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淺析RTO蓄熱式氧化爐技術(shù)的6大應(yīng)用問題
自20世紀(jì)90年代初被開發(fā)應(yīng)用以來，RTO已被廣泛用于各行業(yè)有機(jī)廢氣的治理。根據(jù)多年的RTO設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將RTO技術(shù)相關(guān)應(yīng)用分析總結(jié)如下。
一、去除效率問題 用RTO處理有機(jī)廢氣的目的在于去除VOCs組分，使排氣指標(biāo)滿足國家和相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)。兩槽式RTO由于在切換過程中存在未處理的廢氣被帶出，其去除效率為95%~98%。兩槽式RTO因去除效率偏低且有峰值超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)已較少使用。三槽式RTO由于有單獨(dú)的吹掃槽，可將上一循環(huán)滯留在進(jìn)氣槽及進(jìn)氣管道內(nèi)未處理的廢氣吹掃置換，其去除效率可達(dá)99%，如使用氣封型蝶閥，去除效率最高可達(dá)99.5%撇開爐型而言，RTO去除效率主要受以下因素影響。 (1)氧化室溫度。大多數(shù)VOC的自燃點(diǎn)溫度( AIT)為300~600℃ , RTO氧化室設(shè)置在800~900℃，可滿足大部分VOC氧化需求。如有二氯甲烷之類的高AIT組分，且其含量不低，要達(dá)到99%以上去除效率，RTO的氧化溫度應(yīng)超過900℃。 (2)滯留時(shí)間。VOCs需要在高溫氧化室內(nèi)停留足夠時(shí)間，才能充分氧化分解。根據(jù)理論推算與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),RTO爐膛的滯留時(shí)間應(yīng)不低于0.75 s，為達(dá)到良好的處理效果，建議滯留時(shí)間為1~1.2 s。VOCs的去除效率與溫度和滯留時(shí)間的關(guān)系，如表1所示。 (3)湍流度。氣流在爐體的湍流度也會(huì)對去除效率有一定影響，湍流度越高，流場分布越均勻，溫度分布越理想，氧化分解也會(huì)更充分。通過爐型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，合理設(shè)置氣流分布板，可以明顯改善流場分布，使氣流分布更均勻。 (4)切換閥的密封性。常用的提升切換閥有垂直式和水平式，經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，密封面的磨損會(huì)導(dǎo)致泄露，進(jìn)而影響處理效率。如采用氣封型蝶閥，通過一股正壓的空氣在閥板與前后閥座之間的腔體內(nèi)形成氣封，只有正壓空氣向閥門前后方向流動(dòng)，切斷廢氣從閥前穿過密封面進(jìn)入閥后的線路，實(shí)現(xiàn)零泄漏，RTO可以達(dá)到更高處理效率。 以上因素中，溫度是關(guān)鍵，滯留時(shí)間非常必要，湍流起輔助作用。 二、安全控制問題 RTO處理有機(jī)廢氣，因VOCs的特性，當(dāng)爆炸三要素(可燃物濃度在爆炸區(qū)間、氧氣、點(diǎn)火源)同時(shí)存在時(shí)就會(huì)有爆炸風(fēng)險(xiǎn)。因此，RTO設(shè)計(jì)時(shí)，必須注意以下安全因素。 (1) VOC體積分?jǐn)?shù)。為了確保安全，進(jìn)入RTO處理的有機(jī)物體積分?jǐn)?shù)不能超過其爆炸下限(LEL)的25%。VOC體積分?jǐn)?shù)通過LEL檢測儀偵測，并通過PLC或SIS與RTO入口隔離閥、緊急旁通閥聯(lián)鎖。