史志海

唐山市生態(tài)環(huán)境局漢沽管理區(qū)分局，河北唐山，301501

0 引言

當(dāng)前眾多行業(yè)的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生廢氣，排出后會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，導(dǎo)致霧霾、溫室效應(yīng)等，影響人們的身體健康。關(guān)于廢氣的常用處理方法主要有溶液吸收法、高溫氧化法、光催化氧化等。其中，高溫氧化法在廢氣處理中具有良好的處理質(zhì)量。而RTO是一種高效率、高收益的VOCs（volatile organic compounds）處理技術(shù)。RTO的工藝流程主要是廢氣經(jīng)蓄熱體預(yù)熱后，廢氣中的有機分子經(jīng)過燃燒室的高溫，被氧化成二氧化碳和水[1]。氧化燃燒所產(chǎn)生的高溫氣體經(jīng)過蓄熱體之后，蓄熱體的溫度上升。這種“蓄熱”可以用在進入焚化爐爐膛的廢氣預(yù)熱中。蓄熱室的入口和出口氣體由換向閥連續(xù)切換，形成一個連續(xù)的工作循環(huán)。

1 RTO的工作原理

1.1 RTO的分類

VOCs的組成包括C、H等揮發(fā)性有機氣體。目前，化工企業(yè)擁有催化燃燒爐、直接燃燒爐以及蓄熱式燃燒爐，它們使用燃燒的方法來處理廢氣，根據(jù)安裝結(jié)構(gòu)可以分為2塔、3塔、5塔等；按運行方式可分為旋轉(zhuǎn)式RT0、塔式RT0[2]。在實際使用中，3塔式RTO是最常用的一種。

1.2 RT0的運作原理分析

RTO是一種焚燒爐，其主要組成為進氣室、蓄熱室、燃燒室、切換閥和燃燒機。

在啟動焚燒爐之前，將主風(fēng)機打開，用新鮮的空氣清潔爐膛，避免廢氣集聚，降低廢氣濃度。之后啟動燃燒器進行6小時左右的預(yù)熱，溫度緩慢上升至800℃，可以分解95%以上的VOCs氣體；溫度上升后，吸入空氣，氣體將通過蓄熱室1進入系統(tǒng)，并在蓄熱和預(yù)熱之后進入燃燒室。在此期間，經(jīng)過適當(dāng)?shù)娜紵幚恚ㄍǔ３^1秒），廢氣不規(guī)則地流過燃燒室，然后進入蓄熱室3。蓄熱室3的蓄熱體溫度低，能完全吸收廢氣中的熱量。熱處理后的高溫廢氣能夠降低溫度，將廢氣安全排放到再生器。

當(dāng)蓄熱室3中的蓄熱體吸熱飽和時，切換開關(guān)閥，廢氣進入蓄熱室3。經(jīng)過高溫預(yù)熱，從蓄熱室3進入燃燒室。而經(jīng)過蓄熱室2之后，熱量會被蓄熱室2吸收，并且蓄熱體飽和之后，再次切換進入下一個流程。這三次切換是整個系統(tǒng)的運行循環(huán)，其目的在于多次處理廢氣。一般需要嚴(yán)格控制切換時間，因為時間過長會造成排氣溫度過高和熱量損失；如果切換時間太短，切換閥和氣缸的使用壽命會縮短。RT0開關(guān)閥的切換時間一般為60～120s，根據(jù)實際工況決定[3]。

RTO的整個系統(tǒng)運行規(guī)律是：上一道工序的出風(fēng)口為下一道工序的進風(fēng)口，上一道工序的吹掃口為下一道工序的出風(fēng)口，上一道工序的進風(fēng)口為下一道工序的吹掃口。

2 RTO催化燃燒廢氣凈化處理裝置的參數(shù)

表1所示為有機廢氣成分，充分了解廢氣的理化參數(shù)是實現(xiàn)催化燃燒的關(guān)鍵。

表1 有機廢氣成分及理化參數(shù)

