多室蓄热式有机废气焚烧炉工程应用研究.pdf

多室蓄热式有机废气焚烧炉工程应用研究 * 萧琦姜泽毅张欣欣 北京科技大学机械工程学院， 北京100083 摘要 为了解决城市周边小企业挥发性有机物空气污染问题， 研发了一种新型多蓄热室旋转换向蓄热式有机废气焚烧 炉， 对现有焚烧炉内不合理的流通截面积分配比例进行了改进， 并在北京市郊某工厂建设了处理能力为3 000 m3/h的 应用示范装置。通过对焚烧炉出口残留 VOC 和焚烧炉能量消耗数据的分析和计算， 揭示了影响焚烧炉示范装置 VOC 处理效果和燃料消耗量的因素。应用情况表明 新型蓄热式有机废气焚烧炉对 VOC 的处理效率可达 95 ， 同时比常 规热力焚烧炉节能 70 以上。 关键词 蓄热式有机废气焚烧炉; VOC 处理; 大气污染控制 ENGINEERING APPLICATION RESEARCH OF MULTIPLE- CHAMBER RTO Xiao QiJiang ZeyiZhang Xinxin School of Mechanical Engineering，Beijing University of Science and Technology，Beijing 100083，China AbstractA new type of multiple-chamber rotary regenerative thermal oxidizer RTOwas developed for volatile organic compound VOCair pollution control in suburban factories.Unreasonable flow area distribution of current regenerative chamber was improved in the new type RTO.A demonstration device with capacity of 3 000m3/h was constructed in a suburban factory of Beijing. Factors which impact VOC abatement efficiency and fuel consumption were discussed by outlet VOC analysis and energy consumption calculation. The destruction and removal efficiency DREof the new type RTO could reach 95 and the energy saving could be over 70 as compared with convectional thermal oxidizers. Keywordsregenerative thermal oxidizer;VOC abatement technique;air pollution control *北 京 市 科 委 “ 城 市 建 设 新 工 艺 技 术 应 用 ” 项 目 资 助 No. Y06050600000701 。 0引言 随着制造和表面处理工艺的不断发展， 挥发性有 机化合物 Volatile Organic Compound， 简称 VOC 在 工业中的应用越来越广泛。挥发性有机化合物大多 数具有特殊的气味， 能导致人体呈现种种不适， 并具 有毒性、 刺激性、 致癌作用; 在阳光照射下， 大气中的 氮氧化物、 碳氢有机化合物与氧化剂发生光化学反 应， 生成光化学烟雾， 危害人体健康及作物生长， 破坏 臭氧层 ［ 1- 2］。近年来， 人们的环保意识不断增强， 对控 制大气污染的要求日益提高。经济、 有效地处理含有 挥发性有机化合物的废气已经是迫切需要解决的 问题。 蓄热式有机废气焚烧炉 Regenerative Thermal Oxidizer， 简称 RTO 最 早 出 现 在 美 国 加 利 福 尼 亚 州的一个金属成品厂的卷材连续涂覆线 ［3- 4］; 由于 其热回收效率 的大 幅 度提高， 在欧美国家迅速推 广并应用于工业 VOC 废气的处理。经过 30 年的 发展， RTO 经历了两室到三室再到多 室的发展历 程 ［5- 6］。由于 RTO 在 有 机 物 破 坏 去 除 效 率、 适 用 范围和低运行 费用 等 方面的优势， 必将 成为工业 VOC 废气处理的主要设备。 