揮發(fā)性有機物( Volatile Organic Compounds，簡稱VOCs)通常是指在常壓下沸點＜260 ℃或標準狀況下飽和蒸氣壓＞0.13 k Pa 的有機化合物，這類物質(zhì)種類繁多，多數(shù)具有毒性[3]。 當前 VOCs 的末端處理技術(shù)包含兩，第一類是回收法，即采用物理方法將VOCs回收； 第二類是消除法， 即通過生化反應將VOCs 氧化分解為無毒或低毒物質(zhì)的破壞性方法 。 具體方法上，前者包括冷凝法、吸附法、吸收法[5-6]。后者有燃燒法、生物法、膜技術(shù)、光催化降解和等離子技術(shù)[7-8]。 燃燒法是目前應用比較廣泛的有機廢氣治理方法，主要包括直接燃燒法、熱力燃燒和催化燃燒法。 直接燃燒是將VOCs當作燃料，通過熱反應，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樗投趸迹コ士蛇_95%以上。 催化燃燒法是在催化劑的作用下，使有機廢氣中的碳氫化合物在溫度較低的條件下迅速氧化成水和二氧化碳。燃燒法主要適用于成分復雜、高濃度的VOCs氣體，具有效率高、處理徹底等優(yōu)點。當廢氣中有機物濃度較低時，采用燃燒法能耗較大。 為了提高熱利用效率，降低設備的運行費用，近年來發(fā)展了蓄熱式熱氧化焚燒爐（RTO），并得到了廣泛應用。 蓄熱系統(tǒng)是使用具有高熱容量的陶瓷蓄熱體，采用直接換熱的方法將燃燒尾氣中的熱量蓄積在蓄熱體中，高溫蓄熱體直接加熱待處理廢氣，換熱效率可達到 90%以上，而傳統(tǒng)的間接換熱器的換熱效率一般只有50%~70%。

1蓄熱式熱力焚燒爐（RTO）的工作原理

在眾多 VOCs 治理方法中， 蓄熱燃燒法被認為是凈化效率最高、最節(jié)能的方法。 其關(guān)鍵設備就是蓄熱式 熱 力焚 化爐 （Regenerative Thermal Oxidizer，簡 稱 為“RTO”）。 RTO 設備技術(shù)在我國經(jīng)過十幾年的發(fā)展 ，已經(jīng)從早期的 “2 室 RTO” 發(fā)展到第二代技術(shù)的“3 室RTO”,近年國內(nèi) RTO 生產(chǎn)廠又成功實現(xiàn)了技術(shù)突破 ，發(fā)展出具有 12 個室、第三代技術(shù)的“旋轉(zhuǎn)式 RTO”。RTO 主要包括蓄熱室 、氧化室 、風機等 ；有機廢氣首先經(jīng)過蓄熱室預熱， 然后進入氧化室升溫到 800 ℃左右，廢氣中的VOCs 氧化分解成CO2和 H2O（見圖1）。

2.1 第一代 RTO

第一代 RTO 是兩床式結(jié)構(gòu)（見圖 2），由兩個陶瓷蓄熱體填料床組成， 以最簡單的一進一出過程完成“蓄熱 ”和 “放熱 ”過程的切換 。兩床式 RTO 的一個蓄熱室通過 VOCs 廢氣進行氧化焚燒， 另一個蓄熱室通過分解后的高溫凈化空氣，將燃燒熱留在蓄熱體內(nèi)，凈化空氣降溫后經(jīng)煙囪排出。兩個蓄熱室的蓄熱和放熱功能交替通過4 個互鎖高溫切換閥實現(xiàn)。 兩床式 RTO 能夠有效凈化 VOCs廢氣同時降低系統(tǒng)外部能耗，但是其結(jié)構(gòu)簡單，閥組切換廢氣流向時易將蓄熱室底層未充分分解的 VOCs廢氣帶出蓄熱室，影響凈化效率。

2.2 第二代 RTO

目前在 VOCs 處理業(yè)界， 國內(nèi)外廠商通常采用的是三床式 RTO（見圖 3）。

三床式 RTO 同樣是采用閥門切換式，由 3 個或多個陶瓷填充床組成, 在第一代RTO的基礎(chǔ)上增加了“吹掃”功能，在三床式 RTO 閥組切換時， 原來通過VOCs 廢氣的蓄熱室由吹掃風機送入大量潔凈空氣， 將殘余 VOCs 廢氣吹入氧化室進行氧化分解。

