RTO催化燃燒廢氣凈化處理裝置的設計

史志海

唐山市生態環境局漢沽管理區分局，河北唐山，301501

0 引言

當前眾多行業的生產過程中會產生廢氣，排出后會對環境造成嚴重污染，導致霧霾、溫室效應等，影響人們的身體健康。關于廢氣的常用處理方法主要有溶液吸收法、高溫氧化法、光催化氧化等。其中，高溫氧化法在廢氣處理中具有良好的處理質量。而RTO是一種高效率、高收益的VOCs（volatile organic compounds）處理技術。RTO的工藝流程主要是廢氣經蓄熱體預熱后，廢氣中的有機分子經過燃燒室的高溫，被氧化成二氧化碳和水[1]。氧化燃燒所產生的高溫氣體經過蓄熱體之后，蓄熱體的溫度上升。這種“蓄熱”可以用在進入焚化爐爐膛的廢氣預熱中。蓄熱室的入口和出口氣體由換向閥連續切換，形成一個連續的工作循環。

1 RTO的工作原理

1.1 RTO的分類

VOCs的組成包括C、H等揮發性有機氣體。目前，化工企業擁有催化燃燒爐、直接燃燒爐以及蓄熱式燃燒爐，它們使用燃燒的方法來處理廢氣，根據安裝結構可以分為2塔、3塔、5塔等；按運行方式可分為旋轉式RT0、塔式RT0[2]。在實際使用中，3塔式RTO是最常用的一種。

1.2 RT0的運作原理分析

RTO是一種焚燒爐，其主要組成為進氣室、蓄熱室、燃燒室、切換閥和燃燒機。

在啟動焚燒爐之前，將主風機打開，用新鮮的空氣清潔爐膛，避免廢氣集聚，降低廢氣濃度。之后啟動燃燒器進行6小時左右的預熱，溫度緩慢上升至800℃，可以分解95%以上的VOCs氣體；溫度上升后，吸入空氣，氣體將通過蓄熱室1進入系統，并在蓄熱和預熱之后進入燃燒室。在此期間，經過適當的燃燒處理（通常超過1秒），廢氣不規則地流過燃燒室，然后進入蓄熱室3。蓄熱室3的蓄熱體溫度低，能完全吸收廢氣中的熱量。熱處理后的高溫廢氣能夠降低溫度，將廢氣安全排放到再生器。

當蓄熱室3中的蓄熱體吸熱飽和時，切換開關閥，廢氣進入蓄熱室3。經過高溫預熱，從蓄熱室3進入燃燒室。而經過蓄熱室2之后，熱量會被蓄熱室2吸收，并且蓄熱體飽和之后，再次切換進入下一個流程。這三次切換是整個系統的運行循環，其目的在于多次處理廢氣。一般需要嚴格控制切換時間，因為時間過長會造成排氣溫度過高和熱量損失；如果切換時間太短，切換閥和氣缸的使用壽命會縮短。RT0開關閥的切換時間一般為60～120s，根據實際工況決定[3]。

RTO的整個系統運行規律是：上一道工序的出風口為下一道工序的進風口，上一道工序的吹掃口為下一道工序的出風口，上一道工序的進風口為下一道工序的吹掃口。

2 RTO催化燃燒廢氣凈化處理裝置的參數

表1所示為有機廢氣成分，充分了解廢氣的理化參數是實現催化燃燒的關鍵。

表1 有機廢氣成分及理化參數

本文所提出的旋轉型RTO結構（圖1）設計的關鍵是旋轉閥和蓄熱爐。其中，旋轉閥的構成為同心圓柱形腔體和一個旋轉閥盤。而旋轉閥盤徑分別向各個位置開孔，對應不同腔體，起到進氣、排氣和反吹的作用。外腔與充氣閥RTO連接，中腔與反吹閥RTO連接，內腔與排氣閥RTO連接。RTO旋轉閥盤平均分為8個單元，其中3個進風單元、3個出風單元和2個反吹單元，分別對應于其內部的腔體。蓄熱爐上部為具有點火功能的燃燒室，下部為蓄熱式蜂窩熱量交換室。在發送點火信號之后，點火裝置首先執行延遲吹掃功能，之后控制器執行點火命令，打開主電磁閥。而點火棒向點火變壓器輸出高壓放電，將會產生火花，并點燃主火。在檢測到火焰時，打開主防火截止閥，10秒后關閉主防火電磁截止閥，燃燒風機所引進的天然氣、空氣會在燃燒室中進行混合，此時的燃燒室溫度設置為815℃，這一溫度可以將廢氣中的有機物進行充分氧化。熱量交換室共有8個單元，分別對應旋轉閥片。隨著旋轉閥的轉動，蓄熱器功能會從預熱和動態加熱轉變為蓄熱與燃燒冷卻，充分利用氧化反應釋放的熱量，最大限度地降低外部能耗。燃燒室中設置了熱電偶，方便測量室內溫度。

