电加热式三塔RTO处理VO...技术在工程实践中的应用研究_邬文燕.pdf

第 41 卷，总第 237 期2023 年 1 月，第 1 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.41，Sum.No.237Jan 2023，No.1电加热式三塔 TO 处理 VOCs 技术在工程实践中的应用研究邬文燕1，郝继宗1，樊帆1，刘栋1，兰剑2，方可宁2(1 中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海201108;2 上海齐耀热能工程有限公司，上海201108)摘要:本文介绍了三塔式 TO 处理 VOCs(Volatile Organic Compounds)技术，创新的设计了电加热式三塔 TO 代替燃气加热式三塔 TO，文中说明了电加热式三塔 TO 电加热元件的选型、布置工艺设计，该技术成功应用于某污水处理厂 TO 炉设计。该污水处理厂电加热式三塔 TO装置建成之后，经过试运行期间的调试，实现了电加热式三塔 TO 装置的连续稳定运行。取样结果显示，烟气中非甲烷总烃最大为 60 mg/Nm3，满足80 mg/Nm3的排放要求。工程经验显示，采用电加热式 TO，单台套三塔 TO 可减少二氧化碳排放量 4 855 kg/年。电加热式三塔 TO 技术成功应用于工程实践中，为 VOCs 治理行业的节能减排贡献了更优的技术方案和应用经验。该创新的绿色技术应用，减少了二氧化碳排放，为国家“双碳”战略做出了贡献。关键词:三塔式 TO;电加热式三塔 TO;电热元件 VOCs;碳减排中图分类号:TH49文献标识码:A文章编号:1002 6339(2023)01 0083 06收稿日期2022 08 10修订稿日期2022 11 01作者简介:邬文燕(1988 )，女，硕士，设计工程师，从事废物焚烧、低氮燃烧方面工程设计工作。esearch on the Application of Electric Heating Three tower TOto Deal with VOCs in Engineering PracticeWU Wen yan1，HAO Ji zong1，FAN Fan1，LIU Dong1，LAN Jian2，FANG Ke ning2(1 Shanghai Marine Diesel Engine esearch Institute，Shanghai 201108，China;2 Shanghai Qiyao Thermal Engineering Co，Ltd，Shanghai 201108，China)Abstract:This paper introduces the technology of three tower TO to deal with VOCs(Volatile OrganicCompounds)，and innovatively designs electric heating three tower TO instead of gas heating three towerTO The selection and layout of three tower TO electric heating elements are described in this pa-per，and the technology has been successfully applied to the design of TO furnace in a sewage treatmentplant After the completion of the electric heating three tower TO device in the sewage treatmentplant，the continuous and stable operation of the device was realized through commissioning during thetrial operation The sampling results show that the maximum non methane hydrocarbon in the flue gas is60 mg/Nm3，which meets the emission requirements of 80 mg/Nm3 Engineering experience showsthat using electric heated TO，a single set of TO can reduce carbon dioxide emissions by 4 855 kg/year The successful application of electric heating three tower TO technology in engineering practicehas contributed better technical solutions and application experience for energy conservation and emission38reduction of VOCs governance industry At the same time，the application of innovative green technologyreduces carbon dioxide emissions and contributes to the carbon peaking and carbon neutrality strategyKey words:three tower TO;electric heating three tower TO;electric heating element;VOCs car-bon emission reduction0引言挥发 性 有 机 物(Volatile Oganic Compounds，VOCs)是指饱和蒸气压较高(20 下大于或等于0 01 kPa)、沸点较低、分子量小、常温状态下易挥发的有机化合物1 2。