RTO(蓄熱式氧化爐)應(yīng)用調(diào)研分析研究

摘要：通過調(diào)研RTO(蓄熱式熱氧化爐)裝置處理VOCs(揮發(fā)性有機物)的應(yīng)用實例,對比分析了VOCs處理效果及存在問題,結(jié)合RTO處理VOCs原理及相關(guān)規(guī)范,指出采用RTO方法的優(yōu)點及需要完善改進(jìn)之處,為RTO裝置的建設(shè)和運營提供指導(dǎo)意見.在一定VOCs濃度區(qū)間范圍內(nèi),隨著VOCs濃度的升高,RTO對VOCs去除率呈上升趨勢,RTO對VOCs的絕對去除量有保障.RTO裝置比較適合處理VOCs濃度為1000~8000 mg/m3的廢氣,三室式RTO裝置可以兼顧到處理效率和經(jīng)濟性要求,現(xiàn)有主流三室式RTO比較適宜的VOCs廢氣處理量為10000~30000 m3/h.

VOCs排放量已接近或超過NOx排放量，年排放量超過2 000萬噸 ，在未來相當(dāng)長的時期內(nèi)，VOCs肯定是監(jiān)管和處理重點。VOCs主要來源于溶劑的產(chǎn)生和使用部門，還有化工和醫(yī)藥生產(chǎn)、燃料油的運輸和裝卸、垃圾貯存、燃料燃燒和機動車尾氣排放等過程 J。許多VOCs具有神經(jīng)、腎臟和肝臟毒性，甚至有致癌作用，能損害血液成分和心血管系統(tǒng)，誘發(fā)免疫系統(tǒng)疾病、內(nèi)分泌系統(tǒng)及造血系統(tǒng)疾病。同時，VOCs也是參與大氣光化學(xué)反應(yīng)過程的重要污染物之一，是形成光化學(xué)煙霧和PM2.5的重要前體物之一 。

目前VOCs廢氣有多種處理方法，主要包括冷凝回收、高沸點溶劑吸收、活性炭吸附、焚燒處置等。根據(jù)VOCs廢氣產(chǎn)生特點及經(jīng)濟性，RTO(蓄熱室氧化器)技術(shù)具有凈化效率高、污染物分解徹底、換熱效率高、節(jié)能、阻力低、風(fēng)機裝機功率小等優(yōu)點 ，對處理VOCs有著較廣泛的應(yīng)用前景。

1 RTO技術(shù)淺析

RTO(蓄熱式熱氧化爐)與傳統(tǒng)的催化燃燒、直燃式熱氧化爐相比，具有熱效率高(大于等于90％)、運行成本低、能處理大風(fēng)量低濃度(相對于廢氣排放而言)。RTO裝置有兩室、三室以及多室裝置，兩室RTO置VOCs的去除率在95％ 一98％，三室RTO裝置VOCs去除率可達(dá)到98％以上。

1.1 RTO原理

兩室RTO沒有吹掃工序，在進(jìn)行閥門切換時，部分VOCs廢氣沒有經(jīng)過處理直接排放，從而降低了VOCs的去除效率。多室RTO是在廢氣量非常大的情況下，為保證廢氣進(jìn)氣的均勻性，增加了同時進(jìn)氣和出氣的蓄熱室數(shù)量。目前三室RTO是主流實用裝置，較好的兼顧了效率和投資成本。

三室RTO運行原理：三室RTO主體結(jié)構(gòu)由燃燒室、三個陶瓷填料床和六個切換閥組成，當(dāng)有機廢氣進(jìn)入陶瓷床1后，陶瓷床1放熱，有機廢氣被加熱到一定溫度后進(jìn)人燃燒室燃燒，同時產(chǎn)生的高溫氣體通過陶瓷填料床2，陶瓷床2吸熱蓄熱，高溫氣體被填料床2冷卻后，經(jīng)過切換閥門排放，填料床3進(jìn)行吹掃，以保證原進(jìn)人填料床3而未反應(yīng)的廢氣進(jìn)入燃燒室燃燒，而不是直接排放；經(jīng)過一段時間后，閥門切換，廢氣從填料床2進(jìn)入，填料床2放熱，填料床3蓄熱，填料床1進(jìn)行吹掃；然后在填料床3進(jìn)氣，填料床1蓄熱，填料床2進(jìn)行吹掃；這樣周期性地切換，就可連續(xù)處理有機廢氣。其工作原理示意圖見圖1。

1.2 RTO安全預(yù)處理措施

由于RTO裝置常采用明火進(jìn)行工作，容易產(chǎn)生爆炸事故，是使用RTO裝置比較關(guān)心的問題。

廢氣的安全預(yù)處理措施主要包括：

• (1)濃度控制：為安全起見，防止爆炸或火災(zāi)，廢氣中VOCs的濃度通常應(yīng)控制在25％LEL(爆炸濃度下限)以下；

• (2)回火控制：為防止回火，在設(shè)計管道尺寸時應(yīng)使廢氣的最低流速始終大于回火速度，而且選取適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)；

