蓄熱式氧化爐(RTO)設計優化的探討

李富盛（北京長征天民高科技有限公司，北京100076）

0 引言

揮發性有機化合物VOC(volatileorganiccompounds)是大氣污染物的重要組成部分。目前，國內外VOCs 常用的治理方法主要有活性炭變壓吸附法、光催化氧化、溶液吸收法、高溫氧化法等。其中,高溫氧化法處理VOC 廢氣的效率最高，也被普遍采用。蓄熱式氧化爐(RTO),是目前國內外比較流行的VOC 廢氣高溫氧化治理設備。主流的RTO 產品是三廂式塔式RTO。三廂式塔式RTO 爐可以兼顧到處理效率和經濟性要求。主流的三室式RTO適宜凈化VOCs的廢氣量為10000～30000m3/h[1-4]。

蓄熱式氧化爐的工作原理是：先將廢氣經過蓄熱體預熱到一定的溫度，然后在在燃燒室將廢氣的有機物分子氧化燃燒成二氧化碳和水。氧化燃燒產生的高溫氣體再流經蓄熱體，使蓄熱體升溫，此“蓄熱的熱量”用于預熱新進入爐膛的廢氣。蓄熱體的進出氣不斷的被換向閥切換，形成周而復始的連續工作[5-6]。

1 RTO低氮環保技術

分析目前國內外學者對低氮技術的研究，能用于RTO上控制NOX排放的技術可分為兩類：一類是在燃燒過程中控制有害NOX的生成。第二類，是燃燒后控制有害NOX排放技術。

第一類方法，在燃燒過程中控制有害NOX的生成技術。目前國內外大量推廣在燃燒過程的控制氮排放的技術主要可以分為低NOX燃燒器技術與過量空氣燃燒技術兩種。

從NOX的生成機理上來說大部分的NOX是在燃燒過程生成的。技術人員通過改變燃燒器的結構來改變燃燒的條件（通常是改變燃燒區的溫度條件）與燃燒過程中的燃料的供應，達到控制NOX生成的目的。研究者根據燃燒工況對NOX排放的影響與NOX的生成機理，從“燃氣分級，空氣分級，形成明顯的燃燒區域，形成煙氣回流”等幾個方面對燃燒器進行了改進，降低了NOX的排放。重油型燃燒器常采用分段燃燒技術，而氣體型燃燒器常采用預混貧燃技術。兩者相比后者預混貧燃技術生成的NOX更少[7-11]。在低氮燃燒器的使用過程中，不同的燃燒脫氮技術的特點不同相應的燃燒器的布置位置也不同。

另一類方法燃燒尾氣脫氮脫硝技術這類技術可分為濕法脫氮與干法脫氮兩種。

干法脫氮技術是將廢氣中的NOX還原成N2或者轉化為硝酸鹽再進行回收利用的方法。目前，國內外干法脫氮的技術主要有選擇性催化還原法SCR 技術與非催化還原法SNCR 技術。SCR技術的原理是使用了催化劑降低了氧化還原反應的溫度，其還原后的N2無污染，處理效果也較好。SCR技術最常用的催化劑是V2O5,MnO2。SCR技術催化劑的選擇，需要分析氣體中的雜質使催化劑中毒的原因并合理考慮。目前，更為高效耐用的催化劑正在被世界各國所研究探索。SNCR技術的原理是在無催化劑的情況下將還原劑直接噴人爐膛，使廢氣中氮化物分解成N2 與H2O。SNCR 技術的優點是投資較小。但其缺點是耗氨量大，效率不高。

濕法脫氮技術，是先將氮化物轉化為N02,再用堿性溶液吸收N02的方法。一般用于吸收N02的設備是填料吸收塔。濕法脫氮的工藝與設備都較為簡單，運行費用也較低，無二次污染。根據對NOX的處理方式不同，可將濕法分為氧化吸收法和絡合吸收法兩大類此法[12-15]。

將以上兩類技術綜合應用于RTO 系統的設計中能有效降低氮排放，達到節能減排的目的。

2 RTO燃燒與節能技術的優化

目前RTO基本已實現的全自動化運行，因此RTO的節能主要體現在燃燒技術與燃燒尾氣熱能的回收利用技術。下面從五個方面給出一些優化燃燒與節能的措施。

2.1 采用新型高效節能燃燒器，提高燃燒效率

學者根據燃燒器的結構與性能，將先進的旋流二次霧化技術，獨特的分級送風技術與先進的自動控制技術有機的結合起來，改進了燃燒器的燃燒性能，實現了完全燃燒[16-17]。

2.2 催化燃燒技術在RTO上的引用

設計新型爐型將蓄熱式氧化技術與催化燃燒技術相結合，使其既具有RTO爐蓄熱節能的優點又具有CO爐低溫催化燃燒的優點，能使RTO 達到節能減排效果。具體的措施：在蓄熱廂的頂層設計催化劑放置平臺并根據廢氣種類配置合適的催化劑，讓經過蓄熱體預熱的廢氣通過催化劑層，形成有機廢氣的預處理過程，這樣有機廢氣先催化燃燒，后在燃燒室燃燒，形成廢氣的兩次燃燒。催化燃燒不僅能夠在一定程度上凈化廢氣，而且燃燒熱可以升高廢氣的溫度（一般情況下能夠提供有機廢氣溫度15～30℃），在一定程度上有利于節省燃料[17]。

