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蓄热燃烧(RTO)与催化燃烧(CO)的异同点 10

发布时间:2020-05-13 浏览次数:5
       随着对大气污染的整治力度加大,工业VOCs废气污染情况得到了根本性的改变,根据对废气治理装置运行的稳定性、治理效果的可靠性、废气种类的广适性、工艺的安全性等要求,大部分地方政府颁发的VOCs治理政策指导意见中废气治理工艺基本上是吸附、吸收、热分解(焚烧)3种工艺及其组合工艺。

(焚烧)热分解工艺成为VOCs废气治理的主流后技术装备上得到了很大发展提升,但由于很多环保公司的工程设计人员与业主单位缺乏在初始设计时深入沟通、装置运行时及时反馈、事故出现时的有效解决方案,使其不了解热分解工艺特性盲目设计,导致各地频频出现装置爆炸、高能耗停开、装置故障率高等现象,严重影响了企业的正常生产经营,也给整个废气环保行业发展带来了很多负面因素。

 

01 热分解工艺简述

 

热分解工艺一般分为直燃(TO)、蓄热燃烧(RTO)、催化燃烧(CO)、蓄热催化燃烧(RCO)4种,只是燃烧方式和换热方式的两两不同组合,主要可以用于处理吸附浓缩气,也可以用于直接处理废气浓度>3.5g/m3的中高浓度废气。

 

1)TO是将高浓废气送入燃烧室直接燃烧(燃烧室内一般有一股长明火),废气中有机物在750℃以上燃烧生成CO2和水,高温燃烧气通过换热器与新进废气间接换热后排掉,换热效率一般≤60%导致运行成本很高,只在少数能有效利用排放余热或有副产燃气的企业中应用。

 

2)RTO的燃烧方式与TO相同,只是将换热器改为蓄热陶瓷,高温燃烧气与新进废气交替进入蓄热陶瓷直接换热,热量利用率可提高到90%以上,理念先进,运行成本较低,是目前主推的废气治理工艺。

 

3)CO是采用贵重金属催化剂降低废气中有机物与O2的反应活化能,使得有机物可以在250~350℃较低的温度就能充分氧化生成CO2和H2O,属无焰燃烧,高温氧化气通过换热器与新进废气间接换热后排掉,热量利用率一般≤75%,常用于处理吸附剂再生脱附出来的高浓废气。

 

4)RCO燃烧方式与CO相同,换热方式与RTO相同,由于投资堪比RTO,能处理的废气种类受催化剂影响又比RTO少,所以很少企业采用RCO工艺。热分解以RTO和CO的应用例子较多,如果用于处理吸附脱附的浓缩气,两者差别不大,但若直接处理中高浓度废气时有很大区别,需要企业认真对待。

 

常见的RTO和CO装置工艺流程如图1、图2。

02 RTO与CO在处理中高浓度废气中各方面的异同

 

现就废气适用种类、废气浓度、废气流量、辅助能源、仪表自控、安全风险、环保风险、动力负荷、主设备投资、运行成本等方面进行比较。

 

2.1 废气适用种类

 

两种工艺都可以用于处理烷烃、芳香烃、酮、醇、酯、醚、部分含氮化合物等有机废气。含硫磷类废气会使催化剂中毒,不适合用CO处理,而如果忽略含硫磷废气燃烧时对设备仪表的少量腐蚀,可以限制性的使用RTO处理。

 

由于处理温度均<1150℃,两种工艺都不能用于处理含卤代烃废气以避免产生二噁英。部分类似硅烷类的废气因为燃烧后生成的固体尘灰会堵塞催化剂或蓄热陶瓷或切换阀密封面,所以RTO和CO都不能使用。

 

含漆雾粉尘类废气要预过滤以避免切换阀关不紧、蓄热体阻塞等现象,RTO的预处理要过滤到至少F6级;而CO处理废气主流通道上无切换阀,加上可以采用让废气流速较高粉尘不易结存、定期给整个系统升温回火将粉尘剥离分解等方法,因此CO的预处理只需简单过滤到G4级。

