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1、综合利用与环境保护 蓄热式有机废气焚烧炉的发展状况 萧琦张欣欣姜泽毅 ( 北京科技大学热能工程系北京1 0 0 0 8 3 ) 摘 要本文介绍蓄热式有机废气焚烧炉的发展历程、当前蓄热式有机废气焚烧炉的各种形式及其优缺点和蓄热式有机废气 焚烧炉在我国研究和应用的现状。 关键词蓄热式有机废气焚烧炉挥发性有机化台物大气污染控制 T h eD e v e l o p m e n to fR e g e n e r a t i v eT h e r m a lO x i d i z e r X I A OQ iZ H A N GX i n - x i nJ I A N GZ e - y i ( D e
2、p t o f T h e r m a lE n g i n e e r i n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g , B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ) A b s t r a c t H i s t o r ya n dc a t a l o g u eo fR e g e n e r a t i v eT h e r m a lO x i d i z e r s ( R T O ) a r ei n t r o d u c e di n t h i sp
3、a p e r A d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so f t h r e ek i n d so f R T Oa r ed i s c s s s e di nd e t a i l C u r r e n tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f R T Oi nC h i n aa r ca l s od i s c u s s e di n t h i sp a p e r K e yw o r d sr e g e n e r a t i v et h e r m a
4、lo x i d i z e r , v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d ，a i rp o l l u t i o nc o n t r o l 1 引言 随着科学技术的不断发展，制造和表面处理工 艺越来越复杂，挥发性有机化合物( V o l a t i l eO r g a n i c C o m p o u n d ，简称V O C ) 在工业中的应用越来越广 泛。例如半导体制造业、石油化工行业以及表面涂 装行业等，都是大量使用挥发性有机溶剂的工业领 域；制药、粘合剂、印刷以及燃料燃烧等生产和使 用过程也会产生含挥发性有机化台物的废气。
5、挥发 性有机化合物大多数具有特殊的气味，能导致人体 呈现种种不适，并具有毒性、刺激性、致癌作用， 特别是苯、甲苯及甲醛对人体健康会造成更大的伤 害l “。在阳光照射下，大气中的氮氧化物、碳氢有 机化台物与氧化剂发生光化学反应，生成光化学烟 雾，危害人体健康及作物生长，破坏臭氧层口J 。 早期这些含有机化合物的废气直接排入大气， 是工业园区的主要空气污染物的来源。近年来，人 们的环保意识不断增强，对控制大气污染的要求目 益提高。上个世纪后期，欧美的经济发展较快的国 家相继制订了限制V O C 排放的法规。我国政府 1 9 9 6 年4 月颁布并于1 9 9 7 年开始实施的大气污 染物综合排放标
