蓄热式有机废气焚烧炉的数值模拟和应用

DOL:10.13374/.issn1001-053x.2011.05.021 第33卷第5期 北京科技大学学报 Vol.33 No.5 2011年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2011 蓄热式有机废气焚烧炉的数值模拟和应用 萧琦区姜泽毅 张欣欣 北京科技大学机械工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:xq720811@sina.com 摘要借助C℉X软件对蓄热式有机废气焚烧炉的稳态流场和化学反应进行了数值模拟，描绘出此类蓄热式焚烧装置的流 动情形，定量揭示出焚烧温度、有机物质量浓度和氧气质量分数等因素影响蓄热式有机废气焚烧炉有机物破坏去除率的程 度.模拟结果显示焚烧温度是影响有机物破坏去除率的根本因素，有机废气入炉温度和有机物质量浓度通过影响焚烧温度间 接影响破坏去除率，氧气质量分数高于0.03时对有机物破坏去除率影响极小.以模拟结果作为参考依据，对蓄热式有机废气 荧烧炉进行设计优化，在应用中取得预期效果. 关键词空气污染控制设备；蓄热式有机废气焚烧炉；挥发性有机化合物：化学反应：数值方法 分类号TF066.1 Numerical simulation and application of a regenerative thermal oxidizer XIAO Qi☒，JIANG Ze-yi,ZHANG Xin-xin School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:xq720811@sina.com ABSTRACT The steady flow field and chemical reactions in a duel-chamber regenerative thermal oxidizer(RTO)were studied with the CFX software.Flow circumstances in the duel-chamber RTO were described by numerical simulation.Some influencing factors such as combustion temperature,the mass concentration of volatile organic compounds (VOC)and the mass fraction of oxygen,which affect the VOC destruction and removal efficiency of the duel-ehamber RTO,were revealed quantitatively.The simulation results show that combustion temperature is the most important factor which directly affects the destruction and removal efficiency of the duel-chamber RTO,the inlet temperature of waste gas and the mass concentration of VOC influence indirectly by changing the combustion tempera- ture,but the mass fraction of oxygen which is more than 0.03 has little effect on it.Based on the numerical results,a duel-chamber RTO was design,and an anticipated effect was achieved in applications. KEY WORDS air pollution control equipment;regenerative thermal oxidizers:volatile organic compounds:chemical reactions;nu- merical methods 治金工业产品的后续加工工艺不断延长，涂镀 问题. 层板材在冶金产品中的份额逐步增加.挥发性有机 蓄热式有机废气焚烧炉(regenerative thermal 化合物(volatile organic compound,VOC)在彩涂钢板 oxidizer,RTO)最早出现在美国加利福尼亚州一个金 生产线中的使用越来越多，产生大量有机废气.挥 属成品厂的卷材连续涂覆线中)，当时的设备较 发性有机化合物大多数具有特殊的气味，能导致人 简单，处理容量较小，有机物的破坏和去除效率也不 体出现种种不适，并具有毒性、刺激性，有致癌作用： 是很高.RTO系统由于其热回收效率的大幅度提 在阳光照射下，大气中的氮氧化物、碳氢有机化合物 高，在欧美国家迅速推广应用于工业VOC废气的处 与氧化剂发生光化学反应，生成光化学烟雾，危害人 理-).RT0在我国的研究和应用较少，在提高有 体健康及作物生长，破坏臭氧层口.经济、有效地处 机物破坏去除效率、扩大适用范围和降低运行费用 理含有挥发性有机化合物的废气是迫切需要解决的 等方面还有待探索-). 收稿日期：2010-07-05 基金项目：北京市科委“城市建设新工艺新技术应用”项目(No.Y06050600000701)

