蓄熱燃燒（RTO）與催化燃燒（CO）的異同點(diǎn)

文/鳳巢

隨著國(guó)家對(duì)大氣污染的整治力度加大，工業(yè)VOCs廢氣污染情況得到了根本性的改變，根據(jù)對(duì)廢氣治理裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性、治理效果的可靠性、廢氣種類的廣適性、工藝的安全性等要求，大部分地方政府頒發(fā)的VOCs治理政策指導(dǎo)意見(jiàn)中廢氣治理工藝基本上是吸附、吸收、熱分解（焚燒）3種工藝及其組合工藝。

（焚燒）熱分解工藝成為VOCs廢氣治理的主流后技術(shù)裝備上得到了很大發(fā)展提升，但由于很多環(huán)保公司的工程設(shè)計(jì)人員與業(yè)主單位缺乏在初始設(shè)計(jì)時(shí)深入溝通、裝置運(yùn)行時(shí)及時(shí)反饋、事故出現(xiàn)時(shí)的有效解決方案，使其不了解熱分解工藝特性盲目設(shè)計(jì)，導(dǎo)致各地頻頻出現(xiàn)裝置爆炸、高能耗停開(kāi)、裝置故障率高等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，也給整個(gè)廢氣環(huán)保行業(yè)發(fā)展帶來(lái)了很多負(fù)面因素。

01、熱分解工藝簡(jiǎn)述

熱分解工藝一般分為直燃(TO)、蓄熱燃燒(RTO)、催化燃燒(CO)、蓄熱催化燃燒(RCO)4種，只是燃燒方式和換熱方式的兩兩不同組合，主要可以用于處理吸附濃縮氣，也可以用于直接處理廢氣濃度＞3.5g/m3的中高濃度廢氣。

1）TO是將高濃廢氣送入燃燒室直接燃燒(燃燒室內(nèi)一般有一股長(zhǎng)明火)，廢氣中有機(jī)物在750℃以上燃燒生成CO2和水，高溫燃燒氣通過(guò)換熱器與新進(jìn)廢氣間接換熱后排掉，換熱效率一般≤60%導(dǎo)致運(yùn)行成本很高，只在少數(shù)能有效利用排放余熱或有副產(chǎn)燃?xì)獾钠髽I(yè)中應(yīng)用。

2）RTO的燃燒方式與TO相同，只是將換熱器改為蓄熱陶瓷，高溫燃燒氣與新進(jìn)廢氣交替進(jìn)入蓄熱陶瓷直接換熱，熱量利用率可提高到90%以上，理念先進(jìn)，運(yùn)行成本較低，是目前國(guó)家主推的廢氣治理工藝。

3）CO是采用貴重金屬催化劑降低廢氣中有機(jī)物與O2的反應(yīng)活化能，使得有機(jī)物可以在250～350℃較低的溫度就能充分氧化生成CO2和H2O，屬無(wú)焰燃燒，高溫氧化氣通過(guò)換熱器與新進(jìn)廢氣間接換熱后排掉，熱量利用率一般≤75%，常用于處理吸附劑再生脫附出來(lái)的高濃廢氣。

4）RCO燃燒方式與CO相同，換熱方式與RTO相同，由于投資堪比RTO，能處理的廢氣種類受催化劑影響又比RTO少，所以很少企業(yè)采用RCO工藝。熱分解以RTO和CO的應(yīng)用例子較多，如果用于處理吸附脫附的濃縮氣，兩者差別不大，但若直接處理中高濃度廢氣時(shí)有很大區(qū)別，需要企業(yè)認(rèn)真對(duì)待。

常見(jiàn)的RTO和CO裝置工藝流程如圖1、圖2。

02、RTO與CO在處理中高濃度廢氣中各方面的異同

現(xiàn)就廢氣適用種類、廢氣濃度、廢氣流量、輔助能源、儀表自控、安全風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)、動(dòng)力負(fù)荷、主設(shè)備投資、運(yùn)行成本等方面進(jìn)行比較。

2.1 廢氣適用種類

兩種工藝都可以用于處理烷烴、芳香烴、酮、醇、酯、醚、部分含氮化合物等有機(jī)廢氣。含硫磷類廢氣會(huì)使催化劑中毒，不適合用CO處理，而如果忽略含硫磷廢氣燃燒時(shí)對(duì)設(shè)備儀表的少量腐蝕，可以限制性的使用RTO處理。

