浅析蓄热式氧化炉技术应用

杨林

恩国环保科技（上海）有限公司（上海 201805）

挥发性有机化合物（VOCs）是指能参与大气光化学反应，且其沸点低于250℃的有机化合物。VOCs主要来自于石化、化工、医药、喷涂、包装印刷等行业，包括苯类、烷烃类、芳烃类、烯烃类、卤代烃类、酯类、醛类、酮类、酚类等。VOCs不仅会对人体健康、动植物生长以及空气质量造成严重危害，还是形成细颗粒物PM2.5和臭氧的重要前提物质，并在光化学反应下容易形成二次有机气溶胶，导致气候变化、光化学烟雾、霾、酸雨等诸多环境问题[1-2]。冷凝、吸附等处理技术可回收废气中高浓度的具有很大回收利用价值的成分，虽可获得可观的经济效益[3]，但仅适用于组分简单的废气；催化燃烧技术由于催化剂易中毒失效、使用寿命短而应用受限[4]。目前使用较多的是蓄热式氧化炉（RTO），它节能效果显著，运行成本较低。

1 RTO系统组成和工作原理

RTO因其适用范围广、处理效率高、热回收效果显著等特点而被广泛应用于处理含氧有机废气。氧化炉通过高温氧化将VOCs气体分解为水、二氧化碳等。目前市场上应用最多的是三槽式RTO，其兼顾高处理效率和投资经济性。

1.1 RTO系统组成

以典型的三槽式RTO为例，其系统基本组成包括风机系统、切换阀系统、RTO炉体、燃烧系统、控制系统，具体如图1所示。

图1 三槽式RTO示意图

风机系统包括系统风机、助燃风机和吹扫风机。系统风机主要提供动力，将有机废气送至RTO氧化处理，然后从烟囱排放。系统风机的选型统筹考虑系统压降、风量与温度，并平衡对工艺端的影响。助燃风机主要是给燃烧机提供助燃风并起到冷却保护作用。吹扫风机主要用于将未氧化的VOCs吹扫置换，提高RTO去除效率。

切换阀系统包括进气切换阀及管路、排气切换阀及管路、吹扫阀及管路。通过进气切换阀、排气切换阀、吹扫阀的周期切换，实现气流的切换与吹扫。其中切换阀有提升阀（垂直式、水平式），蝶阀，旋转阀等形式；吹扫阀常采用蝶阀。

RTO炉体包括低温区、蓄热室、氧化室。RTO炉体采用陶瓷纤维内保温加固，其中低温区主要用于气流进出；蓄热室装填有蓄热陶瓷，可以吸热与放热；氧化室为VOCs氧化分解区。

燃烧系统包括燃烧器、火焰检测器、火焰控制器、燃料阀组。开启燃烧系统，可以持续为RTO稳定运行提供热量，燃烧器的状态由火焰检测器侦测判断，并通过火焰控制器与燃料阀组联锁控制。

控制系统常用可编程逻辑控制器（PLC）或分布式控制系统（DCS），对于安全设计要求较高的项目，还设置安全仪表系统（SIS），SIS独立控制。通过PLC或DCS可实现RTO自动化控制与运行。

1.2 RTO工作原理

以三槽式RTO为例，其基本的工作原理如下：控制系统按设定程序开启相应进气阀，废气从进口槽进入蓄热室，被上一循环作为出口槽的高温陶瓷体预热，废气温度升高，然后进入氧化室，VOCs在氧化室内被氧化分解，净化后的热烟气进入出口槽，热烟气的热量被蓄热陶瓷吸收，烟气温度降低，从出口槽排放。在这一过程中，另一个蓄热室作为吹扫槽，被不断吹扫置换，以便作为下一循环的出口槽。周期性的换向切换使热量均匀地分布在整个氧化炉内，每个槽依次经过进气、吹扫、排气3个阶段。一个完整的工艺循环过程如表1所示。