一旦高高警報(bào)值超過LEL的25% , RTO馬上離線，關(guān)閉入口隔離閥，同時(shí)開啟緊急旁通閥，廢氣走旁通。LEL檢測儀按分析原理分為紅外式、火焰離子型(FID)、火焰溫度型(FTA) , LEL檢測儀響應(yīng)時(shí)間包括采樣時(shí)間、分析時(shí)間和閥門動(dòng)作時(shí)間。LEL安全的安裝距離計(jì)算: LEL安裝距離L(m)≥廢氣設(shè)計(jì)流速u(m/s)×響應(yīng)時(shí)間t(s) (2)氧含量。實(shí)際上，大部分VOC都含氧，為確保充分氧化分解，需保持氧化后煙氣中氧體積分?jǐn)?shù)不低于3%。但在大風(fēng)量低濃含氧廢氣與小風(fēng)量高濃不含氧廢氣混合時(shí)，需注意兩點(diǎn):一是低濃含氧廢氣保持連續(xù)且不能低于某一安全值;二是二者混合必須迅速，高濃氣壓力大于低濃氣壓力，防止反串。 (3)防靜電與死區(qū)。廢氣管道盡量選用金屬管道，并做好靜電接地;使用非金屬管道時(shí)，要考慮管道導(dǎo)靜電。另外，管道設(shè)計(jì)應(yīng)避免形成死區(qū)，特別是積液死區(qū)，防止VOCs的積聚。 (4)泄爆。為防止爆燃危害增大，RTO爐體設(shè)置必要的泄爆門，RTO入口廢氣管道設(shè)置阻火器，廢氣管道上還需設(shè)置泄爆片。 (5)安全聯(lián)鎖控制。開展危險(xiǎn)與可操作性分析( HAZOP)，按照HAZOP分析結(jié)果，確定SIL等級(jí)，配齊相應(yīng)的安全聯(lián)鎖控制。需要SIS的，按要求配置好整個(gè)安全回路。應(yīng)確保關(guān)鍵閥門在事故狀態(tài)時(shí)回到安全的初始位置，保障RTO系統(tǒng)的安全。
三、熱效率問題 RTO系統(tǒng)的熱效率高低直接影響裝置的燃料消耗，即運(yùn)行成本。熱效率按下式計(jì)算:熱效率={凈化氣質(zhì)量流量x(氧化室溫度-凈化氣出口溫度)}/{廢氣質(zhì)量流量x(氧化室溫度-廢氣入口溫度)}。影響熱效率的因素主要包括蓄熱陶瓷、切換時(shí)間和保溫厚度。 (1)蓄熱陶瓷。蓄熱陶瓷是RTO熱量回收的載體，蓄熱陶瓷的裝填量和本身性能的好壞是影響RTO熱效率的關(guān)鍵因素。蓄熱陶瓷的配置通常為:上部鋪設(shè)散堆馬鞍環(huán)，用于均勻分布?xì)饬?、抗熱沖擊;主體鋪設(shè)規(guī)整蜂窩陶瓷，起主要蓄熱作用。RTO設(shè)計(jì)熱效率通常不低于95%，但也不能太高。過高的熱效率意味著更多的陶瓷裝填量，對應(yīng)蓄熱室的體積更大，初期設(shè)備投資增高。另外，蓄熱陶瓷過多，系統(tǒng)阻力增加，風(fēng)機(jī)選型增大，電耗增加，導(dǎo)致運(yùn)行成本也增高。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合評(píng)估節(jié)能效果與投資。 (2)切換時(shí)間。切換時(shí)間縮短可提高 RTO裝置的熱效率、降低排氣溫度，切換時(shí)間延長可降低熱效率、升高排氣溫度。按多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，兩槽式RTO常規(guī)切換時(shí)間為3 min，三槽式RTO常規(guī)切換時(shí)間為1.5 min。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，切換時(shí)間可根據(jù)具體情況略微調(diào)整，但不應(yīng)偏離太多。 (3)保溫厚度。RTO爐內(nèi)溫度高達(dá)800~900℃,內(nèi)部必須做好保溫措施。常采用容重192 kg/?的陶瓷纖維棉塊，內(nèi)保溫厚度約為250 mm，在此參數(shù)下，爐體表面溫度相對較低(<70℃)。表面溫度低，熱輻射損失就小，整體就更節(jié)能。但不建議繼續(xù)增大內(nèi)保溫厚度:一方面，增加厚度對降低爐體表面溫度的作用有限;另一方面，導(dǎo)致爐體變大、投資增加，整體來看經(jīng)濟(jì)性差。
