淺析蓄熱式熱力氧化技術處理揮發(fā)性有機廢氣

張建萍，項 菲

(浙江環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司，浙江 杭州 310007)

0 前言

人類的生產(chǎn)活動是造成環(huán)境污染的主要原因，特別在工業(yè)化生產(chǎn)之后情況更為嚴重。在工業(yè)生產(chǎn)中，在生產(chǎn)所期望的產(chǎn)品的同時，常常伴隨著大量的廢棄物和殘留物。在空氣中的氣態(tài)有害物質(zhì)，有一部分為揮發(fā)性有機物(縮寫為VOC或VOCs)，主要來自溶劑生產(chǎn)或使用過程，涉及行業(yè)眾多。一個工業(yè)化國家每年排入大氣中的VOC數(shù)量達數(shù)百萬噸之多，因此，治理工業(yè)VOC 廢氣污染已成為當前環(huán)境保護工作的一個重要組成部分。

1 VOC 概述

1.1 VOC 的定義和來源

VOC 通常是指在環(huán)境條件下容易蒸發(fā)或揮發(fā)的有機化合物，基于該類物質(zhì)高蒸氣壓或低沸點而容易揮發(fā)，如烴類、鹵代烴、氮烴、含氧烴、硫烴、脂肪烴、芳香烴等。由于目前大部分的有機溶劑均以揮發(fā)物的形式排放，因此常將有機溶劑和VOC 聯(lián)系在一起。目前VOC 尚無統(tǒng)一的定義，國內(nèi)外文獻的報道也不一致，但通常是根據(jù)其沸點和一定溫度下的蒸氣壓等參數(shù)來進行分類限定的。如我國《煉油與石油化工工業(yè)大氣污染物排放標準》(GB11/447-2007) 中對VOC 下的定義是：在20 ℃條件下，蒸汽壓大于或等于0.1 kPa，或者在特定條件下具有相應揮發(fā)性的全部有機化合物的總稱。從廣義來講，任何液體或固體在常溫常壓下能自然揮發(fā)出的有機化合物均可屬于VOC。

VOC 種類繁多，來源廣泛，溶劑使用部門（涂裝、印刷、石油和化工行業(yè)）和交通運輸部門(汽車、加油站等)所排放的VOC 占絕大部分。許多VOC 具有神經(jīng)毒性、腎臟和肝臟毒性，甚至具有致癌作用，能損害血液成分和心血管系統(tǒng)，引起胃腸道紊亂，誘發(fā)免疫系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)及造血系統(tǒng)疾病，造成代謝缺陷[1]。

1.2 VOC 廢氣處理現(xiàn)狀

由于VOC 的危險性，許多國家頒布法令對VOC 的排放進行了嚴格控制，規(guī)定了排放的界限值，而且越來越嚴格。歐美國家于20 世紀90 年代前后，對所有使用有機溶劑的地方都規(guī)定了排放要求；美國1990 年提高了廢氣排放標準，將工業(yè)生產(chǎn)中的189 種污染物列為有毒污染物，其中大部分為VOC；我國頒布的《大氣污染防治法》要求對工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的有毒氣體進行凈化處理，對可燃性氣體要回收利用；在《大氣污染物綜合排放標準》(GB16297-1996)規(guī)定了33 種揮發(fā)性有機物的排放標準；目前環(huán)保部正在制定石化等重點行業(yè)的VOC 排放標準。

解決VOC 的污染問題，從根本上講是要提倡不用或者少用有機溶劑，或者將溶劑回收再利用。由于在大多數(shù)情況下，VOC 往往是多組分的，很難回收，或者想要達到能再利用的純度，在經(jīng)濟上幾乎無法承受，因此在多數(shù)情況下，只好采用破壞方法，將VOC 轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)再排入大氣。因此對于企業(yè)來講，如何做到環(huán)保節(jié)能，經(jīng)濟合理已成為當前有機廢氣凈化技術的發(fā)展方向。迄今為止，在工業(yè)上已獲得成功應用的有機廢氣凈化方法主要有吸附法、冷卻法、吸收法、生物膜法、燃燒法等。

