蓄热式氧化焚烧炉RTO在羧基丁苯胶乳生产线上的应用
王小平
[摘 要]介绍了蓄热式氧化焚烧炉（RTO）的工作原理，分析了在涂布生产过程中工业挥发性有机物的产生，对三室RTO进行了工程设计及应用研究，治理结果结果表明， RTO是一种高效、实用、经济的VOCs处理装置，具有较大的应用前景。
[关键词]蓄热式氧化焚烧炉；涂布；VOCs处理
中图分类号：TQ331.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0347-02
引言
大气污染是我国目前最突出的环境问题之一，工业废气是大气污染物的重要来源，工业废气中最难处理的就是挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，以下简称VOCs），由此可见VOCs治理是大气污染治理的一个很重要部分。有机气体的来源主要是各类工业在生产过程中使用的有机溶剂挥发到空气中所造成。工业生产中会产生各种有机物废气，主要包括各种烃类、醇类、醛类、酸类、酮类等，这些有机废气会造成大气污染，危害人体健康。当前，国内外有机废气的处理方式主要有生物处理法、热破坏法、吸附法、液体吸收法、冷凝回收法、变压吸附分离与净化法和热氧化法等工艺。热氧化法是目前应用比较广泛也是研究较多的VOCs治理方法，可分为直接燃烧和催化燃烧，对于生产过程中产生的有毒有害且不需回收的VOCs废气，热氧化法是前最适合的处理技术和方法，且产生的余热还可综合利用，减少能源消耗，该法现已广泛应用于电子、汽车、化工、制药等行业的废气治理领域。
2 蓄热燃烧法的工作原理和工艺特点
2.1 工作原理
在VOCs废气治理中，蓄热燃烧法是目前很有发展前景的VOCs废气治理方法，蓄热式氧化焚烧炉（Regenerative Thermal Oxidizer ，以下简称RTO），是在热氧化装置中加入蓄热式热交换器（蓄热体），回收洁净气体的余热用来预热VOCs废气，再进行氧化反应的装置。
主要作用是对于有毒、有害、不须回收的挥发性有机化合物，采用热氧化法的处理方法，较彻底的清洁空气。它的基本原理是VOCs与O2在一定温度下发生氧化反应，生成CO2和H20，并释放一定量的热。化学方程式如下：
aCxHyOz+bO2→cCO2+dH2O（有机化合物+氧气→二氧化碳+水）
其中o、b、C、d为方程式中的配平系数，随着VOCs分子量的不同而发生变化。
这种氧化反应很像化学上的燃烧过程，只不过由于VOCs浓度很低，所以反应中不会产生可见的火焰。
RTO设备的工作原理图见图1，该设备有3个对称的蓄热室和1个氧化室。
第一次循环：
蓄热室A：有机废气经引风机进入蓄热室A的陶瓷蓄热体（陶瓷蓄热体贮存了上一循环的热量，处于高温状态），此时，陶瓷蓄热体释放热量，温度降低，而有机废气吸收热量，温度升高，废气经过蓄热室A换热后以较高的温度进入氧化室。
氧化室：经过陶瓷蓄热室A换热后的有机废气以较高的温度进入氧化室反应，使有机物氧化分解成无害的CO2和H2O，如废气的温度未达到氧化温度，则由燃烧器直接加热补偿至氧化温度，由于废气已在蓄热室1预热，进入氧化室只需稍微加热便可达到氧化温度（如果废气浓度足够高，氧化时可以不需要天然气加热，靠有机物氧化分解放出的热量便可以维持自燃），氧化后的高温气体经过陶瓷蓄热室B排出。
蓄热室B：氧化后的高温气体进入蓄热室B（此时陶瓷处于温度较低状态），高温气体释放大量热量给蓄热陶瓷，气体降温，而陶瓷蓄热室B吸收大量热量后升温贮存（用于下一个循环预热有机废气），经风机作用气体由烟囱排入大气，排气温度比进气温度高约40℃左右。