四、腐蝕問題 RTO處理化工、醫(yī)藥等行業(yè)有機(jī)廢氣時(shí)，常涉及到的腐蝕介質(zhì)主要有無機(jī)酸(如鹽酸、硫化氫等)，有機(jī)酸(如丙烯酸、馬來酸酐等)，含硫有機(jī)物(如甲硫醇、甲硫醚等)，鹵代烴(如二氯甲烷、氯苯等)等。為防止RTO系統(tǒng)被腐蝕，應(yīng)從以下幾方面考慮。 (1)處理工藝流程。對于腐蝕性有機(jī)廢氣，常規(guī)處理工藝流程。有機(jī)廢氣先經(jīng)過預(yù)處理堿洗，吸收大部分無機(jī)酸性組分，然后進(jìn)一步除霧除水，再進(jìn)入RTO氧化分解，有機(jī)酸性組分產(chǎn)生SO?, HC1等酸性氣體，再經(jīng)過急冷塔降溫，進(jìn)入后處理堿洗塔吸收酸性氣體，達(dá)標(biāo)后經(jīng)除霧除水從煙囪排放。根據(jù)酸性組分與濃度等廢氣特點(diǎn)不同，預(yù)處理堿洗和后處理堿洗可以為一級(jí)或多級(jí)，還可以為堿洗+水洗相結(jié)合的方式。 (2)防止露點(diǎn)腐蝕。廢氣中的酸性氣體可能會(huì)在RTO系統(tǒng)發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。一方面通過加強(qiáng)除霧除水，減少進(jìn)氣含水量，另一方面可在低點(diǎn)設(shè)置排液口，及時(shí)將積液排放。還可以通過給廢氣預(yù)熱升溫，使其高于酸性氣體的露點(diǎn)溫度(通常SO?露點(diǎn)在130℃左右，HCl露點(diǎn)在80℃左右)，避免露點(diǎn)腐蝕。預(yù)熱方式有兩種，一是采用換熱器加熱，常用蒸汽預(yù)熱，額外消耗熱源;二是采用爐膛高溫?zé)煔庵苯踊旌项A(yù)熱，但對進(jìn)氣管路與設(shè)備耐腐蝕要求較高。 (3)選材防腐。RTO爐體主體常用碳鋼制造，用于腐蝕工況時(shí)，常在RTO殼體內(nèi)壁襯乙烯基樹脂防腐，樹脂耐溫可達(dá)150℃，樹脂外部是陶瓷纖維棉，保護(hù)防腐樹脂不被高溫破壞。對于含硫腐蝕，根據(jù)酸性氣體含量高低與溫度分布，可選用316/316L或玻璃鋼(FRP);對于含氯腐蝕，根據(jù)酸性氣體含量高低與溫度分布，可選用2205/2507/AL6XN/哈氏合金或FRP。 (4)其他防腐措施?；诟g特性，綜合考慮材料成本與耐腐性能的情況下，可以通過在設(shè)備管道內(nèi)壁噴涂防腐涂料增強(qiáng)其防腐性能，提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與使用壽命。由于防腐涂料噴涂便捷，費(fèi)用較低，因此具有較高的性價(jià)比。另外，做好內(nèi)外保溫，減少熱量損失與結(jié)露可能，對于正壓的RTO大型爐體，在各模塊連接內(nèi)部，采用焊接形式進(jìn)一步降低漏氣可能，增強(qiáng)防腐效果。
五、堵塞問題 RTO在不同行業(yè)的VOCs廢氣治理中，可能會(huì)遇到各種堵塞問題。綜合來看，主要有以下幾方面。 (1)廢氣含顆粒物。根據(jù)顆粒物的含量、粒徑大小、基本性質(zhì)等，在RTO廢氣進(jìn)氣端設(shè)置相應(yīng)的過濾器，并配置壓差監(jiān)測裝置，阻力超過設(shè)定值時(shí)清理或更換過濾元件。過濾等級(jí)不宜太高，以初效、中效為主，以減輕風(fēng)機(jī)負(fù)荷。 (2)高沸點(diǎn)或大分子VOC積聚。