在通常的废气治理设备中都会考虑留出一定的设计余量。根据各个厂家的实际设计经验,结合专家意见,治理设备设计风量的余量宜 ≥5% 。
在一般情况下,RTO的净化效率非常高,多室和旋转式RTO可以达到 98%以上。两室RTO由于系统本身的设计特点,在换向阀切换时,会产生一定的废气逃逸,虽然持续时间不长(一般只有几秒钟),但会造成排口浓度的瞬时升高,在一定程度上降低了平均净化效率。一般而言,两室RTO的处理效率在 95%左右。在此规定,两室RTO的净化效率一般不宜低于 95% ,多室和旋转式RTO的净化效率一般不宜低于 98% 。
根据调研,国内现有的RTO设计热回收效率一般为 95% ,但根据实地调研、测试和相关技术人员沟通交流,一般很难达到,在 90%左右,故在此规定热回收效率一般不低于 90% 。
工艺路线的选择
废气组成、温度、压力、污染物的性质、污染物的含量和废气流量等参数是进行蓄热燃烧法治理工艺路线选择的基本因素,蓄热燃烧法治理工艺路线应通过对废气的组成、温度、压力、污染等情况的分析而选择。
RTO可分为固定式和旋转式,而前者又可根据蓄热体床层的数量分为两室或多室。旋转式RTO的蓄热体是固定的,利用旋转式气体分配器来改变进入蓄热体气流的方向,其外形大多呈圆筒状。下面分别对其工艺原理进行介绍。
两室RTO系统工作原理为含VOCs的有机废气进入RTO系统后,首先进入蓄热室一(该蓄热室已被前一个循环的净化气加热),废气从蓄热室一吸收热量使温度升高,然后进入燃烧室,VOCs在燃烧室内被氧化为二氧化碳和水,废气从而得到净化。燃烧后的高温净化气离开燃烧室,进入另一个冷的蓄热室二,该蓄热室从净化的烟气中吸收热量,并储存起来(用来预热下一个阶段进入系统的有机废气),并使净化烟气的温度降低。经过一段设定的时间,进入该周期的第二阶段,气体流动方向逆转,有机废气从蓄热室二进入系统,净化气体从蓄热室一排出。气流流向在周期内改变两次,蓄热室也不断地吸收和放出热量,实现了高效热能回收,热回收率可达 90%以上。
多室RTO(以三室为例)与两床式RTO的最大区别是增加一个蓄热室用于吹扫系统。在一个蓄热室进气、一个蓄热室排气的同时,一个蓄热室处于吹扫状态,吹扫系统可以采用“吹出”方式,也可以采用“吸入”方式。使蓄热室在用于进气以后、用于排气之前得到吹扫,从而解决了双蓄热室RTO换向时的VOCs直接排放问题。
旋转式RTO一般只有一个换向阀和多个蓄热室(6个、8个或更多),多个蓄热室环形布置。旋转式RTO一般采用旋转换向装置,控制各个蓄热室分别依次处于进气状态、吹扫状态和排气状态;各个蓄热室的换向是逐步完成。这种结构的RTO系统较紧凑,占地小,但气流切换装置复杂。旋转式RTO已经开始部分应用于工业废气处理。
RTO相对其他处理技术来说效率较高。在大多数情况下,经RTO处理后的废气,其排放基本可满足国家或当地的排放标准。一般情况下,可选择两室RTO;如果对治理效率有较高要求(大于 98% )或部分行业的特征物排放限值较严(如石化行业的丙烯腈,其排放限值为 0.5mg/m3),可选择更高效率的多室RTO;当占地空间要求小时,可选择旋转式RTO。针对两床式蓄热燃烧装置在换向阀切换过程中产生的有机废气瞬间排放,宜增设切换阀及吹扫装置或其它控制措施对此类废气进行收集后再引入蓄热燃烧装置进行处理。其处理流程为:系统正常运行时,处理后的气体通过第三切换阀直接进入烟囱;而在第一和第二切换阀(三通切换阀)切换瞬间,会有少量未经处理的工艺废气泄漏至下游管道,通过第三切换阀将泄漏出的废气导入吹扫槽或类似收集罐收集后,再引入到RTO入口。这样可以有效地避免切换阀在切换时,VOCs浓度出现波动较大的情况,从而提高VOCs的去除效率。
燃烧室介绍
(1)燃烧室是RTO的重要组成部分,其设计优劣直接决定了RTO的去除效率和达标情况,燃烧室的结构和尺寸大小受制于燃烧温度、停留时间及废气流量等因素。
(2)燃烧室的内衬材料一般为陶瓷纤维等耐火绝热材料,可以承受短时1200℃的高温。
(3)燃烧温度主要指燃烧室可能达到的温度,除了和废气的成分、性质及其含量相关外,还与废气进出燃烧室所带的热焓、废气污染物的燃烧热值以及燃烧室内外的传热过程等有关,燃烧温度一般在 760∘C∼980∘C 之间。
(4)为保证有机废气达到高的净化率,通常要求气体在燃烧室内保持一定的停留时间,原则上,若燃烧室温度越高、停留时间越长,则VOCs的转化效率也随之增高。根据经验,一般停留时间在0.5s左右,即可保证VOCs基本处理殆尽。延长时间可提高净化率,但燃烧室容积也随之增加。从净化效果方面考虑结合专家意见,建议有机废气的滞留时间不小于0.75s。