 

此外,因为含易自聚有机物(如丁二烯、丙烯酸酯等)废气会影响到切换阀的有效开闭,同时也可能在位于废气进口处的蓄热体上低温沉积,使用RTO处理该类废气时会有安全隐患,而CO则不受影响。

 

2.2 废气浓度

 

由于温度的提高会降低有机物爆炸下限浓度,通常要控制废气进口浓度<25%LEL,常见有机物的爆炸下限和25%LEL如表1。

 

表1常见有机物的爆炸下限浓度和25%LEL

 

有机物氧化分解会放出大量热量使得废气温升,计算1000mg/m3的常见废气有机物绝热温升如表2。


以CO处理室温20℃的甲苯废气为例,为避免催化氧化处理后排放气“白烟”和冷凝湿气对设备的腐蚀等情况,排放气温度一般取>105℃,再考虑到换热效率则常温废气进出装置后的实际温升应>100℃

 

如果催化燃烧起始温度为250℃,那么废气催化氧化后的温度为350℃,则对应废气初始浓度约为3130mg/m3时可维持系统热量平衡而不用额外能源。若废气浓度进一步升高到25%LEL,废气氧化后温度可达587℃,此时催化剂易流失且设备材质要求耐热钢,因此除非在催化剂层间安装换热管系统及时移走热量,否则CO处理甲苯废气佳浓度为3130~9390mg/m3。

 

废气如果进口浓度过高,可进风稀析,稀析阀与氧化气温度连锁;废气进口浓度如果为2130~3130mg/m3,可用电或燃气提升废气进催化剂层的温度达到催化起燃温度250℃;废气进口浓度如果<2130mg/m3,可吸附浓缩后再用CO处理脱附出的浓缩气;如果废气初始温度较高,比如很多烘箱废气有80℃,此时CO能处理的废气浓度可以相应降低到1560mg/m3。

 

同样以RTO处理20℃的甲苯废气为例,由于RTO的燃烧炉内要有一个长明火点燃废气,而1.672×106kJ的燃烧器长明火消耗约5m3/h的天然气提供部分热源,因此系统维持热量平衡的废气进口浓度低可以到1700~2000mg/m3。如果RTO装置设计从燃烧室引出部分高温气体另行降温后回到燃烧室以避免燃烧温度>1000℃的工艺,则可以提高RTO处理废气的高浓度到25%LEL。

 

2.3 废气流量

 

一般单套RTO处理废气流量为8000~50000m3/h,处理废气流量<5000m3/h时的RTO装置投资费比不合算,而处理废气流量>50000m3/h则很容易出现偏流、局部过热等现象影响废气分解效率。单套CO处理废气流量为1000~20000m3/h,废气流量再加大,高效换热器设计困难且催化剂层也会出现明显偏流局部过热现象影响废气分解效率。

 

2.4 辅助能源

 

RTO的燃烧室需要一支长明火,加上设备自重大、预热时间长,一般使用液化气、天然气、轻柴油等做为辅助能源,不建议使用电热。

CO同样可以使用液化气、天然气、轻柴油等做为辅助能源,由于设备自重较RTO轻50%,为了避免增加一个需监管的危险源,使用电加热(前提是废气浓度>3500mg/m3),处理废气流量15000m3/h的CO装置电加热系统只180kW,其预热时间≤1.5h。

 

2.5 仪表自控

 

从流程图可以看出,除燃气系统外RTO还需有大量的压力温度检测和切换阀门,且对阀门、仪表、自控等要求较高;而CO的废气主流通道管路无阀门,只有简单的温度连锁,自控要求较低。

 

2.6 安全风险

 

RTO和CO都非常适用于处理如涂布、印刷、制革、化纤、注塑等有机物浓度、种类、流量平稳的流水线废气,尤其是带温度的烘干废气若采用吸附法还需要前置降温到<45℃,但如果使用RTO或CO,就可以充分利用其自身余热,大大降低废气处理成本和整条流水线的总能耗。可当部分环保企业将RTO用于储运和化学合成企业的废气处理时却出现很多的爆炸事故,爆炸基本上是废气来源系统遇装置回火爆炸,主要原因如下:

