分層式蜂窩陶瓷模塊可由2塊或4塊單片組成,模塊高度尺寸靈便,可的降低填料用量，減少填料投入成本;

　　l 日前,賽格蒙?分層式蜂窩陶瓷有25孔、40孔、43孔、50孔及LCH孔等規格產品。

　　賽格蒙?分層式蜂窩陶瓷及其性能指標請見如圖4.4及表4.8。

　　賽格蒙?分層式蜂窩陶瓷

　　賽格蒙?分層式蜂窩陶瓷的理化性能指標[6]

　　化學性質

　　物理性能

　　Al2O3

　　22~28%

　　體積密度

　　2.2~2.5g/cm3

　　SiO2

　　65~75%

　　耐酸度（HG/T3210）

　　≥98%

　　Fe2O3

　　≤1.5%

　　熱容

　　900~1100J/Kg.K

　　K2O+Na2O

　　≤4%

　　抗壓強度

　　軸向≥10.0Mpa

　　工作溫度

　　1180℃

　　吸水率

　　≤3%

　　表9賽格蒙?分層式蜂窩陶瓷模塊規格尺寸[6]

　　規格

　　分層數

　　備注

　　75mm

　　2

　　層間距2±1mm

　　150mm

　　4

　　賽格蒙?分層式蜂窩陶瓷自問世以來，憑借其優異的換熱效能和抗阻塞性能，已安裝于成百上千套RTO中，并獲得廣大OEM廠家及業主的認可。

　　除以上類型的陶瓷規整填料外，還有Koch Knight LLC公司開發用于RTO的陶瓷規整填料，成為“Flexeramic Structured Media”。這種陶瓷規整填料與石油化工生產中經常見到的蘇爾壽填料（陶瓷波紋板規整填料）的結構基本上一樣，也是由波紋板片組合而成，不過在幾何性能上（非常是流道的設計）更能符合作為蓄熱體的要求。所以，這類蓄熱體與散堆填料相比，均起到處理能力大、壓力減少和熱效率高的優點。

　　通常而論，作為蓄熱體的規整填料比散堆填料的性能優點是單位容積起到高的表面積，比表面積越大，則熱效率越高。當然蓄熱體也需要有一個合適的切換時間與其適應；平常由于規整填料的用量比散堆填料要少得多，所以與散堆填料蓄熱體相比，規整填料所需切換時間較短。