蓄熱式熱力焚燒爐（RTO）的發(fā)展趨勢

摘 要：【目的】蓄熱式熱力焚燒爐（RTO）是揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）末端治理的熱門技術(shù)，在節(jié)能安全等方面仍有很大的提升空間。通過分析其研究現(xiàn)狀、工程應(yīng)用等方面所面臨的問題，探索其在減少碳排放方面的作用及發(fā)展方向?！痉椒ā繉π顭崾綗崃Ψ贌隣t用于揮發(fā)性有機(jī)物末端治理的原理進(jìn)行了介紹，通過國內(nèi)外實驗研究與工程案例的調(diào)研整理分析，總結(jié)了RTO在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用情況，分析了RTO運(yùn)行過程中的常見問題。【結(jié)果】醫(yī)藥行業(yè)的RTO熱效率均能維持在93%以上，凈化效率大部分超過95%，但運(yùn)行年限長的RTO存在腐蝕嚴(yán)重的問題。同時，醫(yī)藥行業(yè)RTO普遍存在二噁英二次污染、堵塞及混合氣體超限等問題?！窘Y(jié)論】未來應(yīng)在提高RTO氧化效率和能源利用效率、分析不同行業(yè)的RTO技術(shù)組合工藝及將RTO技術(shù)與人工智能等新興技術(shù)相結(jié)合等方面開展深入研究。

關(guān)鍵詞：蓄熱式熱力焚燒爐；VOCs；熱力燃燒

中圖分類號：X701" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2024）24-0085-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.24.016

Development Trend of Regenerative Thermal Oxidizer （RTO）

Abstract： [Purposes] RTO is a popular technology for the terminal treatment of Volatile Organic Compounds （VOCs）， and there is still much room for improvement in terms of energy conservation and safety. By analyzing its research status， engineering applications， and problems faced in actual projects， this paper explores its role and development direction in reducing carbon emissions. [Methods] The principle of using the RTO for the terminal treatment of volatile organic compounds was introduced. Through the investigation and analysis of domestic and foreign experimental studies and engineering cases， the application of RTO in the pharmaceutical industry was summarized， and the common problems in the operation of RTO were analyzed. [Findings]" The thermal efficiency of RTO in the pharmaceutical industry can all be maintained above 93%， and the purification efficiency mostly exceeds 95%. However， RTOs with a long operating life have serious corrosion. At the same time， common problems such as secondary pollution of dioxins， blockage， and over-limit of mixed gases are widespread in RTOs in the pharmaceutical industry. [Conclusions] In the future， in-depth research should be carried out in three aspects： improving the oxidation efficiency and energy utilization of RTO， analyzing the combined RTO technology processes in different industries， and further integrating emerging technologies such as artificial intelligence， in order to significantly reduce VOCs emissions and contribute to achieving the \"dual carbon\" goals.

Keywords： RTO;VOCs;thermal combustion

0 引言

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）的排放是造成大氣污染的主要原因之一。VOCs的主要來源包括燃料燃燒活動、化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程、生物圈與生物質(zhì)分解、制藥廠生產(chǎn)過程、汽車工業(yè)制造過程、紡織品制造過程、溶劑加工過程、清潔產(chǎn)品使用、印刷作業(yè)、絕緣材料應(yīng)用、辦公設(shè)備使用、打印機(jī)使用等［1］。VOCs是大氣臭氧和二次有機(jī)氣溶膠（SOA）的重要前體物質(zhì)，PM2.5的重要來源［2］。高濃度的VOCs可引起人們刺激、惡心、頭暈和頭痛，某些揮發(fā)性有機(jī)化合物具有致癌性。因此，減少VOCs的排放至關(guān)重要。

目前，企業(yè)處理 VOCs 的方法主要有回收技術(shù)和銷毀技術(shù)?；厥占夹g(shù)包括冷凝、吸附、吸收、膜分離，銷毀技術(shù)包括燃燒、生物處理、光催化降解、低溫等離子技術(shù)。回收技術(shù)用于低濃度VOCs，效率低且成本高，易產(chǎn)生危廢；生物處理的缺點是微生物對外界環(huán)境要求比較苛刻，某些污染物可引起微生物中毒；光催化降解、低溫等離子技術(shù)運(yùn)行條件苛刻［3］。綜合企業(yè)實際情況，燃燒法是處理VOCs效果較好的方法。蓄熱式熱力焚燒爐（regenerative thermal oxidizer，RTO）作為燃燒法主要設(shè)備，采用蓄熱和燃燒結(jié)合來處理 VOCs，通過燃燒VOCs使其氧化分解產(chǎn)生CO2和H2O。RTO因其具有去除率在99%以上、熱回收率在 95%以上且運(yùn)行穩(wěn)定，適應(yīng)性強(qiáng)，獲得了較為深入的研究和廣泛工業(yè)應(yīng)用［4］。