第 33 卷 第 5 期 2011 年 5 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 5 May 2011 蓄热式有机废气焚烧炉的数值模拟和应用 萧 琦 姜泽毅 张欣欣 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 通信作者，E-mail: xq720811@ sina． com 摘 要 借助 CFX 软件对蓄热式有机废气焚烧炉的稳态流场和化学反应进行了数值模拟，描绘出此类蓄热式焚烧装置的流 动情形，定量揭示出焚烧温度、有机物质量浓度和氧气质量分数等因素影响蓄热式有机废气焚烧炉有机物破坏去除率的程 度． 模拟结果显示焚烧温度是影响有机物破坏去除率的根本因素，有机废气入炉温度和有机物质量浓度通过影响焚烧温度间 接影响破坏去除率，氧气质量分数高于 0. 03 时对有机物破坏去除率影响极小． 以模拟结果作为参考依据，对蓄热式有机废气 焚烧炉进行设计优化，在应用中取得预期效果． 关键词 空气污染控制设备; 蓄热式有机废气焚烧炉; 挥发性有机化合物; 化学反应; 数值方法 分类号 TF066. 1 Numerical simulation and application of a regenerative thermal oxidizer XIAO Qi ，JIANG Ze-yi，ZHANG Xin-xin School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: xq720811@ sina． com ABSTRACT The steady flow field and chemical reactions in a duel-chamber regenerative thermal oxidizer ( RTO) were studied with the CFX software． Flow circumstances in the duel-chamber RTO were described by numerical simulation． Some influencing factors such as combustion temperature，the mass concentration of volatile organic compounds ( VOC) and the mass fraction of oxygen，which affect the VOC destruction and removal efficiency of the duel-chamber RTO，were revealed quantitatively． The simulation results show that combustion temperature is the most important factor which directly affects the destruction and removal efficiency of the duel-chamber RTO，the inlet temperature of waste gas and the mass concentration of VOC influence indirectly by changing the combustion tempera￾ture，but the mass fraction of oxygen which is more than 0. 03 has little effect on it． Based on the numerical results，a duel-chamber RTO was design，and an anticipated effect was achieved in applications． KEY WORDS air pollution control equipment; regenerative thermal oxidizers; volatile organic compounds; chemical reactions; nu￾merical methods 收稿日期: 2010--07--05 基金项目: 北京市科委“城市建设新工艺新技术应用”项目( No． Y06050600000701) 冶金工业产品的后续加工工艺不断延长，涂镀 层板材在冶金产品中的份额逐步增加． 