RTO裝置中的余熱鍋爐安全分析

汪雙敏* 王烈高 朱珊珊

（黃山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心）

0 前言

由于生態(tài)環(huán)境保護(hù)被日漸重視，活性碳吸附已不能滿足日益提高的標(biāo)準(zhǔn)要求，蓄熱式氧化器（RTO）裝置應(yīng)運(yùn)而生。RTO 是一種在高溫下氧化去除揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs），并回收熱量的設(shè)備，其能有效去除生產(chǎn)工藝過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)溶劑和惡臭，使排放的氣體符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。其所采用的熱交換技術(shù)和蜂窩陶瓷蓄熱原料，可以利用氧化過程中產(chǎn)生的熱量對工藝過程供熱，達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。目前RTO 裝置的余熱回收利用方式主要包括熱風(fēng)、熱水、蒸汽和導(dǎo)熱油等，本文對余熱回收鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行了簡要介紹和過程安全分析。

1 工藝介紹

蓄熱式氧化器的原理是通過天然氣等燃料燃燒為焚燒爐爐膛提供熱量，在高溫下將廢氣中的VOCs氧化成二氧化碳和水，從而凈化廢氣，并回收廢氣分解時釋放的熱量。由于陶瓷蓄熱體具有良好的蓄熱性，氧化后產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^陶瓷蓄熱體時，熱量被蓄熱體“貯存”起來用于預(yù)熱新進(jìn)入的有機(jī)廢氣，從而節(jié)省廢氣預(yù)熱、升溫過程所需的燃料降低運(yùn)行成本。通過周期性地改變氣流方向來保持焚燒爐爐膛溫度的穩(wěn)定，在滿足處理 VOCs 廢氣溫度的同時，余熱可通過換熱器、鍋爐等形式回收用于生產(chǎn)工藝的用熱，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備煙氣排放余熱回收利用的目的。

目前國內(nèi)常用的RTO 裝置是三室式及旋轉(zhuǎn)式，而且大部分以前安裝的兩室式及三室式設(shè)備已經(jīng)開始更新?lián)Q代，旋轉(zhuǎn)式成為新的主流[1]。本文以旋轉(zhuǎn)式蓄熱氧化器裝置為例進(jìn)行介紹。

2 余熱回收系統(tǒng)

2.1 熱水系統(tǒng)

在RTO 高溫旁通閥后端配置熱水管式換熱器和一套水路內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，將多余熱量置換為熱水儲存在熱水箱；再通過一套水路外循環(huán)系統(tǒng)，將熱水輸送到用熱設(shè)備。用熱設(shè)備包括熱風(fēng)換熱器、工業(yè)洗滌用熱水、及生活用水等，還可以與中央空調(diào)連接，降低空調(diào)熱負(fù)荷，用于車間供暖。

2.2 蒸汽系統(tǒng)

通過在RTO 后端配置余熱蒸汽鍋爐，可將多余熱量轉(zhuǎn)換為高壓蒸汽，與用戶原有的蒸汽鍋爐或者市政蒸汽管路并聯(lián)，再輸送到相應(yīng)的用熱設(shè)備（如圖1所示）。帶有備用蒸汽熱源的蒸汽供熱系統(tǒng)，廢氣余熱滿足車間用熱時，備用蒸汽熱源關(guān)閉；當(dāng)廢氣余熱不能滿足車間用熱時，用備用蒸汽熱源補(bǔ)給熱量，用熱設(shè)備開機(jī)速度快、用汽靈活，開機(jī)時間不受RTO啟爐限制。不帶有備用蒸汽熱源的蒸汽供熱系統(tǒng)，廢氣余熱無法滿足車間用熱時，RTO 燃燒器來補(bǔ)給熱量，用熱設(shè)備開機(jī)時間受RTO 啟爐時間限制。

圖1 RTO裝置的余熱蒸汽鍋爐系統(tǒng)

2.3 導(dǎo)熱油系統(tǒng)

在RTO 后端配置導(dǎo)熱油余熱鍋爐，將余熱轉(zhuǎn)換為高溫導(dǎo)熱油。若用戶設(shè)有備用熱源的導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)，包含一臺導(dǎo)熱油鍋爐和余熱鍋爐，以及油槽、油泵、管路等，余熱鍋爐與廠家原有導(dǎo)熱油鍋爐可采用串聯(lián)形式連接。當(dāng)廢氣余熱可滿足車間用熱時，導(dǎo)熱油鍋爐停爐；當(dāng)廢氣余熱不能滿足車間用熱時，導(dǎo)熱油鍋爐啟動給導(dǎo)熱油補(bǔ)熱。若用戶未設(shè)有備用熱源的導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)，當(dāng)廢氣余熱夠車間用熱時，余熱鍋爐直接給車間供熱；當(dāng)廢氣余熱不夠車間用熱時，RTO 燃燒器啟動直接給余熱鍋爐補(bǔ)熱。

