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关键部件RTO蓄热体材质和结构类型
日期:2016/3/25 15:03:32 人气:2159
    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。其作用是: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,蓄热体吸收净化气体的热量,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)   耐高温  RTO装置的操温度一般为750~950℃,因此要选用能耐温度1200℃左右的材质作为蓄热体,通常用陶瓷材料。
    (2)   具有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材料的密度和比热容。密度与比热容之积越大,则表示其单位容积的蓄热能力也大,即在达到同样的蓄热量情况下,装置的容积可以做得小些。因此,蓄热体的材料应具有高密度和高比热容的特性。
    (3)   具有良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迅速传递给较冷的废气;而在热周期时又能迅速吸收净化气的热量。
    (4)   具有良好的抗热震性能因为蓄热体是处于周期性的冷却和加热状态,所以必须能抵抗经常冷、热交替的温度变化。若蓄热体不能经受反复的温度变化,则蓄热体就会破碎而堵塞气流通道,从而使床层压降升高,甚至不能操作。
    (5)   在高温下具有足够的机械强度陶瓷材料自身很重,不允许受压而破裂,否则会增加床层的阻力。
    (6)   抗高温氧化和耐化学腐蚀例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具有足够的流通截面积,并使气体分布均匀、阻力低等特性,并尽可能具有较大的比表面积,以确保蓄热体具有较大的有效传热面积。
    (8)   价格应尽可能低廉,而使用寿命又要长。就目前RTO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
     一般讲,蓄热体的材料主要有陶瓷和金属两种。金属类蓄热体如钢、铝等材料只能用于低温或中等温度的场合。由于RTO装置的操作温度较高,因此不能用金属材料。陶瓷材料具有优良的耐高温、抗氧化、耐腐蚀的性能,以及具有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,所有RTO都采用陶瓷材料作为蓄热体。
    目前在RTO装置中采用的陶瓷原材料,主要有黏土、刚玉、莫来石、锆英石、钛酸铝和堇青石等。通常蜂窝状蓄热体的材料主要是堇青石和莫来石,而球状和一般陶瓷填料蓄热体的材料主要是氧化铝(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。陶瓷材料的性能如表1所示。
                   表1 各种陶瓷材料的性能[1]


    文献[2]指出:堇青石虽然抗热震性能较好,但其烧成温度范围很窄,一般为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;钛酸铝在高温下易分解;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)增韧的配料方案,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,该陶瓷材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]


    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、玻璃工业中常见的热风炉。目前这种蓄热体早已淘汰。近代蓄热体都采用陶瓷材料,并做成蜂窝状结构借以提高热效率和降低气体通过时的流动阻力。在RTO装置的蓄热室中,常放置陶瓷材料制成的蓄热填充物,主要类型有规整填料(例如蜂窝填料和板波纹填料)和散堆填料(颗粒填料,例如矩鞍环)两大类。常见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,主要是其热效率和气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)有关。
    目前,RTO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。因为陶瓷矩鞍环价廉,而且能满足蓄热燃烧净化有机废气的工艺要求,所以曾经应用于许多RTO装置中。陶瓷矩鞍环及其几何特性如图1和表3所示。

        

                图1 陶瓷矩鞍环

               表3 陶瓷矩鞍环的几何特性[3]


    在陶瓷矩鞍环这种散堆填料的情况下,,所用的蓄热材料对换热效率是起决定性作用的。此外,由于颗粒填料在床层中的排列具有明显的三维空间序列,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,而且填料边缘容易破碎而造成床层空隙被堵塞,从而会使床层阻力更大和降低了使用寿命。按照工业应用的一般经验,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)   陶瓷蜂窝填料目前在RTO装置中大多采用规整填料,特别是陶瓷蜂窝填料,也称陶瓷蜂窝柱块(Monolith),如图2所示。由于气流各自通过平行的通道,互不相混,其流动成层流状态。众所周知,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。因此,陶瓷蜂窝填料的压降远比陶瓷矩鞍环等散堆填料低。陶瓷蜂窝填料一般做成尺寸为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表示),通常从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用挤压成型,最常见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]