本研究通過介紹RTO應(yīng)用現(xiàn)狀，對不同種類的RTO技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，調(diào)研部分企業(yè)RTO運(yùn)行狀況，旨在為今后RTO技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 蓄熱式熱力焚燒爐

1.1 基本原理及應(yīng)用

RTO是熱氧化技術(shù)的主要設(shè)備，利用蓄熱式換熱器的原理，在熱力燃燒的基礎(chǔ)上填充蓄熱材料，通過蓄熱體回收熱量。與傳統(tǒng)的熱力燃燒、催化燃燒相比，具有熱效率高、凈化效率高、運(yùn)行能耗低等優(yōu)點且熱效率最高，可以達(dá)到95%以上，凈化效率可以達(dá)到99%。

最初的RTO僅有兩個蓄熱室，一個室預(yù)熱，另一個室回收熱量。但在使用中存在嚴(yán)重問題即切換氣流方向時，本來已經(jīng)進(jìn)入蓄熱室但還未進(jìn)入燃燒室被完全氧化分解的氣體被直接排出，這會造成階段性的排放不合格。由于兩室RTO在設(shè)計上的缺陷，若想提高凈化效率，只能延長循環(huán)時間，這樣又會使熱效率下降。因此，后來提出了新的設(shè)計方案即三室RTO，在兩室的基礎(chǔ)上再增加一個蓄熱室用于沖洗。在氣流切換的階段，三室RTO中的三個蓄熱室會依次經(jīng)歷“蓄熱—放熱—清掃”，蓄熱室在清掃階段就會將本來將要被排出的未能氧化分解的有機(jī)氣體重新吹入燃燒室，這樣就避免了兩室RTO尾氣排放階段性不達(dá)標(biāo)的問題［5］。當(dāng)廢氣流量大時，為保證氣流的均勻分布和傳熱效率，應(yīng)過渡到五室RTO，當(dāng)處理量更大時，可用七室，以此類推［6］。為了滿足實際生產(chǎn)需要，RTO技術(shù)又有了新發(fā)展——旋轉(zhuǎn)式RTO。這種類型RTO為單體設(shè)計，通過設(shè)置分區(qū)隔板，將蓄熱體分成幾個獨立的扇形區(qū)，在換向閥的作用下改變流向，最大的優(yōu)點是占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊［7］。

最早的RTO出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代的美國加州線圈涂裝生產(chǎn)上，在應(yīng)用17年后仍有較高的VOCs去除效率［8］。我國最早由化工部化工機(jī)械研究院開發(fā)了RTO，并有所應(yīng)用［9］。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，RTO在國內(nèi)已經(jīng)逐漸成為一種成熟的VOCs廢氣處理設(shè)施，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工、手套、印刷、涂裝和電子等行業(yè)。RTO在實際應(yīng)用中，除個別行業(yè)單獨使用外，基本是通過各種工藝組合使用，以達(dá)到最佳的去除效果。不同行業(yè)的RTO組合工藝也不盡相同，例如“活性炭吸附+RTO”“沸石轉(zhuǎn)輪濃縮+RTO”“堿洗+水洗+RTO+堿洗”“RTO+余熱鍋爐”及“RTO+SCR”等［10-14］。

1.2 研究現(xiàn)狀

RTO技術(shù)日益成熟，應(yīng)用越來越廣泛。但隨著相關(guān)環(huán)保法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)苛化，對工業(yè)廢氣排放的要求也越來越高，RTO的研究也開始轉(zhuǎn)向精細(xì)化。

余子睿［15］對旋轉(zhuǎn)式RTO進(jìn)行系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)式RTO蓄熱式頂部測點溫度有規(guī)律的周期性波動，氧化室測點的溫度波動不明顯。在此基礎(chǔ)上模擬旋轉(zhuǎn)式RTO內(nèi)部流動和換熱反應(yīng)，最后得到以下結(jié)論：①不同 VOCs 濃度下蓄熱室底部測點的溫度相等；②蓄熱室高度越高氧化室測點平均值溫度越高波動也越大，隨著蓄熱室高度升高平均出口溫度先降低后穩(wěn)定，平均熱效率先升高后穩(wěn)定在 95.6%。