廢氣通過蓄熱床A 被預熱， 然后進入燃燒室燃燒，蓄熱床C 中殘留未處理廢氣被凈化后的氣體反吹回燃燒室進行焚燒處理（吹掃功能），分解后的廢氣經(jīng)過蓄熱床 B 排出，同時蓄熱床 B 被加熱。廢氣通過蓄熱床 B 被預熱， 然后進入燃燒室燃燒，蓄熱床 A 中殘留未處理廢氣被凈化后的氣體反吹回燃燒室進行焚燒處理，分解后廢氣經(jīng)過蓄熱床 C 排出，同時蓄熱床 C 被加熱。廢氣通過蓄熱床 C 被預熱， 然后進人燃燒室燃燒，蓄熱床 B 中殘留未處理廢氣被凈化后的氣體反吹回燃燒室進行焚燒處理分解后廢氣經(jīng)過蓄熱床A 排出，同時蓄熱床A 被加熱。工程應用表明， 三床式 RTO 的 VOCs 的最高分解效率可達 99%，

最大綜合熱效率可達 95%，進出口溫差在 40 ℃左右。 在閥切換時，廢氣管道內(nèi)的壓力波動在±250 Pa。三床式 RTO 的 VOCs 處理質(zhì)量濃度不能超過5 g/m3，不然會超過北京和上海的地方排放標準。另外由于其比表面積較大所以自身運行散熱量較大，降低了可供回用的余熱量。 除此之外，由于每次閥組切換瞬間，廢氣管道內(nèi)負壓條件受沖擊，對于精密涂布等行業(yè)會對產(chǎn)品工藝產(chǎn)生影響，系統(tǒng)壓力波動較大，比如成品溶劑殘留量的波動。 三床式RTO 具有六個高溫切換閥和三個吹掃閥，閥組平均 20 s 切換一次，連續(xù)工作時往復運動、沖擊較大，每年切換次數(shù)高達一百萬次。當閥組中任意閥體損壞時，三床式RTO則無法正常工作。

2.3 第三代RTO

爐體分為了12 個扇區(qū)， 對 12 個扇區(qū)又進行了 4個功能區(qū)的劃分（見圖 4），4 個功能分區(qū)分別是：吹掃區(qū)、加熱區(qū)、冷卻區(qū)、死區(qū)。 爐體自上而下又分為了 5個室（見附圖），分別為：燃燒室、換熱室、導流室、出入室、 吹掃室。 廢氣首先進入加熱區(qū)， 然后依次經(jīng)過導流室，換熱室、燃燒室、在燃燒室高溫燃燒后，再經(jīng)過冷卻區(qū)，進入冷卻區(qū)時分別又依次經(jīng)過換熱室、導流室、出入室然后進入煙沖，達標排出。 廢氣進入加熱區(qū)時， 由于氧化分解后產(chǎn)生的熱量存儲在陶瓷磚內(nèi)，此時廢氣自下向上經(jīng)過加熱區(qū)時溫度會急劇上升，直到廢氣進入燃燒室燃燒后，達標的氣體自上而下又經(jīng)過冷卻區(qū)，把溫度又存儲在了陶瓷蓄熱磚里為下一次循環(huán)廢氣進入存儲熱能，達標的氣體依次經(jīng)過冷卻區(qū)的換熱室、導流室、出入室最后進入煙囪排入大氣。

第三代 RTO 采用旋轉(zhuǎn)式分流導向，在爐膛內(nèi)設置多個等份的陶瓷填料床，通過旋轉(zhuǎn)換向閥的轉(zhuǎn)動把有機廢氣導向各個蓄熱床進行預熱和氧化分解。 旋轉(zhuǎn)式RTO 主要由燃燒室 、陶瓷填料床和旋轉(zhuǎn)閥等組成 。 爐體分成 12 個陶瓷填料床，其功能分為 5 個進氣室（預熱區(qū)）、5 個出氣室 （冷卻區(qū)）、1 個吹掃室和1 個隔離室。 廢氣分配閥由電機帶動，作連續(xù)、勻速轉(zhuǎn)動，在分配閥的作用下，廢氣緩慢地在 12 個室之間依次通過。廢氣經(jīng)進氣分配器進入預熱區(qū)，使廢氣預熱到一定溫度后進入頂部的燃燒室，并完全氧化分解。 凈化后的高溫氣體離開燃燒室，進入冷卻區(qū)，將熱量傳給陶瓷蓄熱體，而氣體被冷卻，并通過氣體分配器排出。 冷卻區(qū)的陶瓷蓄熱體吸熱，“儲存”大量的熱量用于下個循環(huán)加熱廢氣。

如此不斷地交替進行， 廢氣在燃燒室內(nèi)氧化分解，當廢氣中 VOCs 濃度超過一定值，氧化分解釋放熱量足以維持燃燒室的反應溫度時，則不需要用燃料進行加熱，最大限度的保證能量循環(huán)利用。旋 轉(zhuǎn) 式 RTO 的 VOCs 的 最 高 分 解 效 率 可 達99.5%。