1改进后焚烧炉的特点 北京科技大学研发人员在研究大量国外相关文 献基础上， 结合自身长期从事工业炉研究的经验， 对 现有蓄热式有机废气焚烧炉进行了改进， 自主研发国 内第一套多蓄热室旋转换向蓄热式有机废气焚烧炉 系统。改进后的旋转换向 RTO 系统的结构和工作流 程如图 1、 表 1 所示。 目前所有的 RTO 系统， 在设计中都采用进气和 排气的流通通道截面积相同的方案 ［ 7- 8］。由于排气温 96 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 图 1改进后 RTO 结构 表 1改进后 RTO 工作流程 阶段 序号 蓄热 室 1 蓄热 室 2 蓄热 室 3 蓄热 室 4 蓄热 室 5 蓄热 室 6 1进气进气吹扫排气排气排气 2进气吹扫排气排气排气进气 3吹扫排气排气排气进气进气 4排气排气排气进气进气吹扫 5排气排气进气进气吹扫排气 6排气进气进气吹扫排气排气 度高于进气温度和 VOC 焚烧， 排气体积流量约为进 气体积流量的 1. 4 倍; 加之蓄热体高低温端的结构形 式不同， 导致在进气和排气的流通通道截面积相同情 况下， 排气压力损失约为进气压力损失的 2 倍。改进 以后的 RTO 设计方案采用 6 个蓄热室， 在保持进气 通道截面积不变的同时增大排气通道截面积， 在进气 压力损失不变的前提下可以大幅度减小排气压力损 失， 从而减小 RTO 系统的流动压力损失。同时， 改进 以后的 RTO 设计方案将原来空置的蓄热室用于排气 排气通道截面积为进气通道截面积的 1. 5 倍 ， 不 但可以使进气和排气时的流动压力损失得到平衡， 还 可以增加焚烧炉的处理能力， 提高设备利用率。 2多室蓄热式有机废气焚烧炉设计 有机废气焚烧炉设计最大处理含 VOC 废气能力 为3 000 m3/h， 管道系统如图 2 所示。管路系统中， 阀门 V1 用于控制进入焚烧炉的有机废气流量; 阀门 V2 用于控制直接排放有机废气流量; 阀门 V3 用于控 制有机废气中掺混空气的流量; 阀门 V4 用于控制吹 扫烟气流量; 阀门 V5 用于控制焚烧炉压力和烟气流 量。引风机最大流量5 000 m3/h， 全压大于5 000 Pa。 焚烧炉采用环形布局， 分为 6 个蓄热室; 2 个蓄 热室用于进气， 3 个蓄热室用于排气， 1 个蓄热室用于 吹扫。这样的布置方案既结构紧凑， 又能满足进气、 排气和吹扫的要求。蓄热室内充填陶瓷蜂窝蓄热体， 蓄热室流通面积为0. 243 m2; 共放置 5 层蜂窝蓄热 图 2蓄热式有机废气焚烧炉系统 体， 并预留增加 2 层陶瓷蜂窝蓄热体的空间。燃烧室 内衬200 mm绝热保温材料; 设计燃烧室外壁温度低 于 70 ℃ 。焚烧炉炉体上设置 2 个安全防爆泄压阀和 6 个检修门; 检修门用于充填蓄热体。 启动助燃系统燃烧器选用美国 MAXON 公司出 品 OVENPAK 燃烧器， 自带风机和比例调节阀。焚烧 炉启动时加热能力为1 256 040 kJ/h， 启动时间 20 ～ 40 min。为满足焚烧炉启动时的最大加热能力需求， 采用 4 个液化气罐并联安装供气方案。此方案允许 焚烧炉启动后正常运行时， 可以关闭 2 个液化气罐 可以在运行中更换液化气罐 。燃气供应系统设置 玻璃转子流量计旁路; 在需要计量时， 用于液化气实 际消耗量的测量。设置独立的储气间存放液化气瓶， 储气间配备换气通风设备和可燃气体检测报警装置。 换向阀设计是保证焚烧装置性能的决定性因素。 要求换向阀的泄漏量能够控制在 3 以下。其核心 问题是如何解决高温条件下旋转灵活和密封的矛盾。 六位九通换向阀将 6 个蓄热室的进气、 排气和吹扫的 换向集于一体， 采用旋塞阀结构。这样的结构既可以 保证良好的密封性， 又能满足阀体阀芯之间活动灵活 的要求。阀体由气动执行器驱动， 每30 s转动一次; 每次旋转 60， 即实现一个蓄热室的换向。 3应用效果与分析 多室蓄热式有机废气焚烧炉研制成功以后， 随即 应用于北京市房山区的一家工厂。该工厂生产精密 抛光材料; 蓄热式有机废气焚烧炉用于研磨带涂布生 产过程产生的有机废气的处理。该工厂原有催化氧 化焚烧炉， 存在处理效果不理想、 能耗比较高、 更换产 品时需要停机和需要更换价格昂贵的催化剂等问题， 目前已停止使用。多室蓄热式有机废气焚烧炉于 2009 年 7 月完成安装调试工作; 至今一直用于生产， 运行状况良好; 在正常运行的同时， 进行了一系列实 07 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 验研究。 3. 