咨詢電話：淺談RTO系統(tǒng)中氣體的流場(chǎng)分析
近年來，隨著國家環(huán)保法律法規(guī)的不斷出臺(tái)、監(jiān)管要求的日趨嚴(yán)格，醫(yī)藥化工行業(yè)化學(xué)品的生產(chǎn)、儲(chǔ)存為了進(jìn)一步減少污染物無組織排放，提升環(huán)保治理水平，越來越多地會(huì)配套建設(shè)揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs，volatile organic compounds）的治理設(shè)施，蓄熱式熱力氧化裝置（以下簡稱RTO，Regenerative Thermal Oxidizer）就是目前處理效率高的主流治理設(shè)備。RTO系統(tǒng)是一套成套系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)中還有許多預(yù)處理和后處理設(shè)備，而氣體在不同設(shè)備中的流動(dòng)狀態(tài)及速度是不同的。為了更準(zhǔn)確地計(jì)算和設(shè)計(jì)出設(shè)備的尺寸和機(jī)構(gòu)，我們會(huì)對(duì)一套RTO系統(tǒng)進(jìn)行氣體的流場(chǎng)分析（CFD，Computational Fluid Dynamics），從而得出關(guān)鍵部位的氣體流速及渦流狀態(tài)。今天就淺談一下對(duì)RTO系統(tǒng)中氣體的流場(chǎng)分析。
1、RTO的工作原理
1.1、RTO裝置是由換向設(shè)備、蓄熱式、燃燒室、煙氣管道和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示；燃燒室和蓄熱式內(nèi)壁均設(shè)有耐高溫玻璃纖維模塊，以確定保溫效果，減少熱量的散失；蓄熱室會(huì)填充蜂窩或者板式陶瓷塊用來儲(chǔ)存熱量，對(duì)齊孔道堆疊放置。
圖1 RTO裝置的工藝流程
1.2、RTO裝置按照進(jìn)排氣閥門切換周期循環(huán)運(yùn)行，每一切換周期包括3階段，每階段運(yùn)行時(shí)間一般為60~180ｓ，各蓄熱室在進(jìn)氣結(jié)束后須經(jīng)過凈化氣或潔凈熱空氣的反吹才能進(jìn)行排氣，具體運(yùn)行流程如圖２所示：
圖2 RTO裝置的運(yùn)行流程
1.3、RTO燃燒室廢氣的停留時(shí)間：由廢氣完全燃燒的3T+E原則，VOCs在燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間是影響RTO裝置處理性能的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)之一，根據(jù)HJ1093-2020《蓄熱燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定廢氣在燃燒室的停留時(shí)間一般不能低于0.75s，我們?cè)谟?jì)算燃燒室體積的時(shí)候根據(jù)公式1：
（其中t為廢氣在燃燒室內(nèi)停留時(shí)間，s；VR為燃燒室體積，m3；QN為廢氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，m3/s；TN為廢氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度，K；TR為燃燒室內(nèi)的熱力學(xué)溫度，K）進(jìn)行反推。
以一個(gè)實(shí)際案例為據(jù)：RTO裝置燃燒室內(nèi)腔體積為125m3，在 800 ℃ 、廢氣體積流量16.7m3/s的工況條件下，計(jì)算得到VOCs 廢氣在燃燒室內(nèi)停留時(shí)間為 2s，已滿足運(yùn)行工況需求，但該值僅代表階段3中廢氣的停留時(shí)間。在階段1和2中，由于廢氣流動(dòng)軌跡的縮短，廢氣停留時(shí)間最多只能達(dá)到計(jì)算值的50%甚至更低，無法滿足完全燃燒的3T條件。另外，由公式1也可發(fā)現(xiàn)，廢氣停留時(shí)間和燃燒室溫度成反比，隨著燃燒室溫度的進(jìn)一步升高，廢氣停留時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短。所以為了延長廢氣在階段1和2中的停留時(shí)間，提高RTO裝置的處理性能，需要對(duì)RTO裝置的燃燒室進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
2、RTO裝置流場(chǎng)數(shù)值模擬與燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化
2.1、流場(chǎng)數(shù)值模擬方法（物理模型及網(wǎng)格劃分）
為了得到優(yōu)化前RTO裝置內(nèi)流場(chǎng)的分布情況，在穩(wěn)定運(yùn)行工況下，對(duì)優(yōu)化前RTO裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了流場(chǎng)數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了燃燒室內(nèi)流場(chǎng)的分布情況，如圖3所示，本研究建立了優(yōu)化前RTO裝置的物理模型，與現(xiàn)場(chǎng)裝置的比例為1:1。對(duì)優(yōu)化前RTO流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于集氣室內(nèi)部反吹管道及換向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余結(jié)構(gòu)采用計(jì)算精度和效率更高的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)近壁面處網(wǎng)格進(jìn)行加密，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后進(jìn)行流場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)。
a－物理模型 b－網(wǎng)格劃分