VOCs 危害极大，不利于环境和身心健康，国家为了防治其造成的空气污染出台了相关政策法规2。按照相关规定，废气中 VOCs 需进行处理达标后才能排放。目前，国内外治理 VOCs 的方法很多4 5，其中，焚烧法因其众多优点而被各行各业广泛应用，成熟的焚烧技术包括直燃焚烧(Thermal Oxidizer，TO)、催化氧化焚烧(Catalytic Oxidizer，CO)、蓄热焚烧(egenerative Thermal Oxidizer，TO)6，其中蓄热焚烧(TO)节能优势明显，应用最为广泛。蓄热焚烧(TO)设备能够适应 VOCs 有机废气的组成和浓度的变化和波动，既可适用于中高浓度的有机废气，也可适用于低浓度的有机废气焚烧。为了启炉预热到设定温度或低 VOCs 浓度时补充能量维持燃烧室的温度，TO 装置一般需要配置补充热量的设备，常规一般是配备燃气燃烧器。在运行时，VOCs 浓度高时是不需要补充额外能量的，而燃气燃烧器需设置长明灯维持火焰，此时长明灯消耗燃料将造成能量的浪费。本文研究内容是创新的采用电加热替代燃气燃烧器，可通过控制电加热器输出功率来控制燃烧室热量供应，在废气含高 VOCs浓度时，可以将输出功率调整为零，从而节约能源，达到减少碳排放的效果。1三塔式 TO 技术三塔式布置是典型的蓄热焚烧(TO)装置的布置方式，一般由一台燃烧室、三台蓄热室(A 室、B室、C 室)、三台进气切换阀、三台出气切换阀、三台反吹切换阀组成，如图 1 所示。图 1三塔式 TO 主视图与俯视图燃烧室是 VOCs 分解的场所，废气经蓄热室预热后进入燃烧室进行高温热力氧化，把有机物分解成 CO2、H2O。燃烧室运行温度控制在 760 900 之间，用于废气高温焚烧热解，根据废气焚烧处理的3T(温度、时间、涡流)原则设计确定炉膛结构、炉膛尺寸、炉膛容积，保证炉内容积热负荷、烟气流速和停留时间，以满足 VOCs 在炉内达到完全氧化分解。蓄热室是高温烟气和废气进行蓄放热的场所。蓄热室内布置的陶瓷蓄热体是完成烟气和废气间接热交换的媒介，是实现热量极限回收和高效利用的核心设备。其作用是由蓄热体将上一流程高温烟气的热量蓄存起来，用于预热下一流程的废气，使废气得到充分预热，进入炉膛时快速焚烧热解，显著减少补燃燃料的消耗。进气、出气、反吹切换阀通过周期性的开、关切换，来控制气体在每一个陶瓷床的流入和流出，使TO 周期性的完成燃烧、换热、进排气三种流程，系统运行一个周期内 TO 工作流程，如图 2 所示。TO 装置节能的核心原理是通过进气、出气、反吹切换阀周期性的切换，实现高温烟气热量的充分利用。蓄热式换热器的热效率 95%，而常规间壁式换热器的热效率一般在 70%左右7。2电加热式三塔 TO 的工程设计开发电加热式三塔 TO，关键是要研究电加热元件的应用特性，能够匹配三塔 TO 结构与安装环境，满足启动、运行、控制要求。电热元件种类较多，根据材料特性不同，可分为铁铬铝合金系列、镍铬合金系列。铁铬铝电热/电炉合金系列，其优点是使用温度高，最高使用温度可达1 400，使用寿命长、价格便宜，但缺点是高温强度低。镍铬电热/电炉合金系列，其使用温度较铁铬铝低，最高使用温度达 1 200，高温强度较铁铬铝高，使用寿命更长，但价格较高。2 1电热元件结构形式的选择电热元件有多种结构形式，可根据不同应用温度和设置场合选择。电热元件主要结构形式如下。2 1 1电加热管发热元件采用不锈钢钢管作保护套管，中心布置高温电热合金丝，在间隙部分致密地填入导热性48能及绝缘性能均良好的结晶氧化镁粉，如图 3 所示。电加热管由电热丝发热导热到保护套管，再通过不锈钢保护套管和被加热介质的对流换热进行热量传递。这种结构先进、热效率高、发热均匀，但是受填充材料氧化镁粉的限制，最高应用温度不超过500。图 2TO 运行流程图图 3电加热管2 1 2电炉丝电炉丝具有耐高温、升温快、使用寿命长、电阻稳定、功率偏差小等特点，广泛用于小型电炉、马弗炉等。在工作状态下，电炉丝由于自身处于高温炽热状态，在空气中易因为发生氧化反应而出现熔断;此外，电炉丝一般是螺旋结构，在通电时会产生感抗效应。电炉丝结构如图4 所示，其应用场景如图5 所示。图 4电炉丝图 5电炉丝的应用场景2 1 3电炉扁带电炉扁带同电炉丝一样带具有耐高温、升温快、使用寿命长、电阻稳定、功率偏差小的特点。应用于工业炉中时可以在侧墙、炉底排布，更好地利用这些空间。铁铬铝电阻合金材料具有电阻温度系数小、电阻率高、使用温度高等特点，采用铁铬铝电阻合金为主的电热扁带的高温性能好。电炉扁带结构如图 6所示，其应用场景如图 7 所示。图 6电炉扁带图 7电炉扁带的应用场景2 1 4电热辐射管电热辐射管是把电加热元件封闭在保护套管内，进行通电发热，由封闭套管间接把电加热热量辐射给炉衬和被加热介质，电加热元件和保护套管之间用耐高温绝缘陶瓷龙骨支撑。电热辐射管的电热合金材料，通过保护套管与被加热介质物理隔绝，使得其具有不易腐蚀、不易生锈、安装灵活，工业适应性强，在多种环境下使用寿命长久。维修时只需要把加热芯抽出维修即可，具备维修方便、高效、安全的特点。电热辐射管根据内芯结构不同大致分三种，内芯结构分别如图 8、图 9、图 10 所示，电热辐射管的总装如图 11 所示。(1)线状螺旋环绕电热辐射管:这种辐射管较为常用。图 8线状螺旋环绕电热辐射管的加热芯58(2)带状螺旋环绕电热辐射管:这种辐射管适用于大功率场景。图 9带状螺旋环绕电热辐射管的加热芯(3)轴向波折形笼框式电热辐射管:这种辐射管寿命相对较长。图 10轴向波折形笼框式电热辐射管的加热芯图 11电热辐射管的总装图电加热式三塔 TO，需要整合电加热技术和三塔 TO 技术，做适用性选型和结构设计，并通过数值模拟对整合后的燃烧室的温度场、速度场进行理论研究，以确定加热元件的选型