圖1 旋轉型RTO示意圖

3 RTO催化燃燒技術的優化

3.1 催化燃燒技術在RTO上的應用

設計RTO采用蓄熱式氧化技術、催化燃燒技術等。該RTO將蓄熱式加熱爐和低溫催化燃燒的優勢相結合，使RTO獲得節能減排的效果。其具體步驟為：將催化劑放在蓄熱廂的頂層平臺上，根據廢氣類型來選擇催化劑，通過催化劑層來對廢氣進行預處理。經過催化燃燒，進入燃燒室進行兩次燃燒。催化燃燒能夠有效凈化廢氣，提高廢氣溫度，在一定程度上提高了經濟性。

3.2 采用新型高效節能燃燒器，提高燃燒效率

基于燃燒器的結構、性能，結合各種燃燒技術，如自動控制技術、二次噴射旋流技術以及單級送風技術等，提高燃燒器的燃燒效率，實現廢氣的充分燃燒。

3.3 合理設計爐供氣量

從燃燒角度來看，為了提高RTO的燃燒效率，需要為燃燒室提供充足的供氣，因為供氣不足會導致無法完全燃燒，同時產生大量一氧化碳；但氧氣過量之后，更多熱量會隨著熱空氣流動而損失，導致熱量損失。所以，將廢氣中可燃性有機物濃度控制在爆炸下限（LEL）的25%時，可實現風量的合理匹配，既能節約燃料，又能燃燒燃料，凈化尾氣，減少污染物排放。

3.4 爐膛空間的設計優化

在RTO運行過程中，燃燒溫度與廢氣濃度不僅會對RTO的燃燒性能造成影響，還會對廢氣在RTO燃燒室內的停留時間造成影響。這是因為整個有機氧化和燃燒都需要一定的時間。良好的爐膛空間設計能夠保證廢氣在爐膛中的停留時間更加合理，這一要素主要取決于爐膛的風速、截面、長度。通常情況下，廢氣在RTO爐內停留1.0～1.3s即可達到廢氣排放標準。

3.5 選擇合適的燃燒溫度

選擇合適的爐溫是RTO優化的關鍵。溫度是影響RTO轉化率的主要因素[4]。適當提高爐溫將會使氧氣燃燒反應更加準確、節能，但爐溫過高會增加熱損失、縮短爐齡及增加RTO的運行成本。溫度在760℃以上，大部分的有機氣體分子都會被破壞，產生充分反應，氧化生成水與二氧化碳。設計人員根據不同的廢氣類型選擇合適的爐膛燃燒溫度。

4 RTO蓄熱體的設計

蓄熱體可以說是RTO能量回收的熱載體。蓄熱體的性能質量決定了RTO能耗。蓄熱體的截面與高度是蓄熱體設計的關鍵參數，另外還包括等效直徑、形狀、比表面積、煙囪穩定性、阻力系數蓄熱能力、結構強度、傳熱效率、抗熱震性、傳熱深度、流動阻力特性[5]。目前，MLM-180Lantcomb-H蓄熱體、40×40孔蜂窩陶瓷蓄熱體等因具有比其他蓄熱體更高的傳熱效率而得到廣泛應用。目前蓄熱體存在的主要問題是蜂窩孔堵塞、電池熱渣、使用壽命短、孔壁腐蝕、孔開裂、坍塌、錯位等。蓄熱體發生熱損傷的影響因素中，常見的包括蓄熱體材料的物理性能、蜂窩蓄熱體的使用條件等。基于此，本文提出了RTO蓄熱體的結構設計，包括設計優化措施。