• (3)安全措施：可以采取設(shè)置文丘里阻火器、回火防止器、安全液封、空氣稀釋、無回火噴射等安全控制措施；

• (4)報警連鎖：設(shè)置爆炸或回火報警儀及安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。

1.3 RTO裝置的優(yōu)缺點

RTO裝置經(jīng)過多年的運行及改進(jìn)發(fā)展，表現(xiàn)出一定的優(yōu)缺點。其優(yōu)點主要有：(1)幾乎可以處理所有含有機化合物的廢氣，可以處理風(fēng)量大、濃度低(相對于直燃焚燒爐)的有機廢氣；(2)可以適應(yīng)廢氣中VOCs的組成和濃度的變化、波動；(3)對廢氣中夾帶少量灰塵、固體顆粒不敏感；(4)在所有熱力燃燒凈化法中熱效率最高(>90％)；(5)在合適的廢氣濃度條件下無需添加輔助燃燒而實現(xiàn)自供熱操作；(6)凈化效率高(三室>98％，兩室95％ ～98％)，維護工作量少，操作安全可靠；(7)有機沉積物可周期性地清除，蓄熱體可更換；(8)整個裝置的壓力損失較小(RTO裝置系統(tǒng)總壓力損失一般<3 000 pa，隨所用蓄熱體的結(jié)構(gòu)類型、氣體速度而變)，裝置使用壽命長。

主要缺點有：

• (1)裝置重量大(因為采用陶瓷蓄熱體)、容積大；

• (2)要求盡可能連續(xù)操作；

• (3)投資費用相對較高；

• (4)對于大風(fēng)量、低濃度廢氣而言，運行費用仍然偏高；

• (5)存在一定的火災(zāi)爆炸風(fēng)險，國產(chǎn)儀表質(zhì)量不過關(guān)，國外品牌價格貴。

1.4 RTO運行中出現(xiàn)的問題

根據(jù)RTO調(diào)研情況，處置含石油醚廢氣的RTO裝置和處置含異丙醚廢氣的RTO裝置發(fā)生過多次爆炸事故，雖然處理濃度明顯低于爆炸下限。經(jīng)分析，石油醚和異丙醚具有閃點低、揮發(fā)性強的特點，因此RTO處理VOCs廢氣，須關(guān)注低閃點物質(zhì)(石油醚、異丙醚、乙醚、環(huán)已烷等)；建議低閃點VOCs不進(jìn)入RTO處理裝置，單獨采用碳纖維吸附方式處理。

根據(jù)調(diào)研分析，目前RTO裝置運行控制參數(shù)比較單一。目前主要監(jiān)控的運行參數(shù)為燃燒室溫度，進(jìn)氣VOCs濃度在線監(jiān)測儀器反饋的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，從而不能預(yù)先確定助燃燃料的助燃量，這就造成燃燒室溫度出現(xiàn)波動。在VOCs濃度過高時出現(xiàn)燃燒室溫度過高現(xiàn)象，可能會造成蓄熱體的破壞，降低RTO裝置的使用壽命。目前RTO國產(chǎn)儀表質(zhì)量不過關(guān)，大多不能夠滿足運行管理要求。

采用RT0裝置處理VOCs廢氣單位多為?；飞a(chǎn)或使用企業(yè)，使用過程中特別擔(dān)心出現(xiàn)爆炸。由于RTO裝置的運行研究、設(shè)計規(guī)范和在線監(jiān)控數(shù)據(jù)比較欠缺，出于安全考慮，目前RTO裝置運行企業(yè)對接入VOCs廢氣的類別及濃度比較保守。

1.5 RTO運行經(jīng)驗參數(shù)

根據(jù)RTO裝置運行情況調(diào)研情況及相關(guān)資料，三室式RTO裝置可以兼顧到處理效率和經(jīng)濟性要求；目前，一般設(shè)計廢氣處理風(fēng)量為10 000～30 000m3／h時，占地面積、設(shè)計、材料要求、設(shè)備安裝、運行控制等方面比較適用，特別小風(fēng)量和大風(fēng)量都不適合采用三室式RTO。

之間，助燃燃料為天然氣或柴油或廢溶劑。要求進(jìn)入RTO裝置的VOCs廢氣濃度在1 000—8 000 mg／m3才具有明顯的經(jīng)濟可行性；據(jù)相關(guān)資料分析，VOCs濃度達(dá)到2 000 mg／m3以上時，RTO裝置不使用助燃燃料也可正常運行。故為配套RTO裝置的正常穩(wěn)定運行，必須對收集VOCs的收集系統(tǒng)進(jìn)行密閉、合理、系統(tǒng)化設(shè)計，進(jìn)而保證綜合進(jìn)人RTO裝置的VOCs廢氣濃度在合適的范圍內(nèi)。

RTO裝置設(shè)計燃燒室溫度在850oC以上，實際運行溫度在720℃以上，在保證VOCs去除率的前提下，適當(dāng)降低燃燒室溫度可以減少助燃燃料使用量，降低運行費用。RTO裝置熱利用效率在90％以上，三室RTO的VOCs去除率可達(dá)到99％ 以上。RTO整個系統(tǒng)的壓力損失一般小于3 000 Pa。