1影响破坏去除率的因素分析 焚烧炉处理能力保持在1 960 m3/h， 焚烧室温度 在 770 ～ 780 ℃ 的条件下， 焚烧炉出口总 VOC 浓度、 焚烧炉破坏去除效率随焚烧炉入口总 VOC 浓度的变 化趋势如图 3 所示。由图 3 可见， 焚烧炉出口总 VOC 浓度随焚烧炉入口总 VOC 浓度呈线性变化; 焚烧炉 破坏去除效率随焚烧炉入口总 VOC 浓度升高略有升 高， 但变化幅度很小， 破坏去除效率基本上保持在 95 以 上。 焚 烧 炉 在 入 口VOC浓 度 低 于 2 400 mg/m3时可以满足国标 GB 162971996大气 污染物综合排放标准 对非甲烷总烃的排放要求。 图 3入口浓度对破坏去除率的影响 焚烧炉处理能力保持在1 960 m3/h， 入口有机物 浓度为5 500 mg/m3条件下， 测得不同燃烧室温度下 的 VOC 破坏去除率如图 4 所示。当焚烧温度低于 760 ℃ 时， 有机物破坏去除率随焚烧温度的增加而快 速增 加， 基 本 上 呈 线 性 变 化; 焚 烧 温 度 在 760 ～ 800 ℃ 时， 有机物破坏去除率随焚烧温度的增加而增 加的变化率急剧减缓; 焚烧温度在800 ℃ 以上时， 有 机物破坏去除率基本不再随焚烧温度的增加而增加。 图 4 中还将实验数据与数值计算 ［ 9］得到的有机物破 坏去除率随焚烧温度变化的规律进行了对比; 实验数 据与理论计算数据吻合较好。 焚烧炉的运行温度应该达到 770 ～ 780 ℃ ， 才 可以达到 要 求 的 有 机 物 破 坏 去 除 率; 在780 ℃ 以 上的运行温度， 有机物破 坏 去除 率 的提高 非常 有 限， 同时 引 起 筑 炉 材 料 要 求 提 高、 能 耗 增 加 等 问 题。因此， 此类焚 烧炉 的理 想 焚烧 温 度 应 控 制 在 770 ～ 780 ℃ 之间。 3. 2影响燃料消耗量的因素分析 焚烧炉处理能力保持在1 960 m3/h， 焚烧室温度 图 4焚烧温度对破坏去除率的影响 在 770 ～ 780 ℃ 的条件下， 蓄热式焚烧炉稳定运行中 液化石油气平均消耗量随焚烧炉入口总 VOC 浓度的 变化趋势如图 5 所示。液化石油气平均消耗量随焚 烧炉入口总 VOC 浓度的增加而减少， 呈线性变化。 常规焚烧炉液化石油气理论消耗量随焚烧炉入口总 VOC 浓度的变化趋势也标注于图 5 中; 常规焚烧炉 液化石油气理论消耗量通过计算得到， 焚烧温度以 770 ℃ 计算， 废气预热温度以350 ℃ 计算。在入口 VOC 浓度为2 400 mg/m3时， 蓄热式焚烧炉比常规焚 烧炉节能约 74 ; 在入口 VOC 浓度为5 500 mg/m3 时， 蓄热式焚烧炉节能约 89 。 图 5入口浓度对液化气消耗量的影响 焚烧炉处理能力保持在1 960 m3/h， 入口有机物 浓度为5 500 mg/m3条件下， 测得不同燃烧室温度下的 液化气消耗量和排烟温度如图 6 所示。在温度780 ℃ 以下时， 随着焚烧温度的升高， 燃料消耗量升高; 这是 由于焚烧温度低时 VOC 破坏去除率较低、 VOC 氧化释 放热量少造成的。在温度高于780 ℃ 以上时， 随着焚 烧温度的升高， 燃料消耗量升高， 升高幅度较缓慢; 这 是由于在焚烧温度较高的区域， VOC 破坏去除率基本 不再随温度升高而升高， VOC 氧化释放热量不再增加， 17 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 而排烟带走的热量和炉体散失的热量却有所增加。由 图 6 可见， 排烟温度始终随焚烧温度的增加而增加; 焚 烧温度升高以后， 炉内高温烟气的温度随之增加， 而低 温未处理有机废气的温度、 流量保持不变， 因此经过蓄 热体换热以后的排烟温度也相应增加。 图 6焚烧温度对液化气消耗量的影响 由实验 数 据 可 见， 焚 烧 炉 的 运 行 温 度 应 该 在 770 ～ 780 ℃ ， 此时燃料消耗量最低， 同时可以达到满 足使用要求的有机物破坏去除率; 在780 ℃ 以上的运 行温度， 能量消耗显著增加， 而有机物破坏去除率的 提高非常有限。因此， 此焚烧炉的理想焚烧温度应控 制在 770 ～ 780 ℃ 之间。 3. 3经济性分析 蓄热式有机废气焚烧炉因大幅度节能而直接带来 巨大的经济效益。焚烧炉以每天工作8 h、 年运行 300 天， 入口有机物浓度以2 400 mg/m3计算; 处理能力为 3 000 m3/h蓄热式有机废气焚烧炉年运行费用约 3. 98 万元。目前实际应用较多的有机废气处理装置是热力 焚烧炉。