RTO 裝置在化工廢氣處理中的應(yīng)用探討

曲宏霞

（濰坊天弘環(huán)境工程咨詢(xún)有限公司，山東 濰坊 261071）

隨著全球產(chǎn)業(yè)的迅速增長(zhǎng)，化學(xué)工業(yè)公司等企業(yè)大量排放廢氣，導(dǎo)致自然環(huán)境破壞日益加劇。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生的廢氣中，大多數(shù)揮發(fā)性有機(jī)化合物是細(xì)顆粒物的重要原料之一。為了保護(hù)自然環(huán)境和人類(lèi)健康，這些廢氣必須經(jīng)過(guò)處理后才能排放。近年來(lái)，隨著環(huán)境壓力的不斷加大，人們認(rèn)識(shí)到清潔的環(huán)境是任何國(guó)家最寶貴的財(cái)富。因此，我們應(yīng)該寧愿關(guān)閉那些污染嚴(yán)重但產(chǎn)量不大的化工廠，也不能破壞環(huán)境。化工產(chǎn)業(yè)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展必不可少的重要組成部分之一。然而，在相關(guān)化工企業(yè)的生產(chǎn)中，大量排放含有揮發(fā)性有機(jī)化合物的廢棄氣體，既有害于人體健康，又會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響。因此，化工行業(yè)必須對(duì)產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行凈化處理，以達(dá)到排放要求，這是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展的必然要求。目前，VOCs 處理主要采用吸附技術(shù)、生物技術(shù)處理法和熱氧化技術(shù)等方法。現(xiàn)階段，探討高溫氧化技術(shù)在化學(xué)工廠廢氣處理中的優(yōu)點(diǎn)，最近，高溫氧化技術(shù)已成為化工廠廢氣治理的重要代表之一，因?yàn)槠涓咝Ч?jié)能等優(yōu)點(diǎn)得到了快速發(fā)展。然而，有機(jī)廢氣成分錯(cuò)綜復(fù)雜，濃度變化大，可能對(duì)高溫氧化設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)重大風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致安全事故發(fā)生。因此，保證熱氧化設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行和安全方面是化學(xué)廠最重要的問(wèn)題。本篇文章分析了催化燃燒設(shè)備在化學(xué)工廠廢氣處理中的應(yīng)用情況，并提出一些提議以便強(qiáng)化其運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 化工廢氣處理技術(shù)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，隨著化學(xué)工業(yè)的高速發(fā)展，廢氣成分日益復(fù)雜，種類(lèi)也更加多元化。隨著時(shí)間的推移，揮發(fā)的有機(jī)化合物的排放量逐年增加，幾乎要超過(guò)氮氧化合物的排放量。成為化學(xué)企業(yè)治理的重點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，化工企業(yè)通常會(huì)將易揮發(fā)的有機(jī)物質(zhì)變成環(huán)保材料后再排放，以保護(hù)自然環(huán)境。這是因?yàn)橐讚]發(fā)的有機(jī)物質(zhì)數(shù)量較大，不易回收，實(shí)現(xiàn)再利用需要巨大投資，不經(jīng)濟(jì)。現(xiàn)階段，廢氣治理通常采用吸附法、生物處理技術(shù)、光催化處理和RTO 技術(shù)等，其中吸附機(jī)理利用活性炭或吸附劑作為一種吸附劑，對(duì)廢氣排放物進(jìn)行吸附和過(guò)濾，包含吸附、解吸、凝結(jié)和再利用4 個(gè)關(guān)鍵步驟。該技術(shù)的凈化效率受到廢氣的物理化學(xué)性質(zhì)和種類(lèi)的影響很大，可用于低濃度廢氣排放的凈化處理。生物凈化法則是利用特定微生物代謝有機(jī)廢氣，將其轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水，該方法適用于含有氧、氮、硫的有機(jī)或無(wú)機(jī)廢氣；利用光照和催化劑的方法可以將有機(jī)化合物分解為二氧化碳和水。光源和催化劑類(lèi)型的選擇是治理有害氣體的關(guān)鍵因素之一。熱氧化技術(shù)在廢氣處理領(lǐng)域已有百年歷史，熱氧化回收設(shè)備是一種高效率的廢氣處理設(shè)備體系，能夠處理200 余種揮發(fā)性有機(jī)化合物。此類(lèi)設(shè)備已從雙室發(fā)展到多室的甚至包括14 個(gè)室。相對(duì)其他技術(shù)，再生熱氧化處理技術(shù)是化工廢氣處理中廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)。從各個(gè)角度全方位考慮后得出結(jié)論，高溫氧化處理技術(shù)在廢氣處理中擁有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段，有機(jī)廢氣處理裝置的凈化率已超過(guò)98%。因此，在化工廢氣治理中有著廣泛的應(yīng)用前景。