蓄热室C：陶瓷蓄热室C处于清扫状态，上一循环结束阀门切换时，阀门与陶瓷蓄热体的底部之间存有少量废气，采用氧化室少量高温气体将其反吹，进入氧化室氧化分解。
第二次循环：废气由蓄热室B进入，则由蓄热室C排出，蓄热室A进行反吹清扫；
第三次循环：废气由蓄热室C进入，则由蓄热室A排出，蓄热室B进行反吹清扫；周而复始，更替交换。
2.2 工艺特点
（1）净化效率高，二室可达95%，三室可达99%以上。
（2）换热效率高（>95%），节能，有机废气1.5g/m3以上浓度就可达热平衡。
（3）不产生NOX（氮氧化物）等二次污染。
（4）耐高温（1000℃），正常温度为800～850℃。
（5）廢气在炉内停留时间长，炉内无死区。
（6）可实现全自动化控制，操作简单，运行稳定，安全可靠性高。
3 RTO的应用
3.1 涂布生产工序产生VOCs情况分析
我公司涂布生产工序是将成卷的PET或纸张基材，涂上一层特定功能的涂料，并经烘箱烘干后冷却收卷的过程，具体工艺流程见图2。
在生产过程中，主要有三个工序产生有机废气，分别为配料、涂布、烘干工序，其中烘干工序所产生的废气最多。公司现有3台涂布机（共有5个涂布头），3台涂布机以及涂布车间环境设置了排风系统，最大总排风风量为80000m3/h。
在正常生产负荷情况下，对涂布机VOCs排放进行检测，检测内容和方法如表1所列，实测数据如图3所示。
根据监测结果，涂布车间的VOCs排放浓度远高于上海市印刷行业地方标准限值。
3.2 RTO工程设计
上海市地方标准《印刷业大气污染物排放标准》DB31/872-2015：
根据表2涂布机排放实测数据，为达到上海市印刷业大气污染物排放标准，选择净化效率在99%以上的三室RTO，设计风量为80000m3/h。
RTO设计主要部件及功能：
（1）氧化室
氧化室是废气氧化的主要场所，设计的正常运行温度为800℃，最高使用温度为1000℃，由蓄热室预热后的废气在这里发生氧化反应，生成CO2和H2O。氧化室位于蓄热室顶部，各室的法兰面采用连续焊接以保证氧化室的气密性，各室须有足够的强度以承受RTO系统风机产生的最大压力。腔体的钢板设计厚度为8mm，各个内侧面采用陶瓷纤维软制品内保温，陶瓷纤维用不锈钢螺钉固定在钢板上。腔体外焊加强筋，以增加腔体的刚度。氧化室在操作侧面安装有1个气密良好的人孔，供内部维修和陶瓷质量检查。顶部安装有泻爆板，以防在腔体爆炸时保护设备不受损伤。
腔体内安装有三套温度传感器，两套用于PLC温度控制，一套用于硬接线的超高温报警停机。
（2）燃烧器和附件
RTO安装一套燃烧器来预热陶瓷填料的初始升温，同时在溶剂浓度较低时，用以维护氧化室的温度。
燃烧器的燃料为柴油，比例调节范围为5：1，采用电动执行机构进行比例调节。燃烧器是强制的小火启动，大火启动需在小火启动后一定时间进行，燃烧检测采用霍尼威尔的火焰检测器，具有高温保护装置和必须的安全启动连锁，并确保在系统失效时设备处于安全状态。
燃烧系统配置有燃料阀门、补充空气阀门及管线、操作平台等。
（3）蓄热室
蓄热室的四周采用连续焊，保证气密性，钢板厚度为10mm，每个蓄热室安装内保温，保温材料采用陶瓷纤维软制品，用不锈钢螺钉固定在钢板上，共3个蓄热室，每个蓄热室的上、中、下装有三套热传感器，用于陶瓷的温度和运行状态检测。一个蓄热填料床用来预热废气至800℃以上，同时另一个蓄热填料将高温气的热量蓄积在陶瓷床上。3个蓄热室均包括一个用隔栅做支撑的蓄热床，陶瓷填料规格为1″矩鞍环，能耐温1050℃，热效率不小于95%。设计废气最大流速为1.30米/秒。
