摘 要：【目的】分析蓄熱氧化爐（RTO）長時間在低負荷運行時，出現(xiàn)中下部異常升溫現(xiàn)象的成因?！痉椒ā恳允痔仔袠I(yè)RTO系統(tǒng)為研究對象，分析不同運行時期的蓄熱室各區(qū)域的溫度變化情況。【結(jié)果】正常運行初期，蓄熱室各區(qū)域在設(shè)定范圍內(nèi)相對穩(wěn)定，上層約600 ℃，下層約250 ℃，波動?。坏S著設(shè)備運行時間增長，蓄熱室溫度明顯升高，上層升至約700 ℃，下層升至約300 ℃。這種現(xiàn)象的成因主要包括蓄熱體高溫性能退化、廢氣風(fēng)量不足及運行控制策略不當(dāng)?shù)?。【結(jié)論】應(yīng)從優(yōu)化蓄熱體選型與維護、改進進氣系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化燃燒系統(tǒng)及多廢氣源協(xié)同混合處理等方面進行改進。

關(guān)鍵詞：RTO；廢氣風(fēng)量；異常升溫

中圖分類號：X701 " " 文獻標志碼：A " "文章編號：1003-5168（2025）06-0088-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.06.016

Analysis and Solutions for Abnormal Temperature Rise in the Middle and Lower Part of RTO Furnace

SHAO Yong1 WEI Ziqiang2 ZHOU Anyi3 QIU Dayan3 CAO Wei1 ZOU Fuguo1 LI Fan1

（1.Nanda Enjiyu Environmental Technology （Jiangsu） Joint Stock Company， Nanjing 210093， China; 2. College of Environment， Nanjing University， Nanjing 210046， China; 3. Jiangsu Fenhu High-tech Industrial Development Zone Work Safety Supervision and Environmental Protection Bureau， Suzhou 215100， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to analyze the causes of abnormal temperature rise in the middle and lower parts of the heat storage chamber of regenerative thermal oxidizer（RTO） during its long-term and low-load operation. [Methods] Taking a glove industry RTO system as the object of study， This paper analyzes the temperature changes in each area of the heat storage chamber in different operating periods. [Findings] At the beginning of normal operation， the regions of the thermal storage chamber are relatively stable within the set range， the upper layer is about 600 ℃ lower layer is about 250 ℃， with small fluctuations; but with the growth of equipment operation time， the temperature of the thermal storage chamber rises significantly. The upper layer rises to about 700 ℃，and the lower layer rises to about 300 ℃. [Conclusions] Improvements should be made by optimizing the selection and maintenance of the heat accumulator， improving the design of the air intake system， perfecting the combustion system， and exerting synergistic mixing "treatment of multiple exhaust gas sources.

Keywords： RTO; exhaust air volume; abnormal temperature rise

0 引言

隨著全球范圍內(nèi)環(huán)保意識的增強和法律法規(guī)的嚴格化，揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的排放控制已成為各行各業(yè)不可忽視的重要議題［1］。作為一類高效、環(huán)保的VOCs處理技術(shù)，蓄熱室氧化爐（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）因其能夠高效處理中高濃度、成分復(fù)雜的有機廢氣，同時兼具熱回收率高、運行穩(wěn)定、二次污染小等優(yōu)點，在石油化工、化學(xué)制藥、噴涂、印刷及手套制造等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。然而，在實際應(yīng)用過程中，RTO爐的運行穩(wěn)定性是一個亟待解決的問題，尤其是蓄熱室中下部異常升溫的現(xiàn)象頻繁發(fā)生，不僅嚴重削弱了RTO爐的熱回收效率，增加了能源消耗，而且可能因溫度控制不當(dāng)導(dǎo)致廢氣處理效果不佳，未能達到排放標準，進而引發(fā)二次污染的風(fēng)險，對環(huán)境和人體健康構(gòu)成潛在威脅［2］。

本研究通過系統(tǒng)回顧RTO爐處理廢氣的基本原理，結(jié)合手套行業(yè)實際工程案例，深入分析RTO爐蓄熱室中下部異常升溫的具體表現(xiàn)、可能的原因及其影響機制［3-4］。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集與分析，結(jié)合理論計算與模擬試驗，提出了一套科學(xué)、有效的解決措施，以期解決RTO爐運行中的問題，提升設(shè)備整體性能，確保廢氣處理達標排放，為RTO爐的長期穩(wěn)定運行提供技術(shù)支持。