挥发性有机 化合物( volatile organic compound，VOC) 在彩涂钢板 生产线中的使用越来越多，产生大量有机废气． 挥 发性有机化合物大多数具有特殊的气味，能导致人 体出现种种不适，并具有毒性、刺激性，有致癌作用; 在阳光照射下，大气中的氮氧化物、碳氢有机化合物 与氧化剂发生光化学反应，生成光化学烟雾，危害人 体健康及作物生长，破坏臭氧层［1］． 经济、有效地处 理含有挥发性有机化合物的废气是迫切需要解决的 问题． 蓄热式有机废气焚烧 炉 ( regenerative thermal oxidizer，RTO) 最早出现在美国加利福尼亚州一个金 属成品厂的卷材连续涂覆线中［2--3］，当时的设备较 简单，处理容量较小，有机物的破坏和去除效率也不 是很高． RTO 系统由于其热回收效率的大幅度提 高，在欧美国家迅速推广应用于工业 VOC 废气的处 理［4--7］． RTO 在我国的研究和应用较少，在提高有 机物破坏去除效率、扩大适用范围和降低运行费用 等方面还有待探索［8--9］． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.05.021

第5期 萧琦等：蓄热式有机废气焚烧炉的数值模拟和应用 ·633· 1 蓄热式有机废气焚烧炉的研发 2数值模拟对象及模拟条件 北京科技大学研发人员在研究大量国外相关文 模拟对象设计技术条件如下：废气处理能力 献基础上，结合自身长期从事工业炉研究的经验，对 3000m3h-;有机溶剂最大消耗量25kgh-1;有机 现有蓄热式有机废气焚烧炉进行了改进，自主研发 溶剂成分（质量分数）为甲苯45%，丁酮40%，乙酸 国内第一套多蓄热室旋转换向蓄热式有机废气焚烧 乙酯15%；废气入炉温度100℃：废气入炉压力为常 炉系统.改进后的旋转换向RTO系统的结构和工 压：废气处理温度为760℃. 作流程如图1和表1所示. 在数值模拟时，湍流流动模型采用标准k一ε模 燃料 型：燃烧模型采用涡团耗散模型（简称EDM模型）： 助燃空气品 ,燃烧器 A-A NO,生成模型采用简化的概率密度函数模型（简化 PDF模型).在计算中，还作以下三点假设：假设化 烟囱 蓄热体口 3吹扫 4排气 学反应全部在燃烧室内发生，在预热区和冷却区的 2进气 5排气 蓄热体内，化学反应忽略不记.假设废气中的有机 物成分为甲烷：目前绝大多数有机物的化学反应机 1进气 6排气 理并不清楚，只有甲烷、丙烷和丁烷等少数物质的化 含VOC废气 学反应可以计算.忽略燃烧室内的辐射传热. 之引风机 稳态流场计算的边界条件设置如下：入口速度 图1改进后TO结构图 为抛物面分布：壁面光滑，非滑移表面：导热系数 Fig.1 Structure diagram of the improved RTO 0.25Wm2.K-1;外壁温度70℃；入口温度550℃， 表1改进后RTO工作流程 入口质量流量0.9875kgs,入口有机物质量分数 Table 1 Flow chart of the improved RTO 0.00696,入口氧气质量分数0.232.计算网格采用 阶段 蓄热 蓄热 蓄热 蓄热 蓄热 蓄热 结构化方法生成的六面体网格：对壁面和顶点处的 序号室1 室2 室3 室4 室5 室6 网格进行加密：节点数519849，单元体（六面体）数 1 进气 进气 吹扫 排气 排气 排气 497500,平面数44200 2 进气 吹扫 排气 排气 排气 进气 3数值模拟结果和分析 3 吹扫 排气 排气 排气 进气 进气 4 排气 排气 排气 进气 进气 吹扫 3.1废气预热温度对破坏去除率的影响 5 排气 排气 进气 进气 吹扫 排气 废气预热温度对破坏去除率的影响如图2所 6 排气 进气进气 吹扫 排气排气 示.当废气预热温度低于500℃时，燃烧室温升、燃 烧室出口温度和有机物破坏去除率都随入口温度升 目前所有的RTO系统，在设计中都采用进气和 高而升高：当废气预热温度在500~550℃时，燃烧 排气的流通通道截面积相同的方案0.由于排气 室温升、燃烧室出口温度和有机物破坏去除率随入 温度高于进气温度和VOC焚烧，排气体积流量约为 口温度变化的趋势减缓；当废气预热温度高于 进气体积流量的1.4倍：加之蓄热体高低温端的结 550℃时，燃烧室出口温度与入口温度的变化幅度 构形式不同，导致在进气和排气的流通通道截面积 相同，燃烧室温升、有机物破坏去除率基本不随入口 相同情况下，排气压力损失约为进气压力损失的2 温度变化而改变.由此也见，温度是影响破坏去除 倍.改进以后的RTO设计方案采用六个蓄热室，在 率的直接因素；必须满足燃烧温度高于自燃温度的 保持进气通道截面积不变的同时增大排气通道截面 条件，才可能获得较高的有机物破坏去除率 积，在进气压力损失不变的前提下可以大幅度减小 温度场计算结果显示：当废气预热温度低于 排气压力损失，从而减小TO系统的流动压力损 500℃时，未达到甲烷的自燃温度，化学反应缓慢， 失.同时，改进以后的RTO设计方案将原来空置的 燃烧室温度场分布极不均衡，燃烧室温升较低且不 蓄热室用于排气（排气通道截面积为进气通道截面 均匀，导致有机物破坏去除率较低：当废气预热温度 积的1.5倍)，不但可以使进气和排气时的流动压 高于550℃时，达到甲烷的自燃温度，化学反应加 力损失得到平衡，还可以增加焚烧炉的处理能力，提 剧，燃烧室温度场分布均匀，燃烧室温升较高，导致 高设备利用率。 有机物破坏去除效果较好

