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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