2 RTO 技術(shù)概述

2.1 RTO 裝置發(fā)展歷程

20 世紀(jì)50 年代，燃?xì)饧夹g(shù)取得重要進(jìn)展，但隨著使用范圍的擴(kuò)大，廢氣排放和灰塵以及能源消耗大問(wèn)題日益凸顯。于是，工業(yè)領(lǐng)域開(kāi)始加快步伐，開(kāi)發(fā)新技術(shù)以降低能源消耗。之后，專(zhuān)家學(xué)者長(zhǎng)期致力于研究高溫氣體燃燒，主要的目標(biāo)是改善燃燒設(shè)備的開(kāi)發(fā)。隨著環(huán)保要求不斷提高，再生熱氧化裝置逐漸在廢氣治理的多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)，一方面，減少了能源消耗，節(jié)省了能耗；另一方面，確保了燃燒排放氣體達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 RTO 裝置的工作原理和基本特點(diǎn)

廢氣處理裝置RTO 的處理原理是將有機(jī)化學(xué)廢氣通過(guò)加熱器加熱后進(jìn)入燃燒室高溫氧化生成CO2和H2O，并將廢熱儲(chǔ)存起來(lái)，用作熱能交換預(yù)熱產(chǎn)生的新廢氣。廢氣處理裝置可分為不同規(guī)格的熱儲(chǔ)存室，包括2 個(gè)、3 個(gè)、5 個(gè)不同規(guī)格的熱儲(chǔ)存室和多個(gè)熱儲(chǔ)存室。一般的反應(yīng)吸附再生系統(tǒng)包含共用的燃燒腔、多個(gè)熱儲(chǔ)存室、換向器和對(duì)應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

RTO 適用于處理密度為2 ～8g/m 的有機(jī)廢物氣體，對(duì)于濃度較低的低熱值氣體可以高達(dá)10g/m 以上。在難以處理的成分上，焚燒設(shè)備具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，處理效率可達(dá)到95%以上。此外，廢氣處理設(shè)備具有高度適用性，能有效處理?yè)]發(fā)性有機(jī)物的成分及濃度變化，同時(shí)熱量回收率高，節(jié)約了操作費(fèi)用。

2.3 RTO 裝置設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題

（1）蓄熱體的選用。在化學(xué)工業(yè)廢氣治理中，應(yīng)用可靠、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)的RTO 技術(shù)已經(jīng)廣泛推廣。其中，熱能儲(chǔ)存體是RTO 設(shè)備的核心部分，其熱性能非常重要，直接影響設(shè)備回收熱能的效率。在確定熱能儲(chǔ)存設(shè)備的橫截面積和高度積累值時(shí)，需要綜合考慮廢氣排放量、有害成分濃度、轉(zhuǎn)化時(shí)間等多種因素。循環(huán)加熱和冷卻的熱能儲(chǔ)存設(shè)備在性能方面要求高，包括穩(wěn)定性等方面。在選擇和設(shè)計(jì)廢氣處理裝置時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注熱容量、傳熱性能、表觀比表面積和強(qiáng)度結(jié)構(gòu)等性能指標(biāo)，它們直接影響換熱效率和經(jīng)濟(jì)效益。

（2）蓄熱體的形狀結(jié)構(gòu)。目前，工業(yè)應(yīng)用中，熱能儲(chǔ)存器的形狀主要有管形、球形、蜂巢狀和圓柱形等。其中，蜂巢狀結(jié)構(gòu)被廣泛采用。相較其他幾種結(jié)構(gòu)形式，蜂巢結(jié)構(gòu)的表面積積比球形結(jié)構(gòu)大4 倍，具有快速蓄熱存和散熱速度，不易出現(xiàn)塵埃堵塞，且蜂窩狀結(jié)構(gòu)的通道形態(tài)表現(xiàn)為三角形、正方形和圓管形狀等不同形態(tài)，在熱傳遞方面存在一定的差異。依據(jù)理論和模擬結(jié)果，正方形狀結(jié)構(gòu)具有最具蓄熱能力，但由于通道口徑較小，所以損失阻力大于六邊形狀結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，需綜合考慮熱傳遞性能和阻力損失，選擇合適的蜂窩結(jié)構(gòu)。

