咨詢電話：淺談RTO系統(tǒng)中氣體的流場分析
近年來，隨著國家環(huán)保法律法規(guī)的不斷出臺、監(jiān)管要求的日趨嚴格，醫(yī)藥化工行業(yè)化學品的生產、儲存為了進一步減少污染物無組織排放，提升環(huán)保治理水平，越來越多地會配套建設揮發(fā)性有機物（VOCs，volatile organic compounds）的治理設施，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備。RTO系統(tǒng)是一套成套系統(tǒng)，整個系統(tǒng)中還有許多預處理和后處理設備，而氣體在不同設備中的流動狀態(tài)及速度是不同的。為了更準確地計算和設計出設備的尺寸和機構，我們會對一套RTO系統(tǒng)進行氣體的流場分析（CFD，Computational Fluid Dynamics），從而得出關鍵部位的氣體流速及渦流狀態(tài)。今天就淺談一下對RTO系統(tǒng)中氣體的流場分析。
1、RTO的工作原理
1.1、RTO裝置是由換向設備、蓄熱式、燃燒室、煙氣管道和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示；燃燒室和蓄熱式內壁均設有耐高溫玻璃纖維模塊，以確定保溫效果，減少熱量的散失；蓄熱室會填充蜂窩或者板式陶瓷塊用來儲存熱量，對齊孔道堆疊放置。
圖1 RTO裝置的工藝流程
1.2、RTO裝置按照進排氣閥門切換周期循環(huán)運行，每一切換周期包括3階段，每階段運行時間一般為60~180ｓ，各蓄熱室在進氣結束后須經過凈化氣或潔凈熱空氣的反吹才能進行排氣，具體運行流程如圖２所示：
圖2 RTO裝置的運行流程
1.3、RTO燃燒室廢氣的停留時間：由廢氣完全燃燒的3T+E原則，VOCs在燃燒室內的停留時間是影響RTO裝置處理性能的關鍵運行參數之一，根據HJ1093-2020《蓄熱燃燒法工業(yè)有機廢氣治理工程技術規(guī)范》中規(guī)定廢氣在燃燒室的停留時間一般不能低于0.75s，我們在計算燃燒室體積的時候根據公式1：
（其中t為廢氣在燃燒室內停留時間，s；VR為燃燒室體積，m3；QN為廢氣在標準狀態(tài)下的體積流量，m3/s；TN為廢氣在標準狀態(tài)下的熱力學溫度，K；TR為燃燒室內的熱力學溫度，K）進行反推。
以一個實際案例為據：RTO裝置燃燒室內腔體積為125m3，在 800 ℃ 、廢氣體積流量16.7m3/s的工況條件下，計算得到VOCs 廢氣在燃燒室內停留時間為 2s，已滿足運行工況需求，但該值僅代表階段3中廢氣的停留時間。在階段1和2中，由于廢氣流動軌跡的縮短，廢氣停留時間最多只能達到計算值的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，廢氣停留時間和燃燒室溫度成反比，隨著燃燒室溫度的進一步升高，廢氣停留時間會相應縮短。所以為了延長廢氣在階段1和2中的停留時間，提高RTO裝置的處理性能，需要對RTO裝置的燃燒室進行結構優(yōu)化。
2、RTO裝置流場數值模擬與燃燒室結構優(yōu)化
2.1、流場數值模擬方法（物理模型及網格劃分）
為了得到優(yōu)化前RTO裝置內流場的分布情況，在穩(wěn)定運行工況下，對優(yōu)化前RTO裝置內部流場進行了流場數值模擬，重點研究了燃燒室內流場的分布情況，如圖3所示，本研究建立了優(yōu)化前RTO裝置的物理模型，與現場裝置的比例為1:1。對優(yōu)化前RTO流場計算區(qū)域進行網格劃分，由于集氣室內部反吹管道及換向系統(tǒng)結構復雜，故采用非結構化網格，其余結構采用計算精度和效率更高的結構化網格，并對近壁面處網格進行加密，經網格無關性驗證后進行流場模擬實驗。
a－物理模型 b－網格劃分
圖3 優(yōu)化前RTO裝置的物理模型及網格劃分
2.2、燃燒室內氣體速度分析
