蓄熱燃燒裝置處理揮發(fā)性有機物廢氣的工藝設計
蓄熱式焚燒裝置（RTO）是燃燒處理有機物污染廢氣，并利用蓄熱體換熱并用于廢氣本身升溫的裝置，是目前有效處理VOC廢氣的一種有效措施。
一、適合RTO裝置焚燒的廢氣情況一般情況下，揮發(fā)性有機物濃度在25%LEL（可燃氣體爆炸下限）以下、燃燒絕熱溫升在40℃以上的廢氣，均適合RTO裝置處理。VOCs濃度小于2000mg/Nm³、致絕熱燃燒溫升低于40℃的需助燃，以提高其絕熱溫升至40℃以上的廢氣類型。
二、主要組成系統(tǒng)的工藝設計蓄熱式焚燒裝置由蓄熱室、燃燒室、換向閥和控制系統(tǒng)等結構組成。其主要組成系統(tǒng)的工藝設計包括：蓄熱室床數選定、蓄熱體材料和類型選取和蓄熱體量的計算、空塔進氣流速的確定；燃燒室的燃燒溫度、煙氣停留時間、燃燒器的選?。婚y門切換時間；保溫耐火材料的選取和數量計算；預處理措施和安全保障措施的配套等。
2.1工藝系統(tǒng)整體要求系統(tǒng)設計壓降低于3000Pa。蓄熱燃燒裝置應進行整體內保溫，外表面溫度不高于60℃（部分熱點除外）。環(huán)境溫度較低、濕度較大時，有采取保溫、伴熱等防凝結措施。具有反燒和吹掃功能。2.2蓄熱室蓄熱室是焚燒裝置進行熱量交換的空間，其具體結構和尺寸根據熱回收效率要求、蓄熱體結構性能、系統(tǒng)壓降等因素計算確定。
2.2.1燃燒工藝和蓄熱室數量的選定蓄熱燃燒工藝可以分為固定式和旋轉式蓄熱燃燒等。固定式蓄熱燃燒工藝有二室、三室、五室等，理論上蓄熱室數量越多，凈化效率越高，但設備投資或者占地也隨之提高。旋轉式RTO裝置有旋轉氣缸型、盤型和旋轉閥門型，其中旋轉式RTO的結構除驅動區(qū)、分配區(qū)外，其余與固定式相同。一般情況下，燃燒工藝考慮三室固定式蓄熱燃燒工藝的較多，占地有限制條件時可以考慮旋轉閥門型等燃燒工藝。
2.2.2蓄熱室熱回收效率要求要求蓄熱室對熱回收效率不小于95%，主要是要控制排放氣體的溫度。熱回收效率比較簡單的計算方法處理廢氣熱量的平衡方法，如進氣溫度在30℃，排氣溫度要求60℃，燃燒室的溫度要求在800℃時，則熱回收效率為96.1%，即(800-60)/(800-30)=96.1%。
2.2.3蓄熱體
2.2.3.1蓄熱體的基本要求①要求比熱容不低于750J/(kg•K)，具有高比重。②有足夠的氣體流通截面積，使氣體分布均勻、阻力低。③耐高溫。RTO裝置操作溫度一般為750～950℃，因此一般要選用能耐1250℃溫度以上的材質作為蓄熱體，優(yōu)先選用蜂窩陶瓷、組合式陶瓷等規(guī)整材料。④良好的抗熱震性能。其短時間可承受的高溫沖擊要求1250℃以上，使用壽命不低于40000h。⑤在高溫下有足夠的機械強度和有抗高溫氧化、耐化學腐蝕。⑥價格應盡可能低廉。
2.2.3.2蓄熱體材質與類型的選取目前在RTO裝置中采用的陶瓷原材料主要有黏土、剛玉、莫來石、鋯英石、鈦酸鋁和堇青石等。在RTO裝置的蓄熱室中，蓄熱填充物主要類型有規(guī)整填料（如蜂窩填料和板波紋填料）和散堆填料（顆粒填料，如矩鞍環(huán)）兩大類。
（1） 散堆填料主要有陶瓷矩鞍環(huán)其床層具有較大的空隙率，床層內多為圓弧形液體通道，具有高的比重和耐酸耐熱性能。有關陶瓷矩鞍環(huán)產品的幾何特性及相關參數表1。
