昱昌技术文章【不同型式RTO性能对比】20180702-潘博.doc

不同类型RTO性能对比研究潘博摘 要：蓄热式氧化炉 （Regenerative Thermal Oxidizer,简称RTO）是一种高效可靠的工业挥发性有机废气（VOCs）治理设备。经过30多年的发展，经历了三次技术迭代，从第一代的两床式，发展到第二代三床式，再发展到第三代的旋转式。本文以30000Nm3/h风量RTO为研究对象，分别从先进性、可靠性、达标性、节能性、经济性、实用性等6个方面对三代RTO性能进行了研究对比。研究结果表明：旋转式RTO总净化效率为99.5%，比两床式、三床式分别提升4.7%、0.5%；热效率为97%，比两床式、三床式分别提升7.8%、2.1%；自运行浓度为1.8g/m3，比两床式、三床式分别降低22%、58%；管道压力波动为25pa，比两床式、三床式分别降低95%、90%；占地面积为84m2，比两床式、三床式分别降低22%、42%。第三代技术的旋转式RTO比床式RTO在各方面的性能均得到质的提高。关键词：VOCs；RTO；性能对比一、前言挥发性有机废气（VOCs）在大气中经过复杂的物理化学反应所形成的光化学烟雾是造成雾霾的重要因素。2015年，我国VOCs的实际排放总量约2503万吨。其中，工业源VOCs排放量约为1076万吨，占总排放量的43%。在国家大气污染联防联控的总体要求下，各地方政府制定了更为严格的排放标准，且随着排污费的收取及环保常态化督导，相关排放企业感受到空前的环保压力。蓄热式氧化炉 （Regenerative Thermal Oxidizer,简称RTO）是目前应用最广泛地VOCs处理设备，其原理是在高温下将废气中的有机物（VOCs)氧化成对应的二氧化碳和水，从而净化废气，并回收废气分解时所释放出来的热量。该技术出现于20世纪70年代，并由美国的Hamon Research-Cottrell公司引入市场。到20世纪90年代，在欧美国家，RTO已经普遍应用于废气处理。我国RTO技术起步较晚，但随着2016年史上最严环保法北京大气污染物综合排放标准（DB11/501-2017）的颁布实施，非甲烷总烃排放浓度标准进入低于50mg/ m时代。由于我国现在各地方普遍推行的排放标准远远高于世界主要发达国家和地区的标准，使得国外技术失去了历史经验优势，给与了我国RTO生产企业在新的高标准要求下赶超国外技术提供了机遇，本研究旨在从不同类型RTO结构原理上给出性能分析方法和数据，供国内同行专家交流和参考。二、性能对比本研究采用定量分析法，所选取的两床式、三床式和旋转式RTO均为30000Nm3/h处理风量。在同等生产工艺条件下，考察三种型式RTO在先进性、可靠性、达标性、节能性、经济性、实用性等6个方面的性能。具体情况如下：表1 不同类型RTO性能对比表（处理风量30000Nm3/h）性能指标 2室RTO3室RTO旋转式RTO备注先进性技术迭代第一代第二代第三代蓄热室数量2312可靠性阀门数量491阀门年切换次数35万次52万次/旋转阀连续运转无切换管道压力波动500pa250pa25pa达标性总净化效率95%99%99.5%切换峰值净化效率80%95%99.5%最高处理浓度范围1g5g10g50mg/m3排放标准节能性表面积95m2145m286m2进出口温差454020吹扫风量/500030002室RTO无吹扫热效率90%95%97%开机升温时间2h3h1.5h冷炉启动自运行浓度2.3g/m32.5g/m31.8g/m3乙酸乙酯经济性保温面积19m329m314m3蓄热陶瓷填充量28m242m215m2重量68t102t57t实用性占地L12W9L16W9L12W7米1.先进性为提高VOCs的净化效率，RTO可通过两种方法实现。一是延长VOCs的燃烧时间，但这样会使热效率降低。