代強(qiáng)

恩國環(huán)?？萍迹ㄉ虾＃┯邢薰?（上海 201805）

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）是指參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物，一般指沸點(diǎn)低于250℃的化學(xué)物質(zhì)。VOCs不但對(duì)環(huán)境質(zhì)量、人體健康、動(dòng)植物造成極大的直接危害，且在光氧化反應(yīng)下，易形成二次有機(jī)氣溶膠，導(dǎo)致光化學(xué)煙霧、酸雨、霾和氣候變化等一系列問題[1]。VOCs是形成PM2.5和臭氧的重要前體物質(zhì)，不少VOCs還能增強(qiáng)溫室效應(yīng)，具有累積性和持久性等特點(diǎn)。蓄熱式氧化爐（RTO）于20世紀(jì)90年代最早出現(xiàn)在美國加利福尼亞州一個(gè)金屬成品廠的卷材連續(xù)涂覆線上[2-3]；由于其熱能回收效率的大幅度提高，在歐美國家得到迅速推廣并應(yīng)用于工業(yè)VOCs廢氣的處理。近10年來，RTO在國內(nèi)出現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢(shì)頭，在石化、化工、制藥、農(nóng)藥、噴涂、印刷、電子等行業(yè)都得到應(yīng)用[4]。

1 RTO的基本原理和構(gòu)成

RTO是指將揮發(fā)性有機(jī)廢氣進(jìn)行熱力氧化治理，并利用蓄熱體對(duì)VOCs進(jìn)行換熱升溫、對(duì)凈化后排氣進(jìn)行換熱降溫的氧化裝置。因其適用范圍廣、處理效率高、熱回收效果顯著等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。RTO通過高溫氧化原理對(duì)VOCs進(jìn)行處理，處理后的氣體成分主要為水、二氧化碳等。

1.1 RTO基本原理

RTO由兩個(gè)蓄熱床及一個(gè)燃燒室構(gòu)成，蓄熱床及燃燒室加固并由陶瓷纖維內(nèi)保溫。蓄熱床內(nèi)填有耐高溫蓄熱陶瓷，可以儲(chǔ)存氧化后高溫?zé)煔馑鶖y帶的能量，用于預(yù)熱入口工藝廢氣。焚燒爐利用燃燒器維持爐內(nèi)溫度高于有機(jī)物氧化溫度。切換閥和風(fēng)管通道位于焚燒爐旁邊；通過兩個(gè)切換閥組的切換使廢氣在焚燒爐內(nèi)交替作順時(shí)針和逆時(shí)針流動(dòng)，氣流方向的切換由可編程邏輯控制器（PLC）控制完成。

RTO運(yùn)行時(shí)，廢氣經(jīng)由切換閥進(jìn)入一側(cè)蓄熱床，通過蓄熱床后進(jìn)入燃燒氧化爐腔。在這個(gè)過程中，高溫蓄熱陶瓷先預(yù)熱入口廢氣，廢氣經(jīng)過蓄熱床時(shí)溫度會(huì)急劇上升，預(yù)熱后的廢氣被導(dǎo)入氧化爐腔。在氧化床中，廢氣經(jīng)高溫氧化反應(yīng)后變?yōu)楦邷馗蓛魵怏w，然后通過另一側(cè)的蓄熱床加熱蓄熱陶瓷，將能量儲(chǔ)存在蓄熱陶瓷中，再經(jīng)切換閥排至煙囪。系統(tǒng)通過PLC控制閥門作定期切換，這樣周期性的切換使整個(gè)氧化爐體內(nèi)部的溫度分布更加均勻，可保持蓄熱床熱量回收利用率。

1.2 RTO的基本構(gòu)成

通常，RTO由5個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，即：動(dòng)力系統(tǒng)、切換系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、熱氧化系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，見圖1。

動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)責(zé)將VOCs從污染源輸送至RTO裝置中，需要統(tǒng)籌考慮風(fēng)機(jī)風(fēng)量和壓力對(duì)工藝端的影響，確保不干涉生產(chǎn)，同時(shí)可以克服RTO及后處理裝置的壓損。但在一些化工反應(yīng)過程中，VOCs源強(qiáng)帶壓，如精對(duì)苯二甲酸（PTA）和順酐工藝，針對(duì)這類廢氣，可以考慮將動(dòng)力系統(tǒng)省去。

