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蓄熱燃燒(RTO)與催化燃燒(CO)在處理中高濃度廢氣中各方面的異同

發布時間:2020-02-29  瀏覽:1587次  字號:  

  現就廢氣適用種類、廢氣濃度、廢氣流量、輔助能源、儀表自控、安全風險、環保風險、動力負荷、主設備投資、運行成本等方面進行比較。

  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廢氣。含硫磷類廢氣會使催化劑中毒,不適合用CO處理,而如果忽略含硫磷廢氣燃燒時對設備儀表的少量腐蝕,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生二噁英。部分類似硅烷類的廢氣因為燃燒后生成的固體塵灰會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過濾以避免切換閥關不緊、蓄熱體阻塞等現象,RTO的預處理要過濾到至少F6級;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存、定期給整個系統升溫回火將粉塵剝離分解等方法,因此CO的預處理只需簡單過濾到G4級。

  此外,因為含易自聚有機物(如丁二烯、丙烯酸酯等)廢氣會影響到切換閥的有效開閉,同時也可能在位于廢氣進口處的蓄熱體上低溫沉積,使用RTO處理該類廢氣時會有安全隱患,而CO則不受影響。

催化燃燒

  廢氣濃度

  由于溫度的提高會降低有機物爆炸下限濃度,通常要控制廢氣進口濃度<25%LEL,常見有機物的爆炸下限和25%LEL如表1。

  有機物氧化分解會放出大量熱量使得廢氣溫升,計算1000mg/m3的常見廢氣有機物絕熱溫升如表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”和冷凝濕氣對設備的腐蝕等情況,排放氣溫度一般取>105℃,再考慮到換熱效率則常溫廢氣進出裝置后的實際溫升應>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℃,則對應廢氣初始濃度約為3130mg/m3時可維持系統熱量平衡而不用額外能源。若廢氣濃度進一步升高到25%LEL,廢氣氧化后溫度可達587℃,此時催化劑易流失且設備材質要求耐熱鋼,因此除非在催化劑層間安裝換熱管系統及時移走熱量,否則CO處理甲苯廢氣最佳濃度為3130~9390mg/m3。

  廢氣如果進口濃度過高,可進風稀析,稀析閥與氧化氣溫度連鎖;廢氣進口濃度如果為2130~3130mg/m3,可用電或燃氣提升廢氣進催化劑層的溫度達到催化起燃溫度250℃;廢氣進口濃度如果<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CO能處理的廢氣濃度可以相應降低到1560mg/m3。

  同樣以RTO處理20℃的甲苯廢氣為例,由于RTO的燃燒爐內要有一個長明火點燃廢氣,而1.672×106kJ的燃燒器長明火消耗約5m3/h的天然氣提供部分熱源,因此系統維持熱量平衡的廢氣進口濃度最低可以到1700~2000mg/m3。如果RTO裝置設計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。

  廢氣流量

  一般單套RTO處理廢氣流量為8000~50000m3/h,處理廢氣流量<5000m3/h時的RTO裝置投資費比不合算,而處理廢氣流量>50000m3/h則很容易出現偏流、局部過熱等現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,高效換熱器設計困難且催化劑層也會出現明顯偏流局部過熱現象影響廢氣分解效率。

  輔助能源

  RTO的燃燒室需要一支長明火,加上設備自重大、預熱時間長,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,由于設備自重較RTO輕50%,為了避免增加一個需監管的危險源,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裝置電加熱系統只180kW,其預熱時間≤1.5h。

  儀表自控

  從流程圖可以看出,除燃氣系統外RTO還需有大量的壓力溫度檢測和切換閥門,且對閥門、儀表、自控等要求較高;而CO的廢氣主流通道管路無閥門,只有簡單的溫度連鎖,自控要求較低。

  安全風險

  RTO和CO都非常適用于處理如涂布、印刷、制革、化纖、注塑等有機物濃度、種類、流量平穩的流水線廢氣,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?僧敳糠汁h保企業將RTO用于儲運和化學合成企業的廢氣處理時卻出現很多的爆炸事故,爆炸基本上是廢氣來源系統遇裝置回火爆炸,主要原因如下:

  1)RTO系統在裝置初運行時一切順利,但是運行1~2年后,部分儀表、調節閥會出現故障或突發停電、停儀表氣等,導致系統安全自控設計失效,系統超溫爆炸。事實上大部分的業主是不具備有儀表自控專業維護人員,很難做到預判并及時更換儀表閥門。

  例如,廢氣進口濃度需控制在<25%LEL,若采用氣相色譜型在線檢測儀,儀器采樣檢測得出結果加上自控閥響應時間>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儀(3選2),該探測儀半年需強制檢驗1次,但是如果廢氣中含有水汽、粉塵等將大大降低該檢測頭壽命,而這種儀器失靈是突發性的。

  2)RTO系統盡管采用了一系列安全設計,如廢氣收集預處理系統的防靜電、廢氣進口濃度與稀析閥連鎖、廢氣預混緩沖罐、廢氣風機與負壓連鎖、廢氣水預洗滌等,但是化工廠一定會有事故氣緊急排放或某些高濃廢氣正好集中排放導致的廢氣濃度暴增數倍的小概率事件,而處理10000m3/h廢氣流量的RTO裝置的緩沖罐容積最大也≤20m3,折算緩沖罐內停留時間<8s,過短的緩沖時間導致裝置的閥門切換等來不及,廢氣總管和預處理系統出現回火爆炸。這是明火作業的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構隔離,就是回火廢氣來源也達不到燃點;CO工藝管路上無閥門切換,不存在儀表失靈安全風險。

  環保風險

  RTO要求廢氣來源氣量和濃度穩定,設計操作負荷彈性小,因此只適合用于連續穩定的流水線廢氣,如果業主有間歇短暫高濃廢氣產生,則會頻繁出現因安全濃度下限要求導致廢氣在進裝置前被部分排空,存在環保風險。

  RTO裝置設備繁雜,部件多,易出現設備故障廢氣排空事故。而CO要求廢氣流量穩定,可以接受間歇的短暫的高濃廢氣。CO裝置設備簡單,部件少,設備故障也少。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更容易環保達標,尤其是新環保標準甲苯類廢氣從40mg/m3排放標準降低到10mg/m3后,RTO易出排放不達標環保事故。

  高溫RTO會產生NOx,而CO因處理溫度低不產生NOx,盡管目前國家對有機廢氣裝置的NOx尚未規定,但從鍋爐廢氣治理發展歷史來看,將會對處理氣量>10000m3/h的廢氣裝置提出監管要求。

  動力負荷

  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風機電機要22kW,CO風機電機只需18.5kW,處理風量越大,風機功率差別越大。電機功率每減少1kW,每年電費減少3000元。

  主設備投資

  不計RTO裝置對業主要求的廢氣預處理系統投資(通常由業主承擔),10000m3/h處理氣量RTO主設備投資費用約100萬,而CO主設備投資費用約60萬。

  運行成本

  以10000m3/h處理氣量為例,RTO至少要保證燃氣長明火的基礎消耗,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。

  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、安全風險、環保風險、動力負荷、主設備投資、運行成本10個方面分析的蓄熱燃燒(RTO)與催化燃燒(CO)的異同,以便為企業在VOCs廢氣處理裝置選型時提供參考。

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