表1 三槽式RTO切换过程

2 蓄热式氧化炉技术应用分析

自20世纪90年代初被开发应用以来，RTO已被广泛用于各行业有机废气的治理。根据多年的RTO设计、制造、调试运行经验，将RTO技术相关应用分析总结如下。

2.1 去除效率问题

用RTO处理有机废气的目的在于去除VOCs组分，使排气指标满足国家和相关地方标准。两槽式RTO由于在切换过程中存在未处理的废气被带出，其去除效率为95%～98%。两槽式RTO因去除效率偏低且有峰值超标风险，现已较少使用。三槽式RTO由于有单独的吹扫槽，可将上一循环滞留在进气槽及进气管道内未处理的废气吹扫置换，其去除效率可达99%，如使用气封型蝶阀，去除效率最高可达99.5%。撇开炉型而言，RTO去除效率主要受以下因素影响。

（1）氧化室温度。大多数VOC的自燃点温度（AIT）为300～600℃，RTO氧化室设置在800～900℃，可满足大部分VOC氧化需求。如有二氯甲烷之类的高AIT组分，且其含量不低，要达到99%以上去除效率，RTO的氧化温度应超过900℃。

（2）滞留时间。VOCs需要在高温氧化室内停留足够时间，才能充分氧化分解。根据理论推算与实际运行经验，RTO炉膛的滞留时间应不低于0.75 s，为达到良好的处理效果，建议滞留时间为1～1.2 s。VOCs的去除效率与温度和滞留时间的关系如表2所示。

表2 去除效率与温度和时间的关系

（3）湍流度。气流在炉体的湍流度也会对去除效率有一定影响，湍流度越高，流场分布越均匀，温度分布越理想，氧化分解也会更充分。通过炉型结构的优化，合理设置气流分布板，可以明显改善流场分布，使气流分布更均匀。

（4）切换阀的密封性。常用的提升切换阀有垂直式和水平式，经过长时间运行，密封面的磨损会导致泄露，进而影响处理效率。如采用气封型蝶阀，通过一股正压的空气在阀板与前后阀座之间的腔体内形成气封，只有正压空气向阀门前后方向流动，切断废气从阀前穿过密封面进入阀后的线路，实现零泄漏，RTO可以达到更高处理效率。

以上因素中，温度是关键，滞留时间非常必要，湍流起辅助作用。

2.2 安全控制问题

RTO处理有机废气，因VOCs的特性，当爆炸三要素（可燃物浓度在爆炸区间、氧气、点火源）同时存在时就会有爆炸风险。因此，RTO设计时，必须注意以下安全因素。

（1）VOC体积分数。为了确保安全，进入RTO处理的有机物体积分数不能超过其爆炸下限（LEL）的25%。VOC体积分数通过LEL检测仪侦测，并通过PLC或SIS与RTO入口隔离阀、紧急旁通阀联锁。一旦高高警报值超过LEL的25%，RTO马上离线，关闭入口隔离阀，同时开启紧急旁通阀，废气走旁通。LEL检测仪按分析原理分为红外式、火焰离子型（FID）、火焰温度型（FTA），LEL检测仪响应时间包括采样时间、分析时间和阀门动作时间。LEL安全的安装距离计算：

LEL安装距离L(m)≥废气设计流速u(m/s)×响应时间t(s)

（2）氧含量。实际上，大部分VOC都含氧，为确保充分氧化分解，需保持氧化后烟气中氧体积分数不低于3%。但在大风量低浓含氧废气与小风量高浓不含氧废气混合时，需注意两点：一是低浓含氧废气保持连续且不能低于某一安全值；二是二者混合必须迅速，高浓气压力大于低浓气压力，防止反串。

（3）防静电与死区。废气管道尽量选用金属管道，并做好静电接地；使用非金属管道时，要考虑管道导静电。另外，管道设计应避免形成死区，特别是积液死区，防止VOCs的积聚。

（4）泄爆：为防止爆燃危害增大，RTO炉体设置必要的泄爆门，RTO入口废气管道设置阻火器，废气管道上还需设置泄爆片。

（5）安全联锁控制：开展危险与可操作性分析（HAZOP），按照HAZOP分析结果，确定SIL等级，配齐相应的安全联锁控制。需要SIS的，按要求配置好整个安全回路。应确保关键阀门在事故状态时回到安全的初始位置，保障RTO系统的安全。

2.3 热效率问题

RTO系统的热效率高低直接影响装置的燃料消耗，即运行成本。热效率按下式计算：热效率=｛净化气质量流量×（氧化室温度-净化气出口温度）｝/｛废气质量流量×（氧化室温度-废气入口温度）｝[5]。影响热效率的因素主要包括蓄热陶瓷、切换时间和保温厚度。