（4）阀门
在RTO主体的底部安装有六台蝶阀，用于工艺气体进入、排出不同蓄热室的切换，主体材料为不锈钢。蝶阀的压降小，安装灵活性大，气体滞留空间小，使系统具有较高的VOC分解率，而且在处理污浊气流时蝶阀具有很高的可靠性。
每次两个阀门用于切换工艺气体进入RTO蓄热室，两个用于切换处理后的气体排出RTO蓄热室，两个执行间隙未完全处理的回炉处理。
阀门由压缩空气推动的气动执行机构实行开关，轴上装有高精度轴承，并能承受设备运行时的高温工况。阀门上自带压缩空气储罐和开闭状态检测开关，每次开或关的动作执行时间小于0.8秒，通过阀门的气流速度不超过15米/秒。
（5）排气烟囱
高度为18米，且高于主车间外墙面5米。
烟囱独立安装，材质为碳钢。
烟囱上半段根据国家标准设置有采样孔，采样孔处安装操作平台，并设有直爬梯供人员上下。
（6）控制系统
RTO自动控制系统采用西门子 PLC编程控制，系统运行过程全自动控制。控制柜配有触摸屏，对整个RTO系统运行情况进行实时监控，独特的模块化程序设计，使得用户操作简单。
可在触摸屏上进行诸如废气进入RTO温度、炉膛温度、工艺风机进口负压、热回收室加热与被加热切换时间等运行参数设定。
PLC配置有强大的通讯模块，用户可以对系统进行远程控制和运行数据采集。具有点火前的安全预吹掃、高压脉冲点火、熄火自动保护、超温报警并自动切断燃料供给等保护连锁功能。炉膛内温度传感器能快速反应炉膛温度，通过 PLC系统调节高温旁通阀的开度，使炉膛温度稳定在815℃，当炉膛温度超过850℃时，系统将自动声光报警，超过950℃时，系统将自动进入保护运行程序，确保系统设备和人身安全。
（7）安全系统
当系统停电时，引入RTO的废气自动排放至大气，确保主体设备的安全，RTO氧化室设计有高温自动切换功能，当氧化室温度过高时，废气也会自动切换至大气。
RTO底部的切换阀门、新风阀门、烘箱废气通大气与接入RTO的风阀门，均安装阀门到位动作装置，确保RTO运行安全。
柴油管路设计带高压过压与高压溢流功能，当点火失败或断电断气，系统自动关闭，确保燃烧系统的安全，燃烧系统的控制元件选用德国进口，确保在非燃烧状态的燃料完全切断。
RTO顶部设置有超压泻爆门，当炉内出现意外高压时，确保设备的主体安全。
助燃风机、工艺主风机、燃料阀、燃烧室温度、导热油循环泵等均设计为带安全连锁功能，确保整套设备安全持久运行。
3.4 RTO处理效果
VOCs废气经收集后由引风机送入RTO，经处理后高空排放。
在正常生产负荷情况下，由专业检测机构对VOCs排放取样检测，监测项目为非甲烷总烃，监测分析方法及仪器见表1，测得结果如表3所示。
结果表明，VOCs经RTO处理后完全可以达标排放。从表3还可以看出，非甲烷总烃两次监测结果的净化效率分别为99.6%和99.8%，表明RTO是一种非常高效的VOCs处理方法。
4 结语
目前RTO已安全运行1年多，净化效率达到99%以上，蓄热式氧化焚烧技术在涂布行业是一种非常高效的VOCs处理方法，具有推广的前景。当有机废气浓度较高时，氧化焚烧后会产生大量的热能，未来，对热能进行综合利用，以资源化循环利用为目的的RTO技术将是 VOCs处理技术的发展趋势，在节约能源和减少污染的情况下，还可获得可观的经济效益和社会效益，前景相当广阔。