本文所提出的旋轉(zhuǎn)型RTO結(jié)構(gòu)（圖1）設(shè)計的關(guān)鍵是旋轉(zhuǎn)閥和蓄熱爐。其中，旋轉(zhuǎn)閥的構(gòu)成為同心圓柱形腔體和一個旋轉(zhuǎn)閥盤。而旋轉(zhuǎn)閥盤徑分別向各個位置開孔，對應(yīng)不同腔體，起到進氣、排氣和反吹的作用。外腔與充氣閥RTO連接，中腔與反吹閥RTO連接，內(nèi)腔與排氣閥RTO連接。RTO旋轉(zhuǎn)閥盤平均分為8個單元，其中3個進風(fēng)單元、3個出風(fēng)單元和2個反吹單元，分別對應(yīng)于其內(nèi)部的腔體。蓄熱爐上部為具有點火功能的燃燒室，下部為蓄熱式蜂窩熱量交換室。在發(fā)送點火信號之后，點火裝置首先執(zhí)行延遲吹掃功能，之后控制器執(zhí)行點火命令，打開主電磁閥。而點火棒向點火變壓器輸出高壓放電，將會產(chǎn)生火花，并點燃主火。在檢測到火焰時，打開主防火截止閥，10秒后關(guān)閉主防火電磁截止閥，燃燒風(fēng)機所引進的天然氣、空氣會在燃燒室中進行混合，此時的燃燒室溫度設(shè)置為815℃，這一溫度可以將廢氣中的有機物進行充分氧化。熱量交換室共有8個單元，分別對應(yīng)旋轉(zhuǎn)閥片。隨著旋轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)動，蓄熱器功能會從預(yù)熱和動態(tài)加熱轉(zhuǎn)變?yōu)樾顭崤c燃燒冷卻，充分利用氧化反應(yīng)釋放的熱量，最大限度地降低外部能耗。燃燒室中設(shè)置了熱電偶，方便測量室內(nèi)溫度。

圖1 旋轉(zhuǎn)型RTO示意圖

3 RTO催化燃燒技術(shù)的優(yōu)化

3.1 催化燃燒技術(shù)在RTO上的應(yīng)用

設(shè)計RTO采用蓄熱式氧化技術(shù)、催化燃燒技術(shù)等。該RTO將蓄熱式加熱爐和低溫催化燃燒的優(yōu)勢相結(jié)合，使RTO獲得節(jié)能減排的效果。其具體步驟為：將催化劑放在蓄熱廂的頂層平臺上，根據(jù)廢氣類型來選擇催化劑，通過催化劑層來對廢氣進行預(yù)處理。經(jīng)過催化燃燒，進入燃燒室進行兩次燃燒。催化燃燒能夠有效凈化廢氣，提高廢氣溫度，在一定程度上提高了經(jīng)濟性。

3.2 采用新型高效節(jié)能燃燒器，提高燃燒效率

基于燃燒器的結(jié)構(gòu)、性能，結(jié)合各種燃燒技術(shù)，如自動控制技術(shù)、二次噴射旋流技術(shù)以及單級送風(fēng)技術(shù)等，提高燃燒器的燃燒效率，實現(xiàn)廢氣的充分燃燒。

3.3 合理設(shè)計爐供氣量

從燃燒角度來看，為了提高RTO的燃燒效率，需要為燃燒室提供充足的供氣，因為供氣不足會導(dǎo)致無法完全燃燒，同時產(chǎn)生大量一氧化碳；但氧氣過量之后，更多熱量會隨著熱空氣流動而損失，導(dǎo)致熱量損失。所以，將廢氣中可燃性有機物濃度控制在爆炸下限（LEL）的25%時，可實現(xiàn)風(fēng)量的合理匹配，既能節(jié)約燃料，又能燃燒燃料，凈化尾氣，減少污染物排放。