 

1)RTO系统在装置初运行时一切顺利,但是运行1~2年后,部分仪表、调节阀会出现故障或突发停电、停仪表气等,导致系统安全自控设计失效,系统超温爆炸。事实上大部分的业主是不具备有仪表自控专业维护人员,很难做到预判并及时更换仪表阀门。

 

例如,废气进口浓度需控制在<25%LEL,若采用气相色谱型在线检测仪,仪器采样检测得出结果加上自控阀响应时间>30min,失去安全控制意义,因此一般采用较灵敏的光离子型在线可燃探测仪(3选2),该探测仪半年需强制检验1次,但是如果废气中含有水汽、粉尘等将大大降低该检测头寿命,而这种仪器失灵是突发性的。

 

2)RTO系统尽管采用了一系列安全设计,如废气收集预处理系统的防静电、废气进口浓度与稀析阀连锁、废气预混缓冲罐、废气风机与负压连锁、废气水预洗涤等,但是化工厂一定会有事故气紧急排放或某些高浓废气正好集中排放导致的废气浓度暴增数倍的小概率事件,而处理10000m3/h废气流量的RTO装置的缓冲罐容积大也≤20m3,折算缓冲罐内停留时间<8s,过短的缓冲时间导致装置的阀门切换等来不及,废气总管和预处理系统出现回火爆炸。这是明火作业的RTO的本性决定的,是无法根除的。

 

CO属无焰氧化,加上换热器等金属结构隔离,就是回火废气来源也达不到燃点;CO工艺管路上无阀门切换,不存在仪表失灵安全风险。

 

2.7 环保风险

 

RTO要求废气来源气量和浓度稳定,设计操作负荷弹性小,因此只适合用于连续稳定的流水线废气,如果业主有间歇短暂高浓废气产生,则会频繁出现因安全浓度下限要求导致废气在进装置前被部分排空,存在环保风险。

 

RTO装置设备繁杂,部件多,易出现设备故障废气排空事故。而CO要求废气流量稳定,可以接受间歇的短暂的高浓废气。CO装置设备简单,部件少,设备故障也少。此外RTO燃烧室存在死角,废气综合处理效率95%~97%,而CO废气是均匀通过催化剂层,处理效率>99%,因此CO比RTO更容易环保达标,尤其是新环保标准甲苯类废气从40mg/m3排放标准降低到10mg/m3后,RTO易出排放不达标环保事故。

 

高温RTO会产生NOx,而CO因处理温度低不产生NOx,尽管目前对有机废气装置的NOx尚未规定,但从锅炉废气治理发展历史来看,将会对处理气量>10000m3/h的废气装置提出监管要求。

 

2.8 动力负荷

 

RTO通过精密过滤、2次总厚约2m的蓄热陶瓷,装置阻力至少3500~4000Pa;CO只需通过简单过滤、2次通过列管换热器、总厚0.4m催化剂层,装置阻力<2500Pa,同样的10000m3/h处理气量,RTO风机电机要22kW,CO风机电机只需18.5kW,处理风量越大,风机功率差别越大。电机功率每减少1kW,每年电费减少3000元。

 

2.9 主设备投资

 

不计RTO装置对业主要求的废气预处理系统投资(通常由业主承担),10000m3/h处理气量RTO主设备投资费用约100万,而CO主设备投资费用约60万。

 

2.10 运行成本

 

以10000m3/h处理气量为例,RTO至少要燃气长明火的基础消耗,CO只要废气浓度能源;RTO电耗比CO高5kWh;5年1换,其二次废料要做危废处理,CO的750kg催化剂2年1换,失活催化剂返厂回收。

 

03 结论

 

分别从废气适用种类、废气浓度、废气流量、辅助能源、仪表自控、安全风险、环保风险、动力负荷、主设备投资、运行成本10个方面分析的RTO与CO的异同,以期为企业在VOCs废气处理装置选型时提供参考。