（3）蓄熱體的材質(zhì)。蓄熱體的種類(lèi)會(huì)對(duì)其傳熱性能和強(qiáng)度水平產(chǎn)生重要影響。一般來(lái)說(shuō)，在選擇材料時(shí)，應(yīng)該綜合考慮價(jià)格、成本、強(qiáng)度、耐用性和熱傳導(dǎo)性能等因素，并選擇具有優(yōu)異綜合性能的材料。目前，常用的蓄熱體包括鑄造鐵、高溫陶瓷材料、炭素鋼、A10 鋼，以及二氧化硅等材料。目前，在陶瓷制品中，大部分使用硅鋁酸鹽礦和硅酸鹽礦制造陶瓷熱儲(chǔ)體。隨著相變材料技術(shù)的進(jìn)步，也可適量摻入相變材料到原材料中，充分發(fā)揮相變儲(chǔ)熱的優(yōu)點(diǎn)。

3 RTO 裝置在化工廢氣處理中的實(shí)際應(yīng)用

宇新新材料公司是一家專(zhuān)注于炭素材料深加工的高科技公司，其年產(chǎn)量達(dá)到15 萬(wàn)噸的苯甲酸酐產(chǎn)品。為了遵循最新的環(huán)境保護(hù)法規(guī)，公司應(yīng)用催化燃燒技術(shù)處理生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)廢棄氣體。2022 年，公司投入資金運(yùn)行了2 個(gè)12 個(gè)室的RTO 設(shè)備，效果良好，這個(gè)設(shè)備的廢氣處理效率達(dá)到了超過(guò)99%，余熱回收效率高達(dá)94%以上。應(yīng)用廢熱后，生成了8550kPa 的壓力和535℃的高溫水蒸氣，供應(yīng)用戶(hù)使用。新華制藥公司生產(chǎn)和銷(xiāo)售藥品及化學(xué)制品，其廢氣排放中含有各種有機(jī)化合物。過(guò)去采用利用活性炭吸附的技術(shù)處理，但效率不高，回收率低，且不符合當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)。現(xiàn)在，隨著處理收集技術(shù)的不斷改進(jìn)，我們使用廢氣處理設(shè)備，并不斷調(diào)整和優(yōu)化操作參數(shù)。當(dāng)前，針對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物，成功地實(shí)現(xiàn)了高達(dá)98%的降解率。隨著反應(yīng)蒸餾再生設(shè)備的不斷改進(jìn)，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)制藥企業(yè)和化工公司開(kāi)始使用該設(shè)備。

4 RTO 裝置存在的主要問(wèn)題

近年來(lái)，我國(guó)化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的廢氣排放量不斷增加，對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題造成了嚴(yán)重影響。為此，再生熱氧化裝置在化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，以減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。廢氣處理系統(tǒng)是一項(xiàng)整體工程，必須從整體角度出發(fā)加強(qiáng)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的管理控制。但實(shí)際情況下，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷、材料選擇不當(dāng)?shù)仍颍瑫?huì)大大降低廢氣處理系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性能，引發(fā)安全事故事件。因此，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中，需要加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和維護(hù)，以確保廢氣處理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.1 廢氣采集系統(tǒng)的不合理

廢氣排放需要進(jìn)行分類(lèi)處理預(yù)備，否則，大量酸性氣體會(huì)對(duì)設(shè)備損耗嚴(yán)重。此外，燃燒后剩下的物質(zhì)會(huì)長(zhǎng)期積聚在廢氣處理設(shè)備的熱媒底部區(qū)域，降低處理效率，甚至可能引發(fā)火災(zāi)。

4.2 廢氣濃度及氧含量缺乏有效控制

一些化工企業(yè)經(jīng)常沒(méi)有處理廢氣凈化，導(dǎo)致管道中含有機(jī)物的廢氣濃度異常升高，從而引發(fā)溫度報(bào)警。假如溫度達(dá)到爆炸極限，廢氣將被排放到RTO 旁路排放系統(tǒng)，而且廢氣和尾氣混合有可能引發(fā)爆炸事故。另外，進(jìn)氣流量不穩(wěn)定性較大也是導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定的重要因素。

4.3 RTO 裝置選材不當(dāng)

在處理尾氣排放口、控制閥門(mén)或其他部件時(shí)，若選用不銹鋼材質(zhì)，會(huì)極易損壞導(dǎo)致氣體外泄，嚴(yán)重影響設(shè)備穩(wěn)定性；處理排煙管道、凈化塔等時(shí)，若選用塑料材料，也會(huì)極易磨損老化，大大提高了維修費(fèi)用。

4.4 備熱體材料的使用壽命不高

現(xiàn)階段，我國(guó)陶瓷蜂窩的使用壽命較為有限，一般約半年便須更換。隨著廢氣排放的壓力不斷增強(qiáng)，陶瓷蜂窩在長(zhǎng)期暴露于氣體腐蝕和熱循環(huán)環(huán)境中會(huì)受應(yīng)力的影響，致使其抗熱性降低。除此之外，假如儲(chǔ)存熱量的介質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)氣體體積的變化，還會(huì)誘發(fā)陶瓷蜂窩的部分迅速升高溫度，引起大量的熱應(yīng)力的作用，導(dǎo)致蜂窩陶瓷的結(jié)構(gòu)破裂。因此，目前急需解決的問(wèn)題之一是研制出更具耐高溫、抗腐蝕性能的陶瓷蜂窩材料。