3.4 爐膛空間的設(shè)計優(yōu)化

在RTO運行過程中，燃燒溫度與廢氣濃度不僅會對RTO的燃燒性能造成影響，還會對廢氣在RTO燃燒室內(nèi)的停留時間造成影響。這是因為整個有機氧化和燃燒都需要一定的時間。良好的爐膛空間設(shè)計能夠保證廢氣在爐膛中的停留時間更加合理，這一要素主要取決于爐膛的風(fēng)速、截面、長度。通常情況下，廢氣在RTO爐內(nèi)停留1.0～1.3s即可達(dá)到廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 選擇合適的燃燒溫度

選擇合適的爐溫是RTO優(yōu)化的關(guān)鍵。溫度是影響RTO轉(zhuǎn)化率的主要因素[4]。適當(dāng)提高爐溫將會使氧氣燃燒反應(yīng)更加準(zhǔn)確、節(jié)能，但爐溫過高會增加熱損失、縮短爐齡及增加RTO的運行成本。溫度在760℃以上，大部分的有機氣體分子都會被破壞，產(chǎn)生充分反應(yīng)，氧化生成水與二氧化碳。設(shè)計人員根據(jù)不同的廢氣類型選擇合適的爐膛燃燒溫度。

4 RTO蓄熱體的設(shè)計

蓄熱體可以說是RTO能量回收的熱載體。蓄熱體的性能質(zhì)量決定了RTO能耗。蓄熱體的截面與高度是蓄熱體設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，另外還包括等效直徑、形狀、比表面積、煙囪穩(wěn)定性、阻力系數(shù)蓄熱能力、結(jié)構(gòu)強度、傳熱效率、抗熱震性、傳熱深度、流動阻力特性[5]。目前，MLM-180Lantcomb-H蓄熱體、40×40孔蜂窩陶瓷蓄熱體等因具有比其他蓄熱體更高的傳熱效率而得到廣泛應(yīng)用。目前蓄熱體存在的主要問題是蜂窩孔堵塞、電池?zé)嵩?、使用壽命短、孔壁腐蝕、孔開裂、坍塌、錯位等。蓄熱體發(fā)生熱損傷的影響因素中，常見的包括蓄熱體材料的物理性能、蜂窩蓄熱體的使用條件等?；诖耍疚奶岢隽薘TO蓄熱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括設(shè)計優(yōu)化措施。

4.1 合理設(shè)計蓄熱體的布置方案

蓄熱器的布置設(shè)計應(yīng)盡可能整齊，避免蓄熱器交錯布置，避免蓄熱器部分在燃燒期間出現(xiàn)受熱不均的情況，避免高溫沉降受阻，導(dǎo)致局部應(yīng)力過大，出現(xiàn)蜂窩損壞，通道坍塌堵塞。

4.2 合理布置燃燒器的位置

燃燒器需要注意盡量縮短燃燒火線長度，RTO蓄熱器位置的合理性非常重要，可以防止燃燒器火焰高溫區(qū)的火焰氣體直接注入熱電池產(chǎn)生更多的熱輻射，從而導(dǎo)致熱電池出現(xiàn)故障，燒毀蓄熱體。

4.3 蓄熱體的選材問題

在設(shè)計RTO的材料時，蓄熱材料選擇需要充分考慮到材料導(dǎo)熱性、對流換熱和膨脹系數(shù)，同時還需要考慮到不同材料具有不同的耐熱溫度。基于廢氣燃燒溫度、蓄熱體耐熱溫度等，選擇適合的蓄熱體材料，同時還需要留有一定的溫度余量，避免因材料選擇不當(dāng)而導(dǎo)致蓄熱室熱熔變形和倒塌[6]。

5 RTO的溫度控制系統(tǒng)

5.1 爐膛溫度自動調(diào)節(jié)

