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rto蓄热焚烧炉

　　一、蓄热体

　　蓄热体应具备的性能

　　蓄热体，也称蓄热填充物，是RTO焚烧炉装置中的一个重要组成部分，它相当于一个换热器，即蓄热式换热器。其效果是：当冷的废气通过热的蓄热体时，蓄热体将储存的热量释放，使废气加热到所需的预热温度而蓄热体本身被冷却（冷周期）；预热后的气体进入燃烧室，经反应后热的净化气通过冷的蓄热体时，蓄热体汲取净化气体的热量，使气体冷却而蓄热体本身被加热（热周期）。作为有机废气净化装置的RTO焚烧炉来讲，对蓄热体的要求主要包括：蓄热体材质的物理、化学性能，蓄热体结构的机械性能，以及蓄热体几何结构的流体力学和换热性能。

　　（1）耐炎热的天气 RTO焚烧炉装置的操温度通常为750～950℃，所以要选用能耐温度1200℃左右的材质作为蓄热体，平常用陶瓷用料。

　　（2）起到较高的热容量蓄热体蓄热能力的大小主要取决于其质量及其用料的密度和比热容。密度与比热容之积越大，则表明其单位容积的蓄热能力也大，即在达到一样的蓄热量情况下，装置的容积能够做得小些。所以，蓄热体的用料应起到高密度和高比热容的特性。

　　（3）起到非常好的热传性能和优良的导热和热辐射性能即在冷周期时能将热量快速传递给较冷的废气；而在热周期时又可以快速汲取净化气的热量。

　　（4）起到非常好的抗热震性能由于蓄热体是处于周期性的冷却和加热状态，所以需要能反抗常常冷、热交替的温度变化。若蓄热体不可以经受反复的温度变化，则蓄热体就会破碎而阻塞气流通道，从而使床层压降升高，甚至不可以操作。

　　（5）在炎热的天气下起到足够的机械强度陶瓷用料自我很重，不同意受压而破裂，否则会增加床层的阻力。

　　（6）抗炎热的天气氧化和耐化学腐蚀比如能耐废气燃烧后产生的SO2、HCl等腐蚀性气体。

　　（7）蓄热体的几何结构应起到足够的流通截面积，并使气体分布均匀、阻力低等特性，并尽量起到较大的比表面积，以确保蓄热体起到较大的有效传热面积。

　　（8）价格应尽量低廉，而使用寿命又要长。就日前RTO焚烧炉装置常用的蓄热体而言，陶瓷矩鞍环的寿命要求达到5年，而陶瓷蜂窝填料的寿命要求达到10年，但前者的价格仅为后者的1/5左右。

　　二、蓄热体的材质

　　通常讲，蓄热体的用料主要有陶瓷和金属两种。金属类蓄热体如钢、铝等用料只能用于低温或中等温度的场合。因为RTO焚烧炉装置的操作温度较高，所以不可以用金属用料。陶瓷用料起到优良的耐炎热的天气、抗氧化、耐腐蚀的性能，以及起到足够的机械强度和价廉等优点，其性能基本上都能满足RTO的要求，全部RTO都采纳陶瓷用料作为蓄热体。

　　日前在RTO焚烧炉装置中采纳的陶瓷原用料，主要有黏土、刚玉、莫来石、锆英石、钛酸铝和堇青石等。平常蜂窝状蓄热体的用料主要是堇青石和莫来石，而球状和通常陶瓷填料蓄热体的用料主要是氧化铝（或高铝材质）和莫来石。从使用性能和价格来讲，选用莫来石陶瓷作蓄热体较为合适。陶瓷用料的性能如表1所示。

　　表1 多种陶瓷用料的性能［1］

　　用料

　　密度

　　/(g/cm3)

　　热熔

　　/(J/K)

　　耐火度/℃

　　使用温度/℃

　　抗折强度

　　/MPa

　　热膨胀系数

　　(室温～900℃)

　　(X10-6/℃)

　　抗热

　　震性

　　热辐射率/％

　　热导率

　　/[W/(m.K)]

　　莫来石

　　3.23

　　4.55

　　1850

　　1400～1500

　　4.3

　　非常好

　　0.49～0.8

　　5.20

　　锆英石

　　3.2～3.5

　　0.71

　　>2000

　　1150

　　3.3

　　非常好

　　0.4～0.8

　　2.20

　　刚玉(80%～85%Al2O3)

