蓄熱式氧化爐(RTO)設(shè)計優(yōu)化的探討

李富盛（北京長征天民高科技有限公司，北京100076）

0 引言

揮發(fā)性有機化合物VOC(volatileorganiccompounds)是大氣污染物的重要組成部分。目前，國內(nèi)外VOCs 常用的治理方法主要有活性炭變壓吸附法、光催化氧化、溶液吸收法、高溫氧化法等。其中,高溫氧化法處理VOC 廢氣的效率最高，也被普遍采用。蓄熱式氧化爐(RTO),是目前國內(nèi)外比較流行的VOC 廢氣高溫氧化治理設(shè)備。主流的RTO 產(chǎn)品是三廂式塔式RTO。三廂式塔式RTO 爐可以兼顧到處理效率和經(jīng)濟性要求。主流的三室式RTO適宜凈化VOCs的廢氣量為10000～30000m3/h[1-4]。

蓄熱式氧化爐的工作原理是：先將廢氣經(jīng)過蓄熱體預(yù)熱到一定的溫度，然后在在燃燒室將廢氣的有機物分子氧化燃燒成二氧化碳和水。氧化燃燒產(chǎn)生的高溫氣體再流經(jīng)蓄熱體，使蓄熱體升溫，此“蓄熱的熱量”用于預(yù)熱新進入爐膛的廢氣。蓄熱體的進出氣不斷的被換向閥切換，形成周而復(fù)始的連續(xù)工作[5-6]。

1 RTO低氮環(huán)保技術(shù)

分析目前國內(nèi)外學(xué)者對低氮技術(shù)的研究，能用于RTO上控制NOX排放的技術(shù)可分為兩類：一類是在燃燒過程中控制有害NOX的生成。第二類，是燃燒后控制有害NOX排放技術(shù)。

第一類方法，在燃燒過程中控制有害NOX的生成技術(shù)。目前國內(nèi)外大量推廣在燃燒過程的控制氮排放的技術(shù)主要可以分為低NOX燃燒器技術(shù)與過量空氣燃燒技術(shù)兩種。

從NOX的生成機理上來說大部分的NOX是在燃燒過程生成的。技術(shù)人員通過改變?nèi)紵鞯慕Y(jié)構(gòu)來改變?nèi)紵臈l件（通常是改變?nèi)紵齾^(qū)的溫度條件）與燃燒過程中的燃料的供應(yīng)，達到控制NOX生成的目的。研究者根據(jù)燃燒工況對NOX排放的影響與NOX的生成機理，從“燃氣分級，空氣分級，形成明顯的燃燒區(qū)域，形成煙氣回流”等幾個方面對燃燒器進行了改進，降低了NOX的排放。重油型燃燒器常采用分段燃燒技術(shù)，而氣體型燃燒器常采用預(yù)混貧燃技術(shù)。兩者相比后者預(yù)混貧燃技術(shù)生成的NOX更少[7-11]。在低氮燃燒器的使用過程中，不同的燃燒脫氮技術(shù)的特點不同相應(yīng)的燃燒器的布置位置也不同。

另一類方法燃燒尾氣脫氮脫硝技術(shù)這類技術(shù)可分為濕法脫氮與干法脫氮兩種。

干法脫氮技術(shù)是將廢氣中的NOX還原成N2或者轉(zhuǎn)化為硝酸鹽再進行回收利用的方法。目前，國內(nèi)外干法脫氮的技術(shù)主要有選擇性催化還原法SCR 技術(shù)與非催化還原法SNCR 技術(shù)。SCR技術(shù)的原理是使用了催化劑降低了氧化還原反應(yīng)的溫度，其還原后的N2無污染，處理效果也較好。SCR技術(shù)最常用的催化劑是V2O5,MnO2。SCR技術(shù)催化劑的選擇，需要分析氣體中的雜質(zhì)使催化劑中毒的原因并合理考慮。目前，更為高效耐用的催化劑正在被世界各國所研究探索。SNCR技術(shù)的原理是在無催化劑的情況下將還原劑直接噴人爐膛，使廢氣中氮化物分解成N2 與H2O。SNCR 技術(shù)的優(yōu)點是投資較小。但其缺點是耗氨量大，效率不高。

濕法脫氮技術(shù)，是先將氮化物轉(zhuǎn)化為N02,再用堿性溶液吸收N02的方法。一般用于吸收N02的設(shè)備是填料吸收塔。濕法脫氮的工藝與設(shè)備都較為簡單，運行費用也較低，無二次污染。根據(jù)對NOX的處理方式不同，可將濕法分為氧化吸收法和絡(luò)合吸收法兩大類此法[12-15]。

