浅析RTO蓄热式氧化炉技术的6大应用问题

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。

一、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1所示。

(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。

二、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。

三、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x(氧化室温度-净化气出口温度)}/{废气质量流量x(氧化室温度-废气入口温度)}。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。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/㎥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。

四、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。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, HC1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。

(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。

五、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)铵盐结品。在制药有机废气治理项目中，经常会遇到铵盐结品问题。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。

六、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。

来源:  节选自《上海化工》2022.8

原标题：《浅析蓄热式氧化炉技术应用》  作者：杨林

编辑：长三角VOCs治理产学研用联盟

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