由于處理溫度均＜1150℃，兩種工藝都不能用于處理含鹵代烴廢氣以避免產(chǎn)生二惡英。部分類似硅烷類的廢氣因?yàn)槿紵笊傻墓腆w塵灰會(huì)堵塞催化劑或蓄熱陶瓷或切換閥密封面，所以RTO和CO都不能使用。

含漆霧粉塵類廢氣要預(yù)過(guò)濾以避免切換閥關(guān)不緊、蓄熱體阻塞等現(xiàn)象，RTO的預(yù)處理要過(guò)濾到至少F6級(jí)；而CO處理廢氣主流通道上無(wú)切換閥，加上可以采用讓廢氣流速較高粉塵不易結(jié)存、定期給整個(gè)系統(tǒng)升溫回火將粉塵剝離分解等方法，因此CO的預(yù)處理只需簡(jiǎn)單過(guò)濾到G4級(jí)。

此外，因?yàn)楹鬃跃塾袡C(jī)物(如丁二烯、丙烯酸酯等)廢氣會(huì)影響到切換閥的有效開(kāi)閉，同時(shí)也可能在位于廢氣進(jìn)口處的蓄熱體上低溫沉積，使用RTO處理該類廢氣時(shí)會(huì)有安全隱患，而CO則不受影響。

2.2 廢氣濃度

由于溫度的提高會(huì)降低有機(jī)物爆炸下限濃度，通常要控制廢氣進(jìn)口濃度＜25%LEL，常見(jiàn)有機(jī)物的爆炸下限和25%LEL如表1。

表1 常見(jiàn)有機(jī)物的爆炸下限濃度和25%LEL

有機(jī)物氧化分解會(huì)放出大量熱量使得廢氣溫升，計(jì)算1000mg/m3的常見(jiàn)廢氣有機(jī)物絕熱溫升如表2。

以CO處理室溫20℃的甲苯廢氣為例，為避免催化氧化處理后排放氣“白煙”和冷凝濕氣對(duì)設(shè)備的腐蝕等情況，排放氣溫度一般?。?05℃，再考慮到換熱效率則常溫廢氣進(jìn)出裝置后的實(shí)際溫升應(yīng)＞100℃。

如果催化燃燒起始溫度為250℃，那么廢氣催化氧化后的溫度為350℃，則對(duì)應(yīng)廢氣初始濃度約為3130mg/m3時(shí)可維持系統(tǒng)熱量平衡而不用額外能源。若廢氣濃度進(jìn)一步升高到25%LEL，廢氣氧化后溫度可達(dá)587℃，此時(shí)催化劑易流失且設(shè)備材質(zhì)要求耐熱鋼，因此除非在催化劑層間安裝換熱管系統(tǒng)及時(shí)移走熱量，否則CO處理甲苯廢氣最佳濃度為3130～9390mg/m3。

廢氣如果進(jìn)口濃度過(guò)高，可進(jìn)風(fēng)稀析，稀析閥與氧化氣溫度連鎖；廢氣進(jìn)口濃度如果為2130～3130mg/m3，可用電或燃?xì)馓嵘龔U氣進(jìn)催化劑層的溫度達(dá)到催化起燃溫度250℃；廢氣進(jìn)口濃度如果＜2130mg/m3，可吸附濃縮后再用CO處理脫附出的濃縮氣；如果廢氣初始溫度較高，比如很多烘箱廢氣有80℃，此時(shí)CO能處理的廢氣濃度可以相應(yīng)降低到1560mg/m3。

同樣以RTO處理20℃的甲苯廢氣為例，由于RTO的燃燒爐內(nèi)要有一個(gè)長(zhǎng)明火點(diǎn)燃廢氣，而1.672×106kJ的燃燒器長(zhǎng)明火消耗約5m3/h的天然氣提供部分熱源，因此系統(tǒng)維持熱量平衡的廢氣進(jìn)口濃度最低可以到1700～2000mg/m3。如果RTO裝置設(shè)計(jì)從燃燒室引出部分高溫氣體另行降溫后回到燃燒室以避免燃燒溫度＞1000℃的工藝，則可以提高RTO處理廢氣的最高濃度到25%LEL。