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VOCs的种类繁多、成分复杂、性质各异,在很多情况下采用一种净化技术往往难以达到治理要求,且不经济。利用不同单元治理技术的优势,采用组合治理工艺,不仅可满足排放要求,而且可降低净化设备的运行费用。因此,在有机废气治理中,采用两种或多种净化技术的组合工艺得到了迅速发展。沸石转轮浓缩技术就是针对低浓度VOCs的治理而发展起来的一种新技术,与催化燃烧或高温焚烧进行组合,形成了沸石转轮吸附浓缩+焚烧技术。  技术研究现状  蜂窝转轮吸附+催化燃烧处理技术是20世纪70年代由日本发明的一种有机废气处理系统,吸附装置是用分子筛、活性碳纤维或含碳材料制备的瓦楞型纸板组装起来的蜂窝转轮,吸附与脱附气流的流向相反,两个过程同时进行。这种系统在20世纪80年代初被我国引进和仿制,但由于吸附元件(蜂窝转轮)以及系统关键部位连接技术都不过关,吸附与脱附的窜风问题未得到根本解决,设备性能不稳定,因此国内应用较少,一直未能得到推广。  20世纪80年代末研制设计了固定床吸附+催化燃烧处理系统。该系统是将吸附材料装填在固定床中,再将吸附床与催化燃烧装置组合成净化处理系统。该工艺系统的原理与上述蜂窝转轮吸附+催化燃烧技术基本相同,但由于单件吸附床的吸附与脱附再生过程分开进行,在操作上克服了蜂窝转轮净化系统吸、脱附易串气的缺点。经不断改进,系统配置更加合理,净化效率高,运行节能效果显著,在技术上达到先进水平。该工艺系统非常适合处理大气体量、低浓度的VOCs废气,其单套系统的废气处理量可以从几千m3/h到十几万m3/h。该技术是我国真正自主创新的VOCs废气治理工艺,自1989年在国内推广,到目前已有数百套该类系统与装置在使用。已经成为国内工业VOCs废气治理的主流产品之一,并预计在未来仍将有很大的应用前景。  利用催化燃烧法进行工业有机废气治理,已普遍应用于汽车喷涂、磁带制造和飞机零部件喷涂等。催化燃烧技术将挥发出来的大量有机溶剂充分燃烧。催化剂采用多孔陶瓷载体催化剂,催化前的预热温度视VOCs种类而不同:聚氨酯380℃~480℃,聚酯亚胺480℃~580℃;有机物浓度约1600mg/m3,净化效率平均为99%。  转轮浓缩+催化燃烧新工艺  1技术概况  针对现行各种方法在处理低浓度、大风量的VOCs污染物时存在的设备投资大、运行成本高、去除效率低等问题,国内企业研发了一种用于处理低VOCs浓度、大风量工业废气的高效率、安全的处理工艺。该方法的基本构思是:采用吸附分离法对低浓度、大风量工业废气中的VOCs进行分离浓缩,对浓缩后的高浓度、小风量的污染空气采用燃烧法进行分解净化,通称吸附分离浓缩+燃烧分解净化法。具有蜂窝状结构的吸附转轮被安装在分隔成吸附、再生、冷却三个区的壳体中,在调速马达的驱动下以每小时3~8转的速度缓慢回转。  吸附、再生、冷却三个区分别与处理空气、冷却空气、再生空气风道相连接。而且,为了防止各个区之间窜风及吸附转轮的圆周与壳体之间的空气泄漏,各个区的分隔板与吸附转轮之间、吸附转轮的圆周与壳体之间均装有耐高温、耐溶剂的氟橡胶密封材料。含有VOCs的污染空气由鼓风机送到吸附转轮的吸附区,污染空气在通过转轮蜂窝状通道时,所含VOCs成分被吸附剂所吸附,空气得到净化。随着吸附转轮的回转,接近吸附饱和状态的吸附转轮进入到再生区,在与高温再生空气接触的过程中,VOCs被脱附下来进入到再生空气中,吸附转轮得到再生。