淺析蓄熱式熱力氧化技術(shù)處理揮發(fā)性有機(jī)廢氣

張建萍，項(xiàng) 菲

(浙江環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司，浙江 杭州 310007)

0 前言

人類的生產(chǎn)活動(dòng)是造成環(huán)境污染的主要原因，特別在工業(yè)化生產(chǎn)之后情況更為嚴(yán)重。在工業(yè)生產(chǎn)中，在生產(chǎn)所期望的產(chǎn)品的同時(shí)，常常伴隨著大量的廢棄物和殘留物。在空氣中的氣態(tài)有害物質(zhì)，有一部分為揮發(fā)性有機(jī)物(縮寫為VOC或VOCs)，主要來自溶劑生產(chǎn)或使用過程，涉及行業(yè)眾多。一個(gè)工業(yè)化國家每年排入大氣中的VOC數(shù)量達(dá)數(shù)百萬噸之多，因此，治理工業(yè)VOC 廢氣污染已成為當(dāng)前環(huán)境保護(hù)工作的一個(gè)重要組成部分。

1 VOC 概述

1.1 VOC 的定義和來源

VOC 通常是指在環(huán)境條件下容易蒸發(fā)或揮發(fā)的有機(jī)化合物，基于該類物質(zhì)高蒸氣壓或低沸點(diǎn)而容易揮發(fā)，如烴類、鹵代烴、氮烴、含氧烴、硫烴、脂肪烴、芳香烴等。由于目前大部分的有機(jī)溶劑均以揮發(fā)物的形式排放，因此常將有機(jī)溶劑和VOC 聯(lián)系在一起。目前VOC 尚無統(tǒng)一的定義，國內(nèi)外文獻(xiàn)的報(bào)道也不一致，但通常是根據(jù)其沸點(diǎn)和一定溫度下的蒸氣壓等參數(shù)來進(jìn)行分類限定的。如我國《煉油與石油化工工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB11/447-2007) 中對VOC 下的定義是：在20 ℃條件下，蒸汽壓大于或等于0.1 kPa，或者在特定條件下具有相應(yīng)揮發(fā)性的全部有機(jī)化合物的總稱。從廣義來講，任何液體或固體在常溫常壓下能自然揮發(fā)出的有機(jī)化合物均可屬于VOC。

VOC 種類繁多，來源廣泛，溶劑使用部門（涂裝、印刷、石油和化工行業(yè)）和交通運(yùn)輸部門(汽車、加油站等)所排放的VOC 占絕大部分。許多VOC 具有神經(jīng)毒性、腎臟和肝臟毒性，甚至具有致癌作用，能損害血液成分和心血管系統(tǒng)，引起胃腸道紊亂，誘發(fā)免疫系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)及造血系統(tǒng)疾病，造成代謝缺陷[1]。

1.2 VOC 廢氣處理現(xiàn)狀

由于VOC 的危險(xiǎn)性，許多國家頒布法令對VOC 的排放進(jìn)行了嚴(yán)格控制，規(guī)定了排放的界限值，而且越來越嚴(yán)格。歐美國家于20 世紀(jì)90 年代前后，對所有使用有機(jī)溶劑的地方都規(guī)定了排放要求；美國1990 年提高了廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，將工業(yè)生產(chǎn)中的189 種污染物列為有毒污染物，其中大部分為VOC；我國頒布的《大氣污染防治法》要求對工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的有毒氣體進(jìn)行凈化處理，對可燃性氣體要回收利用；在《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB16297-1996)規(guī)定了33 種揮發(fā)性有機(jī)物的排放標(biāo)準(zhǔn)；目前環(huán)保部正在制定石化等重點(diǎn)行業(yè)的VOC 排放標(biāo)準(zhǔn)。