废气预热温度以350 ℃ 计算， 处理能力为 3 000 m3/h热力焚烧炉年运行费用约为 15. 86 万元。 建设处理能力为3 000 m3/h蓄热式有机废气焚 烧炉的投资为 25 万元到 30 万元; 而建设热力焚烧炉 的投资为 15 万元到 18 万元。蓄热式废气焚烧炉与 热力焚 烧 炉 相 比 较， 一 次 性 投 资 多 10 万 元 到 12 万元， 年运行费用少 12 万元; 运行 10 个月到 12 个月 之后， 运行蓄热式废气焚烧炉节约的费用即可回收多 出的投资费用。 旋转换向蓄热式有机废气焚烧炉是减少大气污 染和光化学污染的重要设备。如果能够推广， 仅北京 市每年可减少有机污染物排放 3 万 t 以上， 社会效益 显著。蓄热式废气焚烧炉比热力焚烧炉燃料消耗减 少 70 以上; 前者年运行费用只有后者的 25. 1 ， 年 节约运行费用约 12 万元。以北京市为例， 如果全市 有机废气排放企业都使用蓄热式焚烧炉， 需要新建或 改造蓄热式焚烧炉1 000座以上， 比使用热力焚烧炉 节省燃料费用约 1. 2 亿元。 4结论 通过对多室蓄热式有机废气焚烧炉应用数据的 分析得到如下结论 1 多室蓄热式有机废气焚烧处理效率可达 95 以上; 改进旋转换向阀门减少泄漏率可进一步提高处 理效率。 2 多室蓄热式有机废气焚烧炉的节能效果非常 显著，比 带 有 换 热 器 的 常 规 焚 烧 炉 节 约 燃 料 70 ～ 90 。 多室蓄热式有机废气焚烧炉处理有机废气效果好 能耗低， 社会效益和经济效益良好， 具有推广应用潜力。 参考文献 ［1 ］ 童志 权. 工 业 废 气 净 化 与 利 用［M］ . 北 京 化 学 工 业 出 版 社， 2001. ［2 ］ 周明艳， 杨明德， 党杰. 蓄热式热氧化器处理挥发性有机化合 物［J］ . 环境保护， 2001， 13 11 16- 19. ［3 ］ 汪涵， 郭桂悦， 周玉莹， 等. 挥发性有机废气治理技术的现状与 进展［J］ . 化工进展， 2009， 28 10 1833- 1840. ［4 ］ Sameh W Montaz， Thomas J Truppi， Joseph J Seiwert Jr. Sizing up RTO and RCO heat transfer media［J］ . Pollution Engineering， 1997， 28 12 34- 38. ［5 ］ Howard Hohl，Mark West. Stretching your RTOdollars ［J ］ . Pollution Engineering， 1999， 30 10 30- 33. ［6 ］ Rodney LPennington，MarkLiszewski. Getmorefromyour regenerative thermal oxidizer［J］ . Chemical Engineering， 1999， 121 5 137- 142. ［7 ］ Chang M W，Chern J M.Stripping of organic compounds from wastewater as an auxiliary fuel of regenerative thermal oxidizer［J］ . Journal of Hazardous Materials， 2009， 167 1 553- 559. ［8 ］ Brian J Cannon. Dual-chamber RTO oxidizers provide cost-effective VOC complianceetalfinishersandcoaters ［J ］ . Metal Finishing， 2003， 101 1 53- 56. ［9 ］ Choi B S， Yi J. Simulation and optimization on the regenerative thermal oxidation of volatile organic compounds［J］ . Chemical Engineering， 2000， 769 1 103- 114. 作者通 信 处萧 琦100080北 京 市 海 淀 区 北 四 环 西 路 11 号 A812 室 E- mailxq720811 sina. com. cn 2010 － 08 － 10 收稿 27 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期