　　2.5～3.2

　　1.05

　　1850

　　1400

　　>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

　　钛酸铝

　　3.34

　　0.92

　　>1500

　　1350

　　5～20

　　1.22

　　优

　　0.55

　　0.78

　　堇青石

　　1.7

　　0.92

　　1450

　　1200

　　10～20

　　1～2

　　优良

　　0.5～0.7

　　1.97～2.32

　　文献［2］指出：堇青石尽管抗热震性能较好，但其烧成温度范围很窄，通常为1250～1350℃，温度低时会欠烧，而达不到低的热膨胀系数和优良的抗热震性能；温度过高时，堇青石会分解为莫来石和玻璃相。堇青石使用温度仅为1100℃，使用温度低，只能耐碱；钛酸铝在炎热的天气下易分解；锂辉石、磷酸锆钠、氧化铝等抗热震性能较差而成本高；碳化硅、氮化硅的抗热震性能虽较好，但价格昂贵。所以该文献提出了选用以莫来石为主原料并加“三石”（蓝晶石、红柱石、硅线石）增韧的配料方法，合成以莫来石为主的蜂窝陶瓷。

　　RTO装置中常用陶瓷填料作为蓄热体，该陶瓷用料的主要化学成分是二氧化硅和氧化铝，如表2所示。

　　表2 常用陶瓷填料的化学成分及物理性能［2］

　　化学成分

　　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%

　　气孔率/％

　　0.6～1.10

　　TiO2

　　0.5%~0.6%

　　耐酸度/％

　　99.0

　　Fe2O3

　　约1.0%

　　耐碱度/％

　　0.002%

　　莫氏硬度

　　7～8

　　CaO

　　约0.3%

　　淬冷试验

　　240～20℃ 3次不裂

　　MgO

　　0.3%~0.5%

　　冷压强度/(N/mm2)

　　约400

　　K2O

　　1.8%~2.5%

　　热膨胀系数

　　5.5X10-6/℃

　　Na2O

　　约0.2%

　　催化剂中毒可能性

　　无

　　三、蓄热体的结构类型和几何特性

　　过去的蓄热炉都用栅格结构的耐火砖砌成，如冶金工业、玻璃工业中经常见到的热风炉。日前这种蓄热体早已淘汰。近代蓄热体都采纳陶瓷用料，并做成蜂窝状结构借以提高热效率和减少气体通过时的流动阻力。在RTO焚烧炉装置的蓄热室中，常放置陶瓷用料制成的蓄热填充物，主要类型有规整填料（比如蜂窝填料和板波纹填料）和散堆填料（颗粒填料，比如矩鞍环）两大类。经常见到的陶瓷蓄热体形状有球状、鞍环状、管状、多层板片（或波纹板）和蜂窝状。蜂窝陶瓷蓄热体按孔口的形状又可分为圆形、三角形、四边形和六边形等。

　　评价蓄热体的优劣，主要是其热效率和蔼流通过时的压力损失，而这方面又与蓄热体的结构形状、尺寸大小和材质（热容、热导率、辐射率）相关。

　　日前，RTO焚烧炉装置中常用的陶瓷蓄热体有如下几类。

　　（1）陶瓷矩鞍环填料陶瓷矩鞍环填料是化工、石油工业中用于传质过程的传统塔填料。由于陶瓷矩鞍环价廉，并且能满足蓄热燃烧净化有机废气的工艺要求，所以曾经应用于相当多RTO装置中。陶瓷矩鞍环及其几何特性如图1和表3所示。

　　陶瓷矩鞍环

　　陶瓷矩鞍环的几何特性［3］

　　规格

　　尺寸

　　/mm

　　比表面积

　　/(m2/m3)

　　空隙率

　　/％

　　堆积重度

　　/(kg/m3)

　　个数

　　/(1/m3)