圖1 兩床RTO原理示意圖

切換系統(tǒng)通過交替切換實(shí)現(xiàn)VOCs及其氧化后熱煙氣的進(jìn)出口調(diào)整，通常設(shè)計(jì)有垂直切換閥、水平切換閥、蝶閥、旋轉(zhuǎn)切換閥等。

蓄熱系統(tǒng)將VOCs氧化后釋放的熱能蓄積在爐內(nèi)以備預(yù)熱進(jìn)氣使用，通過不斷交替切換實(shí)現(xiàn)熱能的綜合利用，以達(dá)到節(jié)能的目的。蓄熱體的設(shè)計(jì)和選型需要綜合考慮，如熱容量、熱導(dǎo)率性能、抗熱震性、耐酸堿腐蝕性以及防堵性等。

熱氧化系統(tǒng)是在設(shè)定滯留時(shí)間和溫度下將VOCs分解成二氧化碳和水等，其去除破壞效率受到 3T 約束，即溫度（Temperature）、滯留時(shí)間（Time）和湍流（Turbulence）。溫度可通過以VOCs的自燃點(diǎn)（AIT）為基礎(chǔ)增加適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)行設(shè)定，滯留時(shí)間通過氣體風(fēng)量進(jìn)行設(shè)定，湍流主要通過流場(chǎng)模擬實(shí)現(xiàn)上述氧化反應(yīng)。如RTO滯留時(shí)間為0.5 s時(shí)，熱力氧化溫度為所含VOCs中最高AIT上加150℃，在一定的湍流情況下可實(shí)現(xiàn)95%的去除效率；如熱力氧化溫度為所含VOCs中最高AIT上加205℃，在一定的湍流情況下可實(shí)現(xiàn)98%的去除效率。如若想獲得更高的去除效率，則可考慮將RTO的滯留時(shí)間延長1～2 s，同時(shí)提高熱力氧化溫度。RTO滯留時(shí)間為1 s時(shí)，如熱力氧化溫度為所含VOCs中最高AIT上加288℃，在一定的湍流情況下可實(shí)現(xiàn)99.9%的去除效率；若將滯留時(shí)間延長至2 s可實(shí)現(xiàn)更高的去除效率。但工業(yè)設(shè)計(jì)需要統(tǒng)籌考慮占地、造價(jià)和運(yùn)行成本等，并非效率越高越好，需要與終端客戶進(jìn)行充分交流和討論，確定最合理的設(shè)計(jì)條件。上述3個(gè)因素中，溫度是主導(dǎo)因素、滯留時(shí)間是限定因素、湍流是輔助因素。

控制系統(tǒng)是RTO的大腦，通過合理的設(shè)計(jì)和編程實(shí)現(xiàn)上述功能，針對(duì)要求較高的項(xiàng)目，需要采用安全性PLC、儀表的冗余設(shè)計(jì)和控制回路來確保滿足不同客戶的安全完整性等級(jí)（SIL）需求。對(duì)于較復(fù)雜的項(xiàng)目，如VOCs中含有鹵素、氮氧化物、硫化物等成分，RTO還需要配套后處理系統(tǒng)，如選擇性催化還原技術(shù)（SCR）、驟冷系統(tǒng)、堿洗系統(tǒng)等。

