RTO焚烧炉、RTO、RCO专业生成厂家无锡泽川环境2023年8月8日讯 RTO系统是一套成套系统,整个系统中还有许多预处理和后处理设备,而气体在不同设备中的流动状态及速度是不同的。为了更准确地计算和设计出设备的尺寸和机构,我们会对一套RTO系统进行气体的流场分析(CFD,Computational Fluid Dynamics),从而得出关键部位的气体流速及涡流状态。今天就浅谈一下对RTO系统中气体的流场分析。
1.3、RTO燃烧室废气的停留时间:由废气完全燃烧的3T+E原则,VOCs在燃烧室内的停留时间是影响RTO装置处理性能的关键运行参数之一,根据HJ1093-2020《蓄热燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》中规定废气在燃烧室的停留时间一般不能低于0.75s,我们在计算燃烧室体积的时候根据公式1:
(其中t为废气在燃烧室内停留时间,s;VR为燃烧室体积,m3;QN为废气在标准状态下的体积流量,m3/s;TN为废气在标准状态下的热力学温度,K;TR为燃烧室内的热力学温度,K)进行反推。
以一个实际案例为据:RTO装置燃烧室内腔体积为125m3,在 800 ℃ 、废气体积流量16.7m3/s的工况条件下,计算得到VOCs 废气在燃烧室内停留时间为 2s,已满足运行工况需求,但该值仅代表阶段3中废气的停留时间。在阶段1和2中,由于废气流动轨迹的缩短,废气停留时间最多只能达到计算值的50%甚至更低,无法满足完全燃烧的3T条件。另外,由公式1也可发现,废气停留时间和燃烧室温度成反比,随着燃烧室温度的进一步升高,废气停留时间会相应缩短。所以为了延长废气在阶段1和2中的停留时间,提高RTO装置的处理性能,需要对RTO装置的燃烧室进行结构优化。
2.1、流场数值模拟方法(物理模型及网格划分)
为了得到优化前RTO装置内流场的分布情况,在稳定运行工况下,对优化前RTO装置内部流场进行了流场数值模拟,重点研究了燃烧室内流场的分布情况,如图3所示,本研究建立了优化前RTO装置的物理模型,与现场装置的比例为1:1。对优化前RTO流场计算区域进行网格划分,由于集气室内部反吹管道及换向系统结构复杂,故采用非结构化网格,其余结构采用计算精度和效率更高的结构化网格,并对近壁面处网格进行加密,经网格无关性验证后进行流场模拟实验。
a-物理模型
b-网格划分
2.2、燃烧室内气体速度分析
将废气的气体流量、风机压力、温度等数据条件输入后,得到燃烧室内废气3个运行阶段中燃烧室的纵向中心截面速度矢量分布(图4所示)。可知:燃烧室内的流场分布不均匀,存在以下问题:1、在各个运行阶段中,废气气流冲入 进气侧燃烧室后,由于流道存在1个直角弯,气流在 该区域未能实现均匀分布,进气侧燃烧室顶部直角附近区域一直处于低流速状态;2、 气流在经过直角弯后,受离心力影响,冲向燃烧室顶部,同时流道在此处大幅收窄(此处下文统称“收窄通道”),废气气流在顶部具有较大的速度梯度,平均流速为 11m/s 左右, 气流在此区域的停留时间极短;3、高速气流在离开此区域后,流道大幅扩张,但是气流未出现明显的扩散效果,导致部分未分解的VOCs组分仍被高速气流裹挟,直接流出燃烧室。
2.3、RTO装置燃烧室的结构优化设计
为解决以上问题,提高RTO装置的处理性能,在已建立的RTO数值模型上进行多次模拟实验后,确定了RTO装置燃烧室的结构优化设计方案,如图5a中绿色标记区域所示。结构优化设计分为以下3部分:1、采用45°斜板替代燃烧室两侧多余的直角设计,贴合气流流动轨迹,提高空间利用率;2、 将燃烧室收窄通道长度增加20%,以延长高速气流在此区域的停留时间;3、设置文丘里结构:在燃烧室收窄通道区域增设一组挡墙,挡墙结构的尺寸可根据实验进行模拟得到最佳数据,在此模拟中暂定尺寸为300mm *150mm*200mm,挡墙可采用多孔耐火砖砌成(多孔设计是为了防止挡墙在高温下开裂)或者由玻璃纤维模型堆成,以强化气流在后续扩张流道中的扩散效果,提高整体湍流动能水平。为初步验证结构优化效果,本研究采用与2.1节中相同的模拟方法对优化后RTO装置内部的流场分布进行了数值模拟。
a-物理模型
b-网格划分
2.4、优化后燃烧室内气体速度分析
将2.2中相同的数据输入,重新得到优化后燃烧室内废气3个运行阶段中燃烧室的纵向中心截面速度矢量分布(图6所示);图6为优化后RTO装置燃烧室的速度矢量分布,与图3对比后可发现,燃烧室内的流场分布发生了较大变化。切除直角结构后,进气侧燃烧室顶部的低流速区域基本消失,气流冲入燃烧室后,速度分布均匀。在燃烧室收窄通道区域,受 挡墙结构的剪切、分离作用,高流速区域被明显分割,气流的较高切向速度主导上部高速气流的流动方向,气流在后续的扩张流道中具有较好的扩散效果。虽然挡墙结构进一步缩窄流道,但是气流在此区域的流速未发生明显变化,平均流速仅增大至13m/s左右,而且此区域流道长度的增加,消除了高流速带来的影响,延长了各个阶段中气流的停留时间。另外,受下部高速气流和收窄通道直角剪切作用的影响,排气侧燃烧室下方近壁面处的附壁涡旋充分发展,涡旋流动成为近壁面处的主流运动,在一定程度上强化了此处的燃烧反应和传热传质。
3.1、为提高RTO装置处理性能,在燃烧室两侧设置45°斜板,进气侧燃烧室内流场分布的均匀性得到明显改善,低流速区域基本消失。
3.2、将燃烧室收窄通道长度增加20%,并增设挡墙结构,延长废气的流动轨迹和停留时间,提高了燃烧室内整体湍流动能水平,扩大了燃烧室内的高温区 域范围。
3.3、由于RTO内部燃烧室高温封闭区域,用传统的方法很难去测量其内部的流场流动以及温度分布的状态,很多技术设计人员只能凭借经验去改善设备结构,这类优化缺少理论数据的支持,很难得出一个准确的数据。随着计算机流体动力学的(CFD,Computational Fluid Dynamics)的发展,我们可以将更多设备的去进行流体仿真模拟,从而对设备进行优化设计。