再生后的吸附转轮经过冷却区冷却降温后,返回到吸附区,完成吸附/脱附/冷却的循环过程。由于该过程再生空气的风量一般仅为处理风量的1/10,再生过程出口空气中VOCs浓度被浓缩为处理空气中浓度的10倍,因此,该过程又被称为VOCs浓缩除去过程。  1号风机带动含VOCs废气经过转轮a区域,a区域为吸附区,根据不同的目标物可在转轮中填充不同的吸附材料。吸附了VOCs的a区域随转轮转动来到b区域进行脱附。流经传热1的高温气流将吸附于转轮上的VOCs脱附下来,并经过传热2达到起燃温度,随后进入催化燃烧室进行催化氧化反应。由于转轮脱附之后又要进行吸附,所以在脱附区域旁边设冷却区域c,以空气进行冷却,冷却之后的温空气经传热1变成脱附用热空气。催化燃烧反应之后的热气流将部分热量传递给传热2、传热1后排至空气。为了防止催化燃烧室温度过高,设置第三方冷却线路用于催化燃烧室的紧急降温。整个系统由2个监控系统组成,PC1负责监控催化燃烧室、传热器的温度(其内部设电辅热装置以平衡温度波动),PC2负责风机控制,根据实际情况调节进气流量。PC2属于PC1的子级系统,当PC1监测到温度波动超过允许范围时立刻将信息传递给PC2,PC2将收到的信息转成指令传递给各风机。  2新工艺的特点  (1)吸附区旁路内循环的建立。当废气经过吸附区吸附后不达标,进入旁路内循环,再次进行吸附处理。此旁路内循环的基本思路为消灭现有污染再吸纳新的污染。  (2)冷却风旁路建立。在工况十分复杂的情况下,VOCs浓度有可能陡然升高,此时将部分冷却风引入到吸附区以降低脱附风量,同时在传热2后补充新风,以维系进入催化反应器的风量在预设范围以内。此旁路的基本思想是以新风对高浓度VOCs进行稀释,因而从效果上看,此法也会延长治理时间。  (3)与传统工艺相比,该整个系统采用引风机设计,便于对旁路的调控。去掉给催化燃烧装置用的降温鼓风机,此机治标不治本,改为在转轮部分控制VOCs浓度。  (4)催化燃烧室去掉电辅热系统,改由传热2对空气加热到VOCs起燃温度,并利用反应放热使催化燃烧室温度稳定在500℃~600℃范围内。  (5)转轮转速易调,则在2的情况下可以适当提高转轮转速,减少单位面积转轮单位时间内吸附VOCs的量,从而系统的安全。  转轮吸附的影响因素  当吸附材料确定后,影响转轮装置吸附性能的主要因素是转轮运行转轮吸附浓缩-催化燃烧工艺流程图参数和进气参数。Yosuke等认为,一定范围内进气负荷的变化可通过转速、浓缩比、再生风温度等转轮运行参数调节,以维持预定的性能;Lin等将蜂窝转轮应用于TFT-LCD产业废气处理,当处理高排放浓度时,将入流速度降至1.5m/s,浓缩比降至8,转速增至6.5r/h,再生风温度升至220℃,系统去除效率可达90%以上;Hisashi等指出佳转速由再生风热容量与吸附剂热容量平衡决定。  1浓缩比  转轮通过吸附-脱附以获得低流量的浓缩气体,因此浓缩比是转轮性能的一个重要指标,定义为进气流量与再生风流量的比值F,低浓缩比虽然可以高去除效率,但增加再生风量的同时也增加了脱附能耗,而且浓缩气体的浓度亦随着脱附风量的增加而降低。当浓缩比从14减少至6时,甲苯的出口浓度仅从4.7mg/m3降低到1.5mg/m3,但浓缩后的甲苯浓度从1345mg/m3降至576mg/m3,如此低的浓度不利于后续燃烧或冷凝单元处理。