蓄熱式焚燒爐在碳纖維生產(chǎn)中的應用

周游(新疆隆炬新材料有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

蓄熱式焚燒爐(RTO)是新一代有機廢氣處理設備，與傳統(tǒng)的催化燃燒相比，具有熱效率高(≥95%)、運行成本低、能處理大風量低濃度廢氣等特點，在濃度偏高時，還可以進行二次余熱回收處理直供氧化爐，大大降低生產(chǎn)運營成本。

蓄熱式燃燒技術能夠最大限度地回收煙氣的熱量，大幅度節(jié)約燃料、降低成本，并減少CO和NOx的排放量。蓄熱式焚燒爐技術特點一是蓄熱體內陶瓷比表面積大，傳熱效率高；二是切換閥門設備換向間隔時間短(0.5～3.0min)[1]，可靠性強。蓄熱式焚燒爐性能特點是具有很高的VOC去除率，兩床設備的VOC去除率達98%以上，三床設備的VOC去除率超過99%，超低運行成本。當VOC濃度達到450 mg/L時，不需要額外的燃料消耗，如VOC濃度更高，還可進行二次余熱回收而大大降低生產(chǎn)成本，處理過程不產(chǎn)生NOx等二次污染，處理風量范圍極大(5 000～200 000 m3/h)，具有全自動控制、操作簡易、維護方便等特點。

綜上所述，RTO比較適合處理碳纖維生產(chǎn)中氧化爐產(chǎn)生的大流量低濃度的廢氣，現(xiàn)已廣泛應用到國內外各大碳纖維生產(chǎn)線上。

1 RTO的類型及優(yōu)缺點

1.1 按蓄熱體床層數(shù)量分類

一般可分為單床和多床式RTO，單床是指把蓄熱體裝在一個設備內，只用一臺設備來完成有機廢氣的凈化操作，主要是通過切換氣體的流向來實現(xiàn)對蓄熱體的加熱和冷卻。其主要特點是設備比較緊湊、占地空間小，主要是用于處理小到中等的廢氣流量。缺點是不可能在一個循環(huán)后實現(xiàn)沖洗操作，在廢氣處理中，產(chǎn)生的SiO2極易堵塞蓄熱床，影響生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定運行。

多床式RTO一般分為兩室、三室、五室和多室。目前大多數(shù)碳纖維生產(chǎn)廠家都采用三室的RTO。因為采用廢氣焚燒處理，主要目前是提高凈化率，使其廢氣中的HCN、NOx、顆粒物等滿足當?shù)丨h(huán)保指標的要求，一般要求HCN≤1.9 mg/Nm3，NOx≤110 mg/Nm3、顆粒物≤20 mg/Nm3，一般提高凈化率的方法有兩種，一種是延長循環(huán)時間，但這樣會使熱效率降低。另一種方法是增加沖洗用的蓄熱床，以達到提高凈化率。但三室的RTO主要是用于處理中等流量的廢氣，廢氣量一般在60 000 Nm3/h以下，對于目前千噸級碳纖維的生產(chǎn)，設備寬度一般都在3 m左右，氧化爐和集氣罩總的的廢氣量一般都在45 000～55 000 Nm3/h左右，故大多數(shù)碳纖維生產(chǎn)廠家都采用三室的RTO。未來隨著設備寬度的增加，那么RTO以后也會用到五室或者七室。使凈化率達到＞99%以上。優(yōu)點是幾乎可以處理所有含有機化合物的廢氣，可以處理風量大及低濃度的廢氣、可以適應廢氣濃度變化及波動、在合適的廢氣濃度條件下可實現(xiàn)自供熱、維護工作量少、操作安全可靠、蓄熱床內陶瓷可更換、裝置使用壽命長等。缺點是裝置重量大、容積大、升溫時間較長、投資費用相對較高等。

1.2 按蓄熱體靜止或運動分類

一般可分為固定式和旋轉式，固定式即蓄熱床是固定不動的，像兩室RTO、三室RTO等都屬于固定式。旋轉式是蓄熱體可旋轉，一般蓄熱體做成圓盤狀。在加熱和冷卻之間不斷的轉換。用陶瓷模塊做成的蓄熱體被用作熱交換器，實現(xiàn)連續(xù)不斷的熱的干凈氣體和冷的廢氣之間的熱交換。其中熱的干凈氣體從上往下通過熱交換器，隨著溫度被降下來，相應的清洗氣把熱的和冷卻的區(qū)域之間未經(jīng)處理的廢氣送回處理。通過旋轉分配器，會連續(xù)的控制廢氣和凈化氣通過熱交換陶瓷模塊的轉換，并在轉換前洗凈這些模塊。優(yōu)點是旋轉分配器代替了復雜的風閥系統(tǒng)和復雜控制的氣動轉換閥，不會因為切換閥的變化導致氣流壓力波動，可保持空氣氣流的穩(wěn)定。并且不需要用壓縮空氣。但缺點是氣流徑向通過面積很大的圓柱面，很難保證氣流分布的均勻性。