2.3 廢氣流量

一般單套R(shí)TO處理廢氣流量為8000～50000m3/h，處理廢氣流量＜5000m3/h時(shí)的RTO裝置投資費(fèi)比不合算，而處理廢氣流量＞50000m3/h則很容易出現(xiàn)偏流、局部過(guò)熱等現(xiàn)象影響廢氣分解效率。單套CO處理廢氣流量為1000～20000m3/h，廢氣流量再加大，高效換熱器設(shè)計(jì)困難且催化劑層也會(huì)出現(xiàn)明顯偏流局部過(guò)熱現(xiàn)象影響廢氣分解效率。

2.4 輔助能源

RTO的燃燒室需要一支長(zhǎng)明火，加上設(shè)備自重大、預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，一般使用液化氣、天然氣、輕柴油等做為輔助能源，不建議使用電熱。

CO同樣可以使用液化氣、天然氣、輕柴油等做為輔助能源，由于設(shè)備自重較RTO輕50%，為了避免增加一個(gè)需監(jiān)管的危險(xiǎn)源，推薦使用電加熱(前提是廢氣濃度＞3500mg/m3)，處理廢氣流量15000m3/h的CO裝置電加熱系統(tǒng)只180kW，其預(yù)熱時(shí)間≤1.5h。

2.5 儀表自控

從流程圖可以看出，除燃?xì)庀到y(tǒng)外RTO還需有大量的壓力溫度檢測(cè)和切換閥門(mén)，且對(duì)閥門(mén)、儀表、自控等要求較高；而CO的廢氣主流通道管路無(wú)閥門(mén)，只有簡(jiǎn)單的溫度連鎖，自控要求較低。

2.6 安全風(fēng)險(xiǎn)

RTO和CO都非常適用于處理如涂布、印刷、制革、化纖、注塑等有機(jī)物濃度、種類、流量平穩(wěn)的流水線廢氣，尤其是帶溫度的烘干廢氣若采用吸附法還需要前置降溫到＜45℃，但如果使用RTO或CO，就可以充分利用其自身余熱，大大降低廢氣處理成本和整條流水線的總能耗?？僧?dāng)部分環(huán)保企業(yè)將RTO用于儲(chǔ)運(yùn)和化學(xué)合成企業(yè)的廢氣處理時(shí)卻出現(xiàn)很多的爆炸事故，爆炸基本上是廢氣來(lái)源系統(tǒng)遇裝置回火爆炸，主要原因如下:

1)RTO系統(tǒng)在裝置初運(yùn)行時(shí)一切順利，但是運(yùn)行1～2年后，部分儀表、調(diào)節(jié)閥會(huì)出現(xiàn)故障或突發(fā)停電、停儀表氣等，導(dǎo)致系統(tǒng)安全自控設(shè)計(jì)失效，系統(tǒng)超溫爆炸。事實(shí)上大部分的業(yè)主是不具備有儀表自控專業(yè)維護(hù)人員，很難做到預(yù)判并及時(shí)更換儀表閥門(mén)。

例如，廢氣進(jìn)口濃度需控制在＜25%LEL，若采用氣相色譜型在線檢測(cè)儀，儀器采樣檢測(cè)得出結(jié)果加上自控閥響應(yīng)時(shí)間＞30min，失去安全控制意義，因此一般采用較靈敏的光離子型在線可燃探測(cè)儀(3選2)，該探測(cè)儀半年需強(qiáng)制檢驗(yàn)1次，但是如果廢氣中含有水汽、粉塵等將大大降低該檢測(cè)頭壽命，而這種儀器失靈是突發(fā)性的。