（1）表面散熱

在廢氣處理量均為 30 000 Nm3/h 風 量 規(guī)模 情況下， 兩床式、 三床式和旋轉(zhuǎn)式 RTO 表面積分別為95m2、145 m2和 86 m2。 旋轉(zhuǎn)式RTO 表面積比兩床式、三床式分別降低 9.5%和 41%。 這表明，旋轉(zhuǎn)式 RTO 有著更小的比表面積，從爐體結(jié)構(gòu)角度看熱量損失較小。

（2）進出口溫差

兩床式、三床式RTO 一般情況下 2~3 min 進行一次“蓄熱-放熱”工況交換，每小時的平均“蓄熱-放熱”工況交換頻率為 20~30 次， 也就是每次蓄熱時間在120 s 以 上 。 旋 轉(zhuǎn) 式RTO 一 般情 況 下旋 轉(zhuǎn)閥 工 作為1.5 r/min，蓄熱室 “蓄熱-放熱 ”工況交換頻率為每小時90 次 ，也就是每次蓄熱時間為40 s 左右 。 由于 “蓄熱-放熱”工況交換頻率高，這樣在相同的蓄熱室氣流長度情況下，旋轉(zhuǎn)式RTO 的熱量吸收更充分，放熱也更充分。經(jīng)實際測試，兩床式、三床式和旋轉(zhuǎn)式RTO 氣體進出口溫差分別為 45 ℃、40 ℃和 20 ℃。這表明，旋轉(zhuǎn)式 RTO 有著更強的余熱利用能力，可以充分將廢氣燃燒余熱儲存利用。

3.2 吹掃風量

兩床式 RTO 無吹掃功能。 三床式 RTO 總的蓄熱磚填充量為 42 m3， 吹掃時對其中1/3 蓄熱室進行吹掃， 吹掃蓄熱磚體積為 14 m3。 旋轉(zhuǎn)式 RTO 總的蓄熱磚填充量為 15 m3， 吹掃時對其中 1/12 蓄熱室進行吹掃，吹掃蓄熱磚體積為 0.8 m3。單位時間內(nèi)三床式和旋轉(zhuǎn)式 RTO 吹掃風量分別為 5 000 Nm3/h 和 3 000 Nm3/h。 吹掃風通常取自煙筒前的排氣 ，溫度一般＜60 ℃，且?guī)缀鯖]有 VOCs 可燃成分，因此，吹掃風量越大越消耗能源。

3.3 開機升溫時間

二床式 RTO 總的蓄熱磚填充量為28 m3， 三床式RTO 總的蓄熱磚填充量為 42 m3，旋轉(zhuǎn)式 RTO 總的蓄熱磚填充量為 15 m3。 在冷爐啟動工況下，兩床式、三床式和旋轉(zhuǎn)式 RTO開機升溫時間分別為 2 h、3 h 和1.5 h。 旋轉(zhuǎn)式 RTO 開機升溫時間分別是兩床式 、三床式的 3/4 和 1/2，節(jié)約了啟爐過程中燃料的消耗。此外，針對業(yè)主單位作業(yè)不連續(xù)造成廢氣間斷的情況，可以采用悶爐保溫技術(shù)。 在設備關(guān)機后，關(guān)閉所有閥門，12 h 后爐內(nèi)溫度仍可維持在 400 ℃以上，再次點火開機，30~60 min 即可使爐內(nèi)溫度達到800 ℃，節(jié)約啟爐能耗。

3.4 自運行濃度

自運行濃度是指當 VOCs 質(zhì)量濃度達到某一下限時（同時低于爆炸下限），其燃燒熱量可平衡爐體熱輻射損失和廢氣溫度升高所需要的能量。 此時，RTO 即可維持自運行狀態(tài)，不再需要額外消耗其他燃料。 由于散熱面積不同、“蓄熱-放熱”工況交換頻率不同、吹掃能耗不同、排氣溫度不同、蓄熱磚填充量不同等，最終運行測試平均結(jié)果，兩床式、三床式和旋轉(zhuǎn)式 RTO 平均自運行質(zhì)量濃度分別為 2.3 g/m3、2.5 g/m3 和 1.8 g/m3。