3 RTO裝置的主要安全風(fēng)險

3.1 可燃?xì)怏w泄漏

RTO 裝置需要天然氣對廢氣和陶瓷蓄熱體進(jìn)行加熱，其集成了燃料氣管線、助燃空氣管線、尾氣進(jìn)料管線、處理后尾氣出料管線、三段式切換閥組、點(diǎn)火裝置等原件，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。如果其中的某一個或幾個原件出現(xiàn)故障，就可能導(dǎo)致可燃?xì)怏w聚集，甚至引發(fā)爆炸[2]。

3.2 尾氣濃度過高

在生產(chǎn)過程中，由于受各種因素的影響，往往會出現(xiàn)生產(chǎn)波動，導(dǎo)致尾氣中的有機(jī)揮發(fā)組分過多，甚至超過爆炸下限。如果高濃度的尾氣進(jìn)入裝置會與空氣形成爆炸性環(huán)境，遇到爐膛明火將會導(dǎo)致爆炸。

3.3 余熱回收系統(tǒng)失控

為了節(jié)約生產(chǎn)成本，大多數(shù)RTO 裝置都會配備余熱回收裝置。以蒸汽或?qū)嵊蜑榻橘|(zhì)的回收裝置則一般以余熱鍋爐為主。鍋爐為特種設(shè)備，其運(yùn)行安全應(yīng)當(dāng)與RTO 焚燒系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，并應(yīng)確保鍋爐在發(fā)生爆管、超溫、超壓等安全故障時能夠及時阻斷加熱系統(tǒng)，防止發(fā)生更大的事故。

4 余熱鍋爐的安全裝置與聯(lián)鎖控制

4.1 鍋爐與焚燒爐的安全聯(lián)鎖控制

RTO 裝置中的焚燒爐由燃?xì)馊紵魈峁┏跏紵嵩矗以跔t內(nèi)溫度不能滿足處理VOCs 的要求時會持續(xù)開啟提供熱量。余熱鍋爐在發(fā)生缺水、超溫、超壓、低流量甚至泄漏爆管等嚴(yán)重事故時，必須及時切斷加熱裝置并發(fā)出警報(bào)[3]。這就要求余熱鍋爐的液位計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)等安全附件與焚燒爐燃燒器進(jìn)行聯(lián)鎖，一旦產(chǎn)生事故信號，應(yīng)立即關(guān)閉燃?xì)膺M(jìn)料閥門切斷燃燒實(shí)現(xiàn)安全停爐（如圖2所示）。

圖2 RTO裝置余熱鍋爐聯(lián)鎖控制系統(tǒng)

4.2 高濃度廢氣進(jìn)料的安全保護(hù)措施

如果工藝生產(chǎn)中出現(xiàn)了高濃度的廢氣進(jìn)料，RTO焚燒爐無法進(jìn)行全部處理，殘余的廢氣一旦積聚在余熱鍋爐爐膛內(nèi)，遇到點(diǎn)火源就會發(fā)生爆炸。為了防止這種情況發(fā)生，可以在煙氣進(jìn)口管線上安裝可燃?xì)怏w檢測儀來檢測煙氣的濃度。如果煙氣的濃度超過了爆炸下限，應(yīng)該及時切斷進(jìn)余熱鍋爐的煙氣，并且將尾氣切換至另外一個緊急安全出口[4]。

4.3 鍋爐與RTO煙氣閥門的聯(lián)鎖控制

RTO 裝置配備的余熱鍋爐都是用普通碳鋼制造的，在鍋爐運(yùn)行過程中，不可避免地會與廢氣中的腐蝕性成分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而腐蝕鍋爐承壓部件。這種腐蝕現(xiàn)象主要包括煙氣對鍋爐受熱面管壁的高溫腐蝕和對鍋爐尾部受熱面的低溫腐蝕。為了防止這種情況發(fā)生，可在鍋爐水（介質(zhì)）進(jìn)出口及煙氣進(jìn)出口處設(shè)置測溫和測壓點(diǎn)，煙氣進(jìn)口處設(shè)置煙氣流量檢測點(diǎn)，鍋爐水（介質(zhì)）進(jìn)口處設(shè)置流量檢測點(diǎn)。根據(jù)鍋爐水（介質(zhì)）溫度、壓力、流量的變化與RTO 裝置中的煙氣閥門相聯(lián)鎖，控制鍋爐水（介質(zhì)）循環(huán)的流速及煙氣通入量的大小，進(jìn)一步地控制介質(zhì)溫度，合理避開煙氣的高溫腐蝕及低溫腐蝕。

5 余熱鍋爐檢驗(yàn)中的問題及解決辦法

在對RTO 裝置余熱鍋爐進(jìn)行檢驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)了一些值得注意和改進(jìn)的問題。