陶瓷矩鞍環(huán)與規(guī)整填料相比，優(yōu)點是價格低廉，缺點是阻力比規(guī)整填料大，且填料邊緣容易破碎，會造成床層空隙堵塞，使床層阻力大。如RTO裝置中用陶瓷矩鞍環(huán)lin（25.4mm）作為蓄熱體，為達到95%的換熱效率，需2.44～2.74m高度的床層，切換時間為2min。
（2） 規(guī)整填料①陶瓷蜂窩填料。氣流在陶瓷蜂窩填料中各自通過平行的通道，互不相混，流動成層流狀態(tài)，此狀態(tài)下壓降與氣速成正比關系，因此，陶瓷蜂窩填料遠比陶瓷矩鞍環(huán)的壓降低。陶瓷蜂窩填料一般做成尺寸為150mm×150mm×300mm的柱狀蓄熱體，孔內壁厚度分0.42mm、0.6mm、1.0mm等，并整砌于蓄熱室中。孔密度通常從13×13（孔數169）至60×60（孔數3600）不等?？酌芏仍酱罂商峁┹^大的傳熱面積，從而提高熱效率。陶瓷蜂窩柱是整砌在蓄熱室中，為避免因局部受堵，目前有將陶瓷蜂窩柱的一個端面做成圓弧凹面。②多層板片組合式陶瓷蜂窩填料。板片組合式的陶瓷蜂窩填料由多層板片構成，不采用直接擠壓成型，而是先做成單個板片，然后將多層板片黏結在一起，經燒結而成為多層板片組合式的陶瓷蜂窩填料。該填料的每個薄片上開有溝槽，兩片組合后構成內部相通的通道，使氣流可以橫向和縱向地通過填料。通常每片板厚約1.5mm，組成約305mm×305mm×102mm的塊狀蓄熱體。MLM板片式蜂窩陶瓷的型號有MLM®-125、MLM®-160、MLM®-160-6、MLM®-180、MLM®-200、MLM®板-S及SR系列。MLM®也是規(guī)整陶瓷填料，在同樣應用條件下與傳統(tǒng)的陶瓷矩鞍環(huán)相比，MLM®的床層壓降減少50%，因其阻力比陶瓷矩鞍環(huán)低，能耗可節(jié)省30%，在現有的蓄熱體中抗熱能力是比較強的一種，容易在短時間內達到400℃的變化溫度。陶瓷散堆填料（矩鞍環(huán)）和規(guī)整填料的物理特性比較如表2所示。在達到相同的熱效率條件下，MLM®所需的容積比Monolith少；在一定氣速條件下，其壓降比矩鞍環(huán)低。MLM®的價格比Monolith低，比矩鞍環(huán)高。用MLM®替代lin矩鞍環(huán)后，填料用量為lin矩鞍環(huán)的一半，在熱效率和切換周期時間保持不變，處理能力可提高30%。
2.3空塔進氣流速與蓄熱室截面對于一個已經固定蓄熱床截面積的RTO，當進氣空塔流速提高時，系統(tǒng)壓損均隨之增加；而熱回收效率則隨之降低。設計時一般蓄熱室要求截面空塔風速不宜大于2m/s，當蓄熱室截面風速和廢氣處理能力確定后，則蓄熱室的截面積能確定。如焚燒爐處理風量為20000Nm³/h，蓄熱室截面風速定為1.5m/s時，則每個蓄熱室的截面積為3.7㎡，橫截面可按選擇的填料布置成正方形或長方形。
2.4蓄熱體床層高度與總壓降設計RTO裝置時，設備的體積主要由蓄熱床高度決定，風機功率由蓄熱床總壓降決定，表3為幾種蓄熱體的總壓降數據。從表3的數據可以看出，不同的蓄熱體，在相同的運行條件下，因床層高度帶來的床層總壓降差距較大。因此選擇蓄熱體是設計裝置的重要因素之一。
2.5蓄熱室進出口氣體溫差蓄熱室進出口氣體溫差不宜大于60℃。
