曲宏霞

（濰坊天弘環(huán)境工程咨詢有限公司，山東 濰坊 261071）

隨著全球產(chǎn)業(yè)的迅速增長，化學工業(yè)公司等企業(yè)大量排放廢氣，導致自然環(huán)境破壞日益加劇。在化工生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的廢氣中，大多數(shù)揮發(fā)性有機化合物是細顆粒物的重要原料之一。為了保護自然環(huán)境和人類健康，這些廢氣必須經(jīng)過處理后才能排放。近年來，隨著環(huán)境壓力的不斷加大，人們認識到清潔的環(huán)境是任何國家最寶貴的財富。因此，我們應該寧愿關閉那些污染嚴重但產(chǎn)量不大的化工廠，也不能破壞環(huán)境?；ぎa(chǎn)業(yè)是國家經(jīng)濟發(fā)展必不可少的重要組成部分之一。然而，在相關化工企業(yè)的生產(chǎn)中，大量排放含有揮發(fā)性有機化合物的廢棄氣體，既有害于人體健康，又會對環(huán)境造成負面影響。因此，化工行業(yè)必須對產(chǎn)生的廢氣進行凈化處理，以達到排放要求，這是實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的必然要求。目前，VOCs 處理主要采用吸附技術、生物技術處理法和熱氧化技術等方法?，F(xiàn)階段，探討高溫氧化技術在化學工廠廢氣處理中的優(yōu)點，最近，高溫氧化技術已成為化工廠廢氣治理的重要代表之一，因為其高效節(jié)能等優(yōu)點得到了快速發(fā)展。然而，有機廢氣成分錯綜復雜，濃度變化大，可能對高溫氧化設備的穩(wěn)定運行帶來重大風險，可能導致安全事故發(fā)生。因此，保證熱氧化設備的平穩(wěn)運行和安全方面是化學廠最重要的問題。本篇文章分析了催化燃燒設備在化學工廠廢氣處理中的應用情況，并提出一些提議以便強化其運行穩(wěn)定性。

1 化工廢氣處理技術簡介

近年來，隨著化學工業(yè)的高速發(fā)展，廢氣成分日益復雜，種類也更加多元化。隨著時間的推移，揮發(fā)的有機化合物的排放量逐年增加，幾乎要超過氮氧化合物的排放量。成為化學企業(yè)治理的重點。一般來說，化工企業(yè)通常會將易揮發(fā)的有機物質(zhì)變成環(huán)保材料后再排放，以保護自然環(huán)境。這是因為易揮發(fā)的有機物質(zhì)數(shù)量較大，不易回收，實現(xiàn)再利用需要巨大投資，不經(jīng)濟。現(xiàn)階段，廢氣治理通常采用吸附法、生物處理技術、光催化處理和RTO 技術等，其中吸附機理利用活性炭或吸附劑作為一種吸附劑，對廢氣排放物進行吸附和過濾，包含吸附、解吸、凝結(jié)和再利用4 個關鍵步驟。該技術的凈化效率受到廢氣的物理化學性質(zhì)和種類的影響很大，可用于低濃度廢氣排放的凈化處理。生物凈化法則是利用特定微生物代謝有機廢氣，將其轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水，該方法適用于含有氧、氮、硫的有機或無機廢氣；利用光照和催化劑的方法可以將有機化合物分解為二氧化碳和水。光源和催化劑類型的選擇是治理有害氣體的關鍵因素之一。熱氧化技術在廢氣處理領域已有百年歷史，熱氧化回收設備是一種高效率的廢氣處理設備體系，能夠處理200 余種揮發(fā)性有機化合物。此類設備已從雙室發(fā)展到多室的甚至包括14 個室。相對其他技術，再生熱氧化處理技術是化工廢氣處理中廣泛應用的一種技術。從各個角度全方位考慮后得出結(jié)論，高溫氧化處理技術在廢氣處理中擁有獨特的優(yōu)點。現(xiàn)階段，有機廢氣處理裝置的凈化率已超過98%。因此，在化工廢氣治理中有著廣泛的應用前景。

