蓄熱式燃燒爐（RTO）——實用可行的VOCs有機廢氣處理技術

文/楊崢雄

摘要：蓄熱式燃燒爐（RTO）是把生產排出的有機廢氣溫度提升到680～1050℃，在此高溫下直接分解成二氧化碳和水蒸氣，大量熱能從煙氣中轉移至蓄熱體，用來加熱下一次循環的待分解有機廢氣。RTO運行費用省，有機廢氣的處理效率可以達到95%～99%，國際上較先進設備的VOCs處理多采用這種方法。本文詳細介紹了RTO的工作原理、性能、結構及使用要點。

VOCs有機廢氣氧化燃燒是借助高溫，使有機物氧化分解為二氧化碳、水以及部分化合物，一般氧化處理效率可以達到95%～99%。燃燒法分直接氧化燃燒（TO）和蓄熱式燃燒（RTO）兩種，RTO比TO熱交換效率更高，更節能。

一、RTO的優勢及分類

1、優點

蓄熱式燃燒爐（RTO）是把生產排出的有機廢氣經過蓄熱陶瓷的加熱后，溫度迅速提升，在爐膛內燃氣燃燒加熱作用下，溫度達到680～1050℃，有機廢氣中的VOCs在此高溫下直接分解成二氧化碳和水蒸氣，形成無味的高溫煙氣，然后流經溫度低的蓄熱陶瓷，大量熱能即從煙氣中轉移至蓄熱體，用來加熱下一次循環的待分解有機廢氣，高溫煙氣的自身溫度大幅度下降，再經過熱回收系統和其他介質發生熱交換，煙氣溫度進一步降低，最后排至室外大氣。

其優點有：運行費用省，有機廢氣的處理效率高，不會發生催化劑中毒現象，因此國際上較先進設備的VOCs處理較多采用這種方法。
分類

RTO可分為固定式和閥門旋轉式兩種。

圖1 二室固定式RTO示意圖

圖2 進氣閥門旋轉式RTO示意圖

二、RTO的工作原理

RTO工作原理是：把有機廢氣加熱到760℃以上，使廢氣中的VOCs氧化分解成二氧化碳和水。氧化產生的高溫氣體經特制的陶瓷熱體，使陶瓷體升溫而“蓄熱”，此“蓄熱”用于預熱續進入的有機廢氣，從而節省廢氣升溫的燃料消耗。陶瓷蓄熱體應分成兩個（含兩個）以上的區或室，每個蓄熱室依次經歷蓄熱-放熱-清掃等程序，周而復始，連續工作。蓄熱室“放熱”后應立即引入適量潔凈空氣對該蓄熱室進行清掃（以保證VOCs去除率在95%以上），只有待清掃完成后才能進入“蓄熱”程序。

圖3 進氣閥門旋轉式RTO空氣流動示意圖

圖4 三室固定式RTO實物圖

二、RTO適用條件及性能

1、適用條件

適用有機廢氣種類包括：烷烴、烯烴、醇類、酮類、醚類、酯類、芳烴、苯類等碳氫化合物有機廢氣。

有機物低濃度（同時滿足低于25%LFL）、大風量。

廢氣中含有多種有機成分、或有機成分經常發生變化。

含有容易使催化劑中毒或活性衰退成分的廢氣。

不適用于含有較多硅樹脂的廢氣。

2、性能特點

優點：

*幾乎可以處理所有含有機化合物的廢氣

*可以處理風量大、濃度低的有機廢氣

*處理有機廢氣流量的彈性很大（名義流量20%～120%）

*可以適應有機廢氣中VOCs的組成和濃度的變化、波動

*對廢氣中夾帶少量灰塵、固體顆粒不敏感

*在所有熱力燃燒凈化法中熱效率量高（>95%）

*在合適的廢氣濃度條件下，無需添加輔助燃料而實現自供熱操作

*凈化效率高（三室>99%）

*維護工作量少、操作安全可靠

*有機沉淀物可周期性的清除，蓄熱體可更換

*整個裝置的壓力損失較小

*裝置使用壽命長

缺點：

*裝置重量大，因為采用陶瓷蓄熱體

*裝置體積大，只能放在室外

*要求盡可能連續操作，開機預熱一次要3～4小時

*一次性投資費用相對較高

3、RTO節能減排核心

利用RTO節能減排的關鍵點在于：一定要對印刷涂布機及涂裝設備進排氣系統進行優化，提升排放的有機廢氣的濃度，而總排風量減少，這樣，設備無功損耗減少，設備投資減少，節能效果更明顯。

因為，當排出的有機廢氣VOCs濃度較大時，超出RTO無功運行平衡點（一般濃度在3g/m2）以上的熱量，可回用到印刷涂布烘干箱上，還有從RTO排出來處理后的氣體（溫度比進氣高60℃以上），可通過熱交換器預熱新鮮空氣，再把預熱后氣體送到烘箱，這樣可大大節省加熱烘箱的能耗，為企業創造很大的經濟效益，實現節能減排，值得大力推廣。