第 5 期 萧 琦等: 蓄热式有机废气焚烧炉的数值模拟和应用 1 蓄热式有机废气焚烧炉的研发 北京科技大学研发人员在研究大量国外相关文 献基础上，结合自身长期从事工业炉研究的经验，对 现有蓄热式有机废气焚烧炉进行了改进，自主研发 国内第一套多蓄热室旋转换向蓄热式有机废气焚烧 炉系统． 改进后的旋转换向 RTO 系统的结构和工 作流程如图 1 和表 1 所示． 图 1 改进后 RTO 结构图 Fig． 1 Structure diagram of the improved RTO 表 1 改进后 RTO 工作流程 Table 1 Flow chart of the improved RTO 阶段 序号 蓄热 室 1 蓄热 室 2 蓄热 室 3 蓄热 室 4 蓄热 室 5 蓄热 室 6 1 进气 进气 吹扫 排气 排气 排气 2 进气 吹扫 排气 排气 排气 进气 3 吹扫 排气 排气 排气 进气 进气 4 排气 排气 排气 进气 进气 吹扫 5 排气 排气 进气 进气 吹扫 排气 6 排气 进气 进气 吹扫 排气 排气 目前所有的 RTO 系统，在设计中都采用进气和 排气的流通通道截面积相同的方案［10］． 由于排气 温度高于进气温度和 VOC 焚烧，排气体积流量约为 进气体积流量的 1. 4 倍; 加之蓄热体高低温端的结 构形式不同，导致在进气和排气的流通通道截面积 相同情况下，排气压力损失约为进气压力损失的 2 倍． 改进以后的 RTO 设计方案采用六个蓄热室，在 保持进气通道截面积不变的同时增大排气通道截面 积，在进气压力损失不变的前提下可以大幅度减小 排气压力损失，从而减小 RTO 系统的流动压力损 失． 同时，改进以后的 RTO 设计方案将原来空置的 蓄热室用于排气( 排气通道截面积为进气通道截面 积的 1. 5 倍) ，不但可以使进气和排气时的流动压 力损失得到平衡，还可以增加焚烧炉的处理能力，提 高设备利用率． 2 数值模拟对象及模拟条件 模拟对象设计技术条件如下: 废气处理能力 3 000 m3 ·h － 1 ; 有机溶剂最大消耗量 25 kg·h － 1 ; 有机 溶剂成分( 质量分数) 为甲苯 45% ，丁酮 40% ，乙酸 乙酯 15% ; 废气入炉温度 100 ℃ ; 废气入炉压力为常 压; 废气处理温度为 760 ℃ ． 在数值模拟时，湍流流动模型采用标准 k--ε 模 型; 燃烧模型采用涡团耗散模型( 简称 EDM 模型) ; NOx生成模型采用简化的概率密度函数模型( 简化 PDF 模型) ． 在计算中，还作以下三点假设: 假设化 学反应全部在燃烧室内发生，在预热区和冷却区的 蓄热体内，化学反应忽略不记． 假设废气中的有机 物成分为甲烷; 目前绝大多数有机物的化学反应机 理并不清楚，只有甲烷、丙烷和丁烷等少数物质的化 学反应可以计算． 忽略燃烧室内的辐射传热． 稳态流场计算的边界条件设置如下: 入口速度 为抛物面分布; 壁面光滑，非滑移表面; 导热系数 0. 25 W·m － 2 ·K － 1 ; 外壁温度 70 ℃ ; 入口温度 550 ℃， 入口质量流量 0. 987 5 kg·s － 1 ，入口有机物质量分数 0. 006 96，入口氧气质量分数 0. 232． 计算网格采用 结构化方法生成的六面体网格; 对壁面和顶点处的 网格进行加密; 节点数 519 849，单元体( 六面体) 数 497 500，平面数 44 200． 3 数值模拟结果和分析 3. 1 废气预热温度对破坏去除率的影响 废气预热温度对破坏去除率的影响如图 2 所 示． 当废气预热温度低于 500 ℃ 时，燃烧室温升、燃 烧室出口温度和有机物破坏去除率都随入口温度升 高而升高; 当废气预热温度在 500 ～ 550 ℃ 时，燃烧 室温升、燃烧室出口温度和有机物破坏去除率随入 口温度变化的趋势减缓; 当废气预热温度高于 550 ℃ 时，燃烧室出口温度与入口温度的变化幅度 相同，燃烧室温升、有机物破坏去除率基本不随入口 温度变化而改变． 由此也见，温度是影响破坏去除 率的直接因素; 必须满足燃烧温度高于自燃温度的 条件，才可能获得较高的有机物破坏去除率． 温度场计算结果显示: 当废气预热温度低于 500 ℃ 时，未达到甲烷的自燃温度，化学反应缓慢， 燃烧室温度场分布极不均衡，燃烧室温升较低且不 均匀，导致有机物破坏去除率较低; 当废气预热温度 高于 550 ℃ 时，达到甲烷的自燃温度，化学反应加 剧，燃烧室温度场分布均匀，燃烧室温升较高，导致 有机物破坏去除效果较好． ·633·