在有機廢氣凈化諸方法中，蓄熱燃燒法是目前一種很有發(fā)展前景的VOC 廢氣治理方法，其所用的裝置蓄熱式熱力氧化器“Regenerative Thermal Oxidizer”簡稱為“RTO”。在充分滿足燃燒過程的必要條件下，燃燒法可以使有害物質(zhì)達到完全燃燒氧化。RTO 由于過程的熱效率很高(>95%以上)，通常只需補充少量的輔助燃料，當廢氣中有機物濃度達到一定值時即可實現(xiàn)自供熱操作。在歐美發(fā)達國家，RTO 已在整個VOC 廢氣凈化范圍內(nèi)起到主導地位[2-4]。

2 RTO 裝置的工作原理和系統(tǒng)組成

有機廢氣凈化的燃燒法是基于廢氣中有機化合物可以燃燒氧化的特性，將廢氣中可氧化的組分轉(zhuǎn)為無害物質(zhì)。RTO 的工作原理即將VOC廢氣經(jīng)預熱室吸熱升溫后，進入燃燒室高溫焚燒，使有機物氧化成二氧化碳和水，再經(jīng)過另一個蓄熱室蓄存熱量后排放，蓄存的熱量用于預熱新進入的有機廢氣，經(jīng)過周期性地改變氣流方向從而保持爐膛溫度的穩(wěn)定。

基本的RTO 系統(tǒng)由1 個公共燃燒室、2 臺或多臺蓄熱室、l 套換向裝置和相配套的控制系統(tǒng)組成。根據(jù)結(jié)構不同，典型的RTO 裝置可分為以下幾種。

2.1 兩室RTO

兩室RTO 裝置主要由兩臺蓄熱室和頂部相連通的燃燒室組成，其中蓄熱室內(nèi)部通常采用具有良好耐高溫性能的陶瓷材料作為蓄熱體。燃燒室設有輔助燃燒器，可用油或天然氣作為燃料。輔助燃燒器的作用主要為了在開車時將蓄熱體加熱到一定溫度，或當廢氣中可燃物的濃度較低時，需要補充燃料來維持燃燒室所要求達到的反應溫度。蓄熱室和燃燒室均砌有耐火磚，并用陶瓷纖維保溫，使燃燒室保持均勻的溫度分布。兩室RTO 典型結(jié)構如圖1 所示。

圖1 兩室RTO 的典型結(jié)構

兩室RTO 的操作過程如下：在開車時先用新鮮空氣代替VOC，借燃燒器將蓄熱室加熱到一定溫度。正常操作時，風機將VOC 氣體送入進氣管，經(jīng)進口處的氣體切換閥通過填滿陶瓷填料的蓄熱體A，蓄熱體A 在前一個循環(huán)中儲存了熱量，VOC 經(jīng)底部通過蓄熱體床層時，熱量從填料中被吸收出來，而蓄熱體A 同時逐漸被冷卻。預熱后的廢氣進入頂部燃燒室，在燃燒室中VOC 被氧化后，作為高溫凈化氣進入蓄熱體B，此時凈化氣中夾帶的熱量被蓄熱體B 中的陶瓷填料吸收并儲存起來，蓄熱體B 床層逐漸被加熱，而凈化氣則被冷卻排出。在下一個循環(huán)中氣流逆轉(zhuǎn)，VOC 氣體首先進入已被加熱過的蓄熱體B 進行預熱，再依次進入燃燒室氧化，在另一個蓄熱體A 填料床釋放熱，最后排出RTO 系統(tǒng)。

這個過程不斷循環(huán)操作，每個蓄熱填料床都是在輸入廢氣與排出凈化氣的模式間交替轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)廢氣的凈化和熱量的充分利用。典型的循環(huán)時間(即切換時間)大約為30～120 s。