將以上兩類技術(shù)綜合應(yīng)用于RTO 系統(tǒng)的設(shè)計中能有效降低氮排放，達到節(jié)能減排的目的。

2 RTO燃燒與節(jié)能技術(shù)的優(yōu)化

目前RTO基本已實現(xiàn)的全自動化運行，因此RTO的節(jié)能主要體現(xiàn)在燃燒技術(shù)與燃燒尾氣熱能的回收利用技術(shù)。下面從五個方面給出一些優(yōu)化燃燒與節(jié)能的措施。

2.1 采用新型高效節(jié)能燃燒器，提高燃燒效率

學(xué)者根據(jù)燃燒器的結(jié)構(gòu)與性能，將先進的旋流二次霧化技術(shù)，獨特的分級送風(fēng)技術(shù)與先進的自動控制技術(shù)有機的結(jié)合起來，改進了燃燒器的燃燒性能，實現(xiàn)了完全燃燒[16-17]。

2.2 催化燃燒技術(shù)在RTO上的引用

設(shè)計新型爐型將蓄熱式氧化技術(shù)與催化燃燒技術(shù)相結(jié)合，使其既具有RTO爐蓄熱節(jié)能的優(yōu)點又具有CO爐低溫催化燃燒的優(yōu)點，能使RTO 達到節(jié)能減排效果。具體的措施：在蓄熱廂的頂層設(shè)計催化劑放置平臺并根據(jù)廢氣種類配置合適的催化劑，讓經(jīng)過蓄熱體預(yù)熱的廢氣通過催化劑層，形成有機廢氣的預(yù)處理過程，這樣有機廢氣先催化燃燒，后在燃燒室燃燒，形成廢氣的兩次燃燒。催化燃燒不僅能夠在一定程度上凈化廢氣，而且燃燒熱可以升高廢氣的溫度（一般情況下能夠提供有機廢氣溫度15～30℃），在一定程度上有利于節(jié)省燃料[17]。

2.3 合理設(shè)計爐子供氣量

從燃燒學(xué)的角度講,要想提高RTO 燃燒的效率，就要在燃燒時給RTO 爐燃燒室提供合理的供氣量。供氣量的不足不僅不會充分燃燒，而且會生產(chǎn)大量的一氧化碳；當氧氣量過量時，則會使更多的熱能隨著熱空氣流失掉，提供了熱損失。根據(jù)燃燒爐的使用經(jīng)驗來看，廢氣中的可燃有機物濃度控制在爆炸下限（LEL）25%的情況下，匹配合理的空氣量，不但能夠節(jié)省燃料，又能使可燃物充分的燃燒，凈化尾氣減小污染物的排放[18]。

2.4 選擇合適的燃燒溫度

合理選擇爐溫是RTO 優(yōu)化的一個重要方面。研究表明溫度是RTO 的轉(zhuǎn)化率的決定因素之一。適當?shù)奶岣郀t溫能夠使得氧燃燒反應(yīng)更加完全，更節(jié)能。但是，過高的爐溫會增加更多的熱損失，縮短爐子的使用壽命周期，從而提高了爐子的成本。此外，較高的爐溫還會多消耗燃料，同時使得廢氣凈化效果下降,影響廢氣的達標排放。學(xué)者研究表明，在大于760℃的溫度下，大部分的有機氣體分子能被完全破壞，反應(yīng)更加的充分，氧化生成水和二氧化碳[19-20]。設(shè)計者應(yīng)該根據(jù)不同的廢氣種類，選擇合適的爐溫。

2.5 爐膛空間的設(shè)計優(yōu)化

除了燃燒溫度與廢氣的濃度影響之外，廢氣在RTO燃燒室的停留時間也是影響RTO 轉(zhuǎn)換效率的一個因素。這是因為有機物的完全氧化燃燒過程需要一定的時間，合理的設(shè)計爐膛空間可以使得有機廢氣在爐膛里有較為合理的停留時間。合理的停留時間，取決于爐膛的截面積，長度，氣體的流動速度等因素。根據(jù)經(jīng)驗值廢氣在爐膛內(nèi)停留1.0～1.3s 可滿足廢氣的排放標準。