在RTO設(shè)備中，換向閥是一個重要部件。在RTO工作過程中，換向閥的開閉非常頻繁，閥桿的頻繁運(yùn)動會對密封填料造成磨損，使廢氣通過填料直接泄漏到大氣中。高溫?zé)煔庖矔﹂y桿與閥板均存在不同程度的腐蝕損壞。在排放指標(biāo)、環(huán)保指標(biāo)更為嚴(yán)格的情況下，即使少量的泄漏也會對排放指標(biāo)產(chǎn)生很大的影響。朱磊等［16］對其進(jìn)行了改進(jìn)，經(jīng)過改進(jìn)后換向閥再無廢氣泄漏，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。

為研究RTO處理含苯的混合廢氣時的燃爆危險性。湯振東等［17］通過數(shù)值模擬研究分析了進(jìn)氣風(fēng)量和混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比對其內(nèi)部壓力變化規(guī)律的影響。最終得出RTO運(yùn)行的最佳進(jìn)氣風(fēng)量為15 000～30 000 m3 /h，最佳的混合可燃?xì)怏w-空氣摩爾占比為0.15～0.2，這與RTO實際工況相符合，可為其安全設(shè)計提供借鑒。

要將廢氣收集輸送至RTO爐中，通常通過管道兩端的風(fēng)機(jī)作為動力，這需要消耗大量電能。張鐵異等［18］根據(jù)節(jié)流的焦-湯效應(yīng)，改造廢氣的輸送管道，通過合理設(shè)計管道能節(jié)約一個風(fēng)機(jī)，對企業(yè)生產(chǎn)來說可節(jié)約能源與成本。

RTO蓄熱室中溫度可達(dá)800 ℃以上。Bannai等［19］開發(fā)了一種燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)和RTO系統(tǒng)可降低工廠23%的能耗和30.1%的CO2排放。

RTO系統(tǒng)目前已經(jīng)實現(xiàn)自動化控制，通?？赏ㄟ^數(shù)值模擬的方法對RTO操作和設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)。Giuntini［20］等基于CFD技術(shù)的數(shù)值模擬，深入了解三室RTO設(shè)計的工業(yè)規(guī)模和運(yùn)行原理后，開發(fā)了基于氣體和陶瓷介質(zhì)的能量守恒的1-D動態(tài)模型，并運(yùn)行該模型以獲得開關(guān)周期內(nèi)不同時刻的固體溫度和傳熱系數(shù)的周期性穩(wěn)態(tài)熱分布。其所提出的模型可以有效地用于改進(jìn)RTO的設(shè)計，具有更好的控制操作條件，有助于建立目前文獻(xiàn)中缺乏的設(shè)計程序。

2 醫(yī)藥化工行業(yè)RTO應(yīng)用

國內(nèi)RTO的發(fā)展日益成熟，目前在VOCs的處理上絕大多數(shù)企業(yè)都會選擇RTO作為處理設(shè)施。為更好地了解企業(yè)RTO的應(yīng)用情況及RTO設(shè)備在使用過程中的問題，本研究對多家企業(yè)的RTO進(jìn)行了調(diào)研。調(diào)研對象主要以醫(yī)藥化工企業(yè)為主，調(diào)研對象廢氣成分為VOCs，不含HCl和NH3等無機(jī)廢氣或含量很少。調(diào)研RTO設(shè)備企業(yè)行業(yè)分布情況如圖1所示。其中，化工行業(yè)24套、醫(yī)藥行業(yè)12套、其他行業(yè)3套，共計39套。

為評估RTO設(shè)備處理VOCs的實際效果，去除效率計算公式為式（1）。

η=（C進(jìn)Q進(jìn)-C出Q出）/C進(jìn)Q進(jìn)×100%" " " " " "（1）

式中：η為處理系統(tǒng)的凈化效率，%；C進(jìn)為處理系統(tǒng)進(jìn)口 VOCs 濃度，mg/m3；C出為處理系統(tǒng)出口 VOCs濃度，mg/m3；Q進(jìn)為處理系統(tǒng)進(jìn)口氣體標(biāo)干流量，m3/h；Q出為處理系統(tǒng)出口氣體標(biāo)干流量，m3/h。當(dāng)η＞90%時，凈化效果評估為高；η為 60%～90%時，凈化效果評估為較高；η為30%～ 60%時，凈化效果評估為一般；η＜30%時，凈化效果評估為低。