廢氣中若存在高沸點(diǎn)或大分子物質(zhì)，可能會(huì)有部分附著在蓄熱床層底部，經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行會(huì)堵塞陶瓷孔，影響氣體流通與換熱效率。此時(shí)RTO需設(shè)置高溫烘烤，通過程序設(shè)置，將蓄熱層底部溫度升高至300℃以上并持續(xù)一定時(shí)間，定期高溫清理，維持RTO系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。 (3)銨鹽結(jié)品。在制藥有機(jī)廢氣治理項(xiàng)目中，經(jīng)常會(huì)遇到銨鹽結(jié)品問題。處理該問題主要從兩個(gè)方面考慮:一是設(shè)置前置熱旁通和陶瓷過濾器，將銨鹽攔截在過濾器上，并定期用水沖洗過濾器;二是設(shè)計(jì)蓄熱床層時(shí)，在規(guī)整蜂窩陶瓷下方另外鋪設(shè)一定厚度的馬鞍環(huán)，增強(qiáng)銨鹽攔截能力。二者結(jié)合，可大大提高RTO系統(tǒng)抗堵能力。 (4)廢氣含有機(jī)硅。有機(jī)硅會(huì)在RTO氧化室產(chǎn)生二氧化硅粉塵。若有機(jī)硅含量過高，RTO爐內(nèi)二氧化硅產(chǎn)生量過多，容易堵塞蓄熱床層導(dǎo)致RTO無法繼續(xù)運(yùn)行，停機(jī)清理太頻繁則RTO不能穩(wěn)定運(yùn)行。因此，有機(jī)硅含量過高的廢氣不宜進(jìn)RTO處理。在有機(jī)硅含量尚可，進(jìn)入RTO處理時(shí)需要注意以下幾方面:一是選擇合適熱效率、蓄熱床層高度和清理頻次，綜合考量節(jié)能、費(fèi)用、防堵與穩(wěn)定運(yùn)行等方面;二是蓄熱床層配置上應(yīng)有所區(qū)分，最上層的馬鞍陶瓷高度應(yīng)比常規(guī)高，目的是盡量讓硅粉在上層攔截下來，往下鋪設(shè)一定高度的大孔蜂窩陶瓷增強(qiáng)抗堵性能，再往下鋪設(shè)常規(guī)型式蜂窩陶瓷以確保RTO合理熱效率;三是對于連續(xù)運(yùn)行和排放要求較高的項(xiàng)目，可考慮設(shè)置RTO備用爐，當(dāng)一臺(tái)到達(dá)清理狀態(tài)時(shí)，切換至備用爐運(yùn)行，另外常備陶瓷備品，以便隨時(shí)更換，縮短清理停車時(shí)間。
六、旁通排放問題 當(dāng)RTO因系統(tǒng)故障、觸發(fā)安全聯(lián)鎖警報(bào)、正常停車檢修等狀況離線時(shí)，VOCs需要從旁通排放。常用的旁通排放有以下幾種方式。 (1)直排。在符合當(dāng)?shù)丨h(huán)保排放要求的條件下，有機(jī)廢氣本身性質(zhì)穩(wěn)定，VOCs濃度較低，無安全風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)RTO離線時(shí)，可以通過旁通管路不經(jīng)過處理直接從煙囪排放。 (2)吸附后排放。當(dāng)VOCs濃度及總量超過一定量，直排會(huì)造成嚴(yán)重環(huán)境污染時(shí)，需要在旁通管路上配置相應(yīng)的處理設(shè)施。常用活性炭進(jìn)行吸附，吸附后廢氣從煙囪排放。 (3)冷排氣筒排放。危害性較高的廢氣需要立即排空，此時(shí)需要設(shè)置單獨(dú)的冷排氣筒進(jìn)行緊急排放，不再通過原RTO煙囪排放，避免引起安全風(fēng)險(xiǎn)。 實(shí)際項(xiàng)目中還有上述方式的結(jié)合應(yīng)用，例如，當(dāng)LEL發(fā)生警報(bào)時(shí)，廢氣從冷排氣筒直接排放，其他情形RTO離線時(shí)，廢氣通過活性炭吸附后從RTO煙囪排放。必要時(shí)，冷排氣筒末端還需要設(shè)置阻火器，以防止回火。
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