·634· 北京科技大学学报 第33卷 1000 7100 100 800 800 180 80 +一燃烧室出口 600外 一一燃烧室出口 600 一燃烧室温升 60 ·一计算破坏去除率 今 一燃烧室温升 60 400 一计算破坏去除率 400 40 40 200 20 200 0 506006070730 4 6 8 450500 有机物质量浓度(gm) 预热温度℃ 图3焚烧炉入口有机物质量浓度对破坏去除率的影响 图2废气预热温度对破坏去除率的影响 Fig.3 Effect of inlet VOC mass concentration on the destruction and Fig.2 Effect of preheat temperature on the destruction and removal removal efficiency efficiency 甲烷、一氧化碳浓度场计算结果显示，当废气预 率的直接因素；有机物质量浓度是通过影响燃烧室 热温度低于500℃时，未达到甲烷、一氧化碳的自燃 温升和燃烧室温度而间接影响破坏去除率. 温度，化学反应缓慢，甲烷、一氧化碳浓度场分布不 甲烷、一氧化碳浓度场计算结果显示，当燃烧室 均衡，甲烷、一氧化碳出口浓度较高：当废气预热温 入口有机物质量浓度5gm-3时，化学反应剧烈，燃 度高于550℃时，达到甲烷、一氧化碳的自燃温度， 烧室温度场分布均匀，燃烧室温升较高，达到甲烷、 化学反应加剧，甲烷、一氧化碳浓度场分布均匀，甲 一氧化碳的自燃温度，化学反应剧烈，甲烷、一氧化 烷、一氧化碳出口浓度低.一氧化碳浓度场计算结 碳浓度场分布均匀，甲烷、一氧化碳出口浓度低：当 果显示，一氧化碳是在甲烷氧化过程中先生成，随后 燃烧室入口有机物质量浓度3.75gm3时，燃烧室 又氧化消除的.与温度场计算结果对比显示，一 温度场分布不均衡，燃烧室温升较低且不均匀，未达 氧化碳得到充分氧化的燃烧室温度在700℃以上， 到一氧化碳的自燃温度，化学反应缓慢，甲烷、一氧 略高于一氧化碳的自燃温度652℃. 化碳浓度场分布不均衡，甲烷、一氧化碳出口浓度较 3.2焚烧炉入口有机物质量浓度对破坏去除率的 高.一氧化碳是在甲烷氧化过程中先生成，随后又 影响 氧化消除的：如果入口甲烷浓度较低时，即使达到甲 焚烧炉入口有机物质量浓度对破坏去除率的影 烷的自燃温度，但是燃烧室温升低，可能因未达到一 响如图3所示.当燃烧室入口有机物质量浓度低于 氧化碳的自燃温度而导致出口一氧化碳浓度极高 3.33g·m3时，燃烧室温升、燃烧室出口温度、有机 3.3氧质量分数对破坏去除率的影响 物破坏去除率都随入口质量浓度升高而缓慢升高： 在模拟中，还研究了氧质量分数变化对VOC破 当燃烧室入口有机物质量浓度在3.33~4.17gm-3 坏去除率的影响.焚烧炉入口氧质量分数对破坏去 时，燃烧室温升、燃烧室出口温度和有机物破坏去除 除率的影响如图4所示.当氧质量分数超过0.03 率随入口质量浓度升高而急剧升高：当燃烧室入口 时，即可保证有充足的氧气参加化学反应，氧质量分 有机物质量浓度高于4.17gm3时，燃烧室温升、燃 数不再影响VOC破坏去除率.在实际应用条件下， 烧室出口温度随入口质量浓度升高而缓慢升高，有 氧质量分数一般为0.05~0.21，始终满足有机物充 机物破坏去除率随入口温度变化而改变的幅度很 分燃烧的需要 小.当燃烧室入口有机物质量浓度较低时，有机物 破坏去除率较低是由一氧化碳未完全氧化引起的. 4工程应用状况 温度场计算结果显示当燃烧室入口有机物质量 北京科技大学蓄热式有机废气焚烧炉研制成功 浓度5g·m3时，化学反应剧烈，燃烧室温度场分布 以后，随即应用于北京市房山区的一家工厂.该工 均匀，燃烧室温升较高，导致有机物氧化效果好.当 厂生产精密抛光材料：蓄热式有机废气焚烧炉用于 燃烧室入口有机物质量浓度3.75g·m-3时，燃烧室 研磨带涂布生产过程产生的有机废气处理.厂中原 温度场分布不均衡，燃烧室温升较低且不均匀，未达 有催化氧化焚烧炉，存在处理效果不理想、能耗比较 到一氧化碳的自燃温度，化学反应缓慢，导致有机物 高、更换产品时需要停机和需要更换价格昂贵的催 破坏去除率较低.由此也验证温度是影响破坏去除 化剂等问题，目前己停止使用.蓄热式有机废气焚

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 2 废气预热温度对破坏去除率的影响 Fig． 2 Effect of preheat temperature on the destruction and removal efficiency 甲烷、一氧化碳浓度场计算结果显示，当废气预 热温度低于 500 ℃时，未达到甲烷、一氧化碳的自燃 温度，化学反应缓慢，甲烷、一氧化碳浓度场分布不 均衡，甲烷、一氧化碳出口浓度较高; 当废气预热温 度高于 550 ℃时，达到甲烷、一氧化碳的自燃温度， 化学反应加剧，甲烷、一氧化碳浓度场分布均匀，甲 烷、一氧化碳出口浓度低． 一氧化碳浓度场计算结 果显示，一氧化碳是在甲烷氧化过程中先生成，随后 又氧化消除的［11］． 与温度场计算结果对比显示，一 氧化碳得到充分氧化的燃烧室温度在 700 ℃ 以上， 略高于一氧化碳的自燃温度 652 ℃ ． 3. 