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    VOCs廢氣蓄熱焚燒(RTO)發展史及簡評

    來源:VOCs減排工作站      發布時間:2021-05-13       閱讀次數:

    眾所周知,蓄熱爐(也稱熱風爐)很早以前已在化工、冶金等行業中用于空氣的預熱,以便充分利用生產過程排出煙氣的熱能。用RTO來處理VOCs廢氣就是在此基礎上發展起來的。

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    較早將RTO用于VOC廢氣的凈化大致在20世紀70年代初(約1972年),由美國Hamon Research-Cottrell公司第一次將RTO引入市場。當時用陶瓷材料作為蓄熱體,最高的熱效率也就在80-85%之間。1978年美國加利福尼亞州金屬制品廠的漆包線生產線也是用RTO來處理含溶劑的排放廢氣。之后,隨著世界各國對VOC排放的嚴格控制和對排放允許限值的要求越來越嚴,因而涉及需要對排放VOC廢氣進行處理的領域也越來越寬,必須配備VOCs廢氣凈化裝置的企業自然不斷增多。到20世紀90年代中期,特別在歐美發達國家,RTO已經非常普遍地用于VOC廢氣的凈化處理。


    采用RTO,雖然一次性投資較大,但其優點是:

    首先,它幾乎可適應所有有機廢氣的處理,而且熱效率極高,特別是當廢氣中有機物的濃度合適時,可不必添加輔助燃料而實現自供熱操作,從而達到既節能、減排又能符合排放要求;

    其次,當廢氣濃度較高時還可回收熱量,借以補償或回收投資;

    此外,RTO的操作方便、可靠,很少需要維護。


    目前,典型的RTO已從兩室、三室、五室發展到七室和多室裝置,并已開發了許多不同類型的RTO裝置,以滿足各種需要,例如:單床式RTO和旋轉式RTO在切換閥(換向閥)方面也作了許多改進,提高了其密封性和快速性,并延長其使用壽命;也有用旋轉式氣體分配器切換氣流方向來代替傳統的切換閥,而不必使蓄熱體旋轉。


    RTO的裝置規模已有從處理小氣量到極大氣量的系列。在2000年,當時稱為歐洲最大的一套RTO裝置是由LTG Mailaender,  GmbH為英國一家墻紙生產廠設計的,用于處理印刷車間排出含有機溶劑和增塑劑的廢氣,其處理風量為300000Nm3 /h,兩套、三室式,即當時的單套處理能力已達150000Nm3 /h。目前RTO裝置一般系列為5000-80000Nm3/h,一套RTO裝置的最大處理能力可達400000-600000Nm3/h。


    根據有機廢氣中V OC的種類和組成,一般講,當廢氣中VOC濃度達到2-3g/m3時(視VOC的熱值大小而定),即可實現自供熱操作。若廢氣濃度達不到自熱操作,但十分接近自熱點的濃度時,則可在原料廢氣中補充一些燃料氣而達到自供熱操作所需濃度,但必須有防爆安全監控裝置,以確保VOC濃度低于爆炸下限。如果廢氣中VOC濃度較高,則可以回收余熱,例如:用于加熱導熱油或生產熱水、蒸汽等,從而可以回收投資費用。

     

    在RTO的設計方面,許多環保工程公司均已開發了相應的設計計算軟件,以及對RTO的操作行為、流體力學和傳熱進行數值模擬和優化。目前RTO裝置大多采用模塊組合式、集裝箱式和預制件式的標準、系列化設計,以適應不同的氣體處理量要求,并且可以在很短時間內在現場安裝完畢。

     

    此外,美國Thermatrix Inc.(現屬Selas-Linde公司)還開發了填充陶瓷蓄熱體的無火煙熱力氧化裝置(Flameless Thermal Oxidation,  FTO),為適應不同的氣體處理量,節省風機電能消耗,風機采用變頻控制。


    RTO裝置中對熱交換起到關鍵作用的是蓄熱填充物,也稱蓄熱體,常用陶瓷材料做成。在陶瓷蓄熱體方面,目前RTO中經常使用的基本上還是陶瓷散堆填料和陶瓷規整填料兩大類。在散堆填料方面:最初采用化工中常見瓷球和陶瓷矩鞍環,而用得較多的是陶瓷矩鞍環。近代的陶瓷矩鞍環在開孔面積和氣流流道的設計方面均有很大改進,從而進一步防止了填料的相互疊套和降低氣流通過填料床層時的壓力損失,例如:美國Koch Knight公司開發的新型陶瓷矩鞍環填料(Flex-eramic Saddles),其壓降比傳統的陶瓷矩鞍環可降低20%;美國原Norton公司研制開發了陶瓷Ty-Pak填料,一種扁平的、類似8字形的填料,據稱在相同效率情況下與原來矩鞍環相比,操作費用較低(壓降較低),而且不易破碎。在規整填料方面,目前應用最多的還是陶瓷蜂窩填料(Ceramic Honey Comb),因為無論在傳熱性能還是在流體力學性能方面均優于散堆填料。在同樣條件下與散堆填料相比,采用陶瓷蜂窩填料作為蓄熱體,可以大大降低壓降,從而減少了操作費用;同時還可減小RTO裝置的容積,因而降低了投資費用。除陶瓷蜂窩填料外,也有采用類似化工生產中常見的陶瓷波紋填料作為蓄熱體,例如美國Koch Knight公司開發的陶瓷波紋填料(Flexeramic Corrugated Structured Packing),據稱這種蓄熱體具有良好的氣流分布性能,而且不像陶瓷蜂窩填料的孔是直通的,一旦一個孔道局部受堵,將殃及上、下整個通道。當然,陶瓷蜂窩填料也在不斷改進,除了改變小孔形狀和增強抗壓強度外,例如為防止上述堵孔,將蜂窩柱的一個端面加工成圓弧凹面。除上述類型的蓄熱體外,還有可整砌的小塊蓄熱體,例如美國Saint-UobainNor Pro公司開發的三角孔眼正六邊形的蓄熱體(HexPak ),因而也具有規整填料的優點??偟膩碇v,兩種類型的蓄熱體都在使用,但規整填料的價格比散堆填料貴好幾倍;不過在正常情況下,一般的陶瓷散堆填料的使用壽命約為5年,而規整陶瓷蜂窩填料的壽命長達10年之久。

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    從目前RTO裝置技術的進一步發展看:

    首先是力求減排(減少NOx的排放),這就要求改善燃燒器的設計(例如已開發低NOx的燃燒器)和燃燒過程特別是對燃燒溫度的控制,以及采用電加熱來替代油/氣燃料,借以避免添加輔助燃料燃燒和高溫可能引起的二次污染;


    其次是研究如何提高氣速、開發高效的蓄熱體來縮小裝置的容積,借以降低投資費用;改進氣體的初始分布來提高蓄熱體的有效利用率和傳熱效果;改進切換閥來延長其使用壽命;進一步開發對裝置中諸參數的自動監測控制,借以提高操作的安全性和可靠性等方面,還有許多值得研究的問題;


    此外,對RTO裝置進行數值計算和計算機模擬,可以預先了解過程的操作行為和優化裝置的設計,并在某些方面可代替RTO的中間試驗來節省費用。


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