2)RTO系統(tǒng)盡管采用了一系列安全設(shè)計(jì)，如廢氣收集預(yù)處理系統(tǒng)的防靜電、廢氣進(jìn)口濃度與稀析閥連鎖、廢氣預(yù)混緩沖罐、廢氣風(fēng)機(jī)與負(fù)壓連鎖、廢氣水預(yù)洗滌等，但是化工廠一定會(huì)有事故氣緊急排放或某些高濃廢氣正好集中排放導(dǎo)致的廢氣濃度暴增數(shù)倍的小概率事件，而處理10000m3/h廢氣流量的RTO裝置的緩沖罐容積最大也≤20m3，折算緩沖罐內(nèi)停留時(shí)間＜8s，過(guò)短的緩沖時(shí)間導(dǎo)致裝置的閥門(mén)切換等來(lái)不及，廢氣總管和預(yù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)回火爆炸。這是明火作業(yè)的RTO的本性決定的，是無(wú)法根除的。

CO屬無(wú)焰氧化，加上換熱器等金屬結(jié)構(gòu)隔離，就是回火廢氣來(lái)源也達(dá)不到燃點(diǎn)；CO工藝管路上無(wú)閥門(mén)切換，不存在儀表失靈安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.7 環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)

RTO要求廢氣來(lái)源氣量和濃度穩(wěn)定，設(shè)計(jì)操作負(fù)荷彈性小，因此只適合用于連續(xù)穩(wěn)定的流水線廢氣，如果業(yè)主有間歇短暫高濃廢氣產(chǎn)生，則會(huì)頻繁出現(xiàn)因安全濃度下限要求導(dǎo)致廢氣在進(jìn)裝置前被部分排空，存在環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

RTO裝置設(shè)備繁雜，部件多，易出現(xiàn)設(shè)備故障廢氣排空事故。而CO要求廢氣流量穩(wěn)定，可以接受間歇的短暫的高濃廢氣。CO裝置設(shè)備簡(jiǎn)單，部件少，設(shè)備故障也少。此外RTO燃燒室存在死角，廢氣綜合處理效率95%～97%，而CO廢氣是均勻通過(guò)催化劑層，處理效率＞99%，因此CO比RTO更容易環(huán)保達(dá)標(biāo)，尤其是新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)甲苯類廢氣從40mg/m3排放標(biāo)準(zhǔn)降低到10mg/m3后，RTO易出排放不達(dá)標(biāo)環(huán)保事故。

高溫RTO會(huì)產(chǎn)生NOx，而CO因處理溫度低不產(chǎn)生NOx，盡管目前國(guó)家對(duì)有機(jī)廢氣裝置的NOx尚未規(guī)定，但從鍋爐廢氣治理發(fā)展歷史來(lái)看，將會(huì)對(duì)處理氣量＞10000m3/h的廢氣裝置提出監(jiān)管要求。

2.8 動(dòng)力負(fù)荷

RTO通過(guò)精密過(guò)濾、2次總厚約2m的蓄熱陶瓷，裝置阻力至少3500～4000Pa；CO只需通過(guò)簡(jiǎn)單過(guò)濾、2次通過(guò)列管換熱器、總厚0.4m催化劑層，裝置阻力＜2500Pa，同樣的10000m3/h處理氣量，RTO風(fēng)機(jī)電機(jī)要22kW，CO風(fēng)機(jī)電機(jī)只需18.5kW，處理風(fēng)量越大，風(fēng)機(jī)功率差別越大。電機(jī)功率每減少1kW，每年電費(fèi)減少3000元。

2.9 主設(shè)備投資

不計(jì)RTO裝置對(duì)業(yè)主要求的廢氣預(yù)處理系統(tǒng)投資(通常由業(yè)主承擔(dān))，10000m3/h處理氣量RTO主設(shè)備投資費(fèi)用約100萬(wàn)，而CO主設(shè)備投資費(fèi)用約60萬(wàn)。

2.10 運(yùn)行成本

以10000m3/h處理氣量為例，RTO至少要保證燃?xì)忾L(zhǎng)明火的基礎(chǔ)消耗，CO只要廢氣濃度能源；RTO電耗比CO高5kWh；5年1換，其二次廢料要做危廢處理，CO的750kg催化劑2年1換，失活催化劑返廠回收。

03、結(jié)論

分別從廢氣適用種類、廢氣濃度、廢氣流量、輔助能源、儀表自控、安全風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)、動(dòng)力負(fù)荷、主設(shè)備投資、運(yùn)行成本10個(gè)方面分析的RTO與CO的異同，以期為企業(yè)在VOCs廢氣處理裝置選型時(shí)提供參考。