VOCs廢氣蓄熱焚燒（RTO）發(fā)展史及簡(jiǎn)評(píng)

眾所周知，蓄熱爐(也稱熱風(fēng)爐)很早以前已在化工、冶金等行業(yè)中用于空氣的預(yù)熱，以便充分利用生產(chǎn)過(guò)程排出煙氣的熱能。用RTO來(lái)處理VOCs廢氣就是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

較早將RTO用于VOC廢氣的凈化大致在20世紀(jì)70年代初(約1972年)，由美國(guó)Hamon Research-Cottrell公司第一次將RTO引入市場(chǎng)。當(dāng)時(shí)用陶瓷材料作為蓄熱體，最高的熱效率也就在80-85%之間。1978年美國(guó)加利福尼亞州金屬制品廠的漆包線生產(chǎn)線也是用RTO來(lái)處理含溶劑的排放廢氣。之后，隨著世界各國(guó)對(duì)VOC排放的嚴(yán)格控制和對(duì)排放允許限值的要求越來(lái)越嚴(yán)，因而涉及需要對(duì)排放VOC廢氣進(jìn)行處理的領(lǐng)域也越來(lái)越寬，必須配備VOCs廢氣凈化裝置的企業(yè)自然不斷增多。到20世紀(jì)90年代中期，特別在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，RTO已經(jīng)非常普遍地用于VOC廢氣的凈化處理。

采用RTO，雖然一次性投資較大，但其優(yōu)點(diǎn)是：

首先，它幾乎可適應(yīng)所有有機(jī)廢氣的處理，而且熱效率極高，特別是當(dāng)廢氣中有機(jī)物的濃度合適時(shí)，可不必添加輔助燃料而實(shí)現(xiàn)自供熱操作，從而達(dá)到既節(jié)能、減排又能符合排放要求；

其次，當(dāng)廢氣濃度較高時(shí)還可回收熱量，借以補(bǔ)償或回收投資；

此外，RTO的操作方便、可靠，很少需要維護(hù)。

目前，典型的RTO已從兩室、三室、五室發(fā)展到七室和多室裝置，并已開(kāi)發(fā)了許多不同類型的RTO裝置，以滿足各種需要，例如：?jiǎn)未彩絉TO和旋轉(zhuǎn)式RTO在切換閥(換向閥)方面也作了許多改進(jìn)，提高了其密封性和快速性，并延長(zhǎng)其使用壽命；也有用旋轉(zhuǎn)式氣體分配器切換氣流方向來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的切換閥，而不必使蓄熱體旋轉(zhuǎn)。

RTO的裝置規(guī)模已有從處理小氣量到極大氣量的系列。在2000年，當(dāng)時(shí)稱為歐洲最大的一套R(shí)TO裝置是由LTG Mailaender,  GmbH為英國(guó)一家墻紙生產(chǎn)廠設(shè)計(jì)的，用于處理印刷車間排出含有機(jī)溶劑和增塑劑的廢氣，其處理風(fēng)量為300000Nm3 /h，兩套、三室式，即當(dāng)時(shí)的單套處理能力已達(dá)150000Nm3 /h。目前RTO裝置一般系列為5000-80000Nm3/h，一套R(shí)TO裝置的最大處理能力可達(dá)400000-600000Nm3/h。

根據(jù)有機(jī)廢氣中V OC的種類和組成，一般講，當(dāng)廢氣中VOC濃度達(dá)到2-3g/m3時(shí)(視VOC的熱值大小而定)，即可實(shí)現(xiàn)自供熱操作。若廢氣濃度達(dá)不到自熱操作，但十分接近自熱點(diǎn)的濃度時(shí)，則可在原料廢氣中補(bǔ)充一些燃料氣而達(dá)到自供熱操作所需濃度，但必須有防爆安全監(jiān)控裝置，以確保VOC濃度低于爆炸下限。如果廢氣中VOC濃度較高，則可以回收余熱，例如：用于加熱導(dǎo)熱油或生產(chǎn)熱水、蒸汽等，從而可以回收投資費(fèi)用。

在RTO的設(shè)計(jì)方面，許多環(huán)保工程公司均已開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，以及對(duì)RTO的操作行為、流體力學(xué)和傳熱進(jìn)行數(shù)值模擬和優(yōu)化。目前RTO裝置大多采用模塊組合式、集裝箱式和預(yù)制件式的標(biāo)準(zhǔn)、系列化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同的氣體處理量要求，并且可以在很短時(shí)間內(nèi)在現(xiàn)場(chǎng)安裝完畢。

