蓄热式热氧化器在印铁行业中的应用

摘要：印铁涂布和印刷的尾气中含有大量的VOCs及CO，直接排放会对环境造成极大污染，如何处理这部分尾气使之达标排放，并做到资源和能量的综合利用尤为重要。上海宝钢包装股份有限公司在国内首次用蓄热式热氧化器（RTO）装置对年产500t涂布尾气进行了处理，处理后的尾气完全达到GB16297—1996排放标准以及DB31--933--2015上海市大气污染物综合排放标准。介绍了利用RTO装置处理印刷和涂布尾气的工作机理，从RTO的性能、使用的寿命和日常的维护费用等角度对该案例进行了分析，结果表明，RTO优于目前其他同类的废气环保处理装置。

随着我国经济的快速增长，能源与环保的结构性矛盾更加突出，节能与环保已在社会形成一种共识，被推到一个前所未有的高度。印铁涂布生产中由于尾气中含有VOCs成分，因而尾气的排放一直困扰着印铁行业。另外尾气中含有浓度较高的CO，直接排放也造成了巨大的能源浪费。现有的焚烧炉和催化氧化装置存在节能效果不够显著、运行成本较高、设备运行不够稳定等问题。鉴于以上情况，上海宝钢包装股份有限公司决定采用蓄热式热氧化器来处理印铁涂布尾气。

1蓄热式热氧化器处理印铁涂布尾气

1.1蓄热式热氧化器原理简介

蓄热式热氧化器(RegenerativeThermalOxidizer，以下简称RTO)，是国际上一种最为有效的VOCs治理技术装置，主要用于处理中低浓度挥发性有机废气。其基本原理是VOCs与O2发生氧化反应生成CO2和H2O，化学方程式如式(1)。

aCxHyOz+bO2→cCO2+dH2O(1)

热氧化器中加入蓄热体，储存热量预热VOCs废气，对预热后的VOCs废气进行热氧化处理。随着蓄热材料的发展，目前蓄热体的热回收率已能达到95%以上，具有显著的节能效果。当VOCs浓度较高时，余热可做二次回收，因而RTO广泛应用于石油、化工、涂装、涂布、医药等行业。

典型的两床式RTO如图1。RTO启动前先通过燃烧器对燃烧室及填料床预热;预热完成后，含有VOCs的尾气先进入1#填料床预热，然后通过燃烧室，在燃烧室内VOCs充分氧化放热;氧化完成后洁净的气体通过2#填料床冷却，并将热量传递给2#陶瓷床，随后洁净的气体排入大气，此过程为半个周期。半个周期结束后，阀门切换，含有VOCs的气体先通过2#填料床预热，然后在燃烧室氧化放热，再通过1#填料床进行热交换放热，放热完成后，洁净的气体排入大气，至此完成一个周期循环。

1.2蓄热式热氧化器处理印铁涂布尾气

印铁涂布尾气中主要有害成分为苯、二甲苯及其他非甲烷总烃，上海宝钢包装股份有限公司针对500t/a涂布尾气情况，决定采用蓄热式热氧化器(RTO)处理涂布尾气。为了提高净化效率，系统采用了三床式RTO，其工艺如图2。

1.3蓄热式热氧化器模型优化

1.3.1热力计算及分析

不考虑RTO预热阶段燃烧室内补充的热量，在投入运行时，印铁涂布尾气中的有机成分氧化所产生的总热量将达到热平衡，稳态流动时所产生的技术功数值很小，可以忽略，因此能量守恒如式(2):

式中:η为尾气中有机物的转化效率；ΔHi为单位时间内进入RTO有机物的燃烧热值;Qj为各箱体表面的散热量;C为尾气的比热容;q1为RTO出口气体的流量;ΔT1为出口气体与进口气体的温度差;q2为通过RTO高温旁路气体的流量，ΔT2为高温旁路气体与进口气体的温度差。

式中:λ为导热系数;δ为RTO保温材料的壁厚;ΔT为RTO炉体内外温度差;A为各箱体散热面积。

由式(2)、(3)可知，在尾气中有机物产生的热值固定的情况下，为了更好地产生效益，必须减少箱体表面的热损及直排气体所带走的热量。因此箱体表面积固定时，选择导热系数低的材料，同时适当增加保温材料的厚度来减少热损。一般要求箱体表面最高点的温度比环境温度高50K。

1.3.2控制模型

影响RTO氧化的主要因素有气体在RTO燃烧室的滞留时间及氧化温度。气体在燃烧室的滞留时间由尾气量及燃烧室容积确定，根据经验滞留时间一般在1.2s以上。氧化温度与尾气中VOCs的成分有关，燃烧室的最低温度一般要高于尾气中VOCs的自燃点;通常情况下，氧化温度越高，气体的净化率越高，但温度过高对设备的使用寿命有影响，尤其是影响余热锅炉的寿命。温度的控制主要与各填料床的切换周期及热旁通阀的开启状态有关，表1为三床式RTO在尾气投入运行时各周期阀门的逻辑状态表。