解決VOC 的污染問題，從根本上講是要提倡不用或者少用有機(jī)溶劑，或者將溶劑回收再利用。由于在大多數(shù)情況下，VOC 往往是多組分的，很難回收，或者想要達(dá)到能再利用的純度，在經(jīng)濟(jì)上幾乎無法承受，因此在多數(shù)情況下，只好采用破壞方法，將VOC 轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)再排入大氣。因此對于企業(yè)來講，如何做到環(huán)保節(jié)能，經(jīng)濟(jì)合理已成為當(dāng)前有機(jī)廢氣凈化技術(shù)的發(fā)展方向。迄今為止，在工業(yè)上已獲得成功應(yīng)用的有機(jī)廢氣凈化方法主要有吸附法、冷卻法、吸收法、生物膜法、燃燒法等。

在有機(jī)廢氣凈化諸方法中，蓄熱燃燒法是目前一種很有發(fā)展前景的VOC 廢氣治理方法，其所用的裝置蓄熱式熱力氧化器“Regenerative Thermal Oxidizer”簡稱為“RTO”。在充分滿足燃燒過程的必要條件下，燃燒法可以使有害物質(zhì)達(dá)到完全燃燒氧化。RTO 由于過程的熱效率很高(>95%以上)，通常只需補(bǔ)充少量的輔助燃料，當(dāng)廢氣中有機(jī)物濃度達(dá)到一定值時(shí)即可實(shí)現(xiàn)自供熱操作。在歐美發(fā)達(dá)國家，RTO 已在整個(gè)VOC 廢氣凈化范圍內(nèi)起到主導(dǎo)地位[2-4]。

2 RTO 裝置的工作原理和系統(tǒng)組成

有機(jī)廢氣凈化的燃燒法是基于廢氣中有機(jī)化合物可以燃燒氧化的特性，將廢氣中可氧化的組分轉(zhuǎn)為無害物質(zhì)。RTO 的工作原理即將VOC廢氣經(jīng)預(yù)熱室吸熱升溫后，進(jìn)入燃燒室高溫焚燒，使有機(jī)物氧化成二氧化碳和水，再經(jīng)過另一個(gè)蓄熱室蓄存熱量后排放，蓄存的熱量用于預(yù)熱新進(jìn)入的有機(jī)廢氣，經(jīng)過周期性地改變氣流方向從而保持爐膛溫度的穩(wěn)定。

基本的RTO 系統(tǒng)由1 個(gè)公共燃燒室、2 臺或多臺蓄熱室、l 套換向裝置和相配套的控制系統(tǒng)組成。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，典型的RTO 裝置可分為以下幾種。

2.1 兩室RTO

兩室RTO 裝置主要由兩臺蓄熱室和頂部相連通的燃燒室組成，其中蓄熱室內(nèi)部通常采用具有良好耐高溫性能的陶瓷材料作為蓄熱體。燃燒室設(shè)有輔助燃燒器，可用油或天然氣作為燃料。輔助燃燒器的作用主要為了在開車時(shí)將蓄熱體加熱到一定溫度，或當(dāng)廢氣中可燃物的濃度較低時(shí)，需要補(bǔ)充燃料來維持燃燒室所要求達(dá)到的反應(yīng)溫度。蓄熱室和燃燒室均砌有耐火磚，并用陶瓷纖維保溫，使燃燒室保持均勻的溫度分布。兩室RTO 典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 兩室RTO 的典型結(jié)構(gòu)