蓄热室介绍
蓄热室中最为重要的组成单元为蓄热体。一般来说,蓄热体的材料主要有陶瓷和金属两种,金属类蓄热体如钢、铝等材料只能用于低温或中温场合。而RTO装置的操作温度较高,因此不能用金属材料。而陶瓷材料具有优良的耐高温、抗氧化、耐腐蚀等特点以及机械强度好、价廉等优点,性能基本满足RTO的要求,所以目前RTO普遍采用陶瓷材料作为蓄热体。
目前常用的蓄热体包括散堆材料(颗粒填料,如短鞍环)和规整填料(如蜂窝填料和板波纹填料)。为了降低床层阻力,目前在RTO装置中大多采用规整填料,特别是蜂窝状陶瓷蓄热体,蜂窝陶瓷蓄热体与其它蓄热体(如陶瓷球等)相比具有比表面积大、阻力损失小、热胀冷缩系数小、抗热性能好等特点。蜂窝陶瓷蓄热体的材质可以根据使用温度的需求选用陶土、莫来石、堇青石、石英陶瓷等材质。陶瓷蜂窝填料一般做成尺寸为 150mm×150mm×150mm 或 300mm 的柱状蓄热体,并整砌于RTO的蓄热室中。最近我国蓄热体市场上出现了新型的多层板片组合式陶瓷蜂窝填料(multi layer- media,MLM),该材料的特点在于每个薄片上开有沟槽,两片组合后构成内部相通的通道,使气流可以横向和纵向的通过填料,在达到相同的热效率条件下,所需的容积比传统的陶瓷蜂窝体少,并且堆体密度、比表面积、孔隙率等与传统的陶瓷蜂窝体性能接近。
就蓄热体材质的比热容来说,铝瓷、莫来石、致密堇青石、堇青石、陶土等材料的比热容分别在 800−900J/(kg⋅K)、 850−1050J/(kg⋅K) 、 800−1200J/(kg⋅K)、 750−800J/(kg⋅K)、 840−920J/(kg⋅K)。在此,参考《催化燃烧法工业有机废气治理工程技术规范》(HJ2027- 2013)中对蓄热体的比热容要求,结合上述材质比热容参数,规定本规范中蓄热体的比热容不应低于 750J/(kg⋅K) 。
蓄热体材质铝瓷、莫来石、致密堇青石、堇青石、陶土等材料的最高使用温度分别为 1300∘C 、 1600∘C、 1300∘C 、 1300∘C 、 1200∘C 。故在此规定蓄热体短时间可承受 1200∘C 的高温冲击。
一般而言陶瓷蜂窝填料的寿命可达10年,故在此规定其使用寿命不小于40000h。
为确保蓄热体和流经蓄热体的气体能够进行充分的热交换,同时兼顾蓄热室体积和系统压降等因素平衡,在此结合企业调研和专家意见,规定蓄热室的截面风速不宜大于 2m/s 。
影响蓄热室设计的主要因素包括热回收效率、蓄热体性能和系统压降等。一般而言,为保证较高的热回收效率,要求蓄热室进入口温差不能太高,结合企业调研和专家意见,进出口温差规定不大于 60∘C 。
工艺系统整体要求
(1)当气流通过RTO装置时,在管道、弯头、阀门和蓄热体床层等部件会产生一定的压降,在RTO装置的总压降中,蓄热体床层的压降占主要部分。在一定流速下,蓄热体床层的压降主要与蓄热体的结构类型,特别是几何特性和床层高度有关。目前蓄热体广泛应用规整填料,其装置系统的总压降一般低于3000Pa。
(2)换向时间和热效率相关。对于设计参数和蓄热体类型已定的情况下,热效率主要取决于换向时间的长短。切换时间短,可以获得较高的热效率,切换时间长,热效率降低。但切换时间短也有缺点,首先是由于换向阀和相应机构的频繁动作容易造成磨损而影响使用寿命。此外,阀门频繁、快速切换会引起气流压力波动而造成装置的不稳定操作。因此从操作、维护来讲,可选择较长但比较合理的切换时间,一般为 90s∼180s。
(3)在RTO装置中,废气是通过蓄热室床层的各个温度区,所以在一定的区域内,当废气含分子量较大的VOCs物质时,会出现裂解产物的沉积,从而引起床层通道结垢导致压降上升。若不加控制,则会造成局部过热、堵塞,甚至引起安全隐患。为避免此现象,部分RTO制造商在RTO装置中增加了高温烘烤和吹扫模块,目的是控制整个床层的加热,使其达到沉积物的燃烧温度,并周期性的去除这些沉积物,保证系统正常运行。此外,当废气中含有有机硅时,在燃烧室燃烧后产生二氧化硅,堵塞蓄热体,并不易去除,从而造成蓄热体的损坏和压降增加,故针对这类比较特殊的有机废气,也进行了规定,要求其不得影响RTO正常运行。
后处理
当废气中含S、N、Cl等元素有机化合物时,经过高温焚烧后会产生SO2、HCl、NOx等二次污染物,因此对燃烧尾气需要进一步处理,达标后方可排放。
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