RTO裝置中的余熱鍋爐安全分析

汪雙敏* 王烈高 朱珊珊

（黃山市特種設備監督檢驗中心）

0 前言

由于生態環境保護被日漸重視，活性碳吸附已不能滿足日益提高的標準要求，蓄熱式氧化器（RTO）裝置應運而生。RTO 是一種在高溫下氧化去除揮發性有機化合物（VOCs），并回收熱量的設備，其能有效去除生產工藝過程中產生的揮發性有機溶劑和惡臭，使排放的氣體符合環保標準。其所采用的熱交換技術和蜂窩陶瓷蓄熱原料，可以利用氧化過程中產生的熱量對工藝過程供熱，達到節約生產成本的目的。目前RTO 裝置的余熱回收利用方式主要包括熱風、熱水、蒸汽和導熱油等，本文對余熱回收鍋爐系統進行了簡要介紹和過程安全分析。

1 工藝介紹

蓄熱式氧化器的原理是通過天然氣等燃料燃燒為焚燒爐爐膛提供熱量，在高溫下將廢氣中的VOCs氧化成二氧化碳和水，從而凈化廢氣，并回收廢氣分解時釋放的熱量。由于陶瓷蓄熱體具有良好的蓄熱性，氧化后產生的高溫煙氣通過陶瓷蓄熱體時，熱量被蓄熱體“貯存”起來用于預熱新進入的有機廢氣，從而節省廢氣預熱、升溫過程所需的燃料降低運行成本。通過周期性地改變氣流方向來保持焚燒爐爐膛溫度的穩定，在滿足處理 VOCs 廢氣溫度的同時，余熱可通過換熱器、鍋爐等形式回收用于生產工藝的用熱，從而實現設備煙氣排放余熱回收利用的目的。

目前國內常用的RTO 裝置是三室式及旋轉式，而且大部分以前安裝的兩室式及三室式設備已經開始更新換代，旋轉式成為新的主流[1]。本文以旋轉式蓄熱氧化器裝置為例進行介紹。

2 余熱回收系統

2.1 熱水系統

在RTO 高溫旁通閥后端配置熱水管式換熱器和一套水路內循環系統，將多余熱量置換為熱水儲存在熱水箱；再通過一套水路外循環系統，將熱水輸送到用熱設備。用熱設備包括熱風換熱器、工業洗滌用熱水、及生活用水等，還可以與中央空調連接，降低空調熱負荷，用于車間供暖。

2.2 蒸汽系統

通過在RTO 后端配置余熱蒸汽鍋爐，可將多余熱量轉換為高壓蒸汽，與用戶原有的蒸汽鍋爐或者市政蒸汽管路并聯，再輸送到相應的用熱設備（如圖1所示）。帶有備用蒸汽熱源的蒸汽供熱系統，廢氣余熱滿足車間用熱時，備用蒸汽熱源關閉；當廢氣余熱不能滿足車間用熱時，用備用蒸汽熱源補給熱量，用熱設備開機速度快、用汽靈活，開機時間不受RTO啟爐限制。不帶有備用蒸汽熱源的蒸汽供熱系統，廢氣余熱無法滿足車間用熱時，RTO 燃燒器來補給熱量，用熱設備開機時間受RTO 啟爐時間限制。

圖1 RTO裝置的余熱蒸汽鍋爐系統

2.3 導熱油系統

在RTO 后端配置導熱油余熱鍋爐，將余熱轉換為高溫導熱油。若用戶設有備用熱源的導熱油供熱系統，包含一臺導熱油鍋爐和余熱鍋爐，以及油槽、油泵、管路等，余熱鍋爐與廠家原有導熱油鍋爐可采用串聯形式連接。當廢氣余熱可滿足車間用熱時，導熱油鍋爐停爐；當廢氣余熱不能滿足車間用熱時，導熱油鍋爐啟動給導熱油補熱。若用戶未設有備用熱源的導熱油供熱系統，當廢氣余熱夠車間用熱時，余熱鍋爐直接給車間供熱；當廢氣余熱不夠車間用熱時，RTO 燃燒器啟動直接給余熱鍋爐補熱。