（1）蓄热陶瓷。蓄热陶瓷是RTO热量回收的载体，蓄热陶瓷的装填量和本身性能的好坏是影响RTO热效率的关键因素。蓄热陶瓷的配置通常为：上部铺设散堆马鞍环，用于均匀分布气流、抗热冲击；主体铺设规整蜂窝陶瓷，起主要蓄热作用。常用陶瓷有蓝太克MLM-180板片式蜂窝陶瓷，25孔和40孔整体蜂窝陶瓷，与其他陶瓷相比具有较高的热效率和较低的压降。RTO设计热效率通常不低于95%，但也不能太高。过高的热效率意味着更多的陶瓷装填量，对应蓄热室的体积更大，初期设备投资增高。另外，蓄热陶瓷过多，系统阻力增加，风机选型增大，电耗增加，导致运行成本也增高。因此，设计时应综合评估节能效果与投资。

（2）切换时间。切换时间缩短可提高RTO装置的热效率、降低排气温度，切换时间延长可降低热效率、升高排气温度。按多年运行经验，两槽式RTO常规切换时间为3 min，三槽式RTO常规切换时间为1.5 min。实际运行时，切换时间可根据具体情况略微调整，但不应偏离太多。

（3）保温厚度：RTO炉内温度高达800～900℃，内部必须做好保温措施。常采用容重192 kg/m3的陶瓷纤维棉块，内保温厚度约为250 mm，在此参数下，炉体表面温度相对较低（＜70℃）。表面温度低，热辐射损失就小，整体就更节能。但不建议继续增大内保温厚度：一方面，增加厚度对降低炉体表面温度的作用有限；另一方面，导致炉体变大、投资增加，整体来看经济性差。

2.4 腐蚀问题

RTO处理化工、医药等行业有机废气时，常涉及到的腐蚀介质主要有无机酸（如盐酸、硫化氢等），有机酸（如丙烯酸、马来酸酐等），含硫有机物（如甲硫醇、甲硫醚等），卤代烃（如二氯甲烷、氯苯等）等。为防止RTO系统被腐蚀，应从以下几方面考虑。

（1）处理工艺流程。对于腐蚀性有机废气，常规处理工艺流程见图2。有机废气先经过预处理碱洗，吸收大部分无机酸性组分，然后进一步除雾除水，再进入RTO氧化分解，有机酸性组分产生SO2，HCl等酸性气体，再经过急冷塔降温，进入后处理碱洗塔吸收酸性气体，达标后经除雾除水从烟囱排放。根据酸性组分与浓度等废气特点不同，预处理碱洗和后处理碱洗可以为一级或多级，还可以为碱洗+水洗相结合的方式。

图2 腐蚀性废气常规处理工艺流程

（2）防止露点腐蚀。废气中的酸性气体可能会在RTO系统发生露点腐蚀。一方面通过加强除雾除水，减少进气含水量，另一方面可在低点设置排液口，及时将积液排放。还可以通过给废气预热升温，使其高于酸性气体的露点温度（通常SO2露点在130℃左右，HCl露点在80℃左右），避免露点腐蚀。预热方式有两种，一是采用换热器加热，常用蒸汽预热，额外消耗热源；二是采用炉膛高温烟气直接混合预热，但对进气管路与设备耐腐蚀要求较高。

（3）选材防腐。RTO炉体主体常用碳钢制造，用于腐蚀工况时，常在RTO壳体内壁衬乙烯基树脂防腐，树脂耐温可达150℃，树脂外部是陶瓷纤维棉，保护防腐树脂不被高温破坏。对于含硫腐蚀，根据酸性气体含量高低与温度分布，可选用316/316L或玻璃钢（FRP）；对于含氯腐蚀，根据酸性气体含量高低与温度分布，可选用2205/2507/AL6XN/哈氏合金或FRP。

（4）其他防腐措施。基于腐蚀特性，综合考虑材料成本与耐腐性能的情况下，可以通过在设备管道内壁喷涂防腐涂料增强其防腐性能，提升系统运行稳定性与使用寿命。由于防腐涂料喷涂便捷，费用较低，因此具有较高的性价比。另外，做好内外保温，减少热量损失与结露可能，对于正压的RTO大型炉体，在各模块连接内部，采用焊接形式进一步降低漏气可能，增强防腐效果。