二是增加蓄热室数量。理论上蓄热室数量越多，净化效率越高。旋转式RTO炉体均匀分为12个蓄热室，根据功能分为5个放热区、5个蓄热区、1个死区和1个吹扫区。蓄热室的数量远高于两床式和三床式，净化效率显著提升。图1 不同类型RTO结构对比图2.可靠性（1）气体切换阀。气体切换阀是RTO的核心部件。两床式、三床式RTO采用的切换阀为提升阀，通过阀门的升降实现气体流向的改变。两床式RTO具有提升阀4个，单个阀门年抬升达35万余次；三床式RTO具有提升阀9个，单个阀门年抬升达52万余次。由于提升阀频繁工作，极易造成磨损而影响使用寿命，故障率较高。由于阀门损耗后将严重影响密封性，造成废气泄漏，因此，提升阀需要定期进行更换，其维护费用较高。而旋转式RTO采用旋转阀取代了提升阀，旋转阀在驱动电机带动下以1.5min/r的速度旋转，运行平稳，不会产生冲击，密封面经过研磨具有良好的气密性。在采用优质的密封材料情况下，旋转阀具有使用寿命长，故障率低，维护费用低的显著特点。（2）管道压力波动。经检测，旋转式RTO管道压力波动为25pa，比两床式、三床式分别降低95%、90%。管道压力波动能够显著降低的主要原因为旋转式RTO采用旋转阀取代了提升阀，气流传输平稳，不会产生冲击，也不会产生因阀门切换产生管道压力波动，进而造成废气堵塞、倒灌现象，有效改善了车间气味。3.达标性从二床式RTO的工作原理上看，当切换气体流动方向时，切换阀到燃烧室之间蓄热区域的气体空间（即死区）存在未经氧化反应的原料废气，进出气切换后，它也与净化气一同排出，所以两床式RTO切换峰值净化效率仅为80%左右。目前也有一些厂家为了解决二床式RTO切换峰值排放严重超标又不愿意增加成本生产三床式RTO的问题，采用给二床式RTO增加1个吹扫储气罐，俗称“二床半RTO”。这种RTO工作原理是:在蓄热室气流反向切换为出气工况后，用5-10秒时间将蓄热室残存的废气抽到储气罐中，储气罐储满后，后续排气再切换到烟筒排出，抽到储气罐的废气送到进气管道处理，储气罐清空，为下一次储气做准备。这种结构的RTO由于吹扫抽气压力低，储气量有限，不能够彻底清理蓄热室残存废气，因此切换峰值净化效率仅可以提高到90%左右。二床式RTO和“二床半RTO”是无法通过在线连续监测的考核的。从三床RTO的工作原理上看，三床RTO增加了一个室，三个室中的2个室工作，另外1个室进行吹扫清理，解决了蓄热区域的未经氧化反应的原料废气被带出去的问题。但是废气入口阀和干净气体出口阀是同时启动，在交替工作时间内有极短的废气进气和出气直接短路的过程，造成少量废气与净化气一同排出，因此三床式RTO切换峰值净化效率为95%。从总体上看，在要求不是很严格的情况下，三床式RTO是可以满足现在高标准的环保处理要求的。旋转式RTO气体是通过旋转配气阀平稳过渡切换的，无废气进气和出气直接短路的现象，净化过程连续，没有切换峰值问题，实现了稳定高标准达标。由表1可知，两床式RTO切换峰值净化效率为80%，总净化效率为95%；三床式RTO切换峰值净化效率为95%，总净化效率为99%；旋转式RTO切换峰值净化效率与总净化效率完全相同为99.5%。在保证非甲烷总烃排放浓度低于50mg/m3条件下，两床式、三床式和旋转式RTO最高处理废气浓度分别为1g/m3、5g/m3和10g/m3。旋转式RTO处理最高处理废气浓度分别是两床式、三床式RTO的10倍和2倍。试验证明：旋转式RTO总净化效率为99.5%，比两床式、三床式分别提升4.7%、0.5%，且经多家权威环保检测机构测评，排出物完全达标。4.节能性（1）热效率热效率是指，实际利用的热量与理论可利用总热量之比（见公式1-1）。RTO炉体的表面热量损失和余热回用能力是影响其热效率的两个重要因素。经测试，旋转式RTO热效率为97%，比两床式、三床式分别提高7个和2个百分点。 （公式1-1）式中：T燃烧室温度（炉体表面热损失越小越接近理论燃烧值），；ti废气进入口温度，；t0净化气出口温度，。A.表面散热在废气处理量均为30000Nm3/h风量规模情况下，两床式、三床式和旋转式RTO表面积分别为95m2、145m2和86m2。旋转式RTO表面积比两床式、三床式分别降低9.5%和41%。这表明，旋转式RTO有着更小的比表面积，从炉体结构角度看热量损失较小。B.进出口温差两床式、三床式RTO一般情况下2-3分钟进行一次“蓄热-放热”工况交换，每小时的平均“蓄热-放热”工况交换频率为20-30次，也就是每次蓄热时间在120秒以上。旋转式RTO一般情况下旋转阀工作为1.5r/min，蓄热室“蓄热-放热”工况交换频率为每小时90次，也就是每次蓄热时间为40秒左右。由于“蓄热-放热”工况交换频率高，这样在相同的蓄热室气流长度情况下，旋转式RTO的热量吸收更充分，放热也更充分。经实际测试，两床式、三床式和旋转式RTO气体进出口温差分别为45、40和20。这表明，旋转式RTO有着更强的余热利用能力，可以充分将废气燃烧余热储存利用。（2）吹扫风量两床式RTO无吹扫功能。三床式RTO总的蓄热砖填充量为42m3，吹扫时对其中1/3蓄热室进行吹扫，吹扫蓄热砖体积为14m3。旋转式RTO总的蓄热砖填充量为15m3，吹扫时对其中1/12蓄热室进行吹扫，吹扫蓄热砖体积为0.8m3。单位时间内三床式和旋转式RTO吹扫风量分别为5000Nm3/h和3000Nm3/h。吹扫风通常取自烟筒前的排气，温度一般小于60，且几乎没有VOCs可燃成分，因此，吹扫风量越大越消耗能源。（3）开机升温时间二床式RTO总的蓄热砖填充量为28m3，三床式RTO总的蓄热砖填充量为42m3，旋转式RTO总的蓄热砖填充量为15m3。在冷炉启动工况下，两床式、三床式和旋转式RTO开机升温时间分别为2h、3h和1.5h。旋转式RTO开机升温时间分别是两床式、三床式的3/4和1/2，节约了启炉过程中燃料的消耗。此外，针对业主单位作业不连续造成废弃间断的情况，可以采用闷炉保温技术。在设备关机后，关闭所有阀门，12小时后炉内温度仍可维持在400以上，再次点火开机，30-60min即可使炉内温度达到800，节约启炉能耗。（4）自运行浓度自运行浓度是指，当VOCs浓度达到某一下限时（同时低于爆炸下限），其燃烧热量可平衡炉体热辐射损失和废气温度升高所需要的能量。此时，RTO即可维持自运行状态，不再需要额外消耗其他燃料。由于散热面积不同、“蓄热-放热”工况交换频率不同、吹扫能耗不同、排气温度不同、蓄热砖填充量不同等，最终运行测试平均结果，两床式、三床式和旋转式RTO平均自运行浓度分别为2.3g/m3、2.5g/m3和1.8g/m3。5.经济性从设备制造的经济性能来看，两床式、三床式和旋转式RTO的保温面积分别为19m3、29m3和14m3，相对应的蓄热陶瓷填充量分别为28m3、42m3和15m3。旋转式RTO的蓄热陶瓷填充量比两床式、三床式分别减少46%和64%。大量节省了蓄热陶瓷的使用量，降低了制造成本。此外，制造原材料的减少，也使旋转式RTO重量降低至57t。该重量分别是两床式、三床式的84%和56%。但是由于旋转RTO是圆形整体制造的，相对于两床式、三床式RTO运输成本高是其最大的弱点。6.实用性两床式、三床式和旋转式RTO占地面积分别为108m2、144m2和84m2。旋转式RTO占地面积小、安装方便是其优点。三、结论自2016年北京大气污染物综合排放标准（DB11/501-2017）的颁布实施后，我国VOCs废气排放标准提高到50mg/m3，全世界RTO设备制造商都才开始研发生产高标准要求的RTO，国内外高排放标准的RTO技术研发站在了同一起跑线上。通过推演三代不同技术的RTO