2 RTO裝置基本構造

典型的RTO裝置主要由蓄熱床和蓄熱體、燃燒室、燃燒器和點火槍、切換閥、換熱器及PLC控制系統(tǒng)組成。

(1)蓄熱床主要由床內填充的蓄熱體組成，一般的蓄熱體采用陶瓷散堆填充料或者陶瓷規(guī)整填充料組成。散堆填充料一般采用陶瓷矩鞍環(huán)，優(yōu)點是在開孔面積和氣流流道方面有很大改進，防止填充料之間的相互堆疊和降低氣流通過填料床層時的壓力損失。規(guī)整填充料一般采用陶瓷蜂窩料，優(yōu)點是在傳熱性能和流體力學方面優(yōu)于散堆料，并可降低壓降，減少裝置容積，缺點是價格貴，并且一旦小孔局部被堵塞，就會使整個通道受阻[2]。

(2)燃燒器和點火槍主要設置在燃燒室兩側，主要是將蓄熱體加熱到一定溫度或當廢氣中可燃物濃度較低時，需要補充燃料來維持燃燒室所需要達到的溫度。點火槍主要是在剛啟動RTO時，用于燃燒器的點火使用。

(3)切換閥主要是設置在管道上，保證RTO在極短的時間內，循環(huán)的改變氣體的流動方向，切換閥要直接而且同時將廢氣通到熱的蓄熱體和排出凈化氣，即一個閥門的通道進，而相鄰的通道出，所以當閥門動作稍慢時，少量的廢氣就有可能直接進入凈化氣的出口，其結果是降低了有機物的凈化率。

(4)換熱器主要是由于RTO焚燒爐出口溫度過高，直接排放既浪費熱量，又帶來環(huán)境的熱污染，因此在RTO焚燒爐后面設計了新風換熱器，對氧化爐的新風進行預熱，達到減小氧化爐加熱器的功率輸出及降低能耗的目的。

3 RTO裝置基本工作原理

目前大多數(shù)RTO裝置均采用三臺蓄熱床設計，優(yōu)點是可有效提高廢氣凈化率及裝置的運行時間。當?shù)谝慌_蓄熱床處于被冷卻而廢氣被預熱的階段時(冷周期)，第二臺蓄熱床正處于被凈化氣加熱的過程(熱周期)，而第三臺蓄熱床則進入沖洗階段。因此，當一個循環(huán)結束后，廢氣始終進入到上一循環(huán)時排出凈化氣的蓄熱床，而原來進入廢氣的蓄熱床則用凈化氣(或空氣)沖洗，并將殘留未反應的廢氣送到燃燒室進行焚燒，然后與凈化氣一起從沖洗過的蓄熱床排出。三床RTO裝置操作順序將下表：其工作原理是可燃有機廢氣在760～1 000 ℃發(fā)生氧化反應，生成二氧化碳、水、NO、NO2、N2、HCN等。廢氣首先通過蓄熱體加熱到接近熱氧化溫度，而后進入燃燒室進行熱氧化，氧化后的氣體溫度升高，有機物基本轉化成二氧化碳、水、N2，以及少量的NO、NO2等氮氧化物，凈化后的氣體經(jīng)過另一處蓄熱體，達到排放標準后進行排放[3]。

陶瓷蓄熱室應分成三個(含三個)以上，每個蓄熱室依次經(jīng)歷蓄熱-放熱-清掃等程序，周而復始，連續(xù)工作。蓄熱室“放熱”后應立即引入適量潔凈空氣對該蓄熱室進行清掃(以保證VOC去除率在99%以上)。

4 各種因素對RTO裝置熱效率的影響

評價RTO裝置的優(yōu)劣，除了應考慮裝置的操作、維護、日常維護費用外等，還應關注凈化率和熱效率兩個重要指標。前者主要是看廢氣的凈化程度，是否滿足排放法規(guī)要求。后者主要是看過程熱量利用程度如何，一般RTO裝置的熱效率＞95%、凈化率＞99%，影響RTO裝置熱效率的因素主要有以下三方面。

