蓄熱式熱力焚燒爐（RTO）的發展趨勢

摘 要：【目的】蓄熱式熱力焚燒爐（RTO）是揮發性有機物（VOCs）末端治理的熱門技術，在節能安全等方面仍有很大的提升空間。通過分析其研究現狀、工程應用等方面所面臨的問題，探索其在減少碳排放方面的作用及發展方向。【方法】對蓄熱式熱力焚燒爐用于揮發性有機物末端治理的原理進行了介紹，通過國內外實驗研究與工程案例的調研整理分析，總結了RTO在醫藥行業的應用情況，分析了RTO運行過程中的常見問題。【結果】醫藥行業的RTO熱效率均能維持在93%以上，凈化效率大部分超過95%，但運行年限長的RTO存在腐蝕嚴重的問題。同時，醫藥行業RTO普遍存在二噁英二次污染、堵塞及混合氣體超限等問題?！窘Y論】未來應在提高RTO氧化效率和能源利用效率、分析不同行業的RTO技術組合工藝及將RTO技術與人工智能等新興技術相結合等方面開展深入研究。

關鍵詞：蓄熱式熱力焚燒爐；VOCs；熱力燃燒

中圖分類號：X701" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）24-0085-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.24.016

Development Trend of Regenerative Thermal Oxidizer （RTO）

Abstract： [Purposes] RTO is a popular technology for the terminal treatment of Volatile Organic Compounds （VOCs）， and there is still much room for improvement in terms of energy conservation and safety. By analyzing its research status， engineering applications， and problems faced in actual projects， this paper explores its role and development direction in reducing carbon emissions. [Methods] The principle of using the RTO for the terminal treatment of volatile organic compounds was introduced. Through the investigation and analysis of domestic and foreign experimental studies and engineering cases， the application of RTO in the pharmaceutical industry was summarized， and the common problems in the operation of RTO were analyzed. [Findings]" The thermal efficiency of RTO in the pharmaceutical industry can all be maintained above 93%， and the purification efficiency mostly exceeds 95%. However， RTOs with a long operating life have serious corrosion. At the same time， common problems such as secondary pollution of dioxins， blockage， and over-limit of mixed gases are widespread in RTOs in the pharmaceutical industry. [Conclusions] In the future， in-depth research should be carried out in three aspects： improving the oxidation efficiency and energy utilization of RTO， analyzing the combined RTO technology processes in different industries， and further integrating emerging technologies such as artificial intelligence， in order to significantly reduce VOCs emissions and contribute to achieving the \"dual carbon\" goals.

Keywords： RTO;VOCs;thermal combustion

0 引言

揮發性有機化合物（VOCs）的排放是造成大氣污染的主要原因之一。VOCs的主要來源包括燃料燃燒活動、化學工業生產過程、生物圈與生物質分解、制藥廠生產過程、汽車工業制造過程、紡織品制造過程、溶劑加工過程、清潔產品使用、印刷作業、絕緣材料應用、辦公設備使用、打印機使用等［1］。VOCs是大氣臭氧和二次有機氣溶膠（SOA）的重要前體物質，PM2.5的重要來源［2］。高濃度的VOCs可引起人們刺激、惡心、頭暈和頭痛，某些揮發性有機化合物具有致癌性。因此，減少VOCs的排放至關重要。

目前，企業處理 VOCs 的方法主要有回收技術和銷毀技術。回收技術包括冷凝、吸附、吸收、膜分離，銷毀技術包括燃燒、生物處理、光催化降解、低溫等離子技術?；厥占夹g用于低濃度VOCs，效率低且成本高，易產生危廢；生物處理的缺點是微生物對外界環境要求比較苛刻，某些污染物可引起微生物中毒；光催化降解、低溫等離子技術運行條件苛刻［3］。綜合企業實際情況，燃燒法是處理VOCs效果較好的方法。蓄熱式熱力焚燒爐（regenerative thermal oxidizer，RTO）作為燃燒法主要設備，采用蓄熱和燃燒結合來處理 VOCs，通過燃燒VOCs使其氧化分解產生CO2和H2O。RTO因其具有去除率在99%以上、熱回收率在 95%以上且運行穩定，適應性強，獲得了較為深入的研究和廣泛工業應用［4］。

本研究通過介紹RTO應用現狀，對不同種類的RTO技術研究進展進行綜述，調研部分企業RTO運行狀況，旨在為今后RTO技術的應用提供參考。

1 蓄熱式熱力焚燒爐

1.1 基本原理及應用

RTO是熱氧化技術的主要設備，利用蓄熱式換熱器的原理，在熱力燃燒的基礎上填充蓄熱材料，通過蓄熱體回收熱量。與傳統的熱力燃燒、催化燃燒相比，具有熱效率高、凈化效率高、運行能耗低等優點且熱效率最高，可以達到95%以上，凈化效率可以達到99%。