2.6燃燒室高溫氣體在燃燒室的停留時間一般不宜低于0.75s，并根據停留時間確定燃燒室的容積與尺寸規(guī)格；燃燒室燃燒溫度高于760℃。燃燒器根據輔助燃料類型、燃燒室結構、壓力、待處理廢氣流量、裝置啟動時間等因素配置，具備溫度自動調節(jié)的功能，符合GB19839的相關規(guī)定。一般來說，1萬m³的氣體可根據廢氣的熱值情況選擇25～60萬kcal的燃燒器，如處理廢氣量10000 m³，采用沼氣或天然氣等氣體燃料作為助燃劑，采用(25萬kcal/h)燃氣燃燒器，可調節(jié)比1∶30。如采用柴油作為助燃，采用美國NA5424-5(20萬kcal/h)燃油比例調節(jié)式燃燒器，調節(jié)比1：10。RTO裝置中使用的燃燒器。輔助燃料優(yōu)先選用天然氣、液化氣、輕質柴油等清潔燃料。
2.7吹掃氣體量吹掃氣體量一般按照處理廢氣量的10%計算，可以單獨設置風機送新風。
2.8閥門與切換周期(1)固定式燃燒工藝采用切換閥（包括吹掃）選用氣動蝶閥，切換閥是固定式RTO裝置進行循環(huán)熱交換的關鍵部件，必須在規(guī)定的時間準確地進行切換，且保證泄漏量?。?le;1%），壽命長（可達100萬次），啟閉迅速（≤1s）。RTO裝置一般規(guī)定要求切換周期在90～180S。旋轉式分配區(qū)的廢(2)旋轉式燃燒工藝旋轉分配閥是旋轉式燃燒工藝的核心部件，采用回轉式空氣分配閥。具體可根據設計處理風量、風壓、風嘴數量和閥芯轉速要求來選擇合適的空氣分配閥。
三、保溫耐火材料
要求質量輕、導熱系數低（常溫下導熱系數低于0.03W/(m•k)、抗熱震性好、化學穩(wěn)定性強。一般情況下，裝置的燃燒室及蓄熱室內保溫可采用耐火硅酸鋁纖維，其耐熱可達1200℃，絨重為220kg/m³。鋪設時，燃燒室及蓄熱室上部厚≤225mm，蓄熱室進出風區(qū)厚≤120mm。保溫層一般設三層，其中含兩層硅酸鋁纖維氈及一層硅酸鋁纖維模塊。硅酸鋁纖維模塊內設置耐熱鋼骨架，用錨固件固定在裝置殼體上。
四、后處理要求
處理含氮有機物造成煙氣氮氧化物排放超標時，采用選脫硝工藝進行后處理。當處理含硫或含鹵素有機物產生二氧化硫、鹵化氫時，采用吸收等工藝進行后處理。
五、安全措施要求
① 當廢氣濃度波動較大時，在前端采取稀釋、緩沖等措施。
② 需在RTO裝置與主體生產裝置之間的管道系統(tǒng)中安裝阻火器或防火閥。當進風、排風管道采用金屬材質時，采取法蘭跨接、系統(tǒng)接地等措施，防止靜電產生、積聚。
③ 應具有過熱保護功能，保溫設計符合SGBZ-0805的相關規(guī)定。
④ 燃料供給系統(tǒng)設置高低壓保護和泄漏報警裝置；設安全可靠的火焰控制系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)等。燃燒器點火操作應符合GB19839的相關規(guī)定。
⑤ 管路系統(tǒng)和蓄熱燃燒裝置的防爆泄壓設計應符合GB50160的相關規(guī)定。壓縮空氣系統(tǒng)設置低壓保護和報警裝置。風機、電機和置于現場的電氣儀表等設備應防爆，等級應不低于現場級別。
⑥ 具備短路保護，接地電阻應小于4Ω。安裝符合GB50057規(guī)定的避雷裝置。
六、設計案例
美國司將MLM®蓄熱體用于RTO的設計參數與lin陶瓷矩鞍環(huán)的進行了比較，如表4所示。
七、結語
蓄熱燃燒裝置處理揮發(fā)性有機物廢氣的工藝設計重點是蓄熱體材質和類型的選擇，確保能滿足熱回收效率和運行穩(wěn)定性；焚燒工藝的類型選擇要具有經濟可行、符合企業(yè)實際；同時根據廢氣的具體情況選擇合適的燃燒溫度和配套設施。
來源：環(huán)保