　　Φ13

　　21x12x1.8

　　430

　　740

　　355820

　　Φ16

　　24x14x2.0

　　378

　　68.5

　　720

　　232980

　　Φ19

　　33x18x2.8

　　330

　　720

　　111548

　　Φ25

　　38x22x3.4

　　258

　　700

　　62128

　　Φ38

　　60x30x4.0

　　197

　　630

　　23368

　　Φ50

　　80x40x5.0

　　120

　　600

　　8860

　　Φ75

　　114x57x8.0

　　580

　　3000

　　Φ100

　　136.5x72.5x11.0

　　550

　　1606

　　在陶瓷矩鞍环这种散堆填料的情况下，，所用的蓄热用料对换热效率是起决定性效果的。另外，因为颗粒填料在床层中的罗列起到显然的三维空间序列，所以气体通过床层的流动呈湍流状态。气体在蓄热室中周期性的反向流动，使蓄热体接连不断交替地加热和冷却，因而在一定程度上，气流通过床层时并非均匀分布，床层的中心区域未必真正参与热交换。按照经验，对于一定尺寸的每立方米陶瓷矩鞍环，有一个相应的有效换热面积。陶瓷矩鞍环与规整填料相比，其主要优点是价格低廉，但缺点是阻力比规整填料大，并且填料边缘容易破碎而导致床层空隙被阻塞，从而会使床层阻力更大和减少了使用寿命。按照工业应用的通常经验，如RTO装置中用lin（25.4mm）陶瓷矩鞍环作为蓄热体，则为了达到95%的热效率需要8～9ft（2.44～2.74m）的床层高度，切换时间为2min［4］。

　　（1）陶瓷蜂窝填料日前在RTO装置中大多采纳规整填料，非常是陶瓷蜂窝填料，也称陶瓷蜂窝柱块（Monolith），如图2所示。因为气流各自通过平行的通道，互不相混，其流动成层流状态。，在散堆填料情况下，气体通过填料层的流动是湍流状态，因而气体通过床层的压降与气速的平方呈函数关系；而在规整填料情况下，气体的流动呈层流状态，压降与气速成正比关系。所以，陶瓷蜂窝填料的压降远比陶瓷矩鞍环等散堆填料低。陶瓷蜂窝填料通常做成尺寸为150mmx150mmx300mm的柱状蓄热体，并整砌于RTO的蓄热室中。气流通过一块填料截面上的孔数，称为孔密度（也用每平方英寸孔数CSI表明），平常从13x13（孔数169）至60x60（孔数3600）。孔密度越大，则单位容积的表面积也大，即可提供较大的传热面积，从而提高了热效率。

　　图2 陶瓷蜂窝填料

　　陶瓷蜂窝填料大多采纳挤压成型，最经常见到的陶瓷蜂窝填料其内部的孔是四边形，其几何特性图表4所示。

　　表4 陶瓷蜂窝填料的几何特性（德国Rauschert公司）［4］

　　孔道数(孔数)

　　孔密度/CSI＊

　　通道宽/mm

　　比表面积/(m2/m3)

　　空隙率/％

　　5x5(25)

　　26.3

　　117

　　13x13(169)

　　9.2

　　278

　　20x20(400)

　　6.4

　　455

　　25x25(625)

　　4.9

　　540

　　40x40(1600)

　　3.0

　　825

　　50x50(2500)

　　2.3

　　1005

　　*Cell per square inch（每平方英寸孔数）

　　该公司生产的陶瓷蜂窝填料外形尺寸大多为150x150x300mm，孔内壁厚度分0.42mm、0.6mm、1.0mm等，另外，对不同规格、不同材质的陶瓷蜂窝填料都给出了相应的物理性能数据，比如规格为40x40的陶瓷蜂窝填料，其物理性能数据如表5所示。

　　表5 不同材质的物理性能数据

　　项目

　　陶土

　　堇青石(密)

　　堇青石(多孔)

　　莫来石

　　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

　　平均热胀系数/1(0-6K-1)

　　6.2

　　3.5

　　3.4

　　6.2

　　4.8

　　比热容/［J/(kg.K)］

　　992

　　942

　　1016

　　998

　　897

　　热导率/［W/(m.K)］

　　2.97

　　1.89

　　1.63

　　2.24

　　1.37

　　耐温度急变/K

　　500

　　600

　　550

　　500

　　软化点/℃

　　1500

　　1320

　　1400

　　1580

　　1380

　　使用温度/℃

　　1400

　　1200

　　1300

　　1480

　　1280

　　平均储热能力/［kW.h/(m3.K)］

　　0.266

　　0.228

　　0.219

　　0.231

　　0.222

　　通常陶瓷蜂窝填料材质是氧化铝、堇青石（致密、多孔）、莫来石。因为蜂窝陶瓷内部有相当多平行贯穿的通道，呈薄壁格子状结构，所以与通常颗粒状陶瓷填料相比，起到低热膨胀性、比表面积大、低压降、非常好的传热性能和分量轻的优点，所以在RTO装置中获得广泛应用。蜂窝陶瓷价格通常较贵，但使用寿命长。

　　陶瓷蜂窝柱是整砌在蓄热室中，因为每个小孔的通道都是从上到下直通的，所以一旦小孔局部被阻塞，就使整个通道受阻。因此，日前也有将陶瓷蜂窝柱的一个端面做成圆弧凹面，这样可幸免因局部受堵而影响全局。