               *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,此外,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,例如规格为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


    一般陶瓷蜂窝填料材质是氧化铝、堇青石(致密、多孔)、莫来石。由于蜂窝陶瓷内部有许多平行贯通的通道,呈薄壁格子状结构,因此与一般颗粒状陶瓷填料相比,具有低热膨胀性、比表面积大、低压降、良好的传热性能和重量轻的优点,因此在RTO装置中获得广泛应用。蜂窝陶瓷价格一般较贵,但使用寿命长。
    陶瓷蜂窝柱是整砌在蓄热室中,由于每个小孔的通道都是从上到下直通的,因此一旦小孔局部被堵塞,就使整个通道受阻。为此,目前也有将陶瓷蜂窝柱的一个端面做成圆弧凹面,这样可避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)专利产品是专为RTO装置设计的陶瓷规整填料,这里暂时称它“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,不是采用直接挤压成型,而是先做成单个板片,然后将多层板片黏结在一起,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,使气流可以横向和纵向地通过填料。通常每片板厚约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,而在同样应用条件下与传统的陶瓷矩鞍环相比,用MLM®后的床层压降减少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;
    允许气流在板片间横向流动,蓄热体抗堵塞性能佳;
    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,蓄热床压力降低;
    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,有最佳的性价比。
    目前生产的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


    因为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;此外,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最强的一种,容易达到△t 400摄氏度,MLM®是值得选用的。目前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陶瓷矩鞍环的比较介绍如下。

lin25mm)陶瓷矩鞍环比较:


    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
    

    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
    另外美国蓝太克产品有限公司在第一代MLM®和第二代LanteComb蓄热体的基础上,进一步研发出了具有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,大大提升蓄热体的换热效率;此外,独特的分层结构令蓄热体不易堵塞,即使出现堵塞情况,也只是在局部片层内部堵塞,而不会发生像Monolith堵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。
    通过赛格蒙®分层式蜂窝陶瓷的气流可以在层间横向扩散,这一特性使得气流分布更加均匀,换热效率更高。
    独特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堵塞性能,避免出现因VOCs堆积损坏蓄热材的现象,并且从根本上改进了传统蜂窝陶瓷堵塞时,整条气流通道完全失效的缺点;
    分层结构解决了传统蜂窝陶瓷无法克服的热应力问题;
    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;
    赛格蒙®分层式蜂窝陶瓷模块可由2块或4块单片组成,模块高度尺寸灵活,可最大化的减少填料用量,降低填料投入成本;
    目前,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。
    

               图4 赛格蒙®分层式蜂窝陶瓷
               表8 赛格蒙®分层式蜂窝陶瓷的理化性能指标[6] 
    

               表9赛格蒙®分层式蜂窝陶瓷模块规格尺寸[6]

    
    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堵塞性能,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。
    除上述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常见的苏尔寿填料(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(特别是流道的设计)更能符合作为蓄热体的要求。因此,这类蓄热体与散堆填料相比,均具有处理能力大、压力降低和热效率高的优点。
    一般而论,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具有高的表面积,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;通常因为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。
    目前上述几种类型的蓄热体在有机废气的净化中都有应用,在选用时主要应在投资费和操作费之间作权衡。
    参考文献
    [1]沈君权,沈弘涛.陶瓷,2001,153(5):40-43.
    [2]胡定军,石红梅. 山东陶瓷,2004,27(3):5-8
    [3] 中国专利,96208291.0;美国专利US,5851636.
    [4] LewandowskiD A. Design of thermal Oxidation Systems for Volatile Organic Compounds, LevisPublishers, 2000.
    [5] 德国Rauschert公司产品样本.
    [6] 美国蓝太克产品有限公司产品样本.
    [7] 陆震维.有机废弃的净化技术,2011,109-111.


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