2 焚烧炉入口有机物质量浓度对破坏去除率的 影响 焚烧炉入口有机物质量浓度对破坏去除率的影 响如图 3 所示． 当燃烧室入口有机物质量浓度低于 3. 33 g·m － 3 时，燃烧室温升、燃烧室出口温度、有机 物破坏去除率都随入口质量浓度升高而缓慢升高; 当燃烧室入口有机物质量浓度在 3. 33 ～ 4. 17 g·m － 3 时，燃烧室温升、燃烧室出口温度和有机物破坏去除 率随入口质量浓度升高而急剧升高; 当燃烧室入口 有机物质量浓度高于 4. 17 g·m － 3 时，燃烧室温升、燃 烧室出口温度随入口质量浓度升高而缓慢升高，有 机物破坏去除率随入口温度变化而改变的幅度很 小． 当燃烧室入口有机物质量浓度较低时，有机物 破坏去除率较低是由一氧化碳未完全氧化引起的． 温度场计算结果显示当燃烧室入口有机物质量 浓度 5 g·m － 3 时，化学反应剧烈，燃烧室温度场分布 均匀，燃烧室温升较高，导致有机物氧化效果好． 当 燃烧室入口有机物质量浓度 3. 75 g·m － 3 时，燃烧室 温度场分布不均衡，燃烧室温升较低且不均匀，未达 到一氧化碳的自燃温度，化学反应缓慢，导致有机物 破坏去除率较低． 由此也验证温度是影响破坏去除 图 3 焚烧炉入口有机物质量浓度对破坏去除率的影响 Fig． 3 Effect of inlet VOC mass concentration on the destruction and removal efficiency 率的直接因素; 有机物质量浓度是通过影响燃烧室 温升和燃烧室温度而间接影响破坏去除率． 甲烷、一氧化碳浓度场计算结果显示，当燃烧室 入口有机物质量浓度 5 g·m － 3 时，化学反应剧烈，燃 烧室温度场分布均匀，燃烧室温升较高，达到甲烷、 一氧化碳的自燃温度，化学反应剧烈，甲烷、一氧化 碳浓度场分布均匀，甲烷、一氧化碳出口浓度低; 当 燃烧室入口有机物质量浓度 3. 75 g·m － 3 时，燃烧室 温度场分布不均衡，燃烧室温升较低且不均匀，未达 到一氧化碳的自燃温度，化学反应缓慢，甲烷、一氧 化碳浓度场分布不均衡，甲烷、一氧化碳出口浓度较 高． 一氧化碳是在甲烷氧化过程中先生成，随后又 氧化消除的; 如果入口甲烷浓度较低时，即使达到甲 烷的自燃温度，但是燃烧室温升低，可能因未达到一 氧化碳的自燃温度而导致出口一氧化碳浓度极高． 3. 3 氧质量分数对破坏去除率的影响 在模拟中，还研究了氧质量分数变化对 VOC 破 坏去除率的影响． 焚烧炉入口氧质量分数对破坏去 除率的影响如图 4 所示． 当氧质量分数超过 0. 03 时，即可保证有充足的氧气参加化学反应，氧质量分 数不再影响 VOC 破坏去除率． 在实际应用条件下， 氧质量分数一般为 0. 05 ～ 0. 21，始终满足有机物充 分燃烧的需要． 4 工程应用状况 北京科技大学蓄热式有机废气焚烧炉研制成功 以后，随即应用于北京市房山区的一家工厂． 该工 厂生产精密抛光材料; 蓄热式有机废气焚烧炉用于 研磨带涂布生产过程产生的有机废气处理． 厂中原 有催化氧化焚烧炉，存在处理效果不理想、能耗比较 高、更换产品时需要停机和需要更换价格昂贵的催 化剂等问题，目前已停止使用． 蓄热式有机废气焚 ·634·

第5期 萧琦等：蓄热式有机废气焚烧炉的数值模拟和应用 ·635· 0.20 烧炉于2009年7月完成安装调试工作，至今一直用 100 于生产，运行状况良好. 新015 焚烧炉处理能力保持在1960m3·h-1,焚烧室 90 温度在770~780℃的条件下，焚烧炉不同工况下 计算破坏去除率与实测破坏去除率的对比如表2 所示.由表2可见，各工况下的破坏去除率实测值 出口质量分数 70 与计算值比较接近，基本达到了计算预期的有机 ·一破坏去除率 废气处理效果.实测值比计算值略低1%~3%， 0.05 0.100.15020 08 这可能是由于实测值会受到换向阀门间隙的泄 入口氧气质量分数 漏、换向期间的直接排放等影响，而在模拟中无法 图4焚烧炉入口氧质量分数对破坏去除率的影响 考虑以上因素 Fig.4 Effect of inlet 0,mass concentration on the destruction and removal efficiency 表2焚烧炉运行工况计算、实测破坏去除率对比 Table 2 Comparison of simulation results with experimental data 工况 预热温度/℃ V0C质量浓度1(gm) 氧质量分数 计算破坏去除率/% 实测破坏去除率/% 应用工况1 665 5.7 0.21 99.9 96.6 应用工况2 667 5.4 0.21 99.9 96.5 应用工况3 663 4.0 0.21 97.3 96.0 (周明艳，杨明德，党杰.蓄热式热氧化器处理挥发性有机化 5结论 合物.