熱效率計算公式為式（2）。

ηH = （Tcom-Tout）/（Tcom-Tin）×100%" " " " "（2）

式中：Tcom蓄熱燃燒室溫度，℃；Tin蓄熱燃燒裝置進(jìn)口溫度，℃；Tout蓄熱燃燒裝置出口溫度，℃。

3 結(jié)果與分析

在調(diào)研的企業(yè)中，部分RTO出口濃度數(shù)據(jù)未知，因此選取了10套數(shù)據(jù)完整的RTO對比其熱效率和凈化效率，結(jié)果如圖2所示。RTO的熱效率均能維持在93%以上，凈化效率大部分超過95%，其中案例9、案例10由于RTO運(yùn)行年限長，腐蝕問題嚴(yán)重，企業(yè)沒有進(jìn)行很好的維護(hù)，凈化效率下降。

RTO在處理醫(yī)藥化工有機(jī)廢氣具有良好的應(yīng)用前景，但醫(yī)藥化工行業(yè)VOCs具有排放點分散、種類繁多、間歇排放等顯著特點［20］。因此，在應(yīng)用RTO的過程中也會存在一些問題，尤其在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)醫(yī)藥化工行業(yè)的阻塞問題非常嚴(yán)重，本次調(diào)研的39套RTO中16套存在阻塞問題。在對調(diào)研結(jié)果進(jìn)行整理后，醫(yī)藥行業(yè)RTO應(yīng)用過程中發(fā)生的問題見表1。由表1可知，醫(yī)藥化工行業(yè)的大多數(shù)問題是由于廢氣組分中特定物質(zhì)濃度過高導(dǎo)致，目前沒有良好的應(yīng)對措施，只能通過加強(qiáng)預(yù)處理或在收集前對廢氣進(jìn)行分別處置。此外，還可以通過雙塔并聯(lián)或雙塔切換的方式，降低單個RTO蓄熱體內(nèi)廢氣濃度，避免堵塞或聚合。針對醫(yī)藥化工行業(yè)廢氣成分復(fù)雜的情況，在應(yīng)用RTO前還應(yīng)對廢氣組分進(jìn)行分析，避免低閃點VOCs進(jìn)入RTO引起爆炸風(fēng)險［21-22］。

4 RTO發(fā)展展望

隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，RTO技術(shù)將在揮發(fā)性有機(jī)廢氣治理領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。未來，RTO技術(shù)將朝著高效、節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

目前RTO處理效果好、應(yīng)用廣泛，可以說已成為VOCs治理中最有效的技術(shù)方法。然而從調(diào)研醫(yī)藥化工行業(yè)RTO應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，在實際運(yùn)行維護(hù)中仍存在諸多問題。單獨使用RTO很難達(dá)到預(yù)期效果，因此RTO的優(yōu)化升級勢在必行。建議未來重點在以下幾方面開展研究工作。

一是進(jìn)一步提高RTO氧化效率和能源利用效率。通過優(yōu)化燃燒室設(shè)計、改進(jìn)換熱系統(tǒng)等措施，提高VOCs的氧化效率和設(shè)備的能源利用效率，降低治理成本，提高治理效果。新型陶瓷蓄熱材料的研發(fā)將推動RTO技術(shù)的進(jìn)步。采用高性能、高穩(wěn)定性的陶瓷蓄熱材料，可以提高熱回收效率和設(shè)備使用壽命，降低設(shè)備維護(hù)成本，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

二是深入分析不同行業(yè)的RTO技術(shù)組合工藝。針對成分復(fù)雜的廢氣，將多種廢氣治理技術(shù)結(jié)合起來，形成復(fù)合式RTO，可以更有效地處理廢氣，提高廢氣治理效果，滿足更加嚴(yán)格的環(huán)保要求。

三是進(jìn)一步結(jié)合人工智能等新興技術(shù)，有效控制RTO設(shè)備運(yùn)行更加高效、穩(wěn)定。通過智能化控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)設(shè)備的自動化和智能化運(yùn)行，提高設(shè)備的運(yùn)行效率和管理水平，減少人為操作誤差，提高治理效果。

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