近年来，随着国家环保法律法规的不断出台、监管要求的日趋严格，医药化工行业化学品的生产、储存为了进一步减少污染物无组织排放，提升环保治理水平，越来越多地会配套建设挥发性有机物（VOCs，volatile organic compounds）的治理设施，蓄热式热力氧化装置（以下简称RTO，Regenerative Thermal Oxidizer）就是目前处理效率高的主流治理设备。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、RTO的工作原理

1.1、RTO装置是由换向设备、蓄热式、燃烧室、烟气管道和控制系统组成，如图1所示；燃烧室和蓄热式内壁均设有耐高温玻璃纤维模块，以确定保温效果，减少热量的散失；蓄热室会填充蜂窝或者板式陶瓷块用来储存热量，对齐孔道堆叠放置。

图1 RTO装置的工艺流程

1.2、RTO装置按照进排气阀门切换周期循环运行，每一切换周期包括3阶段，每阶段运行时间一般为60~180ｓ，各蓄热室在进气结束后须经过净化气或洁净热空气的反吹才能进行排气，具体运行流程如图２所示：

图2 RTO装置的运行流程

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；V_R为燃烧室体积，m³；Q_N为废气在标准状态下的体积流量，m³/s；T_N为废气在标准状态下的热力学温度，K；T_R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、RTO装置流场数值模拟与燃烧室结构优化

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

图3 优化前RTO装置的物理模型及网格划分

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。

图4优化前燃烧室纵向中心截面的速度矢量分布

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好数据，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

图5优化后RTO装置的物理模型及网格划分

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。

图6优化后燃烧室纵向中心截面的速度矢量分布

3、结论

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。