2.5 堵塞问题

RTO在不同行业的VOCs废气治理中，可能会遇到各种堵塞问题。综合来看，主要有以下几方面。

（1）废气含颗粒物。根据颗粒物的含量、粒径大小、基本性质等，在RTO废气进气端设置相应的过滤器，并配置压差监测装置，阻力超过设定值时清理或更换过滤元件。过滤等级不宜太高，以初效、中效为主，以减轻风机负荷。

（2）高沸点或大分子VOC积聚。废气中若存在高沸点或大分子物质，可能会有部分附着在蓄热床层底部，经过长时间运行会堵塞陶瓷孔，影响气体流通与换热效率。此时RTO需设置高温烘烤，通过程序设置，将蓄热层底部温度升高至300℃以上并持续一定时间，定期高温清理，维持RTO系统长期稳定运行。

（3）铵盐结晶。在制药有机废气治理项目中，经常会遇到铵盐结晶问题。处理该问题主要从两个方面考虑：一是设置前置热旁通和陶瓷过滤器，将铵盐拦截在过滤器上，并定期用水冲洗过滤器；二是设计蓄热床层时，在规整蜂窝陶瓷下方另外铺设一定厚度的马鞍环，增强铵盐拦截能力。二者结合，可大大提高RTO系统抗堵能力。

（4）废气含有机硅。有机硅会在RTO氧化室产生二氧化硅粉尘。若有机硅含量过高，RTO炉内二氧化硅产生量过多，容易堵塞蓄热床层导致RTO无法继续运行，停机清理太频繁则RTO不能稳定运行。因此，有机硅含量过高的废气不宜进RTO处理。在有机硅含量尚可，进入RTO处理时需要注意以下几方面：一是选择合适热效率、蓄热床层高度和清理频次，综合考量节能、费用、防堵与稳定运行等方面；二是蓄热床层配置上应有所区分，最上层的马鞍陶瓷高度应比常规高，目的是尽量让硅粉在上层拦截下来，往下铺设一定高度的大孔蜂窝陶瓷增强抗堵性能，再往下铺设常规型式蜂窝陶瓷以确保RTO合理热效率；三是对于连续运行和排放要求较高的项目，可考虑设置RTO备用炉，当一台到达清理状态时，切换至备用炉运行，另外常备陶瓷备品，以便随时更换，缩短清理停车时间。

2.6 旁通排放问题

当RTO因系统故障、触发安全联锁警报、正常停车检修等状况离线时，VOCs需要从旁通排放。常用的旁通排放有以下几种方式。

（1）直排。在符合当地环保排放要求的条件下，有机废气本身性质稳定，VOCs浓度较低，无安全风险，当RTO离线时，可以通过旁通管路不经过处理直接从烟囱排放。

（2）吸附后排放。当VOCs浓度及总量超过一定量，直排会造成严重环境污染时，需要在旁通管路上配置相应的处理设施。常用活性炭进行吸附，吸附后废气从烟囱排放。

（3）冷排气筒排放。危害性较高的废气需要立即排空，此时需要设置单独的冷排气筒进行紧急排放，不再通过原RTO烟囱排放，避免引起安全风险。

实际项目中还有上述方式的结合应用，例如，当LEL发生高高警报时，废气从冷排气筒直接排放，其他情形RTO离线时，废气通过活性炭吸附后从RTO烟囱排放。必要时，冷排气筒末端还需要设置阻火器，以防止回火。

3 结语

近年来，RTO因其高效、节能等特点在治理VOCs方面得到了广泛应用。简要介绍了RTO的系统组成与基本工作原理，并从技术应用角度分析了RTO的去除效率、安全控制、热效率、腐蚀、堵塞、旁通排放等方面的问题，就RTO应用中的一些主要问题给出了设计、选用建议，供RTO技术应用相关人员参考。RTO设计选用需要综合考虑去除效率、热效率、安全、设备投资、运行费用、运行稳定性等多方面，根据项目的具体特点，结合实际需要确定设计方案，这样才能达到安全环保、节能高效、稳定达标的目的。展望未来，以RTO为基础的蓄热式氧化技术及其组合工艺仍将不断创新优化，RTO必将展现出广阔的应用前景。