將廢氣的氣體流量、風機壓力、溫度等數據條件輸入后，得到燃燒室內廢氣3個運行階段中燃燒室的縱向中心截面速度矢量分布（圖4所示）?？芍喝紵覂鹊牧鲌龇植疾痪鶆颍嬖谝韵聠栴}：1、在各個運行階段中，廢氣氣流沖入 進氣側燃燒室后，由于流道存在1個直角彎，氣流在 該區(qū)域未能實現均勻分布，進氣側燃燒室頂部直角附近區(qū)域一直處于低流速狀態(tài)；2、 氣流在經過直角彎后，受離心力影響，沖向燃燒室頂部，同時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)域的停留時間極短；3、高速氣流在離開此區(qū)域后，流道大幅擴張，但是氣流未出現明顯的擴散效果，導致部分未分解的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裝置燃燒室的結構優(yōu)化設計
為解決以上問題，提高 RTO裝置的處理性能，在已建立的RTO數值模型上進行多次模擬實驗后，確定了RTO裝置燃燒室的結構優(yōu)化設計方案，如圖5a中綠色標記區(qū)域所示。結構優(yōu)化設計分為以下3部分：1、采用45°斜板替代燃燒室兩側多余的直角設計，貼合氣流流動軌跡，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)域的停留時間；3、設置文丘里結構：在燃燒室收窄通道區(qū)域增設一組擋墻，擋墻結構的尺寸可根據實驗進行模擬得到好數據，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（多孔設計是為了防止擋墻在高溫下開裂）或者由玻璃纖維模型堆成，以強化氣流在后續(xù)擴張流道中的擴散效果，提高整體湍流動能水平。為初步驗證結構優(yōu)化效果，本研究采用與2.1節(jié)中相同的模擬方法對優(yōu)化后RTO裝置內部的流場分布進行了數值模擬。
a－物理模型 b－網格劃分
圖5優(yōu)化后RTO裝置的物理模型及網格劃分
2.4、優(yōu)化后燃燒室內氣體速度分析
將2.2中相同的數據輸入，重新得到優(yōu)化后燃燒室內廢氣3個運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對比后可發(fā)現，燃燒室內的流場分布發(fā)生了較大變化。切除直角結構后，進氣側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 擋墻結構的剪切、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上部高速氣流的流動方向，氣流在后續(xù)的擴張流道中具有較好的擴散效果。雖然擋墻結構進一步縮窄流道，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，延長了各個階段中氣流的停留時間。另外，受下部高速氣流和收窄通道直角剪切作用的影響，排氣側燃燒室下方近壁面處的附壁渦旋充分發(fā)展，渦旋流動成為近壁面處的主流運動，在一定程度上強化了此處的燃燒反應和傳熱傳質。
圖6優(yōu)化后燃燒室縱向中心截面的速度矢量分布
3、結論
3.1、為提高RTO裝置處理性能，在燃燒室兩側設置45°斜板，進氣側燃燒室內流場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%，并增設擋墻結構，延長廢氣的流動軌跡和停留時間，提高了燃燒室內整體湍流動能水平，擴大了燃燒室內的高溫區(qū) 域范圍。
3.3、由于RTO內部燃燒室高溫封閉區(qū)域，用傳統(tǒng)的方法很難去測量其內部的流場流動以及溫度分布的狀態(tài)，很多技術設計人員只能憑借經驗去改善設備結構，這類優(yōu)化缺少理論數據的支持，很難得出一個準確的數據。隨著計算機流體動力學的（CFD，Computational Fluid Dynamics）的發(fā)展，我們可以將更多設備的去進行流體仿真模擬，從而對設備進行優(yōu)化設計。