环境保护，2001(11)：16) (1)焚烧炉炉膛温度是影响破坏去除率的根本 [4] Montaz S W,Truppi T J,Seiwert JJ Jr.Sizing up RTO and RCO 因素，炉膛温度必须保证燃烧中间产物一氧化碳完 heat transfer media.Pollut Eng,1997,28 (13):34 [5]Hohl H,West M.Stretching:your RTO dollars.Pollut Eng, 全燃烧，即炉膛温度必须高于700℃，才可能达到 1999,30(10):30 95%以上破环去除率. [6] Pennington R L,Liszewski M.Get more from your regenerative (2)在没有额外热量输入的条件下，有机废气 thermal oxidizer.Chem Eng,1999,121(5):137 入炉温度和有机废气浓度通过影响焚烧炉炉膛温 ] Chang M W,Chern J M.Stripping of organic compounds from 度，间接影响破坏去除率：可根据有机物物性、有机 wastewater as an auxiliary fuel of regenerative thermal oxidizer.J Hazardous Mater,2009,167 (13):553 物质量浓度和对破坏去除率的要求确定最低入炉 8] Wang H,Guo G Y,Zhou Y Y,et al.Status and progress of trea- 温度. ting volatile organic compounds.Chem Ind Eng Prog,2009,28 (3)有机废气中的氧气质量分数一般远高于 (10):1833 0.03,氧气质量分数对于破坏去除率基本没有影响. (汪涵，郭桂悦，周玉莹，等.挥发性有机废气治理技术的现状 与进展.化工进展，2009,28(10)：1833) 参考文献 [9] Purifying Specialty Committee of Waste Gas,CAEPI.China devel- ]TongZQ.Purification and Utilisation of Industrial Exhaust Gases. opment report on prevention&control industry of organic waste gas Beijing:Chemical Industry Press,2001 in 2008.China Environ Prot Ind,2009.15(8):5 (童志权.工业废气净化与利用.北京：化学工业出版社， (中国环境保护产业协会废气净化专业委员会。我国有机废 2001) 气治理行业2008年发展综述.中国环保产业，2009,15(8)：5) Nester JL,Uphues R.Regenerative thermal oxidizer upgrades al- [10]Cannon B J.Dual-chamber RTO oxidizers provide cost-effective low coil coater to increase production and maintain regulatory com- VOC compliance for metal finishers and coaters.Met Finish, pliance.Met Finish,1997,95(1):46 2003,101(1):53 B3]Zhou M Y,Yang M D,Dang J.Volatile organic compounds treat- [11]Choi B S,Yi J.Simulation and optimization on the regenerative ment by regenerative thermal oxidizer.Enriron Prot,2001 (11): thermal oxidation of volatile organic compounds.Chem Eng J, 16 2000,76(2):103

第 5 期 萧 琦等: 蓄热式有机废气焚烧炉的数值模拟和应用 图 4 焚烧炉入口氧质量分数对破坏去除率的影响 Fig． 4 Effect of inlet O2 mass concentration on the destruction and removal efficiency 烧炉于 2009 年 7 月完成安装调试工作，至今一直用 于生产，运行状况良好． 焚烧炉处理能力保持在 1 960 m3 ·h － 1 ，焚烧室 温度在 770 ～ 780 ℃ 的条件下，焚烧炉不同工况下 计算破坏去除率与实测破坏去除率的对比如表 2 所示． 由表 2 可见，各工况下的破坏去除率实测值 与计算值比较接近，基本达到了计算预期的有机 废气处理效果． 实测值比计算值略低 1% ～ 3% ， 这可能是由于实测值会受到换向阀门间隙的泄 漏、换向期间的直接排放等影响，而在模拟中无法 考虑以上因素． 