2 兩床式RTO切換瞬間VOCs排放問題探討

當(dāng)兩床式RTO在從A床切換到B床后，熱力氧化后的熱煙氣通過B床后經(jīng)由切換系統(tǒng)排放至煙囪（達(dá)標(biāo)排放），同時(shí)將VOCs氧化后釋放的熱能蓄積在B床內(nèi)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的切換時(shí)間后（通常90～180 s），由B床切換至A床的瞬間，A床底部仍蓄積的待進(jìn)入高溫氧化系統(tǒng)內(nèi)的VOCs被氣流直接帶至切換系統(tǒng)，直接進(jìn)入煙囪逸散。此未經(jīng)治理的揮發(fā)性有機(jī)廢氣會(huì)導(dǎo)致在切換瞬間排放不達(dá)標(biāo)。國家及各省市的大氣污染物濃度排放要求的是小時(shí)平均值，如上海市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 31/933—2015《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中3.15條最高允許排放質(zhì)量濃度定義為“排氣筒中大氣污染物任何1 h質(zhì)量濃度（mg/m3）平均值不得超過限值”。因此，理論上兩床式RTO治理VOCs，通過合理設(shè)計(jì)蓄熱體底部的體積可以確保VOCs小時(shí)內(nèi)排放平均值達(dá)標(biāo)。但受在線監(jiān)測(cè)和廠內(nèi)VOCs排放總量指標(biāo)等制約，近些年兩床式RTO在切換瞬間造成的未經(jīng)處理VOCs逸散現(xiàn)象越來越受到各界關(guān)注，以年操作7200 h、每3 min切換一次為例，每年理論切換14.4萬次。每次切換都伴隨著瞬間逸散的問題，因此該問題需通過行之有效的工程設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 增設(shè)吹掃塔系統(tǒng)

在既有兩床RTO基礎(chǔ)上，增加第三顆切換閥、吹掃塔、循環(huán)風(fēng)機(jī)，可以有效捕集原RTO切換過程瞬間逃逸的未被治理的VOCs，如圖2所示。當(dāng)RTO系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，干凈氣體通過第三切換閥直接進(jìn)入煙囪，而在第一和第二切換閥切換瞬間，會(huì)有少量未經(jīng)處理的工藝廢氣泄露至下游管道。第三切換閥將泄露出的廢氣收集起來導(dǎo)入吹掃塔，再經(jīng)循環(huán)風(fēng)機(jī)引入到RTO入口。這樣可以有效地避免切換閥切換時(shí)，尾氣VOCs質(zhì)量濃度出現(xiàn)峰值的情況，從而提高VOCs的去除效率。

圖2 兩床RTO增設(shè)吹掃塔原理示意圖

當(dāng)涂布、噴涂、印刷等廢氣中VOCs僅有碳、氫、氧組分時(shí)，采用增設(shè)吹掃塔的方式可高效解決兩床RTO切換瞬間的VOCs逸散問題。但當(dāng)制藥和農(nóng)化等行業(yè)廢氣中含鹵素或腐蝕性較強(qiáng)的物質(zhì)時(shí)，由于氣流經(jīng)過的路線較多，其可腐蝕的設(shè)備也增多，綜合考慮不建議通過增設(shè)吹掃塔的方式解決RTO廢氣逸散問題。

2.2 增設(shè)第三床

在設(shè)計(jì)和制造時(shí)，在兩床RTO基礎(chǔ)上增加第三個(gè)床，即為三床式RTO。在各個(gè)床的底部均設(shè)有進(jìn)氣口、出氣口、切換閥、通風(fēng)管道等，這些裝置可以使得廢氣進(jìn)出RTO的腔室，實(shí)現(xiàn)凈化，還有一股吹掃空氣以及吹掃閥門，這些過程均通過PLC控制完成。為了確保最佳去除效率，通常設(shè)定每90 s進(jìn)行一個(gè)循環(huán)的切換，見圖3。

圖3 三床RTO原理示意圖

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，工藝廢氣通過上一循環(huán)作為吹掃狀態(tài)的高溫蓄熱床預(yù)熱，工藝廢氣經(jīng)過預(yù)熱后溫度快速上升。當(dāng)此工藝廢氣進(jìn)入燃燒室后，氧化反應(yīng)發(fā)生，熱量以及干凈的氣體將經(jīng)過另外一床蓄熱陶瓷，此時(shí)熱量將被該蓄熱陶瓷吸收。這些切換過程以及間隔時(shí)間全部由PLC控制，周期性的換向切換將使熱量均勻地分布在整個(gè)氧化爐內(nèi)。

三床式設(shè)計(jì)的工藝循環(huán)過程詳見表1。如此循環(huán)往復(fù)，使得廢氣氧化所釋放的熱量被充分利用。三床式的設(shè)計(jì)消除了由廢氣入口變成處理后氣體的排放出口之間切換的間歇排放問題，最大限度地減少閥體切換時(shí)漏排的可能。

表1 三床RTO工藝循環(huán)匯總

3 兩床、兩床增設(shè)吹掃塔及三床式RTO設(shè)計(jì)對(duì)比

以 10 000 m3/h、3 000 mg/m3、VOCs成分為甲苯和乙醇的某化工行業(yè)VOCs治理項(xiàng)目為例，兩床、兩床增設(shè)吹掃塔、三床RTO方案對(duì)比如下所示。