對于RTO催化燃燒廢氣處理的整個環(huán)節(jié)來說，溫度控制是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，并且也是廢氣得到充分處理的保障，并且溫度變化和多種因素之間均具有一定聯(lián)系。

5.1.1 爐膛溫度與廢氣濃度的關(guān)系

當(dāng)廢氣中的有機物濃度下降后，有機物分解得到的熱能降低，直接導(dǎo)致爐溫降低?？梢栽O(shè)置爐膛的低溫值，以減少進入余熱鍋爐的煙氣量。當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)門完全關(guān)閉時，爐膛溫度仍低于設(shè)定值，需要啟動輔助燃燒器。而這也意味著廢氣分解所產(chǎn)生的熱量已經(jīng)低于系統(tǒng)自身的散熱損失和排煙損失的總和。當(dāng)煙氣濃度高于預(yù)設(shè)時，爐膛溫度可通過增加余熱排出量進行調(diào)整。煙氣量的增加取決于熱載體的溫度要求。必要時，爐內(nèi)部分煙氣直接排入煙囪冷卻[7]。

5.1.2 爐膛溫度與廢氣量的關(guān)系

通常情況下，RTO設(shè)計均是基于系統(tǒng)的最大處理量來實施的，所以經(jīng)常會遇到廢氣比設(shè)計值低的情況。而關(guān)于這一問題的處理方法與廢氣濃度降低的方法相同。

5.1.3 爐膛溫度與蓄熱體切換頻率的關(guān)系

通常情況下，蓄熱體的質(zhì)量有很大的裕度，這可以降低切換頻率，使?fàn)t膛溫度更穩(wěn)定。在設(shè)計的蓄熱體質(zhì)量較小時，只有提高開關(guān)頻率才能提高爐溫的穩(wěn)定性。如果切換頻率與蓄熱體質(zhì)量不一致，可能會導(dǎo)致快速冷卻甚至停機[8]。

5.1.4 爐膛溫度與余熱利用的關(guān)系

爐膛中的煙氣如果被過量引出的話，將會導(dǎo)致爐膛溫度迅速下降，利用調(diào)節(jié)風(fēng)門能夠控制。

5.2 系統(tǒng)風(fēng)機自動調(diào)速

RTO的系統(tǒng)風(fēng)機將會把廢氣吸入風(fēng)機中，然后鼓入蓄熱體進入爐膛。根據(jù)廢氣量來調(diào)節(jié)風(fēng)機，控制風(fēng)機。同時，還需要滿足爐膛的壓力，保證其能夠符合蓄熱體對于延期的阻力需求。

5.2.1 智能報警

RTO在對廢氣進行處理的過程中，爐膛中的溫度需要嚴(yán)格控制。因此，本文在爐膛內(nèi)設(shè)置關(guān)鍵點溫度控制警報系統(tǒng)；蓄熱段內(nèi)在多個位置放置溫度傳感器，實現(xiàn)爐膛溫度的實時監(jiān)控、實時告警；設(shè)置爐膛的低壓報警與差壓控制。

5.2.2 RTO相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》設(shè)置余熱有機熱載體爐，輔助燃燒器以及系統(tǒng)則需要符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如《蓄熱燃燒法工業(yè)有機廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》HJ1093-2020。

6 結(jié)語

綜上所述，本文對蓄熱式熱氧化爐（RTO）的運行原理進行了詳細(xì)介紹，并基于RTO設(shè)計的角度，提出了RTO催化燃燒廢氣凈化處理裝置的參數(shù)與RTO結(jié)構(gòu)，分析了RTO的催化燃燒技術(shù)、RTO的溫度控制系統(tǒng)、蓄熱體設(shè)計。蓄熱式熱氧化技術(shù)是一種比較可靠的有機廢氣處理手段，在RTO的蓄熱燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新、優(yōu)化、完善，能夠為有機廢氣的高效處理提供良好的途徑，同時也是有機廢氣治理的發(fā)展趨勢。