6、准( G B1 6 2 9 7 - 1 9 9 6 ) 对包括挥发 性有机化合物在内的3 0 余种大气污染物的排放做 出了严格的限制。由此可见，经济、有效地处理含 有挥发性有机化合物的废气已经是迫切需要解决的 问题。 。 从2 0 世纪初期开始，冷凝、生物过滤、化学洗 涤、活性炭吸附、膜分离和火焰焚烧等多种方法已 经用于处理有机废气；2 0 世纪后期，国外开发了催 化氧化、蓄热式焚烧、蓄热式催化氧化以及多种方 法集成等废气处理方法。蓄热式有机废气焚烧方法 最早出现在美国，经过2 0 多年的发展，在有机物破 坏去除效率、适用范围和低运行费用等方面显现出 巨大优势；但是现有各种形式的蓄热式有机废气
7、焚 烧装置依然存在问题，需要进一步研究和不断地完 善。 2 蓄热式有机废气焚烧炉的历史 采用焚烧方法处理工业废气已经有1 0 0 多年的 历史了，用来控制含V O C 气体排放的焚烧处理方法 也随着时间的推移而不断发展。最初采用直接燃烧 法，之后发展成热力焚烧和封闭式燃烧，然后发展 成为换热式热力焚烧炉，在2 0 世纪7 0 年代以后才发 展成同收热量效率更高的蓄热式有机废气焚烧炉 ( R e g e n e r a t i v eT h e r m a lO x i d i z e r 。简称R T O ) 系统。 最早的R T O 系统是1 9 7 8 年在美国加利福尼亚州的 4 0 3
8、全国能源与热工2 0 0 6 学术年会 一个金属成品厂的卷材连续涂覆线上出现的，当 时的设备较简单，处理容量较小，有机物的破坏利 去除效率也不是很高。早期的R T O 系统是两室R T O 系统，即系统包含两个蓄热室。两室R T O 系统由于 其热回收效率的大幅度提高，在欧美国家迅速推广 应用于工业V O C 废气的处理。 两室R T O 系统在换向期间，少量未经焚烧处 理的含V O C 废气不经过燃烧室而直接进入排气管 路，使R T O 系统的平均V O C 去除效率有所降低。 为了进一步提高V O C 去除效率，满足不断提高的 污染物排放标准，在2 0 世纪8 0 年代又出现了三室 R T
9、 o 系统。三室R T O 系统包含三个蓄热室，在运 行中一个蓄热室处于吹扫状态，减少换向期间未经 焚烧处理的V O C 废气的排放量，使平均V O C 去除 效率比两室R T O 系统有所提高。三室R T O 系统控 制阀门数量增加，系统相对复杂。三室R T o 系统 不但在欧美国家得到广泛应用，在亚洲电子工业发 达的韩国、日本以及我国台湾地区也有较多应用。 为了解决两室R T O 系统在换向期间V O C 去除 效率有所降低以及两室和三室R T O 在换向时的压 力波动、流动不连续问题，在2 0 世纪9 0 年代又出 现了多蓄熟室旋转换向的R T O 系统。旋转R T O 系 统一般有多个
10、蓄热室( 6 个、8 个或更多) ，通过将 圆筒型的蓄热床分隔而得到。多个蓄热室通过阀门 装置的旋转切换使各部分交替地处于储存热量与释 放热量的状态。这种结构的R T O 系统较紧凑，占 用空间较小，但气流切换装置复杂。多蓄热室旋转 换向的R T O 系统已经开始应用于工业废气处理。 近年来，还出现了将蓄热式焚烧方法与催化氧化方 法结合的蓄热式催化氧化焚烧炉或低温蓄热式焚烧 炉1 4 J ，以及将蓄热式焚烧方法与转轮吸附浓缩方法 4 0 4 初始流动情形 结合的V O C 集成处理装置【5 1 ，在国外已经得到应 用。 3 蓄热式有机废气焚烧炉的各种形式和特 点 3 1 双蓄热室R T O 双
11、蓄热室R T O 是最早的一种R T O 形式，其节 能原理如图l 所示；双蓄热室R T O 系统的结构和工 作流程如图2 所示。这种蓄热式焚烧炉结构与目前 已经成熟应用于冶金行业的蓄热式加热炉结构类 似，用两个三通换向阀来控制气流周期性改变流动 方向；也可以用一个四通换向阀代替两个三通换向 阀实现换向控制。R T O 的燃烧系统不需要换向。燃 烧系统只在燃烧室温度低于设定值时工作。在某个 周期的第一阶段，含V O C 的有机废气进入R T O 系 统，首先进入蓄热床1 ( 该蓄热床已被前一个循环 的净化气加热) ，废气从蓄热床1 吸收热量使温度 升高，然后进入焚烧室；V O C 在焚烧室内被
