淺析蓄熱式氧化爐技術應用

楊林

恩國環保科技（上海）有限公司（上海 201805）

揮發性有機化合物（VOCs）是指能參與大氣光化學反應，且其沸點低于250℃的有機化合物。VOCs主要來自于石化、化工、醫藥、噴涂、包裝印刷等行業，包括苯類、烷烴類、芳烴類、烯烴類、鹵代烴類、酯類、醛類、酮類、酚類等。VOCs不僅會對人體健康、動植物生長以及空氣質量造成嚴重危害，還是形成細顆粒物PM2.5和臭氧的重要前提物質，并在光化學反應下容易形成二次有機氣溶膠，導致氣候變化、光化學煙霧、霾、酸雨等諸多環境問題[1-2]。冷凝、吸附等處理技術可回收廢氣中高濃度的具有很大回收利用價值的成分，雖可獲得可觀的經濟效益[3]，但僅適用于組分簡單的廢氣；催化燃燒技術由于催化劑易中毒失效、使用壽命短而應用受限[4]。目前使用較多的是蓄熱式氧化爐（RTO），它節能效果顯著，運行成本較低。

1 RTO系統組成和工作原理

RTO因其適用范圍廣、處理效率高、熱回收效果顯著等特點而被廣泛應用于處理含氧有機廢氣。氧化爐通過高溫氧化將VOCs氣體分解為水、二氧化碳等。目前市場上應用最多的是三槽式RTO，其兼顧高處理效率和投資經濟性。

1.1 RTO系統組成

以典型的三槽式RTO為例，其系統基本組成包括風機系統、切換閥系統、RTO爐體、燃燒系統、控制系統，具體如圖1所示。

圖1 三槽式RTO示意圖

風機系統包括系統風機、助燃風機和吹掃風機。系統風機主要提供動力，將有機廢氣送至RTO氧化處理，然后從煙囪排放。系統風機的選型統籌考慮系統壓降、風量與溫度，并平衡對工藝端的影響。助燃風機主要是給燃燒機提供助燃風并起到冷卻保護作用。吹掃風機主要用于將未氧化的VOCs吹掃置換，提高RTO去除效率。

切換閥系統包括進氣切換閥及管路、排氣切換閥及管路、吹掃閥及管路。通過進氣切換閥、排氣切換閥、吹掃閥的周期切換，實現氣流的切換與吹掃。其中切換閥有提升閥（垂直式、水平式），蝶閥，旋轉閥等形式；吹掃閥常采用蝶閥。

RTO爐體包括低溫區、蓄熱室、氧化室。RTO爐體采用陶瓷纖維內保溫加固，其中低溫區主要用于氣流進出；蓄熱室裝填有蓄熱陶瓷，可以吸熱與放熱；氧化室為VOCs氧化分解區。

燃燒系統包括燃燒器、火焰檢測器、火焰控制器、燃料閥組。開啟燃燒系統，可以持續為RTO穩定運行提供熱量，燃燒器的狀態由火焰檢測器偵測判斷，并通過火焰控制器與燃料閥組聯鎖控制。

控制系統常用可編程邏輯控制器（PLC）或分布式控制系統（DCS），對于安全設計要求較高的項目，還設置安全儀表系統（SIS），SIS獨立控制。通過PLC或DCS可實現RTO自動化控制與運行。

1.2 RTO工作原理

以三槽式RTO為例，其基本的工作原理如下：控制系統按設定程序開啟相應進氣閥，廢氣從進口槽進入蓄熱室，被上一循環作為出口槽的高溫陶瓷體預熱，廢氣溫度升高，然后進入氧化室，VOCs在氧化室內被氧化分解，凈化后的熱煙氣進入出口槽，熱煙氣的熱量被蓄熱陶瓷吸收，煙氣溫度降低，從出口槽排放。在這一過程中，另一個蓄熱室作為吹掃槽，被不斷吹掃置換，以便作為下一循環的出口槽。周期性的換向切換使熱量均勻地分布在整個氧化爐內，每個槽依次經過進氣、吹掃、排氣3個階段。一個完整的工藝循環過程如表1所示。