4.1 切換時間

即一個循環(huán)持續(xù)時間，切換時間短，可獲得較高熱效率，延長切換時間，熱效率就降低，但缺點是頻繁動作會影響切換閥和相應機構的使用壽命和降低有機物脫除率。此外，閥門頻繁、快速切換會引起氣體壓力波動而造成裝置的不穩(wěn)定操作。所以從操作、維護來講，一般當床層在2～3 m時，30～200 s內選擇較短切換時間可達到廢氣預熱極限溫度 。

4.2 床層高度

蓄熱體是RTO裝置中的關鍵部件，一般根據(jù)廢氣的處理量，選擇合適的氣流速度(停留時間)，可求得蓄熱室截面積，從而可求出床層高度，增加蓄熱體床層高度可以提高熱效率，但會增加蓄熱體的費用，同時還增大設備容積，其次，會增大氣體通過床層的壓力損失，進而增加風機電耗。

4.3 氣體質量流速

溫度效率隨氣體質量流速增加而降低，對溫度效率而言，降低氣體質量流速可增加氣體在床層中的停留時間，有利于熱量傳遞。因而溫度效率隨氣體質量流速增加而降低。

如表1和表2所示?？梢钥闯?，在相同條件下，床層愈高，就延長了氣體在床層中的停留時間，則熱效率也高，但氣體通過床層的壓損是隨床層高度的提高而增大，一般對于蓄熱床填裝散堆料(陶瓷矩鞍環(huán))高度約在1.8～2.5 m。氣體流速一般控制在1.5 m/s以下，以免壓降太高。

表1 比較兩種床層高度的壓降

表2 不同床層高度時，熱效率隨切換時間的變化

5 目前存在的問題

目前蓄熱式焚燒技術雖然有很多優(yōu)點，但也存在一些不足。

5.1 蜂窩陶瓷的使用壽命不高

目前國內蜂窩陶瓷的使用壽命均不是很高，焚燒爐蓄熱體內的蜂窩陶瓷使用壽命一般都均在4～6個月左右，隨著蓄熱床壓差的增高，證明蓄熱體內的陶瓷存在碎裂、SiO2堵塞等情況，需清理回填后方可繼續(xù)運行。造成以上問題的原因主要有兩點。

(1)材料問題。蜂窩陶瓷長期工作在急冷急熱、帶有腐蝕性氣體的惡劣環(huán)境中，經(jīng)常承受著高溫作用和因內外溫差變化而引起的應力作用。增加蓄熱陶瓷的密度，抗熱震穩(wěn)定性就會變差。

(2)偏流問題。在排煙階段，煙氣流經(jīng)蜂窩陶瓷時將熱量貯存在蓄熱體內，加熱蜂窩陶瓷，在燃燒階段，廢氣流經(jīng)蜂窩陶瓷時被加熱，余熱被重新帶回爐內，即在冷、熱周期間之間切換。如果氣體在蓄熱體內出現(xiàn)偏流，經(jīng)過若干次換向后容易導致蜂窩陶瓷局部高溫而產(chǎn)生熱應力，當超過承受極限時，蜂窩陶瓷就會碎裂。

5.2 RTO節(jié)能效果不確定

(1)通過蜂窩陶瓷的煙氣量不確定。在不影響燃燒效果的前提下，增加流經(jīng)蓄熱體的煙氣量，是制約蓄熱式燃燒技術節(jié)能效果的瓶頸。

(2)蜂窩陶瓷體積大小不確定。蓄熱體內陶瓷的多少、煙氣溫度、陶瓷的傳熱系數(shù)、比表面積、比熱容等都對RTO的節(jié)能效果產(chǎn)生影響。

(3)蓄熱體內氣流的均勻性不確定。蓄熱體內氣流分布狀況將影響蓄熱體的熱交換能力，預熱溫度、蜂窩陶瓷的使用壽命，所以提供蓄熱體內氣體分布的均勻性是一個迫切需要解決的問題。

6 結語

隨著碳纖維各生產(chǎn)廠商產(chǎn)能不斷擴大，如何將碳纖維生產(chǎn)的廢氣通過焚燒爐既能達到環(huán)保排放要求，又能實現(xiàn)節(jié)能減排和連續(xù)穩(wěn)定運行，是當前頭等大事。比如氧化廢氣中含有機硅化物，硅在高溫下氧化為二氧化硅而呈玻璃態(tài)狀，它可以使陶瓷矩鞍環(huán)結塊成團和堵塞蜂窩填料的小孔，從而引發(fā)床層壓降升高。如何提高氣速，開放高效的蓄熱體來縮小裝置的容積，借以降低投資成本，如何改進切換閥來延長其使用壽命等，已成為當前RTO裝置研究的發(fā)展方向。