图1 运行中的华宇RTO
文/许浩然，江苏华宇印涂设备集团有限公司
挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是石油化工过程以及各种使用有机溶剂的行业，如喷漆、印刷、制药、煤化工等行业排放最常见的污染物。该类化合物多数具有刺激性气味和毒性，部分已被列为致癌物，如苯、多环芳烃、氯乙烯、乙腈等，危害人类健康，污染空气;此外多数VOC气体易燃易爆，对企业生产安全造成威胁。
环保承压，金属包装业亟需解决VOCs的有效治理
由于VOC的危险性，许多国家颁布法令对VOC的排放进行管制。我国颁布的《大气污染防治法》要求对工业生产中产生的有毒气体进行净化处理，对可燃性气体要回收利用。《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)规定了33种挥发性有机物的排放标准，将大部分的其他挥发性有机物按非甲烷类烃来处理，并规定了统一的排放标准(
就金属包装行业而言，由于大多数企业所用涂料中的有机溶液中含有苯、甲苯、乙酸乙脂、二甲苯、丁酮等成分，因而在表面涂布、烘干等工艺过程中，会存在一定的有害挥发物，是当前环保管治大户之一。在环保高压下，金属包装业必须解决“彩印、涂布和烘烤中产生的低浓度、大风量有机废气的有效处理”难题，合理利用资源，保护环境，显著提升行业技术装备水平，加速废气净化装置等相关配套装备的更新换代，打破国外企业在该领域的技术和市场垄断，提高我国在世界包装行业的竞争力。
VOCs三类主要处理技术路线的优劣比较
去除工业废气中VOC的方法可分为破坏性方法和非破坏性方法。在破坏性方法中，有直燃法、催化燃烧法、蓄热式氧化法三类技术路线之分，其中催化燃烧技术和高温燃烧技术是目前最常见、有效的VOCs处理技术。
直燃法是利用热力燃烧方式氧化分解恶臭气体，在适当的温度下，提供充足的燃烧氧气和一定驻留时间，可高效除臭，净化率高;同时设备主机工作稳定，不存在堵塞现象，适于含有催化剂失活物质(S、重金属、卤素)的废气，以及粘性大的物质如沥青废气等。但设备占地面积大，成本相对较高。
催化燃烧法采用的是吸附浓缩+催化燃烧组合工艺，整个系统实现了净化、脱附过程闭循环，与回收类有机废气净化装置相比，无需压缩空气和蒸汽等附加能源，运行过程不产生二次污染，设备运行费用较低，适于常温、大风量、中低浓度，易挥发的有机废气。设备一次性投资成本较高。
蓄热式氧化法采用预热和蓄热交替切换技术，换热效率高达90%以上，节能效果显著。具有预清扫、歇火保护、超温报警及自动切断燃料供应功能。采用微机自动控制、多点温控，实现了多种保护动作、运行信息检索、监控信息反馈，使系统安全、稳定、可靠运行。阀门切换更灵敏、迅速。催化剂价格较贵(12万元/m3)，辅料燃烧成本也很高，适于中高浓度的有机废气，以及涂装线、印刷、化学合成工艺(ABS合成)、石油炼化工艺各种产生有机废气的场所。
总体来看，热催化燃烧过程中需要对相应的燃烧温度进行加热，如果废气中有机物浓度很高，废气燃烧所产生的热量就可以保持有机物分解所需的反应温度，因而催化燃烧法是一种经济可行的方法。
然而，传统的催化燃烧技术和高温燃烧技术传热效率低。当废气中有机物浓度较低时，需要大量的能量消耗，运行成本较高。为了提高设备的热效率，降低设备的运行成本，近年来出现了蓄热式加热技术和蓄热式催化燃烧技术，把回收烟气余热与高效燃烧及降低NO X(热力型氮氧化物)排放量等技术有机地结合起来，实现了节能和降低污染物排放量的双重目的。