最初的RTO僅有兩個蓄熱室，一個室預熱，另一個室回收熱量。但在使用中存在嚴重問題即切換氣流方向時，本來已經進入蓄熱室但還未進入燃燒室被完全氧化分解的氣體被直接排出，這會造成階段性的排放不合格。由于兩室RTO在設計上的缺陷，若想提高凈化效率，只能延長循環時間，這樣又會使熱效率下降。因此，后來提出了新的設計方案即三室RTO，在兩室的基礎上再增加一個蓄熱室用于沖洗。在氣流切換的階段，三室RTO中的三個蓄熱室會依次經歷“蓄熱—放熱—清掃”，蓄熱室在清掃階段就會將本來將要被排出的未能氧化分解的有機氣體重新吹入燃燒室，這樣就避免了兩室RTO尾氣排放階段性不達標的問題［5］。當廢氣流量大時，為保證氣流的均勻分布和傳熱效率，應過渡到五室RTO，當處理量更大時，可用七室，以此類推［6］。為了滿足實際生產需要，RTO技術又有了新發展——旋轉式RTO。這種類型RTO為單體設計，通過設置分區隔板，將蓄熱體分成幾個獨立的扇形區，在換向閥的作用下改變流向，最大的優點是占地面積小、結構緊湊［7］。

最早的RTO出現在20世紀70年代的美國加州線圈涂裝生產上，在應用17年后仍有較高的VOCs去除效率［8］。我國最早由化工部化工機械研究院開發了RTO，并有所應用［9］。經過幾十年的發展，RTO在國內已經逐漸成為一種成熟的VOCs廢氣處理設施，廣泛應用于醫藥化工、手套、印刷、涂裝和電子等行業。RTO在實際應用中，除個別行業單獨使用外，基本是通過各種工藝組合使用，以達到最佳的去除效果。不同行業的RTO組合工藝也不盡相同，例如“活性炭吸附+RTO”“沸石轉輪濃縮+RTO”“堿洗+水洗+RTO+堿洗”“RTO+余熱鍋爐”及“RTO+SCR”等［10-14］。

1.2 研究現狀

RTO技術日益成熟，應用越來越廣泛。但隨著相關環保法律法規及標準的嚴苛化，對工業廢氣排放的要求也越來越高，RTO的研究也開始轉向精細化。

余子睿［15］對旋轉式RTO進行系統研究發現，旋轉式RTO蓄熱式頂部測點溫度有規律的周期性波動，氧化室測點的溫度波動不明顯。在此基礎上模擬旋轉式RTO內部流動和換熱反應，最后得到以下結論：①不同 VOCs 濃度下蓄熱室底部測點的溫度相等；②蓄熱室高度越高氧化室測點平均值溫度越高波動也越大，隨著蓄熱室高度升高平均出口溫度先降低后穩定，平均熱效率先升高后穩定在 95.6%。

在RTO設備中，換向閥是一個重要部件。在RTO工作過程中，換向閥的開閉非常頻繁，閥桿的頻繁運動會對密封填料造成磨損，使廢氣通過填料直接泄漏到大氣中。高溫煙氣也會對閥桿與閥板均存在不同程度的腐蝕損壞。在排放指標、環保指標更為嚴格的情況下，即使少量的泄漏也會對排放指標產生很大的影響。朱磊等［16］對其進行了改進，經過改進后換向閥再無廢氣泄漏，滿足排放標準。

為研究RTO處理含苯的混合廢氣時的燃爆危險性。湯振東等［17］通過數值模擬研究分析了進氣風量和混合可燃氣體-空氣摩爾占比對其內部壓力變化規律的影響。最終得出RTO運行的最佳進氣風量為15 000～30 000 m3 /h，最佳的混合可燃氣體-空氣摩爾占比為0.15～0.2，這與RTO實際工況相符合，可為其安全設計提供借鑒。

要將廢氣收集輸送至RTO爐中，通常通過管道兩端的風機作為動力，這需要消耗大量電能。張鐵異等［18］根據節流的焦-湯效應，改造廢氣的輸送管道，通過合理設計管道能節約一個風機，對企業生產來說可節約能源與成本。

RTO蓄熱室中溫度可達800 ℃以上。Bannai等［19］開發了一種燃氣輪機熱電聯產系統。燃氣輪機熱電聯產和RTO系統可降低工廠23%的能耗和30.1%的CO2排放。