2 RTO 技術概述

2.1 RTO 裝置發(fā)展歷程

20 世紀50 年代，燃氣技術取得重要進展，但隨著使用范圍的擴大，廢氣排放和灰塵以及能源消耗大問題日益凸顯。于是，工業(yè)領域開始加快步伐，開發(fā)新技術以降低能源消耗。之后，專家學者長期致力于研究高溫氣體燃燒，主要的目標是改善燃燒設備的開發(fā)。隨著環(huán)保要求不斷提高，再生熱氧化裝置逐漸在廢氣治理的多個領域得到應用。通過此項技術，一方面，減少了能源消耗，節(jié)省了能耗；另一方面，確保了燃燒排放氣體達到排放標準。

2.2 RTO 裝置的工作原理和基本特點

廢氣處理裝置RTO 的處理原理是將有機化學廢氣通過加熱器加熱后進入燃燒室高溫氧化生成CO2和H2O，并將廢熱儲存起來，用作熱能交換預熱產(chǎn)生的新廢氣。廢氣處理裝置可分為不同規(guī)格的熱儲存室，包括2 個、3 個、5 個不同規(guī)格的熱儲存室和多個熱儲存室。一般的反應吸附再生系統(tǒng)包含共用的燃燒腔、多個熱儲存室、換向器和對應的自動控制系統(tǒng)。

RTO 適用于處理密度為2 ～8g/m 的有機廢物氣體，對于濃度較低的低熱值氣體可以高達10g/m 以上。在難以處理的成分上，焚燒設備具有獨特的優(yōu)點，處理效率可達到95%以上。此外，廢氣處理設備具有高度適用性，能有效處理揮發(fā)性有機物的成分及濃度變化，同時熱量回收率高，節(jié)約了操作費用。

2.3 RTO 裝置設計中的關鍵問題

（1）蓄熱體的選用。在化學工業(yè)廢氣治理中，應用可靠、節(jié)能、經(jīng)濟等優(yōu)勢的RTO 技術已經(jīng)廣泛推廣。其中，熱能儲存體是RTO 設備的核心部分，其熱性能非常重要，直接影響設備回收熱能的效率。在確定熱能儲存設備的橫截面積和高度積累值時，需要綜合考慮廢氣排放量、有害成分濃度、轉(zhuǎn)化時間等多種因素。循環(huán)加熱和冷卻的熱能儲存設備在性能方面要求高，包括穩(wěn)定性等方面。在選擇和設計廢氣處理裝置時，應特別關注熱容量、傳熱性能、表觀比表面積和強度結(jié)構(gòu)等性能指標，它們直接影響換熱效率和經(jīng)濟效益。

（2）蓄熱體的形狀結(jié)構(gòu)。目前，工業(yè)應用中，熱能儲存器的形狀主要有管形、球形、蜂巢狀和圓柱形等。其中，蜂巢狀結(jié)構(gòu)被廣泛采用。相較其他幾種結(jié)構(gòu)形式，蜂巢結(jié)構(gòu)的表面積積比球形結(jié)構(gòu)大4 倍，具有快速蓄熱存和散熱速度，不易出現(xiàn)塵埃堵塞，且蜂窩狀結(jié)構(gòu)的通道形態(tài)表現(xiàn)為三角形、正方形和圓管形狀等不同形態(tài)，在熱傳遞方面存在一定的差異。依據(jù)理論和模擬結(jié)果，正方形狀結(jié)構(gòu)具有最具蓄熱能力，但由于通道口徑較小，所以損失阻力大于六邊形狀結(jié)構(gòu)。在實際應用中，需綜合考慮熱傳遞性能和阻力損失，選擇合適的蜂窩結(jié)構(gòu)。

