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【江苏博钛环保】VOCs废气蓄热焚烧(RTO)发展史

文章来源:    发布时间:2021-05-12 09:00:33    浏览次数:80次

众所周知,蓄热炉(也称热风炉)很早以前已在化工、冶金等行业中用于空气的预热,以便充分利用生产过程排出烟气的热能。用RTO来处理VOCs废气就是在此基础上发展起来的。

较早将RTO用于VOC废气的净化大致在20世纪70年代初(约1972年),由美国Hamon Research-Cottrell公司第一次将RTO引入市场。当时用陶瓷材料作为蓄热体,最高的热效率也就在80-85%之间。1978年美国加利福尼亚州金属制品厂的漆包线生产线也是用RTO来处理含溶剂的排放废气。之后,随着世界各国对VOC排放的严格控制和对排放允许限值的要求越来越严,因而涉及需要对排放VOC废气进行处理的领域也越来越宽,必须配备VOCs废气净化装置的企业自然不断增多。到20世纪90年代中期,特别在欧美发达国家,RTO已经非常普遍地用于VOC废气的净化处理


采用RTO,虽然一次性投资较大,但其优点是:

首先,它几乎可适应所有有机废气的处理,而且热效率极高,特别是当废气中有机物的浓度合适时,可不必添加辅助燃料而实现自供热操作,从而达到既节能、减排又能符合排放要求;

其次,当废气浓度较高时还可回收热量,借以补偿或回收投资;

此外RTO的操作方便、可靠,很少需要维护。


目前,典型的RTO已从两室、三室、五室发展到七室和多室装置,并已开发了许多不同类型的RTO装置,以满足各种需要,例如:单床式RTO和旋转式RTO在切换阀(换向阀)方面也作了许多改进,提高了其密封性和快速性,并延长其使用寿命;也有用旋转式气体分配器切换气流方向来代替传统的切换阀,而不必使蓄热体旋转。

RTO的装置规模已有从处理小气量到极大气量的系列。在2000年,当时称为欧洲最大的一套RTO装置是由LTG Mailaender,  GmbH为英国一家墙纸生产厂设计的,用于处理印刷车间排出含有机溶剂和增塑剂的废气,其处理风量为300000Nm3 /h,两套、三室式,即当时的单套处理能力已达150000Nm3 /h。目前RTO装置一般系列为5000-80000Nm3/h,一套RTO装置的最大处理能力可达400000-600000Nm3/h。


根据有机废气中V OC的种类和组成,一般讲,当废气中VOC浓度达到2-3g/m3时(视VOC的热值大小而定),即可实现自供热操作。若废气浓度达不到自热操作,但十分接近自热点的浓度时,则可在原料废气中补充一些燃料气而达到自供热操作所需浓度,但必须有防爆安全监控装置,以确保VOC浓度低于爆炸下限。如果废气中VOC浓度较高,则可以回收余热,例如:用于加热导热油或生产热水、蒸汽等,从而可以回收投资费用。

 

在RTO的设计方面,许多环保工程公司均已开发了相应的设计计算软件,以及对RTO的操作行为、流体力学和传热进行数值模拟和优化。目前RTO装置大多采用模块组合式、集装箱式和预制件式的标准、系列化设计,以适应不同的气体处理量要求,并且可以在很短时间内在现场安装完毕。

 

此外,美国Thermatrix Inc.(现属Selas-Linde公司)还开发了填充陶瓷蓄热体的无火烟热力氧化装置(Flameless Thermal Oxidation,  FTO),为适应不同的气体处理量,节省风机电能消耗,风机采用变频控制。


RTO装置中对热交换起到关键作用的是蓄热填充物,也称蓄热体,常用陶瓷材料做成。在陶瓷蓄热体方面,目前RTO中经常使用的基本上还是陶瓷散堆填料和陶瓷规整填料两大类。在散堆填料方面:最初采用化工中常见瓷球和陶瓷矩鞍环,而用得较多的是陶瓷矩鞍环。近代的陶瓷矩鞍环在开孔面积和气流流道的设计方面均有很大改进,从而进一步防止了填料的相互叠套和降低气流通过填料床层时的压力损失,例如:美国Koch Knight公司开发的新型陶瓷矩鞍环填料(Flex-eramic Saddles),其压降比传统的陶瓷矩鞍环可降低20%;美国原Norton公司研制开发了陶瓷Ty-Pak填料,一种扁平的、类似8字形的填料,据称在相同效率情况下与原来矩鞍环相比,操作费用较低(压降较低),而且不易破碎。在规整填料方面,目前应用最多的还是陶瓷蜂窝填料(Ceramic Honey Comb),因为无论在传热性能还是在流体力学性能方面均优于散堆填料。在同样条件下与散堆填料相比,采用陶瓷蜂窝填料作为蓄热体,可以大大降低压降,从而减少了操作费用;同时还可减小RTO装置的容积,因而降低了投资费用。除陶瓷蜂窝填料外,也有采用类似化工生产中常见的陶瓷波纹填料作为蓄热体,例如美国Koch Knight公司开发的陶瓷波纹填料(Flexeramic Corrugated Structured Packing),据称这种蓄热体具有良好的气流分布性能,而且不像陶瓷蜂窝填料的孔是直通的,一旦一个孔道局部受堵,将殃及上、下整个通道。当然,陶瓷蜂窝填料也在不断改进,除了改变小孔形状和增强抗压强度外,例如为防止上述堵孔,将蜂窝柱的一个端面加工成圆弧凹面。除上述类型的蓄热体外,还有可整砌的小块蓄热体,例如美国Saint-UobainNor Pro公司开发的三角孔眼正六边形的蓄热体(HexPak ),因而也具有规整填料的优点。总的来讲,两种类型的蓄热体都在使用,但规整填料的价格比散堆填料贵好几倍;不过在正常情况下,一般的陶瓷散堆填料的使用寿命约为5年,而规整陶瓷蜂窝填料的寿命长达10年之久。


从目前RTO装置技术的进一步发展看:

首先是力求减排(减少NOx的排放),这就要求改善燃烧器的设计(例如已开发低NOx的燃烧器)和燃烧过程特别是对燃烧温度的控制,以及采用电加热来替代油/气燃料,借以避免添加辅助燃料燃烧和高温可能引起的二次污染;


其次是研究如何提高气速、开发高效的蓄热体来缩小装置的容积,借以降低投资费用;改进气体的初始分布来提高蓄热体的有效利用率和传热效果;改进切换阀来延长其使用寿命;进一步开发对装置中诸参数的自动监测控制,借以提高操作的安全性和可靠性等方面,还有许多值得研究的问题;


此外,对RTO装置进行数值计算和计算机模拟,可以预先了解过程的操作行为和优化装置的设计,并在某些方面可代替RTO的中间试验来节省费用。

在VOCs废气的净化方法众多,各有所长;把两种方法合理地组合往往可以得到最佳的效果,例如:RTO与吸附浓缩器(不限于沸石转轮)的联合使用(特别是当风量太大时),以及在原有RTO装置的陶瓷蓄热体床层上再添加一层催化剂(采用要求不太高、不太敏感的催化剂)来降低操作温度,即便是反应温度只下降100℃左右,也是合算的,应该值得推广的。RTO装置在工业中的应用已有近50年历史,一方面积累了许多经验,但另一方面也发现了不少问题,有些已经解决或右待改拼