（1）爐體結(jié)構(gòu)：三床式RTO比兩床式RTO多了一個(gè)床，相應(yīng)增加了一個(gè)床的蓄熱陶瓷、內(nèi)保溫以及蓄熱床內(nèi)防腐等，因此系統(tǒng)阻力有所增加，但均按照熱回效率95%進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）吹掃方式：兩床式RTO通過獨(dú)立的吹掃塔捕集切換瞬間逸散的VOCs，可針對(duì)既有兩床RTO設(shè)備進(jìn)行較為靈活的改造。三床式RTO的每個(gè)床都周期性以“蓄熱、放熱、吹掃”運(yùn)轉(zhuǎn)，取消了獨(dú)立外置的吹掃塔，吹掃風(fēng)機(jī)仍保留，但增加了3個(gè)自動(dòng)吹掃閥和3個(gè)手動(dòng)吹掃閥，需要在設(shè)計(jì)階段完成設(shè)計(jì)。

（3）切換閥：三床式RTO，每個(gè)床進(jìn)出口各配置1個(gè)切換閥，共6個(gè)閥；而兩床+吹掃塔系統(tǒng)共3個(gè)切換閥，相應(yīng)地增加了出口側(cè)管道。

（4）占地面積：三床RTO比兩床RTO多了一個(gè)床，所以長度增加約30%。吹掃塔可靈活擺放，在占地緊湊的場(chǎng)地，可以架高設(shè)計(jì)以利用垂直空間。

（5）公用工程：三床RTO整體表面積增大，熱損約增加30%，在設(shè)計(jì)工況下，理論上天然氣消耗會(huì)增加，電量消耗相差不大，壓縮空氣消耗略減小。

（6）一次性投資：在項(xiàng)目一次性投資上，增設(shè)吹掃塔較兩床RTO投資約增加15%～25%；三床RTO較兩床RTO投資約增加30%～35%，要求更高的項(xiàng)目甚至?xí)黾?0%～50%。

（7）去除效率：兩床RTO可實(shí)現(xiàn)98%～99%的去除效率，增設(shè)吹掃塔后可以提升至99%～99.2%，如設(shè)計(jì)成三床RTO則可以達(dá)到99%～99.5%甚至更高的去除破壞效率。因此，對(duì)比凈化后VOCs排放，兩床會(huì)在每3 min切換的瞬間產(chǎn)生短暫（0.5～1 s）的波峰，峰值可達(dá)60～90 mg/m3，增設(shè)吹掃塔后該波峰穩(wěn)定在35～40 mg/m3。三床排放VOCs質(zhì)量濃度比較平穩(wěn)，保持在 25～30 mg/m3。

4 結(jié)語

十三五期間RTO在高效治理VOCs方面得到了較多的應(yīng)用，以其去除效率高、應(yīng)用行業(yè)廣、熱效率高等特點(diǎn)在國內(nèi)有諸多示范工程。兩床RTO切換瞬間存在VOCs逸散的問題，通過合理設(shè)置吹掃塔可有效解決該問題，在占地和資金條件允許的情況下可考慮三床RTO。RTO設(shè)計(jì)需要綜合考慮安全、去除效率、占地、一次性投資費(fèi)用及長遠(yuǎn)運(yùn)行費(fèi)用、合規(guī)性等，切忌一概而論，如在配套沸石轉(zhuǎn)輪濃縮的項(xiàng)目中，即便采用兩床RTO也可實(shí)現(xiàn)尾氣穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。無論是兩床RTO增設(shè)吹掃塔還是三床RTO，在設(shè)計(jì)時(shí)都要遵守安全準(zhǔn)則，滿足企業(yè)所在地、行業(yè)的排放需求，從而達(dá)到設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行能耗低且長期穩(wěn)定的目的。

展望十四五，蓄熱式氧化技術(shù)及其組合工藝定會(huì)為我國環(huán)境保護(hù)和社會(huì)可持續(xù)性發(fā)展作出貢獻(xiàn)，兩床RTO增設(shè)吹掃塔及三床RTO也必將展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。