（3）蓄熱體的材質(zhì)。蓄熱體的種類會對其傳熱性能和強度水平產(chǎn)生重要影響。一般來說，在選擇材料時，應該綜合考慮價格、成本、強度、耐用性和熱傳導性能等因素，并選擇具有優(yōu)異綜合性能的材料。目前，常用的蓄熱體包括鑄造鐵、高溫陶瓷材料、炭素鋼、A10 鋼，以及二氧化硅等材料。目前，在陶瓷制品中，大部分使用硅鋁酸鹽礦和硅酸鹽礦制造陶瓷熱儲體。隨著相變材料技術的進步，也可適量摻入相變材料到原材料中，充分發(fā)揮相變儲熱的優(yōu)點。

3 RTO 裝置在化工廢氣處理中的實際應用

宇新新材料公司是一家專注于炭素材料深加工的高科技公司，其年產(chǎn)量達到15 萬噸的苯甲酸酐產(chǎn)品。為了遵循最新的環(huán)境保護法規(guī)，公司應用催化燃燒技術處理生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有機廢棄氣體。2022 年，公司投入資金運行了2 個12 個室的RTO 設備，效果良好，這個設備的廢氣處理效率達到了超過99%，余熱回收效率高達94%以上。應用廢熱后，生成了8550kPa 的壓力和535℃的高溫水蒸氣，供應用戶使用。新華制藥公司生產(chǎn)和銷售藥品及化學制品，其廢氣排放中含有各種有機化合物。過去采用利用活性炭吸附的技術處理，但效率不高，回收率低，且不符合當?shù)胤ㄒ?guī)?，F(xiàn)在，隨著處理收集技術的不斷改進，我們使用廢氣處理設備，并不斷調(diào)整和優(yōu)化操作參數(shù)。當前，針對揮發(fā)性有機物，成功地實現(xiàn)了高達98%的降解率。隨著反應蒸餾再生設備的不斷改進，越來越多的國內(nèi)制藥企業(yè)和化工公司開始使用該設備。

4 RTO 裝置存在的主要問題

近年來，我國化學工業(yè)生產(chǎn)的廢氣排放量不斷增加，對環(huán)境污染問題造成了嚴重影響。為此，再生熱氧化裝置在化學工業(yè)領域得到了廣泛應用，以減少對環(huán)境的負面影響。廢氣處理系統(tǒng)是一項整體工程，必須從整體角度出發(fā)加強對各個環(huán)節(jié)的管理控制。但實際情況下，由于系統(tǒng)設計缺陷、材料選擇不當?shù)仍颍瑫蟠蠼档蛷U氣處理系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性能，引發(fā)安全事故事件。因此，在設計和運行過程中，需要加強對系統(tǒng)的監(jiān)測和維護，以確保廢氣處理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

4.1 廢氣采集系統(tǒng)的不合理

廢氣排放需要進行分類處理預備，否則，大量酸性氣體會對設備損耗嚴重。此外，燃燒后剩下的物質(zhì)會長期積聚在廢氣處理設備的熱媒底部區(qū)域，降低處理效率，甚至可能引發(fā)火災。

4.2 廢氣濃度及氧含量缺乏有效控制

一些化工企業(yè)經(jīng)常沒有處理廢氣凈化，導致管道中含有機物的廢氣濃度異常升高，從而引發(fā)溫度報警。假如溫度達到爆炸極限，廢氣將被排放到RTO 旁路排放系統(tǒng)，而且廢氣和尾氣混合有可能引發(fā)爆炸事故。另外，進氣流量不穩(wěn)定性較大也是導致運行不穩(wěn)定的重要因素。

4.3 RTO 裝置選材不當

在處理尾氣排放口、控制閥門或其他部件時，若選用不銹鋼材質(zhì)，會極易損壞導致氣體外泄，嚴重影響設備穩(wěn)定性；處理排煙管道、凈化塔等時，若選用塑料材料，也會極易磨損老化，大大提高了維修費用。

4.4 備熱體材料的使用壽命不高

現(xiàn)階段，我國陶瓷蜂窩的使用壽命較為有限，一般約半年便須更換。隨著廢氣排放的壓力不斷增強，陶瓷蜂窩在長期暴露于氣體腐蝕和熱循環(huán)環(huán)境中會受應力的影響，致使其抗熱性降低。除此之外，假如儲存熱量的介質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)氣體體積的變化，還會誘發(fā)陶瓷蜂窩的部分迅速升高溫度，引起大量的熱應力的作用，導致蜂窩陶瓷的結(jié)構(gòu)破裂。因此，目前急需解決的問題之一是研制出更具耐高溫、抗腐蝕性能的陶瓷蜂窩材料。