3 RTO裝置的主要安全風險

3.1 可燃氣體泄漏

RTO 裝置需要天然氣對廢氣和陶瓷蓄熱體進行加熱，其集成了燃料氣管線、助燃空氣管線、尾氣進料管線、處理后尾氣出料管線、三段式切換閥組、點火裝置等原件，結構相對復雜。如果其中的某一個或幾個原件出現故障，就可能導致可燃氣體聚集，甚至引發爆炸[2]。

3.2 尾氣濃度過高

在生產過程中，由于受各種因素的影響，往往會出現生產波動，導致尾氣中的有機揮發組分過多，甚至超過爆炸下限。如果高濃度的尾氣進入裝置會與空氣形成爆炸性環境，遇到爐膛明火將會導致爆炸。

3.3 余熱回收系統失控

為了節約生產成本，大多數RTO 裝置都會配備余熱回收裝置。以蒸汽或導熱油為介質的回收裝置則一般以余熱鍋爐為主。鍋爐為特種設備，其運行安全應當與RTO 焚燒系統相關聯，并應確保鍋爐在發生爆管、超溫、超壓等安全故障時能夠及時阻斷加熱系統，防止發生更大的事故。

4 余熱鍋爐的安全裝置與聯鎖控制

4.1 鍋爐與焚燒爐的安全聯鎖控制

RTO 裝置中的焚燒爐由燃氣燃燒器提供初始熱源，且在爐內溫度不能滿足處理VOCs 的要求時會持續開啟提供熱量。余熱鍋爐在發生缺水、超溫、超壓、低流量甚至泄漏爆管等嚴重事故時，必須及時切斷加熱裝置并發出警報[3]。這就要求余熱鍋爐的液位計、溫度傳感器、壓力傳感器、流量計等安全附件與焚燒爐燃燒器進行聯鎖，一旦產生事故信號，應立即關閉燃氣進料閥門切斷燃燒實現安全停爐（如圖2所示）。

圖2 RTO裝置余熱鍋爐聯鎖控制系統

4.2 高濃度廢氣進料的安全保護措施

如果工藝生產中出現了高濃度的廢氣進料，RTO焚燒爐無法進行全部處理，殘余的廢氣一旦積聚在余熱鍋爐爐膛內，遇到點火源就會發生爆炸。為了防止這種情況發生，可以在煙氣進口管線上安裝可燃氣體檢測儀來檢測煙氣的濃度。如果煙氣的濃度超過了爆炸下限，應該及時切斷進余熱鍋爐的煙氣，并且將尾氣切換至另外一個緊急安全出口[4]。

4.3 鍋爐與RTO煙氣閥門的聯鎖控制

RTO 裝置配備的余熱鍋爐都是用普通碳鋼制造的，在鍋爐運行過程中，不可避免地會與廢氣中的腐蝕性成分產生化學反應，從而腐蝕鍋爐承壓部件。這種腐蝕現象主要包括煙氣對鍋爐受熱面管壁的高溫腐蝕和對鍋爐尾部受熱面的低溫腐蝕。為了防止這種情況發生，可在鍋爐水（介質）進出口及煙氣進出口處設置測溫和測壓點，煙氣進口處設置煙氣流量檢測點，鍋爐水（介質）進口處設置流量檢測點。根據鍋爐水（介質）溫度、壓力、流量的變化與RTO 裝置中的煙氣閥門相聯鎖，控制鍋爐水（介質）循環的流速及煙氣通入量的大小，進一步地控制介質溫度，合理避開煙氣的高溫腐蝕及低溫腐蝕。