3 RTO蓄熱體的優(yōu)化設(shè)計

蓄熱體是RTO進行能量回收的熱載體，蓄熱體的性能好壞是RTO 能耗的決定性因素。蓄熱體的截面積和堆積高度是蓄熱廂設(shè)計最重要的兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)。蓄熱體的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)還包括蓄熱體的形狀、當量直徑、比表面積、阻力系數(shù)、結(jié)構(gòu)強度、堆積穩(wěn)定性、耐熱沖擊性、透熱深度、蓄熱能力和傳熱性能和流動阻力特性等。目前，MLM-180,40X40孔蜂窩陶瓷蓄熱體與Lantecomb-H 蓄熱體被廣泛應(yīng)用，因為與其他類型的蓄熱體相比，它們具有較有較高的傳熱效率[21]，

蓄熱體主要存在以下的常見問題：蓄熱體的使用壽命較短，蜂窩孔的堵塞，蜂窩蓄熱體粘渣，孔壁熔蝕，通孔破裂，蓄熱體崩塌與錯位等問題。蓄熱體損壞的影響因素主要有:蓄熱體的材料的物理性能,蜂窩蓄熱體的使用條件，蓄熱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備工藝[23-24]。

以為下面就針對RTO蓄熱體使用過程中的一些問題，列出了一些優(yōu)化設(shè)計的措施：

（1）蓄熱體的選材問題。選擇蓄熱陶瓷的材料時除了考慮材料的導(dǎo)熱性、對流傳熱性能、膨脹性能以外，還應(yīng)該考慮不同材質(zhì)的耐熱溫度的不同。根據(jù)廢氣燃燒溫度和蓄熱體的耐熱溫度合理的選擇蓄熱體，避免選擇軟化溫度比燃燒問題低陶瓷材料，并且預(yù)留一定的溫度設(shè)計余量。防止選材不當，使蓄熱廂的高溫端出現(xiàn)高溫熱融變形與塌陷毀壞的問題。

（2）合理設(shè)計蓄熱體的布置方案。設(shè)計陶瓷蓄熱體的布置方案應(yīng)盡可能的排列整齊，避免出現(xiàn)陶瓷蓄熱體的錯位排列，造成燃燒中的蓄熱體局部高溫受熱不均勻與高溫受熱下沉受阻，從而造成局部受力過大而引起蜂窩體的損毀，坍塌堵塞通道。

（3）蓄熱體的固定支撐設(shè)計。在蓄熱體的安裝底盤上使用耐高溫金屬定位支架來固定蓄熱體，可以防止在高溫條件下長時間的氣體熱沖擊對蓄熱體的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響導(dǎo)致蓄熱體的熱震損毀，阻塞氣體流動的通道或者在蓄熱室形成空洞，降低蓄熱室的傳熱效果與節(jié)能的效率。

（4）合理的布置燃燒器的位置。設(shè)計師應(yīng)該盡可能的采用縮短燃燒火焰的長度的燃燒器。合理布置燃燒器的位置，防止燃燒器火焰的高溫區(qū)氣體火焰直接噴入蓄熱體上產(chǎn)生較多的熱輻射，燒毀蓄熱體。蓄熱廂的上層蓄熱陶瓷最容易被燒毀，燒毀時應(yīng)及時更換，防止坍塌。

（5）選擇結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量可靠的燃燒器。防止選擇的燃燒器結(jié)構(gòu)不合理或質(zhì)量不佳，在RTO運行時出現(xiàn)不完全燃燒的廢氣進入蓄熱體進行二次燃燒，進而縮短蓄熱體的使用時間。

（6）保障爐體平穩(wěn)運行，控制爐溫穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。在進氣管道上安裝濃度在線檢測系統(tǒng)嚴格控制廢氣的進氣濃度，防止高濃度的廢氣進入燃燒室引起爐溫急劇升高，燒毀蓄熱體。

4 結(jié)語

文章介紹了蓄熱式熱氧化爐(RTO)的原理，從設(shè)計的角度探討了RTO的低氮環(huán)保技術(shù)、高效燃效與節(jié)能技術(shù)、蓄熱體，廢氣管道的設(shè)計優(yōu)化問題，就RTO應(yīng)用中常見的問題給出了一些設(shè)計建議供RTO 的工作人員參考。蓄熱式熱氧化技術(shù)是目前國內(nèi)外比較成熟可靠的處理有機廢氣的技術(shù)，以RTO的蓄熱燃燒技術(shù)為基礎(chǔ)不斷的進行科技創(chuàng)新、優(yōu)化是未來治理有機廢氣的發(fā)展趨勢。