RTO催化燃燒設備|RTO蓄熱式氧化爐|應用調研分析研究
摘要：通過調研RTO(蓄熱式熱氧化爐)裝置處理VOCs(揮發性有機物)的應用實例,對比分析了VOCs處理效果及存在問題,結合RTO處理VOCs原理及相關規範,指出採用RTO方法的優點及需要完善改進之處,為RTO裝置的建設和運營提供指導意見.在一定VOCs濃度區間範圍內,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濟性要求,現有主流三室式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 ，在未來相當長的時期內，VOCs肯定是監管和處理重點。VOCs主要來源於溶劑的產生和使用部門，還有化工和醫藥生產、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、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，誘發免疫系統疾病、內分泌系統及造血系統疾病。同時，VOCs也是參與大氣光化學反應過程的重要汙染物之一，是形成光化學煙霧和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VOCs廢氣產生特點及經濟性，RTO(蓄熱室氧化器)技術具有淨化效率高、汙染物分解徹底、換熱效率高、節能、阻力低、風機裝機功率小等優點 ，對處理VOCs有著較廣泛的應用前景。
1 RTO技術淺析
RTO(蓄熱式熱氧化爐)與傳統的催化燃燒、直燃式熱氧化爐相比，具有熱效率高(大於等於90％)、運行成本低、能處理大風量低濃度(相對於廢氣排放而言)。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去除率可達到98％以上。
1.1 RTO原理
兩室RTO沒有吹掃工序，在進行閥門切換時，部分VOCs廢氣沒有經過處理直接排放，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，為保證廢氣進氣的均勻性，增加了同時進氣和出氣的蓄熱室數量。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主體結構由燃燒室、三個陶瓷填料床和六個切換閥組成，當有機廢氣進入陶瓷床1後，陶瓷床1放熱，有機廢氣被加熱到一定溫度後進人燃燒室燃燒，同時產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冷卻後，經過切換閥門排放，填料床3進行吹掃，以保證原進人填料床3而未反應的廢氣進入燃燒室燃燒，而不是直接排放；經過一段時間後，閥門切換，廢氣從填料床2進入，填料床2放熱，填料床3蓄熱，填料床1進行吹掃；然後在填料床3進氣，填料床1蓄熱，填料床2進行吹掃；這樣周期性地切換，就可連續處理有機廢氣。其工作原理示意圖見圖1。
1.2 RTO安全預處理措施
由於RTO裝置常採用明火進行工作，容易產生爆炸事故，是使用RTO裝置比較關心的問題。
廢氣的安全預處理措施主要包括：
(1)濃度控制：為安全起見，防止爆炸或火災，廢氣中VOCs的濃度通常應控制在25％LEL(爆炸濃度下限)以下；
(2)回火控制：為防止回火，在設計管道尺寸時應使廢氣的最低流速始終大於回火速度，而且選取適當的安全係數；
(3)安全措施：可以採取設置文丘裡阻火器、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：設置爆炸或回火報警儀及安全聯鎖控制系統。
1.3 RTO裝置的優缺點
RTO裝置經過多年的運行及改進發展，表現出一定的優缺點。
其優點主要有：
(1)幾乎可以處理所有含有機化合物的廢氣，可以處理風量大、濃度低(相對於直燃焚燒爐)的有機廢氣；
(2)可以適應廢氣中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)在所有熱力燃燒淨化法中熱效率最高(>90％)；
(5)在合適的廢氣濃度條件下無需添加輔助燃燒而實現自供熱操作；
(6)淨化效率高(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裝置系統總壓力損失一般<3 000 pa，隨所用蓄熱體的結構類型、氣體速度而變)，裝置使用壽命長。
主要缺點有：
(1)裝置重量大(因為採用陶瓷蓄熱體)、容積大；
(2)要求儘可能連續操作；
(3)投資費用相對較高；(
4)對於大風量、低濃度廢氣而言，運行費用仍然偏高；
(5)存在一定的火災爆炸風險，國產儀表質量不過關，國外品牌價格貴。
1.4 RTO運行中出現的問題
根據RTO調研情況，處置含石油醚廢氣的RTO裝置和處置含異丙醚廢氣的RTO裝置發生過多次爆炸事故，雖然處理濃度明顯低於爆炸下限。經分析，石油醚和異丙醚具有閃點低、揮發性強的特點，因此RTO處理VOCs廢氣，須關注低閃點物質(石油醚、異丙醚、乙醚、環已烷等)；建議低閃點VOCs不進入RTO處理裝置，單獨採用碳纖維吸附方式處理。