1 蓄熱室氧化爐概述

蓄熱室氧化爐是熱氧化技術(shù)的主要設(shè)備，利用蓄熱室換熱器的原理，在熱力燃燒的基礎(chǔ)上填充蓄熱材料，通過蓄熱體回收熱量。與傳統(tǒng)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(yōu)點。熱效率最高可以達到95%以上，凈化效率可以達到99%［5］。

RTO主體設(shè)備由氧化室、蓄熱室、集氣室構(gòu)成。工作時，廢氣進入蓄熱室預(yù)熱，隨后進入燃燒室高溫氧化分解，凈化后的高溫氣體通過另一蓄熱室釋放熱量給蓄熱體，實現(xiàn)熱量回收，換向閥定時切換氣流方向，使兩蓄熱室交替蓄熱、放熱，維持系統(tǒng)連續(xù)運行。集氣室是氣體進出RTO的流經(jīng)通道，位于蓄熱填料的底部區(qū)域，其作用是使氣體均勻地流經(jīng)或流出蓄熱室；蓄熱室是RTO內(nèi)儲放蓄熱填料的地方，位于燃燒室和集氣室之間，蓄熱室內(nèi)的蓄熱填料是整臺設(shè)備的核心部件，也是RTO區(qū)別于其他廢氣焚燒設(shè)備的關(guān)鍵部件，起儲存和釋放能量的作用。以五室RTO為例，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

最初的RTO設(shè)備僅有兩室，兩室RTO沒有吹掃工序，在進行閥門切換時，部分VOCs廢氣沒有經(jīng)過處理直接排放，降低了VOCs的去除效率。多室RTO是在廢氣量非常大的情況下，為保證廢氣進氣的均勻性，增加了同時進氣和出氣的蓄熱室數(shù)量。目前三室RTO是主流實用裝置，較好兼顧了效率和投資成本［6］。當(dāng)廢氣流量大時，為保證氣流的均勻分布和傳熱效率，應(yīng)過渡到五室RTO，當(dāng)處理量更大時，可用七室，以此類推［7］。隨著技術(shù)的不斷突破，目前以十二室為主的旋轉(zhuǎn)式RTO憑借其占地面積小、系統(tǒng)壓力波動小等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。此外，現(xiàn)代RTO通常配備有PLC可編程自動化控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)精確的氣流控制和溫度調(diào)節(jié)，確保設(shè)備穩(wěn)定運行并達到高效的處理效果。隨著環(huán)保標準的提高和技術(shù)的進步，RTO的結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷優(yōu)化，以滿足更高的能效和環(huán)保要求［8］。

2 蓄熱室中下部異常升溫現(xiàn)象分析及危害

2.1 中下部異常升溫的現(xiàn)象分析

中下部異常升溫現(xiàn)象表現(xiàn)為蓄熱室在運行一段時間后，內(nèi)部蓄熱體溫度異常升高。通過安裝在蓄熱室內(nèi)不同位置的溫度傳感器，可以直觀地觀測到溫度隨時間的變化趨勢。本研究對某設(shè)計廢氣風(fēng)量為70 000 m3/d的手套行業(yè)RTO處理有機廢氣組分主要為甲醇及少部分二甲苯時出現(xiàn)的這一現(xiàn)象進行分析。

中下部異常升溫時蓄熱室的溫度變化情況如圖2所示。在正常運行初期，蓄熱室各區(qū)域溫度能夠維持在相對穩(wěn)定的設(shè)定范圍內(nèi)，蓄熱室上層溫度保持在600 ℃左右，蓄熱室下層溫度維持在250 ℃左右且波動幅度較小。隨著設(shè)備運行時間的增加，蓄熱室的溫度明顯升高。上層溫度升高至700 ℃左右，下層蓄熱室溫度升高至300 ℃左右。

2.2 中下部異常升溫的危害

2.2.1 加速蓄熱體老化和損壞。當(dāng)出現(xiàn)異常升溫時，蓄熱室底部區(qū)域可能形成局部高溫?zé)狳c。這些熱點溫度可能遠超設(shè)計值，給蓄熱材料和設(shè)備構(gòu)件帶來額外的熱應(yīng)力。持續(xù)的高溫環(huán)境會加速蓄熱體的老化過程，例如陶瓷蓄熱體可能出現(xiàn)微裂紋、變形或局部熔融。金屬部件可能發(fā)生熱疲勞、氧化。這不僅降低了設(shè)備的使用壽命，還增加了維護成本和設(shè)備故障的風(fēng)險。