5 提升RTO 裝置運行穩(wěn)定性的措施

設計RTO 裝置的最重要任務是充分考慮整個系統(tǒng)的安全操作，包括安全輔助設備、測量和控制設備的設計等，以便有效保護該裝置的平穩(wěn)操作。在設計中應綜合考慮各種因素，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

5.1 廢氣采集系統(tǒng)優(yōu)化改進

一般情況下，化工廢氣中含有大量具有腐蝕性質(zhì)的氣體，需要注意防護。因此，這些廢氣一旦進入處理設備，就有可能損壞裝置并降低設備的運行效率，甚至影響設備的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。因此，在進行化工廢氣處理時，首要任務是將廢氣排出并進行處理。其次，對于那些有腐蝕性的廢氣，需要進行特別處理，應及時清除，以延長設備壽命并提高設備運行穩(wěn)定性。

5.2 加強對廢氣濃度及氧含量的控制

為加強廢氣控制，應對各種設備采取氮氣保護，以減少揮發(fā)廢氣。利用氣閥將廢棄氣體排放出去，降低其密度和氧含量。同時，優(yōu)化工廠廢棄氣體進入管道內(nèi)的氣流量和氣壓技巧，采用變頻器風機調(diào)節(jié)廢棄氣體的排放數(shù)量，以確保氣體的穩(wěn)定性。

5.3 合理選擇RTO 裝置材料

為了提高設備的可靠性和降低維護費用，采用具有抗老化性能的PPH 纏繞式旋流塔，爐膛出口的廢氣處理系統(tǒng)更換成抗腐蝕的2507 型不銹鋼，并采用雙相組織的2205 型不銹鋼材質(zhì)作為轉(zhuǎn)換和清洗的閥門，重新調(diào)整設備的材料，可以延長設備壽命，同時還能降低維護成本。

5.4 優(yōu)化陶瓷蓄熱體制備工藝

為解決儲熱用陶瓷材料壽命短暫的問題，可以通過壓制厚壁工件來加強結(jié)構(gòu)強度。同時，在制造陶瓷時，應減少助劑的使用量，混合不同粉料粒度，并選用耐高溫性和膨脹性優(yōu)異的材料來提高整體高溫耐性。應選用耐高溫性和膨脹性優(yōu)異的材料?？刹捎靡约t色柱狀石英為材料，替換常用的紫色晶石。經(jīng)過改良的燃燒裝置使熱量存儲容量增加了1.5 倍，換熱周期增加了120%，同時有效延長了熱儲體的使用壽命。

6 結(jié)語

近年來，工廠廢棄的氣體治理技術逐漸向技術上的現(xiàn)代化、標準化方面發(fā)展。高溫氧化技術已成為有機廢氣治理的重要趨勢。由于廢氣凈化設備在化工廠的廣泛推廣成功降低了揮發(fā)性有機物的廢氣的釋放，同時體現(xiàn)出了一定的社會效益和環(huán)保效益，對我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻。隨著化工生產(chǎn)企業(yè)廢氣的組成變得復雜，RTO裝置的穩(wěn)定運行能力會大大降低。因此，需要加快改善和優(yōu)化廢氣收集系統(tǒng)，加強對廢氣中污染物濃度和氧氣含量的調(diào)控，選擇合適的RTO 裝置材料，不斷優(yōu)化裝置的總體性能。同時，還要采用新型蓄熱體材料技術，不斷提升RTO 裝置的處理能力和熱量回收率，為企業(yè)降低成本和提高效益提供新途徑。為了符合環(huán)保排放標準，RTO 裝置的設計必須考慮未來環(huán)保排放標準的提高，并在設計時就預測客戶未來的需求，以便未來的排放標準提高后進行改造。