5 余熱鍋爐檢驗中的問題及解決辦法

在對RTO 裝置余熱鍋爐進行檢驗的過程中，發現了一些值得注意和改進的問題。

5.1 RTO裝置與鍋爐負荷不匹配

RTO 裝置是為了解決工業生產中產生的大量VOCs，其首要目標是保證焚燒爐內的氧化溫度穩定，再把多余的熱量供給余熱鍋爐。一旦企業產量降低，供給RTO 裝置的VOCs 量減少，造成焚燒爐溫度下降，為了維持焚燒爐的氧化溫度穩定，勢必會減少煙氣余熱供給余熱鍋爐，這樣就容易造成鍋爐受熱不均勻、負荷不穩定，影響鍋爐安全運行。企業用戶在規劃選用RTO 裝置初期就應當嚴格計算VOCs 的產量并綜合考慮生產產能的變化情況。

5.2 RTO裝置設計不合理造成鍋爐安全隱患

企業用戶選用RTO 處理尾氣時，往往對尾氣排放安全的重視程度不足。RTO 裝置設計時多采用閥門開度做為控制工業尾氣濃度的首選，這其實是遠遠不夠的。對某企業進行調研時發現，其工業廢氣由丙烯、乙醇、四氫呋喃、丙烯醛、丙酮、1，4-二戊烷等多種有機物組成，并且由多家上游企業通過廢氣管道輸送至RTO 裝置進行集中處理，如果僅僅依靠調節閥門避免進氣濃度不穩定或超出其限值是不安全的，所以提議在距RTO 主爐進氣口20 m 處配置1 臺堿洗塔（緩沖、降低廢氣濃度）、1 臺緩沖罐，滿足LEL（可燃氣體報警儀，設定值一般在可燃氣體爆炸下限的25%）取樣檢測和控制閥門執行所需時間要求。上游企業所排放的廢氣經風機輸送匯入噴淋塔降低濃度并充分混合，在噴淋塔出氣管道上設置2 套LEL檢測系統，檢測數值經比對后，由自動控制系統經過PID 控制（比例、差分、微分）后實現數值校準。上述冗余設置可以確保廢氣濃度檢測值接近真實值，為RTO 焚燒爐及余熱鍋爐安全、穩定運行奠定基礎。當廢氣濃度超高或者RTO 設備異常時，可通過閥門快速切換管路，使廢氣從應急旁路經活性炭吸附處理后排放。

5.3 導熱油鍋爐在RTO裝置中存在運行缺陷

在檢驗時發現，在一些使用導熱油的余熱鍋爐且無備用熱源的RTO 裝置中，經常會出現因RTO 裝置運行效率不高導致導熱油中水分無法完全脫除，造成導熱油管道振動、壓力指示不穩等情況發生。導熱油鍋爐在使用時要先煮油，因為導熱油中含有水分和一些輕組分。煮油過程是一個緩慢升溫和控制排氣的過程，需要調節控制加熱的溫度。RTO 裝置采用煙氣余熱加熱方式，對操作人員的素質要求比較高，在不了解導熱油性質的情況下操作余熱鍋爐，可能會導致脫水脫氣不徹底，管路系統中存在大量水汽，最終影響整個鍋爐系統的生產安全。建議使用單位在條件允許的情況下增添備用燃氣鍋爐并與RTO 裝置管路并聯，這樣既能讓使用初期的煮油脫水過程容易操作，又能在RTO 裝置負荷不穩定時保持生產供熱不間斷。

5.4 余熱鍋爐本體設計缺陷

RTO 裝置處理的氣體大多為有毒有害氣體，但仍有部分為RTO 裝置生產配套余熱鍋爐的廠家為了防止余熱鍋爐內的廢氣泄漏未設置檢查門孔，這會給鍋爐的檢驗和修理帶來很大不便。工業廢氣一般都具有可燃性，為了防止RTO 裝置本體和余熱鍋爐爐膛發生氣體爆燃事故，應當在氣體輸送管道上設置阻火器，同時在RTO 裝置焚燒爐和余熱鍋爐爐體設置爆破片。

6 結論

隨著環保政策日趨嚴格，廢氣處理技術也在高速發展。RTO 這種新型高效處理VOCs 廢氣設備將會被廣泛應用，設計、生產、使用單位應當在充分考慮經濟效益的同時更加關注RTO 余熱鍋爐的安全使用。