對于鋼桶制造行業，排放濃度低于2.5g/m2，也可選用轉輪或活性碳吸附濃度廢氣，再把濃縮完的氣體適到RTO燃燒。

四、固定式RTO爐體組成部分

如圖5所示，三室RTO比二室的多一個室，用于蓄熱室“放熱”后，應立即引入已處理合格的潔凈排氣的一部分，對該蓄熱室進行清掃（以保證VOCs去除率在97%以上），只有待清掃完成后才能進入“蓄熱”程序，而二室由進氣轉化為排氣時，氣溫區沒有燃燒的小部分有機廢氣會排到總排氣管理，因此VOCs去除率只有95%左右，比三室低一些。

圖5 三室RTO工藝流程圖

1、RTO爐體

*氧化室

殼體采用6mm的Q235-A碳鋼板，外表面設型鋼加強筋，殼體良好密封。

設檢查門。爐體的外表溫度為環境溫度+25℃，且不高于60℃，熱橋除外。

*蓄熱室

由三個蓄熱室且成，分別輪流進行蓄熱、放熱、清掃。殼體材料良好密封，爐蓖支撐陶瓷蓄熱體及鞍環陶瓷，材料碳鋼。爐體的外表溫度為環境溫度+25℃，且不高于60℃，熱橋除外。

2、爐體內保溫

爐體氧化室及蓄熱室內保濕采用耐火硅酸鋁纖維，耐熱1200℃，絨重220kg/m2，氧化室及蓄熱室高溫區厚約220mm，蓄熱室低溫區厚約150mm。內保溫共三層，其中含兩層硅酸鋁纖維氈及一層硅酸纖維模塊。硅酸鋁纖維模塊內設置耐熱鋼骨架，用錨固件固定在爐體殼體上。耐火硅酸鋁纖維外表面涂敷耐高溫抹面。

3、陶瓷蓄熱體

陶瓷蓄熱體采用LANTEC產品，該產品用于RTO

設備比較合適的蓄熱產品。惚瓷蓄熱體其特點是比表面積大680m2/m2，阻力小，熱容量大0.22BTU/lb?,耐溫高可達1200℃，耐酸度99.5%，吸水率小于0.5%，壓碎力大于4kgf/cm3，熱脹冷縮系數小，為4.7×10-8/℃,抗裂性能好，壽命長。

4、燃燒系統

采用燃氣比例調節式燃燒器，此燃燒器的特點是可進行連續比例調節（燃氣調節范圍30：1），高壓點火，可適應多種情況。系統含助燃風機（國產）、高壓點火變壓器、比例調節閥、UV火焰探測器等。

供燃料安全閥組含穩壓閥，穩定燃氣壓力；含有高低壓保護，假如燃燒器前管路燃氣泄露等原因壓力過低，則起低壓保護作用；假如燃燒器前管理穩壓閥壞掉，或是堵塞管路致使燃氣壓力超高，則起高壓保護作用；含燃氣快速切斷閥；含比例調節閥，根據爐膛所需的溫度變化來調節其張開的角度，節省燃料，燃料和助燃空氣同步變化，穩定燃燒。

點火管路含穩壓閥，穩定供氣壓力。點火是高壓打火與氣路電磁閥同時動作，類似打火機原理。

配燃燒控制柜，內置時間繼電器、高壓點火器、高溫限制器、火焰控制器等。

5、控制系統

控制要求總述：系統采用SIEMENS公司SIMATIC S7-300系列的PLC，對RTO進行自動控制。配SIEMENS公司的人機界面，對整個系列運行工況進行實時監控。

爐膛內的高溫傳感器能反饋爐膛溫度信息，改變比例控制燃燒器的供熱能力，使爐膛溫度保持穩定；當爐膛溫度超過上限溫度時，系統將打開高溫排放閥，超過上上限溫度時，系統將自動報警，系統將自動停機。RTO采用由廢氣入口的壓力傳播器負壓信號控制入口風機變頻器，從而控制調節入口風機風量。