表1 三槽式RTO切換過程

2 蓄熱式氧化爐技術應用分析

自20世紀90年代初被開發應用以來，RTO已被廣泛用于各行業有機廢氣的治理。根據多年的RTO設計、制造、調試運行經驗，將RTO技術相關應用分析總結如下。

2.1 去除效率問題

用RTO處理有機廢氣的目的在于去除VOCs組分，使排氣指標滿足國家和相關地方標準。兩槽式RTO由于在切換過程中存在未處理的廢氣被帶出，其去除效率為95%～98%。兩槽式RTO因去除效率偏低且有峰值超標風險，現已較少使用。三槽式RTO由于有單獨的吹掃槽，可將上一循環滯留在進氣槽及進氣管道內未處理的廢氣吹掃置換，其去除效率可達99%，如使用氣封型蝶閥，去除效率最高可達99.5%。撇開爐型而言，RTO去除效率主要受以下因素影響。

（1）氧化室溫度。大多數VOC的自燃點溫度（AIT）為300～600℃，RTO氧化室設置在800～900℃，可滿足大部分VOC氧化需求。如有二氯甲烷之類的高AIT組分，且其含量不低，要達到99%以上去除效率，RTO的氧化溫度應超過900℃。

（2）滯留時間。VOCs需要在高溫氧化室內停留足夠時間，才能充分氧化分解。根據理論推算與實際運行經驗，RTO爐膛的滯留時間應不低于0.75 s，為達到良好的處理效果，建議滯留時間為1～1.2 s。VOCs的去除效率與溫度和滯留時間的關系如表2所示。

表2 去除效率與溫度和時間的關系

（3）湍流度。氣流在爐體的湍流度也會對去除效率有一定影響，湍流度越高，流場分布越均勻，溫度分布越理想，氧化分解也會更充分。通過爐型結構的優化，合理設置氣流分布板，可以明顯改善流場分布，使氣流分布更均勻。

（4）切換閥的密封性。常用的提升切換閥有垂直式和水平式，經過長時間運行，密封面的磨損會導致泄露，進而影響處理效率。如采用氣封型蝶閥，通過一股正壓的空氣在閥板與前后閥座之間的腔體內形成氣封，只有正壓空氣向閥門前后方向流動，切斷廢氣從閥前穿過密封面進入閥后的線路，實現零泄漏，RTO可以達到更高處理效率。

以上因素中，溫度是關鍵，滯留時間非常必要，湍流起輔助作用。

2.2 安全控制問題

RTO處理有機廢氣，因VOCs的特性，當爆炸三要素（可燃物濃度在爆炸區間、氧氣、點火源）同時存在時就會有爆炸風險。因此，RTO設計時，必須注意以下安全因素。

（1）VOC體積分數。為了確保安全，進入RTO處理的有機物體積分數不能超過其爆炸下限（LEL）的25%。VOC體積分數通過LEL檢測儀偵測，并通過PLC或SIS與RTO入口隔離閥、緊急旁通閥聯鎖。一旦高高警報值超過LEL的25%，RTO馬上離線，關閉入口隔離閥，同時開啟緊急旁通閥，廢氣走旁通。LEL檢測儀按分析原理分為紅外式、火焰離子型（FID）、火焰溫度型（FTA），LEL檢測儀響應時間包括采樣時間、分析時間和閥門動作時間。LEL安全的安裝距離計算：

LEL安裝距離L(m)≥廢氣設計流速u(m/s)×響應時間t(s)

（2）氧含量。實際上，大部分VOC都含氧，為確保充分氧化分解，需保持氧化后煙氣中氧體積分數不低于3%。但在大風量低濃含氧廢氣與小風量高濃不含氧廢氣混合時，需注意兩點：一是低濃含氧廢氣保持連續且不能低于某一安全值；二是二者混合必須迅速，高濃氣壓力大于低濃氣壓力，防止反串。

（3）防靜電與死區。廢氣管道盡量選用金屬管道，并做好靜電接地；使用非金屬管道時，要考慮管道導靜電。另外，管道設計應避免形成死區，特別是積液死區，防止VOCs的積聚。

（4）泄爆：為防止爆燃危害增大，RTO爐體設置必要的泄爆門，RTO入口廢氣管道設置阻火器，廢氣管道上還需設置泄爆片。

（5）安全聯鎖控制：開展危險與可操作性分析（HAZOP），按照HAZOP分析結果，確定SIL等級，配齊相應的安全聯鎖控制。需要SIS的，按要求配置好整個安全回路。應確保關鍵閥門在事故狀態時回到安全的初始位置，保障RTO系統的安全。

2.3 熱效率問題

RTO系統的熱效率高低直接影響裝置的燃料消耗，即運行成本。熱效率按下式計算：熱效率=｛凈化氣質量流量×（氧化室溫度-凈化氣出口溫度）｝/｛廢氣質量流量×（氧化室溫度-廢氣入口溫度）｝[5]。影響熱效率的因素主要包括蓄熱陶瓷、切換時間和保溫厚度。