4.1 合理設計蓄熱體的布置方案

蓄熱器的布置設計應盡可能整齊，避免蓄熱器交錯布置，避免蓄熱器部分在燃燒期間出現受熱不均的情況，避免高溫沉降受阻，導致局部應力過大，出現蜂窩損壞，通道坍塌堵塞。

4.2 合理布置燃燒器的位置

燃燒器需要注意盡量縮短燃燒火線長度，RTO蓄熱器位置的合理性非常重要，可以防止燃燒器火焰高溫區的火焰氣體直接注入熱電池產生更多的熱輻射，從而導致熱電池出現故障，燒毀蓄熱體。

4.3 蓄熱體的選材問題

在設計RTO的材料時，蓄熱材料選擇需要充分考慮到材料導熱性、對流換熱和膨脹系數，同時還需要考慮到不同材料具有不同的耐熱溫度。基于廢氣燃燒溫度、蓄熱體耐熱溫度等，選擇適合的蓄熱體材料，同時還需要留有一定的溫度余量，避免因材料選擇不當而導致蓄熱室熱熔變形和倒塌[6]。

5 RTO的溫度控制系統

5.1 爐膛溫度自動調節

對于RTO催化燃燒廢氣處理的整個環節來說，溫度控制是整個系統的關鍵所在，并且也是廢氣得到充分處理的保障，并且溫度變化和多種因素之間均具有一定聯系。

5.1.1 爐膛溫度與廢氣濃度的關系

當廢氣中的有機物濃度下降后，有機物分解得到的熱能降低，直接導致爐溫降低。可以設置爐膛的低溫值，以減少進入余熱鍋爐的煙氣量。當調節風門完全關閉時，爐膛溫度仍低于設定值，需要啟動輔助燃燒器。而這也意味著廢氣分解所產生的熱量已經低于系統自身的散熱損失和排煙損失的總和。當煙氣濃度高于預設時，爐膛溫度可通過增加余熱排出量進行調整。煙氣量的增加取決于熱載體的溫度要求。必要時，爐內部分煙氣直接排入煙囪冷卻[7]。

5.1.2 爐膛溫度與廢氣量的關系

通常情況下，RTO設計均是基于系統的最大處理量來實施的，所以經常會遇到廢氣比設計值低的情況。而關于這一問題的處理方法與廢氣濃度降低的方法相同。

5.1.3 爐膛溫度與蓄熱體切換頻率的關系

通常情況下，蓄熱體的質量有很大的裕度，這可以降低切換頻率，使爐膛溫度更穩定。在設計的蓄熱體質量較小時，只有提高開關頻率才能提高爐溫的穩定性。如果切換頻率與蓄熱體質量不一致，可能會導致快速冷卻甚至停機[8]。

5.1.4 爐膛溫度與余熱利用的關系

爐膛中的煙氣如果被過量引出的話，將會導致爐膛溫度迅速下降，利用調節風門能夠控制。

5.2 系統風機自動調速

RTO的系統風機將會把廢氣吸入風機中，然后鼓入蓄熱體進入爐膛。根據廢氣量來調節風機，控制風機。同時，還需要滿足爐膛的壓力，保證其能夠符合蓄熱體對于延期的阻力需求。

5.2.1 智能報警

RTO在對廢氣進行處理的過程中，爐膛中的溫度需要嚴格控制。因此，本文在爐膛內設置關鍵點溫度控制警報系統；蓄熱段內在多個位置放置溫度傳感器，實現爐膛溫度的實時監控、實時告警；設置爐膛的低壓報警與差壓控制。

5.2.2 RTO相關標準

根據《鍋爐安全技術監察規程》設置余熱有機熱載體爐，輔助燃燒器以及系統則需要符合國家相關標準，如《蓄熱燃燒法工業有機廢氣治理工程技術規范》HJ1093-2020。

6 結語

綜上所述，本文對蓄熱式熱氧化爐（RTO）的運行原理進行了詳細介紹，并基于RTO設計的角度，提出了RTO催化燃燒廢氣凈化處理裝置的參數與RTO結構，分析了RTO的催化燃燒技術、RTO的溫度控制系統、蓄熱體設計。蓄熱式熱氧化技術是一種比較可靠的有機廢氣處理手段，在RTO的蓄熱燃燒技術的基礎上進行創新、優化、完善，能夠為有機廢氣的高效處理提供良好的途徑，同時也是有機廢氣治理的發展趨勢。