选择废气处理设备的评价标准
工业废气处理设备生产率和产品质量 设备生产率与产品质量主要是指单位时间的产品产量与设备质量的工程能力。高效率设备的主要特点是：大型、高速、自动化、电子化。
投资费用 在选择设备时，对上述各种因素进行认真评价之后还要考虑设备的最初投资以及投资的合理平衡，即设备投资的回收期限以及因采用新设备带来的节约。
工艺性 即设备满足生产要求的能力。此外，设备还要操作方便、控制灵活;产量大的设备应自动化程度高;对有毒有害作业的设备则要求自动化控制或者远距离监控等。
维修性 即通过修理和维护来预防和排除系统、设备、零部件等故障的难易程度。一般来说，如果设备设计合理，结构简单，零部件组装合理，维修时零部件易拆易装，检查容易、零件的通用性好、标准性及互换性好，那么设备的维修性就好。
经济性 选择设备时，要求设备最初的投资少，即设备的购置费用较低，设备的生产率高，自然寿命较长，维修及管理费较少，并能节约劳动力。
安全性 即指选择在生产中安全可靠的设备。对于有腐蚀性的设备，要注意防护设施的可靠性，以及设备的材质是否满足设计要求。此外还应注意设备结构是否先进，组装是否合理、牢固，是否安装有预报和防止设备事故的各种安全装置。
环保性 是指设备产生和排放的有害物质对环境的污染要符合国家规定的要求。应该选择不排放或少排放“三废”的设备，或者选择有相应治理“三废”附属装置的设备。还要附带有消声、隔音装置。
成套性 即设备本身及各种设备之间的配套情况。在选择设备时，应避免动力设备和生产设备之间“大马拉小车”或“小马拉大车”的现象，以及各生产设备之间“头重脚轻”等不配套的现象。
可靠性 从广义上来说是指机器设备的精度、准确度的保持，以及机器零件的耐用性、执行功能的可靠程度、操作是否安全等。
蓄热式高温空气燃烧技术优势
蓄热式高温空气燃烧技术(High Temperature AirCombustion，HTAC)，是自上世纪90年代以来发达国家开始普遍推广应用的一种全新燃烧技术。它能够将助燃空气预热到800~1000℃或以上，燃烧区空气含氧量在2%～21%。与传统燃烧过程相比，高温空气燃烧的最大特点是节省燃料，减少CO2和NOX的排放，降低燃烧噪音。
国际上十分重视对高温空气燃烧技术的开发研究，工业界把推广应用高温空气燃烧技术作为新世纪节能和环保的主要任务之一。2014年，中国有50余家企业采用此技术改造印涂铁涂料烘房，平均节能效果达到30%，NOX排放指标符合政府环境要求。
蓄热式高温空气燃烧技术的主要特征表现在以下几方面。
大幅节能减碳 采用蓄热式烟气余热回收装置，最大限度地回收高温烟气的物理热，一般可节约能源10%～70%，提高热工设备热效率，同时温室气体(CO2)减排达10%～70%。
炉内温度分布均匀，大幅减少NOX。通过组织贫氧燃烧，扩展了火焰燃烧区域，使得炉内温度分布均匀;同时，烟气中NOX的排放减少 40%以上。
降低设备造价。由于炉内平均温度增加，加强了炉内的传热，使相同尺寸的热工设备产量提高20%以上，大大降低了设备的造价。
低热值燃料的应用范围更广。低热值的燃料借助高温预热的空气或高温预热的燃气可获得较高的炉温，扩展了低热值燃料的应用范围。
蓄热式高温空气燃烧器技术方案