兩室RTO 的操作過程如下：在開車時(shí)先用新鮮空氣代替VOC，借燃燒器將蓄熱室加熱到一定溫度。正常操作時(shí)，風(fēng)機(jī)將VOC 氣體送入進(jìn)氣管，經(jīng)進(jìn)口處的氣體切換閥通過填滿陶瓷填料的蓄熱體A，蓄熱體A 在前一個(gè)循環(huán)中儲(chǔ)存了熱量，VOC 經(jīng)底部通過蓄熱體床層時(shí)，熱量從填料中被吸收出來，而蓄熱體A 同時(shí)逐漸被冷卻。預(yù)熱后的廢氣進(jìn)入頂部燃燒室，在燃燒室中VOC 被氧化后，作為高溫凈化氣進(jìn)入蓄熱體B，此時(shí)凈化氣中夾帶的熱量被蓄熱體B 中的陶瓷填料吸收并儲(chǔ)存起來，蓄熱體B 床層逐漸被加熱，而凈化氣則被冷卻排出。在下一個(gè)循環(huán)中氣流逆轉(zhuǎn)，VOC 氣體首先進(jìn)入已被加熱過的蓄熱體B 進(jìn)行預(yù)熱，再依次進(jìn)入燃燒室氧化，在另一個(gè)蓄熱體A 填料床釋放熱，最后排出RTO 系統(tǒng)。

這個(gè)過程不斷循環(huán)操作，每個(gè)蓄熱填料床都是在輸入廢氣與排出凈化氣的模式間交替轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)廢氣的凈化和熱量的充分利用。典型的循環(huán)時(shí)間(即切換時(shí)間)大約為30～120 s。

二室RTO 是實(shí)現(xiàn)蓄熱式熱量回收的最基本結(jié)構(gòu)，熱量回收率超過95%。在換向以后穩(wěn)定作業(yè)結(jié)算，廢氣中VOC 的凈化率可達(dá)99%以上。但采用二室RTO 也有一定缺點(diǎn)：在切換氣流流動(dòng)方向的時(shí)候，留在蓄熱體和管道中部分未經(jīng)處理的VOC 會(huì)與凈化氣一起排入大氣；其次入口閥和出口閥在極短時(shí)間內(nèi)同時(shí)啟動(dòng)，有可能造成進(jìn)入的VOC 直接走短路而與凈化氣一起排出?；谝陨显颍b置出口排氣有可能出現(xiàn)瞬間不合格的峰值。目前應(yīng)用二室RTO 比較普遍，一方面是由于廢氣中VOC 濃度較低，經(jīng)凈化處理后尾氣可達(dá)標(biāo)，另一方面是有些設(shè)備采用了新型、快速的切換閥，其換向動(dòng)作時(shí)間小于0.5 s。

2.2 三室和多室RTO

若VOC 廢氣的凈化率要求很高，則可采用兩種方法：一種是延長循環(huán)時(shí)間的操作時(shí)間，但這樣會(huì)使熱效率降低；另一種常用的方法是增加一個(gè)蓄熱室用于吹掃系統(tǒng)，即采用三室RTO 裝置。其裝置典型結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 三室RTO 的典型結(jié)構(gòu)

三室RTO 的操作原理是在一個(gè)蓄熱室進(jìn)氣、一個(gè)蓄熱室排氣的同時(shí)，一個(gè)蓄熱室處于吹掃狀態(tài)。在一個(gè)循環(huán)后，廢氣始終進(jìn)入到在上一循環(huán)時(shí)排出凈化氣的蓄熱室，而原來進(jìn)入廢氣的蓄熱室則用凈化氣或空氣沖洗。蓄熱室在進(jìn)氣以后用于排氣之前均可得到吹掃，從而解決了二室RTO換向時(shí)VOC 直接排放問題，提高了VOC 的平均破壞去除率。

三室RTO 可用于小到中等的廢氣流量，一般當(dāng)廢氣量大于60000 Nm3/h 時(shí)，為保證氣流的均勻分布和傳熱效率，應(yīng)過渡到五室RTO，即兩個(gè)三室并聯(lián)加上一個(gè)沖洗室。同樣，當(dāng)處理量更大時(shí)，可用七室，以此類推。