　　（1）多层板片组合式陶瓷蜂窝填料（MLM?）［3］值得一提的是，美国蓝太克产品有限公司开发了用于RTO装置中的MLM?陶瓷蜂窝填料。MLM?（Multi－Layer－Media）产品是专为RTO装置设计的陶瓷规整填料，这里临时称它“多层板片组合陶瓷蜂窝填料”。这种板片组合式的陶瓷蜂窝填料是由多层板片构成，不是采纳直接挤压成型，而是先做成单个板片，然后将多层板片黏结在共同，经烧结而成为多层板片组合式的陶瓷蜂窝填料。该填料的每个薄片上开有沟槽，两片组合后构成内部相通的通道，使气流能够横向和纵向地通过填料。平常每片板厚约1.5mm，组成约305mmx305mmx102mm的块状蓄热体。从其结构看，MLM?的性能比较接近蜂窝填料，而在一样应用条件下与传统的陶瓷矩鞍环相比，用MLM?后的床层压降降低50%，因其阻力比陶瓷矩鞍环低，能耗可节省30%。

　　MLM?的优势特点如下：

　　多层板片设计，升温后蓄热陶瓷不残留热应力；

　　同意气流在板片间横向流动，蓄热体抗阻塞性能佳；

　　空隙率高，蓄热床设计的空塔流速较高，换热效率高；

　　空隙率高，蓄热床压力减少；

　　板片机械强度高，抗热震能力强；

　　层间以90度交叉安装，现场安装的适应性强；

　　具成本优势，有的性价比。

　　日前生产的MLM?系列有五个规格，其特性及图形如表6和图3

　　图3 MLM?

　　表6 MLM?的特性

　　项目

　　MLM?-125

　　MLM?-160

　　MLM?-180

　　MLM?-200

　　MLM?-S

　　尺寸/mm

　　305x305x102

　　热容/(KJ/m3-℃)

　　670

　　810

　　940

　　1070

　　分量/(kg/m3)

　　640

　　840

　　950

　　1060

　　空隙率/％

　　陶瓷比重

　　2.25-2.35

　　吸水率(ASTMC373)

　　<0.5%

　　抗酸强度分量损失(ASTMC279)

　　<4%

　　工作温度/℃

　　1180

　　冷压强度/(kg/cm2)

　　4210

　　5380

　　6120

　　7340

　　由于MLM?也是一种类型的规整陶瓷填料，价格虽比陶瓷矩鞍环贵，但其性能也比陶瓷矩鞍环好；另外，与传统的陶瓷蜂窝填料（Monolith）相比，其性价比较高。在现有的蓄热体中抗热政能力是的一种，容易达到△t 400摄氏度，MLM?是值得选用的。日前MLM?在各个国家中得到广泛使用。

　　美国蓝太克产品有限公司将MLM?蓄热体用于RTO的设计参数，以及与lin陶瓷矩鞍环的比较推荐如下。

　　设计实例：

　　有机废气处理量

　　53858Nm3/h

　　废气入口温度

　　20℃

　　燃烧室温度

　　816℃

　　切换时间

　　90s

　　燃烧器空气/入口废气

　　1:100

　　热效率

　　95%

　　介绍设计：

　　蓄热体

　　MLM?

　　切换时间

　　90s

　　燃烧器空气／燃料气

　　10:1

　　蓄热室尺寸

　　3048mmx3353mm

　　设计气体容积流率

　　1.46Nm3/(m2.s)

　　床层高度

　　1122mm

　　蓄热体容积（两床）

　　22.9m3

　　气体通过两床的压力降

　　19mbar

　　与lin（25mm）陶瓷矩鞍环比较：

　　蓄热体

　　Lin(25mm)陶瓷矩鞍环

　　蓄热室尺寸

　　3048mmx4572mm

　　气速

　　1.07m/s

　　床层高度

　　2743mm

　　蓄热体容积（两床）

　　76.4m3

　　气流通过两床的压力降

　　47mbar

　　比较结果是：用MLM?蓄热体代替陶瓷矩鞍环可节省操作费50000美元/年，节省投资约25%～30%。

　　文献［4］对陶瓷散堆填料（矩鞍环）和规整填料（Monolith和MLM?）的物理特性做了比较，如表7所示。

　　表7 矩鞍环，Monolith和MLM?的物理特性比较

　　物理特性

　　lin矩鞍环

　　孔数40x40Monolith

　　MLM?-200

　　堆积密度/(kg/m3)