2.3 合理設計爐子供氣量

從燃燒學的角度講,要想提高RTO 燃燒的效率，就要在燃燒時給RTO 爐燃燒室提供合理的供氣量。供氣量的不足不僅不會充分燃燒，而且會生產大量的一氧化碳；當氧氣量過量時，則會使更多的熱能隨著熱空氣流失掉，提供了熱損失。根據燃燒爐的使用經驗來看，廢氣中的可燃有機物濃度控制在爆炸下限（LEL）25%的情況下，匹配合理的空氣量，不但能夠節省燃料，又能使可燃物充分的燃燒，凈化尾氣減小污染物的排放[18]。

2.4 選擇合適的燃燒溫度

合理選擇爐溫是RTO 優化的一個重要方面。研究表明溫度是RTO 的轉化率的決定因素之一。適當的提高爐溫能夠使得氧燃燒反應更加完全，更節能。但是，過高的爐溫會增加更多的熱損失，縮短爐子的使用壽命周期，從而提高了爐子的成本。此外，較高的爐溫還會多消耗燃料，同時使得廢氣凈化效果下降,影響廢氣的達標排放。學者研究表明，在大于760℃的溫度下，大部分的有機氣體分子能被完全破壞，反應更加的充分，氧化生成水和二氧化碳[19-20]。設計者應該根據不同的廢氣種類，選擇合適的爐溫。

2.5 爐膛空間的設計優化

除了燃燒溫度與廢氣的濃度影響之外，廢氣在RTO燃燒室的停留時間也是影響RTO 轉換效率的一個因素。這是因為有機物的完全氧化燃燒過程需要一定的時間，合理的設計爐膛空間可以使得有機廢氣在爐膛里有較為合理的停留時間。合理的停留時間，取決于爐膛的截面積，長度，氣體的流動速度等因素。根據經驗值廢氣在爐膛內停留1.0～1.3s 可滿足廢氣的排放標準。

3 RTO蓄熱體的優化設計

蓄熱體是RTO進行能量回收的熱載體，蓄熱體的性能好壞是RTO 能耗的決定性因素。蓄熱體的截面積和堆積高度是蓄熱廂設計最重要的兩個結構參數。蓄熱體的結構和性能參數還包括蓄熱體的形狀、當量直徑、比表面積、阻力系數、結構強度、堆積穩定性、耐熱沖擊性、透熱深度、蓄熱能力和傳熱性能和流動阻力特性等。目前，MLM-180,40X40孔蜂窩陶瓷蓄熱體與Lantecomb-H 蓄熱體被廣泛應用，因為與其他類型的蓄熱體相比，它們具有較有較高的傳熱效率[21]，

蓄熱體主要存在以下的常見問題：蓄熱體的使用壽命較短，蜂窩孔的堵塞，蜂窩蓄熱體粘渣，孔壁熔蝕，通孔破裂，蓄熱體崩塌與錯位等問題。蓄熱體損壞的影響因素主要有:蓄熱體的材料的物理性能,蜂窩蓄熱體的使用條件，蓄熱體的結構設計與制備工藝[23-24]。

以為下面就針對RTO蓄熱體使用過程中的一些問題，列出了一些優化設計的措施：

（1）蓄熱體的選材問題。選擇蓄熱陶瓷的材料時除了考慮材料的導熱性、對流傳熱性能、膨脹性能以外，還應該考慮不同材質的耐熱溫度的不同。根據廢氣燃燒溫度和蓄熱體的耐熱溫度合理的選擇蓄熱體，避免選擇軟化溫度比燃燒問題低陶瓷材料，并且預留一定的溫度設計余量。防止選材不當，使蓄熱廂的高溫端出現高溫熱融變形與塌陷毀壞的問題。

（2）合理設計蓄熱體的布置方案。設計陶瓷蓄熱體的布置方案應盡可能的排列整齊，避免出現陶瓷蓄熱體的錯位排列，造成燃燒中的蓄熱體局部高溫受熱不均勻與高溫受熱下沉受阻，從而造成局部受力過大而引起蜂窩體的損毀，坍塌堵塞通道。

（3）蓄熱體的固定支撐設計。在蓄熱體的安裝底盤上使用耐高溫金屬定位支架來固定蓄熱體，可以防止在高溫條件下長時間的氣體熱沖擊對蓄熱體的微觀結構產生影響導致蓄熱體的熱震損毀，阻塞氣體流動的通道或者在蓄熱室形成空洞，降低蓄熱室的傳熱效果與節能的效率。

（4）合理的布置燃燒器的位置。設計師應該盡可能的采用縮短燃燒火焰的長度的燃燒器。合理布置燃燒器的位置，防止燃燒器火焰的高溫區氣體火焰直接噴入蓄熱體上產生較多的熱輻射，燒毀蓄熱體。蓄熱廂的上層蓄熱陶瓷最容易被燒毀，燒毀時應及時更換，防止坍塌。

（5）選擇結構合理、質量可靠的燃燒器。防止選擇的燃燒器結構不合理或質量不佳，在RTO運行時出現不完全燃燒的廢氣進入蓄熱體進行二次燃燒，進而縮短蓄熱體的使用時間。

（6）保障爐體平穩運行，控制爐溫穩定在一定范圍內。在進氣管道上安裝濃度在線檢測系統嚴格控制廢氣的進氣濃度，防止高濃度的廢氣進入燃燒室引起爐溫急劇升高，燒毀蓄熱體。

4 結語

文章介紹了蓄熱式熱氧化爐(RTO)的原理，從設計的角度探討了RTO的低氮環保技術、高效燃效與節能技術、蓄熱體，廢氣管道的設計優化問題，就RTO應用中常見的問題給出了一些設計建議供RTO 的工作人員參考。蓄熱式熱氧化技術是目前國內外比較成熟可靠的處理有機廢氣的技術，以RTO的蓄熱燃燒技術為基礎不斷的進行科技創新、優化是未來治理有機廢氣的發展趨勢。