表 2 焚烧炉运行工况计算、实测破坏去除率对比 Table 2 Comparison of simulation results with experimental data 工况 预热温度/℃ VOC 质量浓度/( g·m － 3 ) 氧质量分数 计算破坏去除率/% 实测破坏去除率/% 应用工况 1 665 5. 7 0. 21 99. 9 96. 6 应用工况 2 667 5. 4 0. 21 99. 9 96. 5 应用工况 3 663 4. 0 0. 21 97. 3 96. 0 5 结论 ( 1) 焚烧炉炉膛温度是影响破坏去除率的根本 因素，炉膛温度必须保证燃烧中间产物一氧化碳完 全燃烧，即炉膛温度必须高于 700 ℃，才可能达到 95% 以上破坏去除率． ( 2) 在没有额外热量输入的条件下，有机废气 入炉温度和有机废气浓度通过影响焚烧炉炉膛温 度，间接影响破坏去除率; 可根据有机物物性、有机 物质量浓度和对破坏去除率的要求确定最低入炉 温度． ( 3) 有机废气中的氧气质量分数一般远高于 0. 03，氧气质量分数对于破坏去除率基本没有影响． 参 考 文 献 ［1］ Tong Z Q． Purification and Utilization of Industrial Exhaust Gases． Beijing: Chemical Industry Press，2001 ( 童志权． 工业废气净化与利用． 北 京: 化学工业出版社， 2001) ［2］ Nester J L，Uphues R． Regenerative thermal oxidizer upgrades al￾low coil coater to increase production and maintain regulatory com￾pliance． Met Finish，1997，95( 1) : 46 ［3］ Zhou M Y，Yang M D，Dang J． Volatile organic compounds treat￾ment by regenerative thermal oxidizer． Environ Prot，2001( 11) : 16 ( 周明艳，杨明德，党杰． 蓄热式热氧化器处理挥发性有机化 合物． 环境保护，2001( 11) : 16) ［4］ Montaz S W，Truppi T J，Seiwert J J Jr． Sizing up RTO and RCO heat transfer media． Pollut Eng，1997，28( 13) : 34 ［5］ Hohl H，West M． Stretching: your RTO dollars． Pollut Eng， 1999，30( 10) : 30 ［6］ Pennington R L，Liszewski M． Get more from your regenerative thermal oxidizer． Chem Eng，1999，121( 5) : 137 ［7］ Chang M W，Chern J M． Stripping of organic compounds from wastewater as an auxiliary fuel of regenerative thermal oxidizer． J Hazardous Mater，2009，167( 1-3) : 553 ［8］ Wang H，Guo G Y，Zhou Y Y，et al． Status and progress of trea￾ting volatile organic compounds． Chem Ind Eng Prog，2009，28 ( 10) : 1833 ( 汪涵，郭桂悦，周玉莹，等． 挥发性有机废气治理技术的现状 与进展． 化工进展，2009，28( 10) : 1833) ［9］ Purifying Specialty Committee of Waste Gas，CAEPI． China devel￾opment report on prevention ＆ control industry of organic waste gas in 2008． China Environ Prot Ind，2009，15( 8) : 5 ( 中国环境保护产业协会废气净化专业委员会． 我国有机废 气治理行业 2008 年发展综述． 中国环保产业，2009，15( 8) : 5) ［10］ Cannon B J． Dual-chamber RTO oxidizers provide cost-effective VOC compliance for metal finishers and coaters． Met Finish， 2003，101( 1) : 53 ［11］ Choi B S，Yi J． Simulation and optimization on the regenerative thermal oxidation of volatile organic compounds． Chem Eng J， 2000，76( 2) : 103 ·635·