（1）蓄熱陶瓷。蓄熱陶瓷是RTO熱量回收的載體，蓄熱陶瓷的裝填量和本身性能的好壞是影響RTO熱效率的關鍵因素。蓄熱陶瓷的配置通常為：上部鋪設散堆馬鞍環，用于均勻分布氣流、抗熱沖擊；主體鋪設規整蜂窩陶瓷，起主要蓄熱作用。常用陶瓷有藍太克MLM-180板片式蜂窩陶瓷，25孔和40孔整體蜂窩陶瓷，與其他陶瓷相比具有較高的熱效率和較低的壓降。RTO設計熱效率通常不低于95%，但也不能太高。過高的熱效率意味著更多的陶瓷裝填量，對應蓄熱室的體積更大，初期設備投資增高。另外，蓄熱陶瓷過多，系統阻力增加，風機選型增大，電耗增加，導致運行成本也增高。因此，設計時應綜合評估節能效果與投資。

（2）切換時間。切換時間縮短可提高RTO裝置的熱效率、降低排氣溫度，切換時間延長可降低熱效率、升高排氣溫度。按多年運行經驗，兩槽式RTO常規切換時間為3 min，三槽式RTO常規切換時間為1.5 min。實際運行時，切換時間可根據具體情況略微調整，但不應偏離太多。

（3）保溫厚度：RTO爐內溫度高達800～900℃，內部必須做好保溫措施。常采用容重192 kg/m3的陶瓷纖維棉塊，內保溫厚度約為250 mm，在此參數下，爐體表面溫度相對較低（＜70℃）。表面溫度低，熱輻射損失就小，整體就更節能。但不建議繼續增大內保溫厚度：一方面，增加厚度對降低爐體表面溫度的作用有限；另一方面，導致爐體變大、投資增加，整體來看經濟性差。

2.4 腐蝕問題

RTO處理化工、醫藥等行業有機廢氣時，常涉及到的腐蝕介質主要有無機酸（如鹽酸、硫化氫等），有機酸（如丙烯酸、馬來酸酐等），含硫有機物（如甲硫醇、甲硫醚等），鹵代烴（如二氯甲烷、氯苯等）等。為防止RTO系統被腐蝕，應從以下幾方面考慮。

（1）處理工藝流程。對于腐蝕性有機廢氣，常規處理工藝流程見圖2。有機廢氣先經過預處理堿洗，吸收大部分無機酸性組分，然后進一步除霧除水，再進入RTO氧化分解，有機酸性組分產生SO2，HCl等酸性氣體，再經過急冷塔降溫，進入后處理堿洗塔吸收酸性氣體，達標后經除霧除水從煙囪排放。根據酸性組分與濃度等廢氣特點不同，預處理堿洗和后處理堿洗可以為一級或多級，還可以為堿洗+水洗相結合的方式。

圖2 腐蝕性廢氣常規處理工藝流程

（2）防止露點腐蝕。廢氣中的酸性氣體可能會在RTO系統發生露點腐蝕。一方面通過加強除霧除水，減少進氣含水量，另一方面可在低點設置排液口，及時將積液排放。還可以通過給廢氣預熱升溫，使其高于酸性氣體的露點溫度（通常SO2露點在130℃左右，HCl露點在80℃左右），避免露點腐蝕。預熱方式有兩種，一是采用換熱器加熱，常用蒸汽預熱，額外消耗熱源；二是采用爐膛高溫煙氣直接混合預熱，但對進氣管路與設備耐腐蝕要求較高。

（3）選材防腐。RTO爐體主體常用碳鋼制造，用于腐蝕工況時，常在RTO殼體內壁襯乙烯基樹脂防腐，樹脂耐溫可達150℃，樹脂外部是陶瓷纖維棉，保護防腐樹脂不被高溫破壞。對于含硫腐蝕，根據酸性氣體含量高低與溫度分布，可選用316/316L或玻璃鋼（FRP）；對于含氯腐蝕，根據酸性氣體含量高低與溫度分布，可選用2205/2507/AL6XN/哈氏合金或FRP。

（4）其他防腐措施。基于腐蝕特性，綜合考慮材料成本與耐腐性能的情況下，可以通過在設備管道內壁噴涂防腐涂料增強其防腐性能，提升系統運行穩定性與使用壽命。由于防腐涂料噴涂便捷，費用較低，因此具有較高的性價比。另外，做好內外保溫，減少熱量損失與結露可能，對于正壓的RTO大型爐體，在各模塊連接內部，采用焊接形式進一步降低漏氣可能，增強防腐效果。