3.5 舉例計算

RTO 表面溫度比正常高10 ℃， 在環(huán)境風 3 級 （5m/s）條件下 ，以 3 萬風量計算額外消耗的燃氣量 。計算條件具體為:平均風速: 5 m/s;平均環(huán)境溫度:20 ℃；理想平均爐溫 ：50 ℃;實際平均爐溫: 60 ℃；已知3 萬 RTO 爐體直徑 Dav= 4.2m, 經(jīng)估算得 RTO 爐體+高溫管道散熱面面積(Ftw) 為 74 m2。 再通過各種參數(shù)的計算，如爐壁對流傳熱系數(shù)、爐壁熱輻射放熱系數(shù)、爐壁對流傳熱系數(shù)、爐體熱損失等，最終得出:每小時爐體散失熱量等效為 3.83 m3 天然氣燃燒所釋放的熱量。結(jié)論：3 萬風量 RTO 在三級風速 （5 m/s） 的條件下，外表面溫度從 50 ℃增加到 60 ℃，每小時多消耗1.02 m3天然氣。爐 體 外 表 面 的 總 散 熱 系 數(shù) 可 以 大 概 用 12.5w(m2·℃)來計算 ，具體散熱量可乘以爐體表面積和與環(huán)境溫度的溫差來計算。工程應用表明，旋轉(zhuǎn)式 RTO 的熱效率可達 97%，其進出口溫差 20 ℃左右， 最大限度地降低了RTO 運行中的熱損失，保證了熱能的二次回收利用。 旋轉(zhuǎn)閥的平穩(wěn)連續(xù)轉(zhuǎn)動，對廢氣管道的壓力影響僅為±25Pa，對于生產(chǎn)光學材料的廠家來說極其重要。 由于具有很高的分解效率，旋轉(zhuǎn)式 RTO 的 VOCs 入口廢氣質(zhì)量濃度可高達 10 g/m3。

4 旋轉(zhuǎn)式 RTO 的優(yōu)點

旋轉(zhuǎn)式 RTO 是第三代 RTO， 在各方面性能及后期維護費用上都全面優(yōu)于床式 RTO， 表 2 為旋轉(zhuǎn)式RTO 與傳統(tǒng)兩床 、三床 RTO 的性能對比 。

（1）占地面積小 、結(jié)構(gòu)緊湊

旋轉(zhuǎn)式 RTO 爐體均勻分為 12 個蓄熱室， 根據(jù)功能分為 5 個放熱區(qū)、5 個蓄熱區(qū)、1 個死區(qū)和 1 個吹掃區(qū)。 12 個蓄熱室在圓周上均勻分布，爐體直徑在 8 m以內(nèi)，占地面積??；

（2）運行平穩(wěn)、無沖擊

兩床式和三床式 RTO 使用高溫切換閥改變 VOCs廢氣流向，達到蓄熱室功能切換的目的，旋轉(zhuǎn)式 RTO使用廢氣旋轉(zhuǎn)分配閥改變廢氣流向。 廢氣旋轉(zhuǎn)分配閥通過電機傳動，運行速度緩慢，平均 15 s 切換一個蓄熱室，設備壓力無波動；

（3）設備關(guān)鍵件壽命長

廢氣旋轉(zhuǎn)分配閥在驅(qū) 動 電機 帶動 下 以 7.5 min/r的速度旋轉(zhuǎn)，運行平穩(wěn)，不會產(chǎn)生沖擊，密封面經(jīng)過研磨具有良好的氣密性， 制造材料具有高度的耐高溫、耐腐蝕特性，設計壽命長達 20 a。

（4）系統(tǒng)無功運行要求低

由于 旋轉(zhuǎn) 式RTO 結(jié)構(gòu) 緊湊 ， 蓄 熱室 面積 不 大，VOCs 反應熱足夠系統(tǒng)無功運行 ；

（5）凈化效率 、綜合熱效率高

旋轉(zhuǎn)式 RTO 包含 12 個蓄熱室， 設備正常運轉(zhuǎn)時5 個放熱室通入 VOCs 廢氣 ， 對應 5 個蓄熱室通過凈化后的高溫氣體進行蓄熱。 在蓄熱室功能由放熱切換為蓄熱的過程中，需要先通入吹掃風，保證凈化效率。由于旋轉(zhuǎn)式RTO 蓄熱室面積遠 小于 三 床式 RTO，所以小風量即可完成吹掃，有效減少熱損失，提高綜合熱效率；

（6）經(jīng)濟性

從設備制造的經(jīng)濟性能來看， 以 3 萬風量為例，兩 床 式、 三 床 式 和 旋 轉(zhuǎn) 式 RTO 的 保 溫 面 積 分 別 為19m3、29mm3和 14m3， 相對應的蓄熱陶瓷填充量分別為 28m3、42m3 和 15m3。 旋轉(zhuǎn)式 RTO 的蓄熱陶瓷填充量比兩床式、三床式分別減少46%和 64%。 大量節(jié)省了蓄熱陶瓷的使用量，降低了制造成本。 此外，制造原材料的減少，也使旋轉(zhuǎn)式 RTO 質(zhì)量降低至 57t。 該質(zhì)量分別是兩床式、三床式的 84%和 56%。 但是由于旋轉(zhuǎn) RTO 是圓形整體制造的， 相對于兩床式、 三床式RTO 運輸成本高是其最大的弱點 。