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廢氣處理技術

催化燃燒(CO)與蓄熱燃燒(RTO)的異同點

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2020/1/5     瀏覽次數:    
隨著國家對大氣污染的整治力度加大,工業VOCs廢氣污染情況得到了根本性的改變,本文介紹了直燃(TO)、蓄熱燃燒(RTO)、催化燃燒(CO)、蓄熱催化燃燒(RCO)等4種熱分解工藝,主要從10個方面對比了RTO和CO的異同。

隨著國家對大氣污染的整治力度加大,工業VOCs廢氣污染情況得到了根本性的改變,根據對廢氣治理裝置運行的穩定性、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的VOCs治理政策指導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。安徽合肥山水環保公司為您簡單分析一下不同燃燒工藝的異同點。

VOCs治理減排技術

焚燒)熱分解工藝成為VOCs廢氣治理的主流后技術裝備上得到了很大發展提升,但由于很多環保公司的工程設計人員與業主單位缺乏在初始設計時深入溝通、裝置運行時及時反饋、事故出現時的有效解決方案,使其不了解熱分解工藝特性盲目設計,導致各地頻頻出現裝置爆炸、高能耗停開、裝置故障率高等現象,嚴重影響了企業的正常生產經營,也給整個廢氣環保行業發展帶來了很多負面因素。

01
熱分解工藝簡述

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(燃燒室內一般有一股長明火),廢氣中有機物在750℃以上燃燒生成CO2和水,高溫燃燒氣通過換熱器與新進廢氣間接換熱后排掉,換熱效率一般≤60%導致運行成本很高,只在少數能有效利用排放余熱或有副產燃氣的企業中應用。

2)RTO的燃燒方式與TO相同,只是將換熱器改為蓄熱陶瓷,高溫燃燒氣與新進廢氣交替進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,運行成本較低,是目前國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物與O2的反應活化能,使得有機物可以在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,所以很少企業采用RCO工藝。熱分解以RTO和CO的應用例子較多,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有很大區別,需要企業認真對待。

常見的RTO和CO裝置工藝流程如圖1、圖2。

VOCs治理減排技術

02
RTO與CO在處理中高濃度廢氣中各方面的異同

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。

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。

2.2 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。

表1常見有機物的爆炸下限濃度和25%LEL

VOCs治理減排技術

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。

VOCs治理減排技術

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?。?05℃,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。

2.3 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。

2.4 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。>>>>點擊查看案例<<<<

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。

2.5 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。

2.6 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。

2.7 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。

2.8 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。

2.9 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。

2.10 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。

03
結論

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RTO與CO的異同,以期為企業在VOCs廢氣處理裝置選型時提供參考。

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