二室RTO 是實現(xiàn)蓄熱式熱量回收的最基本結(jié)構，熱量回收率超過95%。在換向以后穩(wěn)定作業(yè)結(jié)算，廢氣中VOC 的凈化率可達99%以上。但采用二室RTO 也有一定缺點：在切換氣流流動方向的時候，留在蓄熱體和管道中部分未經(jīng)處理的VOC 會與凈化氣一起排入大氣；其次入口閥和出口閥在極短時間內(nèi)同時啟動，有可能造成進入的VOC 直接走短路而與凈化氣一起排出。基于以上原因，裝置出口排氣有可能出現(xiàn)瞬間不合格的峰值。目前應用二室RTO 比較普遍，一方面是由于廢氣中VOC 濃度較低，經(jīng)凈化處理后尾氣可達標，另一方面是有些設備采用了新型、快速的切換閥，其換向動作時間小于0.5 s。

2.2 三室和多室RTO

若VOC 廢氣的凈化率要求很高，則可采用兩種方法：一種是延長循環(huán)時間的操作時間，但這樣會使熱效率降低；另一種常用的方法是增加一個蓄熱室用于吹掃系統(tǒng)，即采用三室RTO 裝置。其裝置典型結(jié)構如圖2 所示。

圖2 三室RTO 的典型結(jié)構

三室RTO 的操作原理是在一個蓄熱室進氣、一個蓄熱室排氣的同時，一個蓄熱室處于吹掃狀態(tài)。在一個循環(huán)后，廢氣始終進入到在上一循環(huán)時排出凈化氣的蓄熱室，而原來進入廢氣的蓄熱室則用凈化氣或空氣沖洗。蓄熱室在進氣以后用于排氣之前均可得到吹掃，從而解決了二室RTO換向時VOC 直接排放問題，提高了VOC 的平均破壞去除率。

三室RTO 可用于小到中等的廢氣流量，一般當廢氣量大于60000 Nm3/h 時，為保證氣流的均勻分布和傳熱效率，應過渡到五室RTO，即兩個三室并聯(lián)加上一個沖洗室。同樣，當處理量更大時，可用七室，以此類推。

3 RTO 的特點

RTO 宜用于處理2～8 g/m3濃度的有機廢氣，對于低熱值氣體(如乙酸乙酯等)濃度可達12 g/m3，特別適用于難分解組分的焚化，且凈化率較高(一般三室>99%，兩室95%～98%)。其次，RTO 可以適應廢氣中VOC 的組成和濃度的變化波動，且對廢氣中夾帶少量灰塵、固體顆粒不敏感。相對于其他處理技術（例如換熱式熱氧化)，RTO 的另一個優(yōu)點在于熱回收率高，高的熱回收率使補充燃料的使用量顯著減少，從而節(jié)約運行費用。尤其是處理量大、有機物含量低的工業(yè)氣體，效果更加顯著。