12、氧化成 对环境无害的C 0 2 和H 2 0 ，废气得到净化；焚烧后 的高温净化气离开焚烧室，进入另一个冷的蓄热床 2 ，该蓄热床从净化的烟气中吸收热量并储存起来 ( 用来预热下一个阶段进入系统的有机废气) ，并 使净化烟气的温度降低。经过一段设定的时问，进 入该周期的第二阶段，气体流动方向逆转有机废 气从蓄热床2 进入系统，净化气体从蓄热床1 排出 系统。气流流向在周期内改变两次，蓄热床也不断 地吸收和放出热量，产生了高效热能回收，热回收 率可高达9 5 。 图1 莆热式废气焚烧炉工作原理图 换向后流动情形 综合利用与环境保护 含 引风机烟囱 个工作循环中的不同阶段 阶段序号蓄热宣1蓄热室2
13、 进气，含v o c 废气预热捧气回收高温烟气的案热 排气。回收高温烟气的余热进气吉V O C 废气预热 图2 双蓄热室R T O 系统结构和流程 T _ E - - 图3 双室R T O 排气中的V O C 浓度曲线 双蓄热室R T O 是结构最简单的R T O 系统，般 蓄热室也是实现蓄热式热量回收的最基本结构。双 蓄热室R T O 实现了极限余热回收，热量回收率超过 9 5 p 1 ；但是在V O C 的平均破坏去除率方面有值得 改进的地方。双蓄热室R 1 、o 在换向以后稳定工作阶 段，V O C 的破坏和去除效率( D e s t r u c t i o na n d R e m o
14、 v a lE f f i c i e n c y ，简称D R E ) 很容易达到9 9 甚 至更高 6 , 7 1 ；但是在换向阶段，留在蓄热室和管道中 的部分未经处理的含V O C 废气会直接进入烟道排 入大气。虽然换向时间与稳定工作时间相比非常短 暂，但是未处理V O C 的直接排放对于双蓄热室R T O 平均破坏去除率的影响还是比较大。图3 是双蓄热 室R T O 破坏去除率在工作周期中的变化情况纠。另 外，双蓄热室R T O 在换向时，炉膛内的压力有波动。 4 0 5 ，瓣 全国能源与热工2 0 0 6 学术年会 3 2 三蓄热室R T O 三蓄热室R T O 是在双蓄热室R T
15、O 的基础上的 改进型，与烈蓄热室R T O 的最大区别是增加一个蓄 热室用于吹扫系统。在一个蓄热室进气、一个蓄热 室排气的同时，一个蓄热室处于吹扫状态，使蓄热 室在用于进气以后用于排气之前得到吹扫，从而解 决双蓄热室R T O 换向时的V O C 直接排放问题】。 吹扫系统可咀采用“吹出”方式，也可以采用“吸入” 方式。三蓄热室R T O 系统的结构和工作流程如图4 所示。 引风机烟囱 一个工作循环中的不同阶段 阶段序号 蓄熟室1 季热室2 蓄热室3 进气。舍v o c 废气预热排气。回收高温烟气余热 政扫，用烟气吹扫蓄热体 吹扫，用烟气喷扫蓄热体进气，含v o c 废气预热排气，回收高温烟
16、气余熟 抨气，回收高温烟气余热畦扫，用烟气吹扫蔷热体进气舍v o c 废气预热 图4 三蓄热室R T O 系统结构和流程 0 0 T L c TV O CC 饼吲! N 孙W I O N T 虻 图5 三室R T O 捧气中的V O C 浓度曲线 三蓄热室R T O 热量回收率依然保持在9 5 以 上，并且解决T x 2 蓄热室R T O 换向时的V O C 直接 排放问题，换向时V O C 的破坏去除率大幅改善， 平均破坏去除率提高。图5 是三蓄热室R T O 破坏去 ，瓣 综合利用与环境保护 除率在工作周期中的变化情况pJ 。但是三蓄热室 R T O 结构复杂、阀门众多。另外，三蓄热室R T O 在换向时炉膛内依然存在压力波动；如果燃烧系统 也换向，换向时炉膛内压力波动更大。三蓄热室 R T O 还存在流动的不对称问题，一个循环中的不同 阶段破坏去除率略有不同。 3 3 多蓄热室旋转换向R T O 多蓄热室旋转换向R T O 也被称为单阀R T O 或 单床R I D ，这可能是由于它只有一个换向阀，而且 它的多个蓄