2 RTO應(yīng)用案例分析

目前VOCs廢氣主要采用噴淋、活性炭吸附技術(shù)進(jìn)行末端治理，但隨著RTO技術(shù)的發(fā)展和國產(chǎn)設(shè)備的成熟，采用RTO處理VOCs廢氣越來越受到青睞，這主要是RTO具有應(yīng)用廣泛性、分解徹底性、去除效率高、經(jīng)濟可接受性強等優(yōu)勢。

2.1 RTO裝置運行數(shù)據(jù)調(diào)研

為了解RTO裝置實際運行效果及VOCs去除率，對不同企業(yè)的RTO裝置竣工環(huán)保驗收監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集。調(diào)研的4家企業(yè)RTO裝置數(shù)據(jù)見表1。

目前RTO裝置較多應(yīng)用化工制藥行業(yè)，接入RTO裝置的VOCs類別較多，RTO裝置對多種VOCs廢氣均有一定去除率。

2.2 RTO裝置數(shù)據(jù)分析

首先，對VOCs綜合廢氣去除情況進(jìn)行分析，對調(diào)研4家企業(yè)的VOCs廢氣進(jìn)行加和統(tǒng)計，并按RTO裝置進(jìn)口VOCs濃度從低到高進(jìn)行排序，分析RTO裝置進(jìn)口濃度變化時VOCs的去除率，數(shù)據(jù)分析情況如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著RTO裝置進(jìn)口VOCs濃度的升高，VOCs去除率逐步升高，進(jìn)口濃度到達(dá)900 ms/m3時，VOCs去除率接近理論去除率(99％)。這充分說明，隨著VOCs廢氣濃度的升高，RTO裝置對VOCs的絕對去除量有保證，從VOCs的絕對去除量方面考慮，RTO裝置具有很明顯的優(yōu)越性。

根據(jù)蕭琦、姜澤毅等的研究 ，焚燒爐出口總VOC濃度隨焚燒爐人口總VOC濃度呈線性變化；焚燒爐破壞去除率隨焚燒爐人口總VOC濃度升高略有升高，破壞去除率基本保持在95％左右。在一定的焚燒溫度下，破壞去除率理論上不受人口總VOC濃度影響；實際應(yīng)用中破壞去除率隨焚燒爐入口總VOC濃度升高而略有升高，可能是由于高濃度下焚燒爐內(nèi)溫度場更均勻所致。而焚燒爐出口總VOC濃度隨焚燒爐人口總VOC濃度呈線性變化，說明裝置出口未經(jīng)處理的VOC可能主要是由換向閥門處的泄露導(dǎo)致。該研究RTO裝置的VOCs范圍為2 000～6 000 mg/m3，閥門泄露量為總流量的2.24％ 。實際調(diào)研為三室RTO，根據(jù)設(shè)計方案閥門漏風(fēng)量在1％ 以下，故理論VOCs去除率可接近99％ ；從漏風(fēng)率方面考慮，調(diào)研RTO去除率高于蕭琦、姜澤毅等研究RTO裝置的VOCs去除率。

2.3 RTO應(yīng)用小結(jié)

根據(jù)RTO實際運行數(shù)據(jù)及相關(guān)資料分析，RTO具有VOCs去除率比較高，自動化程度高，運行操作管理方便等優(yōu)點，但同時也有一定的限制約束條件。從安全性、經(jīng)濟性和VOCs去除效果方面考慮，RTO裝置比較適合處理VOCs濃度為1 000～8 000mg/m3的廢氣；濃度過低，去除效率降低，且需要較多的助燃燃料，經(jīng)濟性降低；濃度過高，超出RTO設(shè)計溫度，容易破壞蓄熱體，甚至出現(xiàn)火災(zāi)事故。

3 結(jié)語

(1)根據(jù)調(diào)研RTO裝置對VOCs的去除數(shù)據(jù)分析，隨著VOCs廢氣濃度的適度提高，RTO裝置對VOCs的絕對去除量越有保證，從VOCs的絕對去除量方面考慮，RTO裝置具有很明顯的優(yōu)越性，可保證VOCs的絕對排放量控制在一定的范圍內(nèi)，杜絕稀釋排放現(xiàn)象。

(2)隨著RTO裝置進(jìn)口VOCs濃度的適度升高，VOCs的去除率逐步提高，進(jìn)口濃度到達(dá)900mg/m3時，VOCs去除率接近理論去除率(99％)。VOCs濃度過低(如6.7 mg/m3)時，RTO對VOCs的去除率明顯降低，這可能與少量助燃燃料未燃燒排放有關(guān)。

(3)三室式RTO裝置可以兼顧到處理效率和經(jīng)濟性要求，若設(shè)計VOCs廢氣處理量在10 000—30 000 m3/h，濃度在1 000—8 000 mg/m3時，同時做到低閃點物質(zhì)不進(jìn)人RTO裝置，RTO是一種非常可靠適用的VOCs廢氣處理方法。