5.1 RTO裝置與鍋爐負(fù)荷不匹配

RTO 裝置是為了解決工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量VOCs，其首要目標(biāo)是保證焚燒爐內(nèi)的氧化溫度穩(wěn)定，再把多余的熱量供給余熱鍋爐。一旦企業(yè)產(chǎn)量降低，供給RTO 裝置的VOCs 量減少，造成焚燒爐溫度下降，為了維持焚燒爐的氧化溫度穩(wěn)定，勢必會減少煙氣余熱供給余熱鍋爐，這樣就容易造成鍋爐受熱不均勻、負(fù)荷不穩(wěn)定，影響鍋爐安全運(yùn)行。企業(yè)用戶在規(guī)劃選用RTO 裝置初期就應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格計(jì)算VOCs 的產(chǎn)量并綜合考慮生產(chǎn)產(chǎn)能的變化情況。

5.2 RTO裝置設(shè)計(jì)不合理造成鍋爐安全隱患

企業(yè)用戶選用RTO 處理尾氣時，往往對尾氣排放安全的重視程度不足。RTO 裝置設(shè)計(jì)時多采用閥門開度做為控制工業(yè)尾氣濃度的首選，這其實(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。對某企業(yè)進(jìn)行調(diào)研時發(fā)現(xiàn)，其工業(yè)廢氣由丙烯、乙醇、四氫呋喃、丙烯醛、丙酮、1，4-二戊烷等多種有機(jī)物組成，并且由多家上游企業(yè)通過廢氣管道輸送至RTO 裝置進(jìn)行集中處理，如果僅僅依靠調(diào)節(jié)閥門避免進(jìn)氣濃度不穩(wěn)定或超出其限值是不安全的，所以提議在距RTO 主爐進(jìn)氣口20 m 處配置1 臺堿洗塔（緩沖、降低廢氣濃度）、1 臺緩沖罐，滿足LEL（可燃?xì)怏w報(bào)警儀，設(shè)定值一般在可燃?xì)怏w爆炸下限的25%）取樣檢測和控制閥門執(zhí)行所需時間要求。上游企業(yè)所排放的廢氣經(jīng)風(fēng)機(jī)輸送匯入噴淋塔降低濃度并充分混合，在噴淋塔出氣管道上設(shè)置2 套LEL檢測系統(tǒng)，檢測數(shù)值經(jīng)比對后，由自動控制系統(tǒng)經(jīng)過PID 控制（比例、差分、微分）后實(shí)現(xiàn)數(shù)值校準(zhǔn)。上述冗余設(shè)置可以確保廢氣濃度檢測值接近真實(shí)值，為RTO 焚燒爐及余熱鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。當(dāng)廢氣濃度超高或者RTO 設(shè)備異常時，可通過閥門快速切換管路，使廢氣從應(yīng)急旁路經(jīng)活性炭吸附處理后排放。

5.3 導(dǎo)熱油鍋爐在RTO裝置中存在運(yùn)行缺陷

在檢驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，在一些使用導(dǎo)熱油的余熱鍋爐且無備用熱源的RTO 裝置中，經(jīng)常會出現(xiàn)因RTO 裝置運(yùn)行效率不高導(dǎo)致導(dǎo)熱油中水分無法完全脫除，造成導(dǎo)熱油管道振動、壓力指示不穩(wěn)等情況發(fā)生。導(dǎo)熱油鍋爐在使用時要先煮油，因?yàn)閷?dǎo)熱油中含有水分和一些輕組分。煮油過程是一個緩慢升溫和控制排氣的過程，需要調(diào)節(jié)控制加熱的溫度。RTO 裝置采用煙氣余熱加熱方式，對操作人員的素質(zhì)要求比較高，在不了解導(dǎo)熱油性質(zhì)的情況下操作余熱鍋爐，可能會導(dǎo)致脫水脫氣不徹底，管路系統(tǒng)中存在大量水汽，最終影響整個鍋爐系統(tǒng)的生產(chǎn)安全。建議使用單位在條件允許的情況下增添備用燃?xì)忮仩t并與RTO 裝置管路并聯(lián)，這樣既能讓使用初期的煮油脫水過程容易操作，又能在RTO 裝置負(fù)荷不穩(wěn)定時保持生產(chǎn)供熱不間斷。

5.4 余熱鍋爐本體設(shè)計(jì)缺陷

RTO 裝置處理的氣體大多為有毒有害氣體，但仍有部分為RTO 裝置生產(chǎn)配套余熱鍋爐的廠家為了防止余熱鍋爐內(nèi)的廢氣泄漏未設(shè)置檢查門孔，這會給鍋爐的檢驗(yàn)和修理帶來很大不便。工業(yè)廢氣一般都具有可燃性，為了防止RTO 裝置本體和余熱鍋爐爐膛發(fā)生氣體爆燃事故，應(yīng)當(dāng)在氣體輸送管道上設(shè)置阻火器，同時在RTO 裝置焚燒爐和余熱鍋爐爐體設(shè)置爆破片。

6 結(jié)論

隨著環(huán)保政策日趨嚴(yán)格，廢氣處理技術(shù)也在高速發(fā)展。RTO 這種新型高效處理VOCs 廢氣設(shè)備將會被廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用單位應(yīng)當(dāng)在充分考慮經(jīng)濟(jì)效益的同時更加關(guān)注RTO 余熱鍋爐的安全使用。