圖3 優(yōu)化前RTO裝置的物理模型及網(wǎng)格劃分
2.2、燃燒室內(nèi)氣體速度分析
將廢氣的氣體流量、風(fēng)機(jī)壓力、溫度等數(shù)據(jù)條件輸入后，得到燃燒室內(nèi)廢氣3個(gè)運(yùn)行階段中燃燒室的縱向中心截面速度矢量分布（圖4所示）?？芍喝紵覂?nèi)的流場(chǎng)分布不均勻，存在以下問題：1、在各個(gè)運(yùn)行階段中，廢氣氣流沖入 進(jìn)氣側(cè)燃燒室后，由于流道存在1個(gè)直角彎，氣流在 該區(qū)域未能實(shí)現(xiàn)均勻分布，進(jìn)氣側(cè)燃燒室頂部直角附近區(qū)域一直處于低流速狀態(tài)；2、 氣流在經(jīng)過直角彎后，受離心力影響，沖向燃燒室頂部，同時(shí)流道在此處大幅收窄（此處下文統(tǒng)稱“收窄通道”），廢氣氣流在頂部具有較大的速度梯度，平均流速為 11m/s 左右， 氣流在此區(qū)域的停留時(shí)間極短；3、高速氣流在離開此區(qū)域后，流道大幅擴(kuò)張，但是氣流未出現(xiàn)明顯的擴(kuò)散效果，導(dǎo)致部分未分解的VOCs組分仍被高速氣流裹挾，直接流出燃燒室。
圖4優(yōu)化前燃燒室縱向中心截面的速度矢量分布
2.3、RTO裝置燃燒室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
為解決以上問題，提高 RTO裝置的處理性能，在已建立的RTO數(shù)值模型上進(jìn)行多次模擬實(shí)驗(yàn)后，確定了RTO裝置燃燒室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，如圖5a中綠色標(biāo)記區(qū)域所示。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分為以下3部分：1、采用45°斜板替代燃燒室兩側(cè)多余的直角設(shè)計(jì)，貼合氣流流動(dòng)軌跡，提高空間利用率；2、 將燃燒室收窄通道長度增加20%，以延長高速氣流在此區(qū)域的停留時(shí)間；3、設(shè)置文丘里結(jié)構(gòu)：在燃燒室收窄通道區(qū)域增設(shè)一組擋墻，擋墻結(jié)構(gòu)的尺寸可根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬得到好數(shù)據(jù)，在此模擬中暫定尺寸為300mm *150mm*200mm，擋墻可采用多孔耐火磚砌成（多孔設(shè)計(jì)是為了防止擋墻在高溫下開裂）或者由玻璃纖維模型堆成，以強(qiáng)化氣流在后續(xù)擴(kuò)張流道中的擴(kuò)散效果，提高整體湍流動(dòng)能水平。為初步驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果，本研究采用與2.1節(jié)中相同的模擬方法對(duì)優(yōu)化后RTO裝置內(nèi)部的流場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。
a－物理模型 b－網(wǎng)格劃分
圖5優(yōu)化后RTO裝置的物理模型及網(wǎng)格劃分
2.4、優(yōu)化后燃燒室內(nèi)氣體速度分析
將2.2中相同的數(shù)據(jù)輸入，重新得到優(yōu)化后燃燒室內(nèi)廢氣3個(gè)運(yùn)行階段中燃燒室的縱向中心截面速度矢量分布（圖6所示）；圖6為優(yōu)化后RTO裝置燃燒室的速度矢量分布，與圖3對(duì)比后可發(fā)現(xiàn)，燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)分布發(fā)生了較大變化。切除直角結(jié)構(gòu)后，進(jìn)氣側(cè)燃燒室頂部的低流速區(qū)域基本消失，氣流沖入燃燒室后，速度分布均勻。在燃燒室收窄通道區(qū)域，受 擋墻結(jié)構(gòu)的剪切、分離作用，高流速區(qū)域被明顯分割，氣流的較高切向速度主導(dǎo)上部高速氣流的流動(dòng)方向，氣流在后續(xù)的擴(kuò)張流道中具有較好的擴(kuò)散效果。雖然擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)一步縮窄流道，但是氣流在此區(qū)域的流速未發(fā)生明顯變化，平均流速僅增大至13m/s左右，而且此區(qū)域流道長度的增加，消除了高流速帶來的影響，延長了各個(gè)階段中氣流的停留時(shí)間。另外，受下部高速氣流和收窄通道直角剪切作用的影響，排氣側(cè)燃燒室下方近壁面處的附壁渦旋充分發(fā)展，渦旋流動(dòng)成為近壁面處的主流運(yùn)動(dòng)，在一定程度上強(qiáng)化了此處的燃燒反應(yīng)和傳熱傳質(zhì)。
圖6優(yōu)化后燃燒室縱向中心截面的速度矢量分布
3、結(jié)論
3.1、為提高RTO裝置處理性能，在燃燒室兩側(cè)設(shè)置45°斜板，進(jìn)氣側(cè)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)分布的均勻性得到明顯改善，低流速區(qū)域基本消失。
3.2、將燃燒室收窄通道長度增加20%，并增設(shè)擋墻結(jié)構(gòu)，延長廢氣的流動(dòng)軌跡和停留時(shí)間，提高了燃燒室內(nèi)整體湍流動(dòng)能水平，擴(kuò)大了燃燒室內(nèi)的高溫區(qū) 域范圍。
3.3、由于RTO內(nèi)部燃燒室高溫封閉區(qū)域，用傳統(tǒng)的方法很難去測(cè)量其內(nèi)部的流場(chǎng)流動(dòng)以及溫度分布的狀態(tài)，很多技術(shù)設(shè)計(jì)人員只能憑借經(jīng)驗(yàn)去改善設(shè)備結(jié)構(gòu)，這類優(yōu)化缺少理論數(shù)據(jù)的支持，很難得出一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)的（CFD，Computational Fluid Dynamics）的發(fā)展，我們可以將更多設(shè)備的去進(jìn)行流體仿真模擬，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