2.2.2 增加溫度控制難度。異常升溫導(dǎo)致蓄熱室內(nèi)溫度分布不均勻，使得RTO系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性下降，溫度波動的幅度和頻率可能會顯著增加。傳統(tǒng)的PID控制策略可能無法有效應(yīng)對這種復(fù)雜的溫度變化?？刂葡到y(tǒng)需要更頻繁地調(diào)節(jié)燃料供應(yīng)或輔助加熱，導(dǎo)致能源消耗增加。同時，頻繁的溫度波動也可能觸發(fā)安全問題，增加設(shè)備停機的可能性。

2.2.3 影響系統(tǒng)能源利用效率。正常情況下，RTO系統(tǒng)通過蓄熱體高效地回收利用熱量。然而，當(dāng)出現(xiàn)異常升溫時，溫度分布異常會顯著降低熱交換效率。蓄熱室底部過熱區(qū)域無法充分利用熱量，而蓄熱室頂部溫度偏低又不利于預(yù)熱進氣。這種效率下降直接影響到系統(tǒng)的自持溫度，可能需要額外的燃料或電力輸入來維持所需的燃燒溫度。長期運行下，這將導(dǎo)致運營成本的顯著增加和整體能源利用效率的降低。

2.2.4 影響氣體流動和停留時間分布。異常升溫現(xiàn)象會改變蓄熱室內(nèi)的溫度梯度，進而影響氣體的密度分布和流動特性。易導(dǎo)致氣流分布不均勻，形成氣流流動的優(yōu)勢通道或死區(qū)。優(yōu)勢通道會縮短部分氣體在高溫區(qū)的停留時間，降低有機廢氣的去除效率。死區(qū)則可能造成局部積碳或結(jié)焦，進一步惡化溫度分布不均。此外，壓力分布的變化還可能影響系統(tǒng)的阻力特性，改變風(fēng)機的工作點，降低系統(tǒng)的處理能力或增加能耗。

3 產(chǎn)生中下部異常升溫的原因

3.1 高溫導(dǎo)致蓄熱體性能減退

在RTO系統(tǒng)長時間運行過程中，蓄熱體持續(xù)承受高溫環(huán)境的作用。對于常見的陶瓷蓄熱體，當(dāng)運行溫度長期穩(wěn)定在1 000 ℃及以上，歷經(jīng)數(shù)千小時的高溫工況后，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。高溫促使陶瓷內(nèi)部的原子擴散加劇，燒結(jié)現(xiàn)象愈發(fā)明顯，導(dǎo)致原本有序的孔隙結(jié)構(gòu)逐漸畸變。實際運行過程中，廢氣在RTO燃燒室內(nèi)燃燒，有時廢氣的濃度及熱值高時會使RTO上室體溫度超溫，即超過上限溫度1 050 ℃，在超溫環(huán)境下會對陶瓷蓄熱體進行破壞，破損的碎片會使堆積密度變大，減小廢氣通量導(dǎo)致風(fēng)機負荷變大，系統(tǒng)負壓變差。由于蓄熱體的蓄熱能力和傳熱性能下降，熱量在蓄熱體內(nèi)的傳遞效率降低，進一步加劇了熱量的積累，溫度升高，造成蓄熱室中下部異常升溫現(xiàn)象。

3.2 廢氣風(fēng)量未達到設(shè)計要求

當(dāng)廢氣風(fēng)量遠低于設(shè)計風(fēng)量時，廢氣在蓄熱室內(nèi)的流速大幅降低，停留時間延長。雖然這在一定程度上增加了廢氣與蓄熱體的接觸時間，但由于廢氣量過少，無法充分帶走蓄熱體的熱量。同時，燃燒室內(nèi)的高溫氣體在通過蓄熱室時，熱量傳遞給蓄熱體的速率大于廢氣帶走熱量的速率，導(dǎo)致蓄熱體熱量不斷積累，溫度逐漸升高。在某化工企業(yè)的RTO運行中，廢氣風(fēng)量僅為設(shè)計風(fēng)量的35%，導(dǎo)致廢氣在蓄熱室內(nèi)的流速從正常的2 m/s降至0.7 m/s，停留時間從20 s延長至57 s。但由于廢氣量不足，蓄熱體每小時吸收的熱量比被廢氣帶走的熱量多2 000 kJ，蓄熱體溫度不斷升高。

此外，在低風(fēng)量工況下，RTO設(shè)備內(nèi)部的氣流分布更容易出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。部分區(qū)域的廢氣流量過小，甚至形成氣流死區(qū)，這些區(qū)域的蓄熱體無法得到有效的冷卻。而其他區(qū)域的蓄熱體可能因廢氣流量相對較大，熱量傳遞相對較好。但總體上，由于氣流分布不均，蓄熱體的熱量分布不均衡，局部溫度升高明顯，進而引發(fā)整體蓄熱層溫度上升，出現(xiàn)蓄熱室中下部異常升溫現(xiàn)象。