2.5 堵塞問題

RTO在不同行業的VOCs廢氣治理中，可能會遇到各種堵塞問題。綜合來看，主要有以下幾方面。

（1）廢氣含顆粒物。根據顆粒物的含量、粒徑大小、基本性質等，在RTO廢氣進氣端設置相應的過濾器，并配置壓差監測裝置，阻力超過設定值時清理或更換過濾元件。過濾等級不宜太高，以初效、中效為主，以減輕風機負荷。

（2）高沸點或大分子VOC積聚。廢氣中若存在高沸點或大分子物質，可能會有部分附著在蓄熱床層底部，經過長時間運行會堵塞陶瓷孔，影響氣體流通與換熱效率。此時RTO需設置高溫烘烤，通過程序設置，將蓄熱層底部溫度升高至300℃以上并持續一定時間，定期高溫清理，維持RTO系統長期穩定運行。

（3）銨鹽結晶。在制藥有機廢氣治理項目中，經常會遇到銨鹽結晶問題。處理該問題主要從兩個方面考慮：一是設置前置熱旁通和陶瓷過濾器，將銨鹽攔截在過濾器上，并定期用水沖洗過濾器；二是設計蓄熱床層時，在規整蜂窩陶瓷下方另外鋪設一定厚度的馬鞍環，增強銨鹽攔截能力。二者結合，可大大提高RTO系統抗堵能力。

（4）廢氣含有機硅。有機硅會在RTO氧化室產生二氧化硅粉塵。若有機硅含量過高，RTO爐內二氧化硅產生量過多，容易堵塞蓄熱床層導致RTO無法繼續運行，停機清理太頻繁則RTO不能穩定運行。因此，有機硅含量過高的廢氣不宜進RTO處理。在有機硅含量尚可，進入RTO處理時需要注意以下幾方面：一是選擇合適熱效率、蓄熱床層高度和清理頻次，綜合考量節能、費用、防堵與穩定運行等方面；二是蓄熱床層配置上應有所區分，最上層的馬鞍陶瓷高度應比常規高，目的是盡量讓硅粉在上層攔截下來，往下鋪設一定高度的大孔蜂窩陶瓷增強抗堵性能，再往下鋪設常規型式蜂窩陶瓷以確保RTO合理熱效率；三是對于連續運行和排放要求較高的項目，可考慮設置RTO備用爐，當一臺到達清理狀態時，切換至備用爐運行，另外常備陶瓷備品，以便隨時更換，縮短清理停車時間。

2.6 旁通排放問題

當RTO因系統故障、觸發安全聯鎖警報、正常停車檢修等狀況離線時，VOCs需要從旁通排放。常用的旁通排放有以下幾種方式。

（1）直排。在符合當地環保排放要求的條件下，有機廢氣本身性質穩定，VOCs濃度較低，無安全風險，當RTO離線時，可以通過旁通管路不經過處理直接從煙囪排放。

（2）吸附后排放。當VOCs濃度及總量超過一定量，直排會造成嚴重環境污染時，需要在旁通管路上配置相應的處理設施。常用活性炭進行吸附，吸附后廢氣從煙囪排放。

（3）冷排氣筒排放。危害性較高的廢氣需要立即排空，此時需要設置單獨的冷排氣筒進行緊急排放，不再通過原RTO煙囪排放，避免引起安全風險。

實際項目中還有上述方式的結合應用，例如，當LEL發生高高警報時，廢氣從冷排氣筒直接排放，其他情形RTO離線時，廢氣通過活性炭吸附后從RTO煙囪排放。必要時，冷排氣筒末端還需要設置阻火器，以防止回火。

3 結語

近年來，RTO因其高效、節能等特點在治理VOCs方面得到了廣泛應用。簡要介紹了RTO的系統組成與基本工作原理，并從技術應用角度分析了RTO的去除效率、安全控制、熱效率、腐蝕、堵塞、旁通排放等方面的問題，就RTO應用中的一些主要問題給出了設計、選用建議，供RTO技術應用相關人員參考。RTO設計選用需要綜合考慮去除效率、熱效率、安全、設備投資、運行費用、運行穩定性等多方面，根據項目的具體特點，結合實際需要確定設計方案，這樣才能達到安全環保、節能高效、穩定達標的目的。展望未來，以RTO為基礎的蓄熱式氧化技術及其組合工藝仍將不斷創新優化，RTO必將展現出廣闊的應用前景。