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RTO蜂窩蓄熱體性能和材質選擇

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點擊次數:50 更新時間:2020年09月05日00:00:44 打印此頁 關閉

一、蓄熱體

蓄熱體應具備的蓄熱性能,也稱蓄熱填充物,是RTO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。其作用是: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,蓄熱體吸收凈化氣體的熱量,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) 耐高溫 RTO裝置的操溫度一般為750950℃,因此要選用能耐溫度1200℃左右的材質作為蓄熱體,通常用陶瓷材料。

(2) 具有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材料的密度和比熱容。密度與比熱容之積越大,則表示其單位容積的蓄熱能力也大,即在達到同樣的蓄熱量情況下,裝置的容積可以做得小些。因此,蓄熱體的材料應具有高密度和高比熱容的特性。 

(3) 具有良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迅速傳遞給較冷的廢氣;而在熱周期時又能迅速吸收凈化氣的熱量。

(4) 具有良好的抗熱震性能因為蓄熱體是處于周期性的冷卻和加熱狀態,所以必須能抵抗經常冷、熱交替的溫度變化。若蓄熱體不能經受反復的溫度變化,則蓄熱體就會破碎而堵塞氣流通道,從而使床層壓降升高,甚至不能操作。

(5) 在高溫下具有足夠的機械強度陶瓷材料自身很重,不允許受壓而破裂,否則會增加床層的阻力。

(6) 抗高溫氧化和耐化學腐蝕例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具有足夠的流通截面積,并使氣體分布均勻、阻力低等特性,并盡可能具有較大的比表面積,以確保蓄熱體具有較大的有效傳熱面積。

(8) 價格應盡可能低廉,而使用壽命又要長。就目前RTO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

萍鄉市意力科技有限公司蓄熱體的材料主要有陶瓷和金屬兩種。金屬類蓄熱體如鋼、鋁等材料只能用于低溫或中等溫度的場合。由于RTO裝置的操作溫度較高,因此不能用金屬材料。陶瓷材料具有優良的耐高溫、抗氧化、耐腐蝕的性能,以及具有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,所有RTO都采用陶瓷材料作為蓄熱體。目前在RTO裝置中采用的陶瓷原材料,主要有黏土、剛玉、莫來石、鋯英石、鈦酸鋁和堇青石等。通常蜂窩狀蓄熱體的材料主要是堇青石和莫來石,而球狀和一般陶瓷填料蓄熱體的材料主要是氧化鋁(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。堇青石雖然抗熱震性能較好,但其燒成溫度范圍很窄,一般為12501350℃,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;鈦酸鋁在高溫下易分解;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)增韌的配料方案,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,該陶瓷材料的主要化學成分是二氧化硅和氧化鋁。

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、玻璃工業中常見的熱風爐。目前這種蓄熱體早已淘汰。近代蓄熱體都采用陶瓷材料,并做成蜂窩狀結構借以提高熱效率和降低氣體通過時的流動阻力。在RTO裝置的蓄熱室中,常放置陶瓷材料制成的蓄熱填充物,主要類型有規整填料(例如蜂窩填料和板波紋填料)和散堆填料(顆粒填料,例如矩鞍環)兩大類。常見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,主要是其熱效率和氣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)有關。目前,RTO裝置中常用的陶瓷蓄熱體有如下幾類。 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。因為陶瓷矩鞍環價廉,而且能滿足蓄熱燃燒凈化有機廢氣的工藝要求,所以曾經應用于許多RTO裝置中。在陶瓷矩鞍環這種散堆填料的情況下,所用的蓄熱材料對換熱效率是起決定性作用的。此外,由于顆粒填料在床層中的排列具有明顯的三維空間序列,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,而且填料邊緣容易破碎而造成床層空隙被堵塞,從而會使床層阻力更大和降低了使用壽命。陶瓷蜂窩填料目前在RTO裝置中大多采用規整填料,特別是陶瓷蜂窩填料,也稱陶瓷蜂窩柱塊。由于氣流各自通過平行的通道,互不相混,其流動成層流狀態。眾所周知,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。因此,陶瓷蜂窩填料的壓降遠比陶瓷矩鞍環等散堆填料低。陶瓷蜂窩填料一般做成尺寸為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表示),通常從13x13(孔數169)60x60(孔數3600)??酌芏仍酱?,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。一般陶瓷蜂窩填料材質是氧化鋁、堇青石(致密、多孔)、莫來石。由于蜂窩陶瓷內部有許多平行貫通的通道,呈薄壁格子狀結構,因此與一般顆粒狀陶瓷填料相比,具有低熱膨脹性、比表面積大、低壓降、良好的傳熱性能和重量輕的優點,因此在RTO裝置中獲得廣泛應用。蜂窩陶瓷價格一般較貴,但使用壽命長。陶瓷蜂窩柱是整砌在蓄熱室中,由于每個小孔的通道都是從上到下直通的,因此一旦小孔局部被堵塞,就使整個通道受阻。為此,目前也有將陶瓷蜂窩柱的一個端面做成圓弧凹面,這樣可避免因局部受堵而影響全局。一般而論,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具有高的表面積,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;通常因為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。

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