因此,在确保系统设定的去除率前提下,合理选择浓缩比至关重要。工程应用上,浓缩比应兼顾效率与能耗,对于高浓度废气,可选择低浓缩比以确保去除率;而对于低浓度废气,适当选择高浓缩比有利于系统整体能效比提高。  2转轮转速  吸附与脱附在转轮运行周期中是同步进行的,两者互为影响并共同决定转轮的去除效率,而转速的大小意味着吸附和脱附时间长短。当转速低于佳转速时,相应的运行周期变长,其脱附区的再生充分,但是其相对吸附能力λ随着转速n的减小而减小,在温度分布曲线上表现为吸附区的曲线下降明显,这是由吸附放热少引起的,反映了吸附率的降低。而当转速大于佳转速时,温度曲线表现为只有脱附区前段少部分能被加热到再生温度,因此佳转速是脱附与吸附的佳平衡。佳转速本质上是吸附和脱附时间的控制,以实现转轮去除率大。实际应用时,因受多种因素影响,转轮转速为配合其他参数变化可控制在一区间值。  3再生风温度  吸附剂的解析再生存在一个特征温度(低清洗温度),高于该温度可以获得更快的解析速率,同时消耗更小的脱附风量。  4进气参数   实际工程中,有机废气一般都含有水分,部分相对湿度甚至达到80%。而水分可能与污染物形成吸附竞争,占据转轮吸附空间而降低污染物去除效率,因此抗湿性是衡量吸附性能的重要指标之一。  在一定条件下,佳转速与进气流速成正比,当进气流速提高时,转速应相应提高,如果转速未根据流速进行相应提高,运行值低于佳转速其相对吸附能力λ随着转速n的减小而减小,在温度分布曲线上表现为吸附区的曲线下降明显,反映了吸附率的降低。因此对于高浓度有机废气,控制低进气流速十分必要,或可相应地提高转速。  转轮吸附浓缩+催化燃烧的关键点  吸附分离浓缩+燃烧分解净化法的核心技术是高效吸附分离浓缩过程以及所采用的具有蜂窝状结构的吸附转轮。  1沸石型号的选择及性能研究  疏水性沸石转轮的研制,需要把加工成波纹形和平板形陶瓷纤维纸用无机黏合剂黏接在一起后卷成具有蜂窝状结构的转轮,并将疏水性分子筛涂敷在蜂窝状通道的表面制成吸附转轮,应用于工业废气中VOCs的净化处理过程。  2转轮工艺参数及结构优化  浓缩比:转轮通过吸附-脱附以获得低流量的浓缩气体,因此浓缩比是转轮性能的一个重要指标,定义为进气流量与再生风流量的比值F。  转轮转速:吸附与脱附在转轮运行周期中是同步进行的,两者互相影响并共同决定转轮的去除效率,而转速的大小意味着吸附和脱附时间长短。  再生风温度:吸附剂的解析再生存在一个特征温度(低清洗温度),高于该温度可以获得更快的解析速率同时消耗更小的脱附风量。  密封性不佳会使转轮在应用中存在窜风问题,因而结构的密封是一个非常重要的控制点。  催化剂的选择。性能良好的催化剂应满足下列基本要求:1)具有优良的低温活性,并适应较高空速,并直接关系到装置的建设费用和运行费用;2)热稳定性好,在废气浓度过高而产生大量反应热的情况下,催化剂的温度会急剧上升,此时催化剂应不发生显著的物理化学变化;3)具有一定的机械强度和较小的阻力。  展望  随着新型吸附剂的开发及我国转轮制作技术、密封技术的提高,转轮吸附技术将会在范围、更多的行业得到应用。转轮运行的模型研究也将更加深入,治理效果将更加有效。 蓄热式RTO焚烧炉 沸石转轮浓缩吸附装置 RCO蓄热式催化燃烧设备 UV光解+活性炭吸附 活性炭吸附脱附+催化燃烧 沸石转轮浓缩吸附装置 方形水旋式净化塔 蓄热式RTO焚烧炉 UV光解+活性炭吸附 方形水旋式净化塔