3.3 設(shè)備運行控制問題

在廢氣風(fēng)量遠低于設(shè)計風(fēng)量的情況下，燃燒器的控制策略也可能未及時調(diào)整。若燃燒器仍然按照設(shè)計風(fēng)量時的參數(shù)進行燃燒，會導(dǎo)致燃燒室內(nèi)的燃料過多，燃燒產(chǎn)生的熱量超過了廢氣處理所需的熱量。這些多余的熱量通過蓄熱體傳遞，使得蓄熱層溫度升高。另外，換向閥切換不合理時也極易引發(fā)異常升溫現(xiàn)象。換向閥的切換時間和順序?qū)TO設(shè)備的運行至關(guān)重要。在低風(fēng)量工況下，如果換向閥的切換時間過長或過短，都會影響廢氣在蓄熱室的停留時間和熱交換效果。當(dāng)切換時間過長時，會導(dǎo)致蓄熱體在高溫狀態(tài)下停留時間過長，熱量無法及時被帶走；當(dāng)切換時間過短時，廢氣可能無法充分預(yù)熱或冷卻蓄熱體，導(dǎo)致熱量分布不均，進而引發(fā)異常升溫現(xiàn)象。

4 蓄熱室中下部異常升溫的解決措施

4.1 優(yōu)化蓄熱體選型及定期維護

蓄熱體的性能對蓄熱室的熱交換效率和溫度穩(wěn)定性具有關(guān)鍵作用。在選型時，需對廢氣的各項特性進行全面深入分析。對于溫度長期處于800 ℃以上且含塵量較大的廢氣蓄熱體，革青石質(zhì)陶瓷因其卓越的耐高溫性能、良好的抗腐蝕能力和穩(wěn)定的物理結(jié)構(gòu)而成為材料方面的優(yōu)選。同時，為減少粉塵在蓄熱體孔隙內(nèi)的堆積，應(yīng)適當(dāng)增大蓄熱體的孔隙率，進而有效降低因孔隙堵塞而導(dǎo)致的傳熱性能下降問題。

4.2 優(yōu)化蓄熱室氧化爐進氣

4.2.1 優(yōu)化生產(chǎn)及處理工藝流程。對產(chǎn)生廢氣的前端生產(chǎn)工藝流程深入評估。以化工生產(chǎn)為例，借助化學(xué)工程原理與反應(yīng)動力學(xué)理論，對反應(yīng)釜的操作參數(shù)，如反應(yīng)溫度、壓力、物料配比及反應(yīng)時長等進行精準分析，探尋可提升廢氣產(chǎn)出量的優(yōu)化路徑。在涂裝行業(yè)，依據(jù)流體力學(xué)與通風(fēng)工程原理，審視噴漆工藝參數(shù)，包括噴漆速率、噴槍與工件的距離、噴漆房的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置等，在確保產(chǎn)品質(zhì)量不受影響的前提下，合理增加廢氣產(chǎn)生量。

針對廢氣產(chǎn)生環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備，如風(fēng)機、泵等，運用流體機械原理與控制理論，對其運行參數(shù)進行調(diào)整。通過理論計算與實際測試，適度提高風(fēng)機轉(zhuǎn)速以增加廢氣輸送量，同時密切監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，防止因轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致機械故障或能耗增加。此外，對管道系統(tǒng)的阻力特性進行深入研究，基于流體力學(xué)的管道阻力計算公式，排查清理或更換過濾器、閥門等部件，防止堵塞，降低管道阻力，保障廢氣在輸送過程中的順暢性。

若經(jīng)工藝調(diào)整與設(shè)備參數(shù)優(yōu)化后，廢氣量仍無法滿足需求，可考慮引入補充氣源。在實施過程中，需綜合考慮多方面因素，如引入氣體的成分、性質(zhì)，以及對 RTO 系統(tǒng)燃燒過程和污染物處理效能的潛在影響。引入部分經(jīng)預(yù)處理的空氣或其他低濃度、無害氣體時，需依據(jù)燃燒動力學(xué)與熱力學(xué)原理，重新評估系統(tǒng)的熱量平衡與污染物降解能力，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與達標排放。