　　672

　　1041

　　1060

　　空隙率/％

　　rto焚烧炉厂家

　　在达到相同的热效率条件下，MLM?所需的容积比Monolith少；在一定气速条件下，其压降比矩鞍环低。MLM?的价格比Monolith低，但比矩鞍环高。据报道，用MLM?替代RTO装置中原有的lin矩鞍环后，其处理能力提高30%，容积仅为lin矩鞍环的一半，而热效率和循环时间保持不变［4］。

　　（1）赛格蒙?分层式蜂窝陶瓷

　　还有美国蓝太克产品有限公司在代MLM?和第二代LanteComb蓄热体的基础上，进一步研发出了起到更高换热效率及更优抗堵性能的第三代蓄热体—赛格蒙?分层式蜂窝陶瓷。这一蓄热体的特点是将蓄热体横向切分成若干片层，片层与片层之间留有空隙。气流通过蓄热体时可在片层间的空隙中横向流动，这一特点使得气体和温度分布更加均匀，大大提高蓄热体的换热效率；另外，的分层结构令蓄热体不易阻塞，即使出现阻塞情况，也只是在局部片层内部阻塞，而不会发生像Monolith阻塞时的蓄热床层整体坍塌的情况。

　　赛格蒙?分层式蜂窝陶瓷的优势概括如下。

　　l 通过赛格蒙?分层式蜂窝陶瓷的气流能够在层间横向扩散,这一特性使得气流分布更加均匀,换热效率更高。

　　l 的分层结构使得单片间存在空隙,极大地提高了蓄热材的抗阻塞性能,幸免出现因VOCs堆积损坏蓄热材的现象,而且从根本上改进了传统蜂窝陶瓷阻塞时,整条气流通道全部失效的缺点;

　　l分层结构解决了传统蜂窝陶瓷无法克服的热应力问题;

　　l 模块中的4个垫片可在片层与片层间留有空隙,而传统蜂窝陶瓷在安装时需要单独放置垫片,这一结构改进使得赛格蒙?分层式蜂窝陶瓷安装更便捷;

　　l 赛格蒙?分层式蜂窝陶瓷模块可由2块或4块单片组成,模块高度尺寸灵便,可的降低填料用量，减少填料投入成本;

　　l 日前,赛格蒙?分层式蜂窝陶瓷有25孔、40孔、43孔、50孔及LCH孔等规格产品。

　　赛格蒙?分层式蜂窝陶瓷及其性能指标请见如图4.4及表4.8。

　　赛格蒙?分层式蜂窝陶瓷

　　赛格蒙?分层式蜂窝陶瓷的理化性能指标[6]

　　化学性质

　　物理性能

　　Al2O3

　　22~28%

　　体积密度

　　2.2~2.5g/cm3

　　SiO2

　　65~75%

　　耐酸度（HG/T3210）

　　≥98%

　　Fe2O3

　　≤1.5%

　　热容

　　900~1100J/Kg.K

　　K2O+Na2O

　　≤4%

　　抗压强度

　　轴向≥10.0Mpa

　　工作温度

　　1180℃

　　吸水率

　　≤3%

　　表9赛格蒙?分层式蜂窝陶瓷模块规格尺寸[6]

　　规格

　　分层数

　　备注

　　75mm

　　层间距2±1mm

　　150mm

　　赛格蒙?分层式蜂窝陶瓷自问世以来，凭借其优异的换热效能和抗阻塞性能，已安装于成百上千套RTO中，并获得广大OEM厂家及业主的认可。

　　除以上类型的陶瓷规整填料外，还有Koch Knight LLC公司开发用于RTO的陶瓷规整填料，成为“Flexeramic Structured Media”。这种陶瓷规整填料与石油化工生产中经常见到的苏尔寿填料（陶瓷波纹板规整填料）的结构基本上一样，也是由波纹板片组合而成，不过在几何性能上（非常是流道的设计）更能符合作为蓄热体的要求。所以，这类蓄热体与散堆填料相比，均起到处理能力大、压力减少和热效率高的优点。

　　通常而论，作为蓄热体的规整填料比散堆填料的性能优点是单位容积起到高的表面积，比表面积越大，则热效率越高。当然蓄热体也需要有一个合适的切换时间与其适应；平常由于规整填料的用量比散堆填料要少得多，所以与散堆填料蓄热体相比，规整填料所需切换时间较短。