根據調研分析，目前RTO裝置運行控制參數比較單一。目前主要監控的運行參數為燃燒室溫度，進氣VOCs濃度在線監測儀器反饋的數據不準確，從而不能預先確定助燃燃料的助燃量，這就造成燃燒室溫度出現波動。在VOCs濃度過高時出現燃燒室溫度過高現象，可能會造成蓄熱體的破壞，降低RTO裝置的使用壽命。目前RTO國產儀表質量不過關，大多不能夠滿足運行管理要求。
採用RT0裝置處理VOCs廢氣單位多為危化品生產或使用企業，使用過程中特別擔心出現爆炸。由於RTO裝置的運行研究、設計規範和在線監控數據比較欠缺，出於安全考慮，目前RTO裝置運行企業對接入VOCs廢氣的類別及濃度比較保守。
1.5 RTO運行經驗參數
根據RTO裝置運行情況調研情況及相關資料，三室式RTO裝置可以兼顧到處理效率和經濟性要求；目前，一般設計廢氣處理風量為10 000～30 000m3／h時，佔地面積、設計、材料要求、設備安裝、運行控制等方面比較適用，特別小風量和大風量都不適合採用三室式RTO。
之間，助燃燃料為天然氣或柴油或廢溶劑。要求進入RTO裝置的VOCs廢氣濃度在1 000—8 000 mg／m3才具有明顯的經濟可行性；據相關資料分析，VOCs濃度達到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裝置的正常穩定運行，必須對收集VOCs的收集系統進行密閉、合理、系統化設計，進而保證綜合進人RTO裝置的VOCs廢氣濃度在合適的範圍內。
RTO裝置設計燃燒室溫度在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去除率可達到99％ 以上。RTO整個系統的壓力損失一般小於3 000 Pa。
2 RTO應用案例分析
目前VOCs廢氣主要採用噴淋、活性炭吸附技術進行末端治理，但隨著RTO技術的發展和國產設備的成熟，採用RTO處理VOCs廢氣越來越受到青睞，這主要是RTO具有應用廣泛性、分解徹底性、去除效率高、經濟可接受性強等優勢。
2.1 RTO裝置運行數據調研
為了解RTO裝置實際運行效果及VOCs去除率，對不同企業的RTO裝置竣工環保驗收監測數據進行了收集。調研的4家企業RTO裝置數據見表1。
目前RTO裝置較多應用化工製藥行業，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裝置數據分析
首先，對VOCs綜合廢氣去除情況進行分析，對調研4家企業的VOCs廢氣進行加和統計，並按RTO裝置進口VOCs濃度從低到高進行排序，分析RTO裝置進口濃度變化時VOCs的去除率，數據分析情況如圖2所示。
從圖2中可以看出，隨著RTO裝置進口VOCs濃度的升高，VOCs去除率逐步升高，進口濃度到達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越性。
根據蕭琦、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，可能是由於高濃度下焚燒爐內溫度場更均勻所致。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，說明裝置出口未經處理的VOC可能主要是由換向閥門處的洩露導致。該研究RTO裝置的VOCs範圍為2 000～6 000 mg/m3，閥門洩露量為總流量的2.24％ 。實際調研為三室RTO，根據設計方案閥門漏風量在1％ 以下，故理論VOCs去除率可接近99％ ；從漏風率方面考慮，調研RTO去除率高於蕭琦、姜澤毅等研究RTO裝置的VOCs去除率。
2.3 RTO應用小結
根據RTO實際運行數據及相關資料分析，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點，但同時也有一定的限制約束條件。從安全性、經濟性和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，經濟性降低；濃度過高，超出RTO設計溫度，容易破壞蓄熱體，甚至出現火災事故。
3 結語
(1)根據調研RTO裝置對VOCs的去除數據分析，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越性，可保證VOCs的絕對排放量控制在一定的範圍內，杜絕稀釋排放現象。
(2)隨著RTO裝置進口VOCs濃度的適度升高，VOCs的去除率逐步提高，進口濃度到達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。
(3)三室式RTO裝置可以兼顧到處理效率和經濟性要求，若設計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不進人RTO裝置，RTO是一種非常可靠適用的VOCs廢氣處理方法。