4 國內(nèi)RTO 應用現(xiàn)狀

RTO 在1998 年前在我國尚未見應用。國內(nèi)對于低濃度VOC 廢氣的處理，大都采用落后的熱力焚燒裝置，由于處理費用偏高，少數(shù)企業(yè)甚至將未經(jīng)處理的VOC 直接排放。近年來，隨著國外先進廢氣處理技術的引進和研究，RTO 已在一些領域有所應用。國內(nèi)一些汽車制造商引進的車身油漆線和集裝箱涂裝生產(chǎn)線烘干工藝中均應用了RTO 技術，獲得了良好的凈化效果[5-7]；采用RTO 技術替代傳統(tǒng)的直接燃燒排放法用于處理膠粘劑涂布中產(chǎn)生的VOC 廢氣可達到節(jié)能、凈化環(huán)境等目的[8]；一些大型化工企業(yè)已嘗試將RTO 應用于化工有機廢氣的治理，以處理順酐裝置尾氣為例，三室RTO 裝置對于VOC 凈化率達99.9%，熱效率為99.5%，同時實現(xiàn)了余熱回收利用和尾氣達標排放的要求[9]；廈門翔鷺石化采用RTO 系統(tǒng)用于處理PTA 裝置高壓洗滌塔的尾氣，膨脹機能量回收后，換熱效率可達95%，節(jié)省了大量的燃料，且不用昂貴的催化劑，運行費用較低[10]。國內(nèi)研究人員在現(xiàn)有RTO 系統(tǒng)基礎上進行改進，北京科技大學自主研發(fā)了多蓄熱室旋轉(zhuǎn)換向蓄熱式有機廢氣焚燒爐系統(tǒng)，并成功用于研磨帶涂布生產(chǎn)過程產(chǎn)生的有機廢氣的處理。該系統(tǒng)各個蓄熱室不是同時換向，減少了換向時爐膛內(nèi)壓力波動，易于實現(xiàn)RTO系統(tǒng)小型化[11]。另外RTO 技術在醫(yī)化企業(yè)有機廢氣治理中也進行了一定推廣，但由于行業(yè)特點決定其產(chǎn)生的廢氣量和VOC 濃度的不穩(wěn)定，裝置運行管理難度較大，還不能從根本上解決廢氣污染問題，需要進一步的探索優(yōu)化。

5 結(jié)論

蓄熱式熱氧化處理技術相對于傳統(tǒng)的焚燒處理技術有明顯的優(yōu)勢，該技術在國外已經(jīng)很成熟，而在國內(nèi)的研究應用尚處于起步階段，特別是提高VOC 破壞去除效率、擴大適用范圍和降低運行費用等方面還有待探索。從綠色環(huán)保角度出發(fā)，以資源化循環(huán)利用為目的的RTO 技術將是VOC 處理技術發(fā)展趨勢之一。在當前能源價格飆升的背景下，組織力量研究開發(fā)并推廣使用該項技術，不僅能夠節(jié)約能源和減少環(huán)境污染，還可獲得可觀的經(jīng)濟效益和顯著的杜會效益。

[1]伊冰.室內(nèi)空氣污染與健康[J].國外醫(yī)學：衛(wèi)生學分冊，2001，28(3)：167-216.

[2]Montaz S W，Truppi T J，Seiwert J J Jr.Sizing up RTO and RCO heat transfer media[J].Pollut Eng，1997，28(13)：34.

[3]Pennington R L，Liszewski M.Get more from your regenerative thermal oxidizer[J].Chem Eng，1999，121(5)：137.

[4]Chang M W，Chern J M.Stripping of organic compounds from wastewater as an auxiliary fuel of regenerative thermal oxidizer[J].Hazardous Mater，2009，167(1-3)：553.

[5]張玉軍.車身涂裝線烘干及廢氣焚燒新技術的應用[J].材料保護，2003，36(9)：44-46.

[6]陸裕.英國Land Rover 車身涂裝線考察報告[J].輕型汽車技術，1999，27(4)：51-57.

[7]李澤清，羅福坤.烘房VOCs 廢氣治理技術路線探析[J].環(huán)境科學，2011，32 (12) ：3685-3688.

[8]陳佳凌，廉珂.旋轉(zhuǎn)蓄熱式熱力焚燒在膠粘劑涂布工程中的應用[J].中國膠粘試劑，2012，21(2)：67-68.

[9]馬曉馳.陸勇兵，孫斌等.蓄熱式熱氧化器在順酐行業(yè)中的應用[J].化工機械，2010，37(6) ：772-773.

[10]郝曉霞，王懷志，王筱喃等.PTA 尾氣治理技術概述[J].當代化工，2013，42(2)：187-189.

[11]蕭琦，姜澤毅，張欣欣.蓄熱式有機廢氣焚燒爐的數(shù)值模擬和應用[J].北京科技大學學報，2011,33(5)：632-635.