此外，美國(guó)Thermatrix Inc.(現(xiàn)屬Selas-Linde公司)還開(kāi)發(fā)了填充陶瓷蓄熱體的無(wú)火煙熱力氧化裝置(Flameless Thermal Oxidation,  FTO)，為適應(yīng)不同的氣體處理量，節(jié)省風(fēng)機(jī)電能消耗，風(fēng)機(jī)采用變頻控制。

RTO裝置中對(duì)熱交換起到關(guān)鍵作用的是蓄熱填充物，也稱蓄熱體，常用陶瓷材料做成。在陶瓷蓄熱體方面，目前RTO中經(jīng)常使用的基本上還是陶瓷散堆填料和陶瓷規(guī)整填料兩大類。在散堆填料方面:最初采用化工中常見(jiàn)瓷球和陶瓷矩鞍環(huán)，而用得較多的是陶瓷矩鞍環(huán)。近代的陶瓷矩鞍環(huán)在開(kāi)孔面積和氣流流道的設(shè)計(jì)方面均有很大改進(jìn)，從而進(jìn)一步防止了填料的相互疊套和降低氣流通過(guò)填料床層時(shí)的壓力損失，例如：美國(guó)Koch Knight公司開(kāi)發(fā)的新型陶瓷矩鞍環(huán)填料(Flex-eramic Saddles)，其壓降比傳統(tǒng)的陶瓷矩鞍環(huán)可降低20%；美國(guó)原Norton公司研制開(kāi)發(fā)了陶瓷Ty-Pak填料，一種扁平的、類似8字形的填料，據(jù)稱在相同效率情況下與原來(lái)矩鞍環(huán)相比，操作費(fèi)用較低(壓降較低)，而且不易破碎。在規(guī)整填料方面，目前應(yīng)用最多的還是陶瓷蜂窩填料(Ceramic Honey Comb)，因?yàn)闊o(wú)論在傳熱性能還是在流體力學(xué)性能方面均優(yōu)于散堆填料。在同樣條件下與散堆填料相比，采用陶瓷蜂窩填料作為蓄熱體，可以大大降低壓降，從而減少了操作費(fèi)用；同時(shí)還可減小RTO裝置的容積，因而降低了投資費(fèi)用。除陶瓷蜂窩填料外，也有采用類似化工生產(chǎn)中常見(jiàn)的陶瓷波紋填料作為蓄熱體，例如美國(guó)Koch Knight公司開(kāi)發(fā)的陶瓷波紋填料(Flexeramic Corrugated Structured Packing)，據(jù)稱這種蓄熱體具有良好的氣流分布性能，而且不像陶瓷蜂窩填料的孔是直通的，一旦一個(gè)孔道局部受堵，將殃及上、下整個(gè)通道。當(dāng)然，陶瓷蜂窩填料也在不斷改進(jìn)，除了改變小孔形狀和增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度外，例如為防止上述堵孔，將蜂窩柱的一個(gè)端面加工成圓弧凹面。除上述類型的蓄熱體外，還有可整砌的小塊蓄熱體，例如美國(guó)Saint-UobainNor Pro公司開(kāi)發(fā)的三角孔眼正六邊形的蓄熱體(HexPak )，因而也具有規(guī)整填料的優(yōu)點(diǎn)?？偟膩?lái)講，兩種類型的蓄熱體都在使用，但規(guī)整填料的價(jià)格比散堆填料貴好幾倍;不過(guò)在正常情況下，一般的陶瓷散堆填料的使用壽命約為5年，而規(guī)整陶瓷蜂窩填料的壽命長(zhǎng)達(dá)10年之久。

從目前RTO裝置技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展看：

首先是力求減排(減少NOx的排放)，這就要求改善燃燒器的設(shè)計(jì)(例如已開(kāi)發(fā)低NOx的燃燒器)和燃燒過(guò)程特別是對(duì)燃燒溫度的控制，以及采用電加熱來(lái)替代油/氣燃料，借以避免添加輔助燃料燃燒和高溫可能引起的二次污染；

其次是研究如何提高氣速、開(kāi)發(fā)高效的蓄熱體來(lái)縮小裝置的容積，借以降低投資費(fèi)用；改進(jìn)氣體的初始分布來(lái)提高蓄熱體的有效利用率和傳熱效果；改進(jìn)切換閥來(lái)延長(zhǎng)其使用壽命;進(jìn)一步開(kāi)發(fā)對(duì)裝置中諸參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制，借以提高操作的安全性和可靠性等方面，還有許多值得研究的問(wèn)題；

此外，對(duì)RTO裝置進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬，可以預(yù)先了解過(guò)程的操作行為和優(yōu)化裝置的設(shè)計(jì)，并在某些方面可代替RTO的中間試驗(yàn)來(lái)節(jié)省費(fèi)用。