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蓄熱燃燒(RTO)與催化燃燒(CO)的異同點(diǎn),就看

蓄熱燃燒(RTO)與催化燃燒(CO)的異同點(diǎn),就看摘要

蓄熱燃燒(RTO)與催化燃燒(CO)的異同點(diǎn),就看這十個(gè)方面 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

蓄熱燃燒(RTO)與催化燃燒(CO)的異同點(diǎn),就看這十個(gè)方面

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。
 活性炭催化燃燒
(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、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,屬無焰燃燒,高溫氧化氣通過換熱器與新進(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。
常見的RTO和CO裝置工藝流程如圖1、圖2。
 
02RTO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)生二噁英。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)處理要過濾到至少F6級(jí);而CO處理廢氣主流通道上無切換閥,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,常見有機(jī)物的爆炸下限和25%LEL如表1。
表1常見有機(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,排放氣溫度一般取>105℃,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處理甲苯廢氣佳濃度為3130~9390mg/m3。
廢氣如果進(jìn)口濃度過高,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,且對(duì)閥門、儀表、自控等要求較高;而CO的廢氣主流通道管路無閥門,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。可當(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。
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裝置的緩沖罐容積大也≤20m3,折算緩沖罐內(nèi)停留時(shí)間<8s,過短的緩沖時(shí)間導(dǎo)致裝置的閥門切換等來不及,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,是無法根除的。
CO屬無焰氧化,加上換熱器等金屬結(jié)構(gòu)隔離,就是回火廢氣來源也達(dá)不到燃點(diǎn);CO工藝管路上無閥門切換,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通過精密過濾、2次總厚約2m的蓄熱陶瓷,裝置阻力至少3500~4000Pa;CO只需通過簡(jiǎn)單過濾、2次通過列管換熱器、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,而CO主設(shè)備投資費(fèi)用約60萬。
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。
 

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