RTO系統目前已經實現自動化控制，通?？赏ㄟ^數值模擬的方法對RTO操作和設計進行改進。Giuntini［20］等基于CFD技術的數值模擬，深入了解三室RTO設計的工業規模和運行原理后，開發了基于氣體和陶瓷介質的能量守恒的1-D動態模型，并運行該模型以獲得開關周期內不同時刻的固體溫度和傳熱系數的周期性穩態熱分布。其所提出的模型可以有效地用于改進RTO的設計，具有更好的控制操作條件，有助于建立目前文獻中缺乏的設計程序。

2 醫藥化工行業RTO應用

國內RTO的發展日益成熟，目前在VOCs的處理上絕大多數企業都會選擇RTO作為處理設施。為更好地了解企業RTO的應用情況及RTO設備在使用過程中的問題，本研究對多家企業的RTO進行了調研。調研對象主要以醫藥化工企業為主，調研對象廢氣成分為VOCs，不含HCl和NH3等無機廢氣或含量很少。調研RTO設備企業行業分布情況如圖1所示。其中，化工行業24套、醫藥行業12套、其他行業3套，共計39套。

為評估RTO設備處理VOCs的實際效果，去除效率計算公式為式（1）。

η=（C進Q進-C出Q出）/C進Q進×100%" " " " " "（1）

式中：η為處理系統的凈化效率，%；C進為處理系統進口 VOCs 濃度，mg/m3；C出為處理系統出口 VOCs濃度，mg/m3；Q進為處理系統進口氣體標干流量，m3/h；Q出為處理系統出口氣體標干流量，m3/h。當η＞90%時，凈化效果評估為高；η為 60%～90%時，凈化效果評估為較高；η為30%～ 60%時，凈化效果評估為一般；η＜30%時，凈化效果評估為低。

熱效率計算公式為式（2）。

ηH = （Tcom-Tout）/（Tcom-Tin）×100%" " " " "（2）

式中：Tcom蓄熱燃燒室溫度，℃；Tin蓄熱燃燒裝置進口溫度，℃；Tout蓄熱燃燒裝置出口溫度，℃。

3 結果與分析

在調研的企業中，部分RTO出口濃度數據未知，因此選取了10套數據完整的RTO對比其熱效率和凈化效率，結果如圖2所示。RTO的熱效率均能維持在93%以上，凈化效率大部分超過95%，其中案例9、案例10由于RTO運行年限長，腐蝕問題嚴重，企業沒有進行很好的維護，凈化效率下降。

RTO在處理醫藥化工有機廢氣具有良好的應用前景，但醫藥化工行業VOCs具有排放點分散、種類繁多、間歇排放等顯著特點［20］。因此，在應用RTO的過程中也會存在一些問題，尤其在調研過程中發現醫藥化工行業的阻塞問題非常嚴重，本次調研的39套RTO中16套存在阻塞問題。在對調研結果進行整理后，醫藥行業RTO應用過程中發生的問題見表1。由表1可知，醫藥化工行業的大多數問題是由于廢氣組分中特定物質濃度過高導致，目前沒有良好的應對措施，只能通過加強預處理或在收集前對廢氣進行分別處置。此外，還可以通過雙塔并聯或雙塔切換的方式，降低單個RTO蓄熱體內廢氣濃度，避免堵塞或聚合。針對醫藥化工行業廢氣成分復雜的情況，在應用RTO前還應對廢氣組分進行分析，避免低閃點VOCs進入RTO引起爆炸風險［21-22］。

4 RTO發展展望

隨著環保意識的增強和科學技術的進步，RTO技術將在揮發性有機廢氣治理領域發揮更加重要的作用。未來，RTO技術將朝著高效、節能、環保的方向發展，為實現可持續發展作出貢獻。

目前RTO處理效果好、應用廣泛，可以說已成為VOCs治理中最有效的技術方法。然而從調研醫藥化工行業RTO應用可以發現，在實際運行維護中仍存在諸多問題。單獨使用RTO很難達到預期效果，因此RTO的優化升級勢在必行。建議未來重點在以下幾方面開展研究工作。

一是進一步提高RTO氧化效率和能源利用效率。通過優化燃燒室設計、改進換熱系統等措施，提高VOCs的氧化效率和設備的能源利用效率，降低治理成本，提高治理效果。新型陶瓷蓄熱材料的研發將推動RTO技術的進步。采用高性能、高穩定性的陶瓷蓄熱材料，可以提高熱回收效率和設備使用壽命，降低設備維護成本，提高設備運行的可靠性。