我司根据客户的技术特点确定如下蓄热式燃烧器具体设计方案：采用空气单预热，预热后空气温度大于800℃，排烟温度控制在100℃~200℃;烧嘴采用套筒式结构，双烧嘴设计，其中一个烧嘴用于燃烧，一个烧嘴用于排烟;双蓄热室设计，蓄热室位于烧嘴下方，采用蜂窝式蓄热体(原因详见下文);采用旋转式四通换向阀;换向时间定为 40s。
烧嘴 蓄热烧嘴的设计遵循高温低氧空气燃烧的基本技术原理，即高效回收烟气余热，大幅减少污染物特别是NOX的排放。
蓄热体材质 出于高效节能的考虑，蓄热体应具有高效蓄热和高效换热功能，以及无温度应力限制、高温结构强度好、抗氧化、抗腐蚀、经济、长寿等特点。蜂窝式蓄热体(图3)因优点较多最终被选作蓄热室填充材料，但它的切换时间短(30～70s)，导致切换频率增大，这势必增加了换向阀的动作，因此在制作换向阀时要应该充分考虑这一点。
图2 蜂窝式蓄热体
换向阀 可采用旋转式四通普通金属换向阀。由于燃烧器运行期间需要进行频繁换向，换向阀的寿命将直接影响到燃烧器的工作性能。
进阶之蓄热式热氧化器RTO
图3 作为蓄热式高温空气燃烧器技术的进阶版本，RTO被认为是一种最经济、具具广泛适用性及耐用性的环保处理装置。
作为蓄热式高温空气燃烧器技术的进阶版本，蓄热式热氧化器(RegenerativeThermal Oxidizer,RTO)是一种用来处理中低浓度挥发性有机废气的节能型环保装置，凭借极高的运行可靠性，操作简便和维护成本低等特点广受关注。典型应用领域包括印铁涂布行业及油漆油墨制造、纺织和化工电子等行业，被认为是一种最经济、具具广泛适用性及耐用性的环保处理装置。
工作原理 典型的三床式RTO主体结构由一个燃烧室、三个陶瓷填料床和六个切换阀组成(图1)，废气在三个蓄热式氧化床之间轮流切换，VOCs在高温环境(≥760℃)下被分解氧化成CO2和H2O。蓄热式陶瓷填充床换热器可使热能得到最大限度的回收(热回收率大于95%)，这样在处理VOCs时可不用或使用很少的燃料。
优势 RTO装置具有以下几大优势。
第一，净化率(DRE)高。三床式 RTO 净化率在 99% 以上，废气经过处理后完全达到国家相关的排放标准。
第二，采用分级燃烧技术，延缓状燃烧下释出热能;炉内升温均匀，烧损低，加热效果好，不存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区，抑制了NOX的生成，无二次污染。
第三，特别适于大风量、低浓度的有机废气，以及同一生产线上，废气成分因产品不同经常发生变化的情况。
第四，运行成本低、燃料消耗操作费用低。有机废气浓度在2000PPM以上时，RTO装置基本不需添加辅助燃料。
第五，高达97%的热能回收(实测值)。蓄热室内温度均匀分级增加，加强了炉内传热，换热效果更佳。
第六，可实现全自动化控制，操作简单、运行稳定、安全可靠性高。炉膛容积小，降低了设备的造价。
第七，废气进口设置惰性氧化铝瓷球，对蓄热陶瓷起到保护、缓冲、过滤的作用，让蓄热陶瓷的使用寿命更长。
第八，全自动运转减少电力消耗，不存在因压力变化产生的能耗浪费现象。
图4 三床式 RTO 净化率在 99% 以上，废气经过处理后完全达到国家相关的排放标准。
结语
在目前已经开发应用和研究的有机废气处理技术中，蓄热式废气焚烧处理技术不仅能够有效地解决传统技术对处理低浓度、大气量有机废气不适用的难题，而且具有投资少、运行费用低、废气停留时间短、高效、稳定、反应彻底且无二次污染的特点，此外还克服了传统方法运行费用高、反应器庞大等缺陷，在VOCs污染治理领域具有广泛的应用前景。
发布时间: 2022-12-05