5 提升RTO 裝置運(yùn)行穩(wěn)定性的措施

設(shè)計(jì)RTO 裝置的最重要任務(wù)是充分考慮整個(gè)系統(tǒng)的安全操作，包括安全輔助設(shè)備、測(cè)量和控制設(shè)備的設(shè)計(jì)等，以便有效保護(hù)該裝置的平穩(wěn)操作。在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各種因素，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5.1 廢氣采集系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)

一般情況下，化工廢氣中含有大量具有腐蝕性質(zhì)的氣體，需要注意防護(hù)。因此，這些廢氣一旦進(jìn)入處理設(shè)備，就有可能損壞裝置并降低設(shè)備的運(yùn)行效率，甚至影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，在進(jìn)行化工廢氣處理時(shí)，首要任務(wù)是將廢氣排出并進(jìn)行處理。其次，對(duì)于那些有腐蝕性的廢氣，需要進(jìn)行特別處理，應(yīng)及時(shí)清除，以延長(zhǎng)設(shè)備壽命并提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

5.2 加強(qiáng)對(duì)廢氣濃度及氧含量的控制

為加強(qiáng)廢氣控制，應(yīng)對(duì)各種設(shè)備采取氮?dú)獗Ｗo(hù)，以減少揮發(fā)廢氣。利用氣閥將廢棄氣體排放出去，降低其密度和氧含量。同時(shí)，優(yōu)化工廠廢棄氣體進(jìn)入管道內(nèi)的氣流量和氣壓技巧，采用變頻器風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)廢棄氣體的排放數(shù)量，以確保氣體的穩(wěn)定性。

5.3 合理選擇RTO 裝置材料

為了提高設(shè)備的可靠性和降低維護(hù)費(fèi)用，采用具有抗老化性能的PPH 纏繞式旋流塔，爐膛出口的廢氣處理系統(tǒng)更換成抗腐蝕的2507 型不銹鋼，并采用雙相組織的2205 型不銹鋼材質(zhì)作為轉(zhuǎn)換和清洗的閥門(mén)，重新調(diào)整設(shè)備的材料，可以延長(zhǎng)設(shè)備壽命，同時(shí)還能降低維護(hù)成本。

5.4 優(yōu)化陶瓷蓄熱體制備工藝

為解決儲(chǔ)熱用陶瓷材料壽命短暫的問(wèn)題，可以通過(guò)壓制厚壁工件來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)，在制造陶瓷時(shí)，應(yīng)減少助劑的使用量，混合不同粉料粒度，并選用耐高溫性和膨脹性?xún)?yōu)異的材料來(lái)提高整體高溫耐性。應(yīng)選用耐高溫性和膨脹性?xún)?yōu)異的材料。可采用以紅色柱狀石英為材料，替換常用的紫色晶石。經(jīng)過(guò)改良的燃燒裝置使熱量存儲(chǔ)容量增加了1.5 倍，換熱周期增加了120%，同時(shí)有效延長(zhǎng)了熱儲(chǔ)體的使用壽命。

6 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，工廠廢棄的氣體治理技術(shù)逐漸向技術(shù)上的現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化方面發(fā)展。高溫氧化技術(shù)已成為有機(jī)廢氣治理的重要趨勢(shì)。由于廢氣凈化設(shè)備在化工廠的廣泛推廣成功降低了揮發(fā)性有機(jī)物的廢氣的釋放，同時(shí)體現(xiàn)出了一定的社會(huì)效益和環(huán)保效益，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。隨著化工生產(chǎn)企業(yè)廢氣的組成變得復(fù)雜，RTO裝置的穩(wěn)定運(yùn)行能力會(huì)大大降低。因此，需要加快改善和優(yōu)化廢氣收集系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)廢氣中污染物濃度和氧氣含量的調(diào)控，選擇合適的RTO 裝置材料，不斷優(yōu)化裝置的總體性能。同時(shí)，還要采用新型蓄熱體材料技術(shù)，不斷提升RTO 裝置的處理能力和熱量回收率，為企業(yè)降低成本和提高效益提供新途徑。為了符合環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，RTO 裝置的設(shè)計(jì)必須考慮未來(lái)環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，并在設(shè)計(jì)時(shí)就預(yù)測(cè)客戶(hù)未來(lái)的需求，以便未來(lái)的排放標(biāo)準(zhǔn)提高后進(jìn)行改造。