3 RTO 的特點(diǎn)

RTO 宜用于處理2～8 g/m3濃度的有機(jī)廢氣，對于低熱值氣體(如乙酸乙酯等)濃度可達(dá)12 g/m3，特別適用于難分解組分的焚化，且凈化率較高(一般三室>99%，兩室95%～98%)。其次，RTO 可以適應(yīng)廢氣中VOC 的組成和濃度的變化波動(dòng)，且對廢氣中夾帶少量灰塵、固體顆粒不敏感。相對于其他處理技術(shù)（例如換熱式熱氧化)，RTO 的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于熱回收率高，高的熱回收率使補(bǔ)充燃料的使用量顯著減少，從而節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。尤其是處理量大、有機(jī)物含量低的工業(yè)氣體，效果更加顯著。

4 國內(nèi)RTO 應(yīng)用現(xiàn)狀

RTO 在1998 年前在我國尚未見應(yīng)用。國內(nèi)對于低濃度VOC 廢氣的處理，大都采用落后的熱力焚燒裝置，由于處理費(fèi)用偏高，少數(shù)企業(yè)甚至將未經(jīng)處理的VOC 直接排放。近年來，隨著國外先進(jìn)廢氣處理技術(shù)的引進(jìn)和研究，RTO 已在一些領(lǐng)域有所應(yīng)用。國內(nèi)一些汽車制造商引進(jìn)的車身油漆線和集裝箱涂裝生產(chǎn)線烘干工藝中均應(yīng)用了RTO 技術(shù)，獲得了良好的凈化效果[5-7]；采用RTO 技術(shù)替代傳統(tǒng)的直接燃燒排放法用于處理膠粘劑涂布中產(chǎn)生的VOC 廢氣可達(dá)到節(jié)能、凈化環(huán)境等目的[8]；一些大型化工企業(yè)已嘗試將RTO 應(yīng)用于化工有機(jī)廢氣的治理，以處理順酐裝置尾氣為例，三室RTO 裝置對于VOC 凈化率達(dá)99.9%，熱效率為99.5%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了余熱回收利用和尾氣達(dá)標(biāo)排放的要求[9]；廈門翔鷺石化采用RTO 系統(tǒng)用于處理PTA 裝置高壓洗滌塔的尾氣，膨脹機(jī)能量回收后，換熱效率可達(dá)95%，節(jié)省了大量的燃料，且不用昂貴的催化劑，運(yùn)行費(fèi)用較低[10]。國內(nèi)研究人員在現(xiàn)有RTO 系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，北京科技大學(xué)自主研發(fā)了多蓄熱室旋轉(zhuǎn)換向蓄熱式有機(jī)廢氣焚燒爐系統(tǒng)，并成功用于研磨帶涂布生產(chǎn)過程產(chǎn)生的有機(jī)廢氣的處理。該系統(tǒng)各個(gè)蓄熱室不是同時(shí)換向，減少了換向時(shí)爐膛內(nèi)壓力波動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn)RTO系統(tǒng)小型化[11]。另外RTO 技術(shù)在醫(yī)化企業(yè)有機(jī)廢氣治理中也進(jìn)行了一定推廣，但由于行業(yè)特點(diǎn)決定其產(chǎn)生的廢氣量和VOC 濃度的不穩(wěn)定，裝置運(yùn)行管理難度較大，還不能從根本上解決廢氣污染問題，需要進(jìn)一步的探索優(yōu)化。

5 結(jié)論

蓄熱式熱氧化處理技術(shù)相對于傳統(tǒng)的焚燒處理技術(shù)有明顯的優(yōu)勢，該技術(shù)在國外已經(jīng)很成熟，而在國內(nèi)的研究應(yīng)用尚處于起步階段，特別是提高VOC 破壞去除效率、擴(kuò)大適用范圍和降低運(yùn)行費(fèi)用等方面還有待探索。從綠色環(huán)保角度出發(fā)，以資源化循環(huán)利用為目的的RTO 技術(shù)將是VOC 處理技術(shù)發(fā)展趨勢之一。在當(dāng)前能源價(jià)格飆升的背景下，組織力量研究開發(fā)并推廣使用該項(xiàng)技術(shù)，不僅能夠節(jié)約能源和減少環(huán)境污染，還可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的杜會(huì)效益。

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