4.2.2 蓄熱室氧化爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造。在廢氣量短期內(nèi)難以回升至設(shè)計要求且RTO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許的情況下，可考慮對蓄熱室工作區(qū)域進行動態(tài)調(diào)整。通過控制閥門開度或關(guān)閉部分蓄熱室通道，促使廢氣集中于較小區(qū)域進行熱交換，依據(jù)傳熱學(xué)原理，提升該區(qū)域內(nèi)廢氣與蓄熱體的接觸效率與傳熱強度，從而在一定程度上緩解異常升溫現(xiàn)象。然而，此方法可能對系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性與整體處理能力產(chǎn)生潛在影響，在后續(xù)廢氣量恢復(fù)正常后及時應(yīng)進行復(fù)位調(diào)整。

此外，可以運用計算流體動力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)，對 RTO 內(nèi)部氣流分配系統(tǒng)進行全面的數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計。基于連續(xù)性方程、動量方程和能量方程等基本控制方程，結(jié)合實際的廢氣流量與物性參數(shù)，精確計算進氣管道、支管的管徑、角度，以及蓄熱室內(nèi)導(dǎo)流裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保廢氣在有限氣量下實現(xiàn)均勻分布。

4.2.3 燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整。當(dāng)廢氣濃度不足時，在確保安全運行的前提下，基于燃燒原理對燃燒器參數(shù)進行調(diào)整。通過優(yōu)化燃燒器的空氣-燃料的比值，使燃燒過程在較低廢氣濃度下仍能維持穩(wěn)定的火焰溫度。同時，借助先進的火焰監(jiān)測與控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測火焰狀態(tài)，確保在廢氣濃度波動時火焰能夠穩(wěn)定燃燒，避免熄火、回火等異常情況的發(fā)生。

當(dāng)廢氣濃度過低，無法維持RTO正常運行溫度時，可考慮適量添加輔助燃料。例如，引入天然氣、丙烷等燃料，通過燃燒輔助燃料提升燃燒室溫度，進而維持蓄熱室溫度穩(wěn)定。在實施過程中，需依據(jù)燃燒熱力學(xué)與動力學(xué)原理，精確控制輔助燃料的添加量與添加時機，避免因燃料過量導(dǎo)致溫度過高引發(fā)設(shè)備損壞或安全事故，同時兼顧運行成本與碳排放的控制。

4.2.4 系統(tǒng)協(xié)同運行優(yōu)化。若工廠內(nèi)存在多個廢氣源且部分廢氣源濃度較高，可考慮多廢氣源協(xié)同混合處理。通過合理的管道布局與流量控制，將高濃度廢氣與低濃度廢氣按一定比例混合后送入RTO系統(tǒng)，使混合后的廢氣濃度達到設(shè)計要求。在此過程中，需充分考慮不同廢氣源的成分兼容性，確保協(xié)同處理的高效性與安全性。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

本研究通過對手套行業(yè)RTO系統(tǒng)運行過程中中下部異常升溫現(xiàn)象的深入分析，揭示了該現(xiàn)象的主要成因如下：①蓄熱體在高溫環(huán)境下的性能退化；②廢氣風(fēng)量低于設(shè)計值導(dǎo)致的傳熱失衡；③設(shè)備運行控制策略不當(dāng)。

優(yōu)化措施如下：①通過優(yōu)化蓄熱體選型與定期維護，提升其耐高溫性能和抗粉塵堵塞能力；②改進進氣系統(tǒng)設(shè)計，優(yōu)化廢氣分布均勻性，確保熱交換效率；③調(diào)整燃燒系統(tǒng)運行參數(shù)，確保在低濃度廢氣條件下仍能維持穩(wěn)定的燃燒溫度；④通過多廢氣源協(xié)同混合處理，提升系統(tǒng)對廢氣濃度波動的適應(yīng)性。

上述優(yōu)化措施能夠有效緩解蓄熱室中下部異常升溫現(xiàn)象，顯著提升RTO系統(tǒng)的熱回收效率和運行穩(wěn)定性。此外，本研究還強調(diào)了計算流體動力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)在RTO系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中的重要作用，為RTO技術(shù)的改進提供了參考。

5.2 展望

未來，RTO技術(shù)的優(yōu)化方向應(yīng)聚焦于以下幾個方面：一是開發(fā)新型高性能蓄熱材料，以提升其耐高溫、抗腐蝕和抗粉塵堵塞能力；二是探索智能化控制系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測和動態(tài)調(diào)節(jié)優(yōu)化RTO運行參數(shù)；三是研究RTO在低濃度、大風(fēng)量廢氣條件下的適應(yīng)性改進，以拓展其應(yīng)用范圍。

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