可編程序控制器（PLC）及控制要求：

*選用SIEMENS SIMATIC S7-300D PLC（帶存儲卡）。

*如企業需要，RTO控制系統可與車間中控室通過以太網（TCP/IP）進行通訊，實現高通信容量、高可靠的數據通訊。

*PLC工作電源、I/O模塊電源經過自的隔離變壓器接到電控柜電源總開關的前端。

*設備正常運行時有運行信號燈顯示，當出現異常故障時有相應的顯示和報警。

*每套PLC至少預留10%備用點，所有的備用點都要引到端子上。

觸模屏：

*觸摸屏選擇SIEMENS的10?彩色HMI，帶有儲存卡。控制柜安裝人機界面（HMI）設備，作現場操作提示、故障報警、運行參數顯示、控制參數設定服設備控制。

*觸模屏上要顯示工藝過程、閥門位置、風機狀態、燃燒器狀態、系統狀態、溫度曲線等。可方便進行參數的更改。

電氣控制柜要求：

*采用國產控制柜2000（H）×800（W）×600（D）。

*控制箱（柜）優先底部進出線。

*變頻器的操作面板為可拆卸式。

*控制柜內需要預留10A的維修插座。帶電扇通風，保證電氣控制柜內工作溫度小于40℃。柜內保持正壓。

電纜及橋架：

*動力電纜、控制電纜等采用標準產品。

*模擬信號必須要用屏蔽電纜。

*現場電纜采用橋架+線管方式敷設。所有電纜兩頭綁扎永久的電纜號牌。

電機：

*RTO主風機采用西門子變頻器進行控制。變頻器的操作面板安裝在門上，通過通訊線和變頻器相連，便于觀察和操作，變頻器的操作面板為可拆卸式。

*助燃風機采用直接啟動，有三相過載保護。

其它：

*壓縮空氣管道安裝一保壓力開關，作為燃燒器的聯鎖。

*安裝一塊高溫限制儀表，作為燃燒器的聯鎖。

*每個風機安裝壓差開關，用于判斷風機有無在運轉，作為燃燒器的聯鎖。

*高溫限制熱電偶信號直接進儀表。其它的溫度和壓力傳感器帶變送器，變送器的輸出為4～20mA。

6、風機

主風機，功率較大，防爆，一臺。耐溫250℃。含減振器。

7、氣動閥

*主切換閥：內向主切換閥性能好壞對RTO設備的運行非常關鍵，因此RTO系統采用雙通道組合閥，在軸向氣缸作用下，閥板前后移動壓緊密封圈，且有行程開關監測閥門位置。閥板密封面及密封圈均精加工，保證氣密性>99%，壽命長（可達100萬次），啟閉迅速（≤1s），閥門動作低噪間。RTO需組合提升閥9只DN600。閥體過流部分材料304。進口SMC執行機構。

*輔助風門：采用氣動通風蝶閥，泄漏量小，啟閉迅速（≤1s），運行可靠。氣動通風蝶閥2只（廢氣），2只（旁通），3只（清掃），1只（新風）。閥體材料碳鋼。進口ACTREG執行機構，ASCO電磁閥。高溫排放閥門，耐溫1200℃。進口執行機構。

*氣動二聯件采用SMC產品。氣動執行機構要求壓縮容氣壓力為5～6bar。

*每一個氣動閥均有閥位信號反饋。限位開關防爆。

*每一個氣動閥壓縮空氣入口附近有一個銅球閥。

8、本體管路

高溫風管采用6mm鋼板制作，內保溫硅酸鋁模塊，耐溫1200℃。

低溫風管采用δ3mm碳鋼鋼板。

含爐體、管道支架。布置區域比較狹窄，需要做底部支架，把RTO爐體立起來，廢部設風管。

9、煙囪

*碳鋼板制作，標高15m。由Q235-A鋼板制作；煙囪鋼板厚度為6mm；設加強圈。

*煙囪頂部要設置雨帽及避雷裝置。

10、平臺扶梯

平臺、扶梯及欄桿力求安全可靠、美觀大方。

11、保濕外護板

煙囪下部及管道均需保濕。保溫材料為巖棉，厚度100mm，外包δ0.5mm鍍鋅板/鋁板。

五、閥門旋轉式RTO

閥門旋轉式RTO不像固定式RTO需要氣路頻繁切換。它的特點就是在蜂窩陶瓷下部，有一個旋轉的轉閥，用它來調節廢氣進入燃燒室路徑和對蜂窩陶瓷進行預熱路徑。旋轉式RTO的結構如圖6所示。

圖6 閥門旋轉式RTO外觀圖

這種焚燒爐的結構如圖7、圖8、圖9所示，結構比較復雜。

旋轉式RTO的廢氣室在下方，蜂窩陶瓷在中部，爐膛在上部，結構如圖7所示，轉閥的結構如圖8所示。

圖7 轉閥式RTO結構

廢氣從爐子的下方經過已經預熱了的蜂蜜陶瓷進行燃燒室燃燒，產生的熱量被送到熱交換給涂布機或復合機加熱，，有部分熱量則從燃燒室經蜂蜜陶瓷流到下方的廢氣室，給蜂窩陶瓷預熱。為了使進入的廢氣與流出的熱氣流分開，同時又要讓蓄熱室所有的蜂窩陶瓷都能夠均勻預熱，廢氣室被分成多個小格（如12個小格）。它通過旋轉使進入的廢氣和流下的熱量每若干秒鐘就變換一個小格，這樣就使到蜂窩陶瓷被均勻加熱，廢氣從蜂窩陶瓷的進出如圖7所示，廢氣進排氣流程如圖9所示。

圖8 旋轉式RTO轉閥結構示意圖

圖9 旋轉式RTO蜂窩陶瓷預熱過程示意圖

六、結語

國內進口RTO不少，如安裝在3M公司的涂布線、某些企業的汽車涂裝線、外資制藥化工企業的生產線、德國漆包生產線等。近十幾年來，國內技術人員通過消化吸收國外先進技術和使用國外設備總結摸索出來的經驗，自行研制生產出來的RTO，性能已經與進口產品相當，但價格實惠，性價比更高。國產RTO已經達到進行同類產品技術水平。目前，國內還有幾十家企業，正在研發生產RTO。隨著VOCs治理技術的進步，相信RTO也會走入更多的企業。