二是深入分析不同行業的RTO技術組合工藝。針對成分復雜的廢氣，將多種廢氣治理技術結合起來，形成復合式RTO，可以更有效地處理廢氣，提高廢氣治理效果，滿足更加嚴格的環保要求。

三是進一步結合人工智能等新興技術，有效控制RTO設備運行更加高效、穩定。通過智能化控制系統，可以實現設備的自動化和智能化運行，提高設備的運行效率和管理水平，減少人為操作誤差，提高治理效果。

參考文獻：

［1］KAMAL M S ，" RAZZAK S A ，" HOSSAIN M M . Catalytic oxidation of volatile organic compounds （VOCs）-A review［J］. Atmospheric Environment， 2016， 140（sep.）：117-134.

［2］WU R R ，" BO Y ，" LI J ， et al. Method to establish the emission inventory of anthropogenic volatile organic compounds in China and its application in the period 2008-2012［J］. Atmospheric Environment， 2016， 127（Feb.）：244-254.

［3］武寧，楊忠凱，李玉，等.揮發性有機物治理技術研究進展［J］.現代化工，2020，40（2）：17-22.

［4］郭斌， 王紅紅， 邊永歡，等. 蓄熱式熱力焚燒爐處理揮發性有機物的數值模擬技術及應用進展［J］. 現代化工， 2018， 38（7）：5.

［5］張燦.淺析三室RTO技術處理VOCs廢氣［J］.廣州化工，2018，46（14）：95-96，102.

［6］張建萍，項菲.淺析蓄熱式熱力氧化技術處理揮發性有機廢氣［J］.浙江化工，2014，45（3）：36-39.

［7］郭陽，王偉，李明剛.VOCs治理新技術：旋轉式RTO［J］.涂層與防護，2019，40（07）：40-45.

［8］NESTER J L，UPHUES R. Regenerative thermal oxidizer upgrades allow coil coater to increase production and maintain regulatory compliance［J］. Metal Finishing， 1997， 95（1）：46-48.

［9］高蓮，謝永恒.控制揮發性有機化合物污染的技術［J］.化工環保，1998（6）：23-26.

［10］張艷娟，周峻水.蓄熱焚燒爐特點及發展趨勢探究［J］.連鑄，2019，44（1）：73-76.

［11］高尚，高健.活性炭吸附+RTO燃燒工藝在礦用設備噴漆生產線的應用［J］.陜西煤炭，2022，41（4）：190-193.

［12］顧建，包撿青，王斌.活性炭吸附脫附+RTO焚燒工藝在處理輪胎企業硫化工序廢氣上研究與應用［J］.橡塑技術與裝備，2022，48（4）：61-65.

［13］桂浩.沸石轉輪+蓄熱焚燒爐在VOCs處理中的應用［J］.浙江化工，2021，52（4）：37-41.

［14］蔣偉，李國濤，王濤，等.國產沸石轉輪+RTO焚燒裝置在環衛裝備涂裝廢氣上的應用［J］.能源與節能，2021（4）：77-79.

［15］余子睿. 旋轉式蓄熱催化技術在電子涂裝廢氣處理工程中的應用［D］.杭州：浙江大學，2021.

［16］朱磊， 劉帥. RTO爐換向閥的結構改進和應用［J］. 內燃機與配件， 2018（8）：111-113.

［17］湯振東，郭聳，程洋，等.典型三床RTO設備燃爆危險性數值模擬研究［J］.中國安全生產科學技術，2022，18（08）：189-195.

［18］張鐵異，龐漢禮，曾燕斌.RTO送廢氣管道的節能改造［J］.輕工科技，2013，29（11）：104-105.

［19］BANNAI M ，" HOUKABE A ，" FURUKAWA M ， et al. Development of efficiency-enhanced cogeneration system utilizing high-temperature exhaust-gas from a regenerative thermal oxidizer for waste volatile-organic-compound gases［J］. Applied Energy， 2006， 83（9）：929-942.

［20］GIUNTINI L ，" BERTEIACOR A ，" TORTORELLI S，et al. Coupled CFD and 1-D dynamic modeling for the analysis of industrial regenerative thermal oxidizers［J］. Chemical Engineering and Processing， 2020（157-）：157.

［21］湯勇.醫藥化工區揮發性有機廢氣及防治研究：兼論RTO技術在揮發性有機廢氣中的應用［J］.廣東化工，2016，43（6）：139-140.

［22］付守琪，方曉波，朱劍秋.RTO（蓄熱式氧化爐）應用調研分析研究［J］.環境科學與管理，2017，42（9）：132-136.