三塔式RTO工业有机废气处理系统设计与应用

本文以江苏省某企业PET膜带流 延成型过程中产生的气量为10000 m3/h（工况， 50℃）、非甲烷总烃浓度≤3000 mg/m3、主要待 处理组分为无水乙醇及丁酮有机溶剂的流延废气为例，展开三塔式RTO进行研究设计，经RTO处理 后，非甲烷总烃有组织排放执行《DB 32/4041— 2021大气污染物综合排放标准》表1标准，即非甲 烷总烃有组织排放浓度不高于60 mg/m3。

1 设计原理 

RTO 炉是将工业有机废气进行燃烧净化处 理，并采用蓄热体吸收、释放燃烧热量，对待处 理废气进行换热升温、对净化后气体进行换热降 温的装置。主要由换向设备、蓄热室、燃烧室和 控制系统及安全系统等组成。燃烧室运行温度宜 在760~900℃[8]，本系统设计反应温度为760℃， 在此环境下有机物与氧气反应，被氧化为CO2 和 H2 O，达到净化废气的目的。

蓄热床底部的自动控制阀分别与进气总管和 排气总管相连，蓄热床通过换向阀交替换向，将 由燃烧室排出的高温气体热量蓄留，并预热进入 蓄热床的有机废气；采用陶瓷蓄热材料吸收、释 放热量；被预热后的废气在燃烧室内进一步加热 升高到一定温度（≥760℃），有机物在此环境 下得到净化。典型的三床式RTO主体设备由一个 燃烧室、三个陶瓷填料床、管道和九个风向切换 阀、一个补新风阀、一个废气主控阀、一套反吹 系统及相应控制系统组成。该装置中的蓄热室陶 瓷填充床换热器可使热能得到最大限度的回收， 热回收率不低于90%，处理VOCS 时不用或使用很 少的燃料。

蓄热体由进气转换为出气时，蓄热体床层中 残留部分含有有机物的废气，需要用干净的气体进 行吹扫，将该部分气体吹入燃烧室内氧化处理。 RTO蓄热体的操作有加热进气、冷却出气和吹扫 三个状态。典型的三塔式RTO的A、B、C 三床之 间按照周期T进行切换，处理后的烟气进入排放 烟囱，工艺流程见图2。不同床的工作周期如表1 所示。

2 工艺设计

 2.1 废气工况 

进入流延工序的无水乙醇及丁酮用量均为 72.59 t/a，合计145.18 t/a，年运行时间330 d×24 h/d =7920 h，废气工况流量为10000 m3/h，温度为50℃ 左右。 （1）污染物理化性质 乙醇（C2 H5 OH，CAS No. 64-17-5）分子量 M1 =46，闪点12℃，热值1365.5 kJ/mol，25℃爆炸 下限C1 =4.3%。 丁酮（C4 H8 O，CAS No. 78-93-3）分子量 M2 =72，闪点-9℃，热值2261.7 kJ/mol，25℃爆炸 下限C2 =1.8%。 （2）废气流量 由理想气体状态方程PV=nRT，知废气标况流 量为：

设计流量按照最大废气排放量的105%进行设 计，即设计废气工况流量为10500 m3/h，对应标 况为8876 Nm3/h。RTO设计反吹系统，反吹气量为 废气流量的10%，因此RTO燃烧室内标况流量为 9764 Nm3/h。后续计算中LEL以实际流量计算，设 备尺寸计算以设计流量计算。

（3）排放速率及废气浓度

2.2 工艺参数 

（1）燃烧条件 温度(Temperature)、停留时间(Time)、湍 流(Turbulense)、过量空气系数(Excess Air)简称 “3T1E”，是热力燃烧的必要条件。本废气主要 成分为空气，过量空气系数可以保证，因此主要 通过控制“3T”条件来达到理想的净化效果。 大多数烃类化合物在590~820℃、0.1~0.3 s停留 时间内即可反应完全，在一般烃类化合物的燃烧净 化应保证760℃以上的温度和0.5 s左右的停留时间， 才能保证净化效果[12]。《HJ 093—2020蓄热燃烧法 工业有机废气治理工程技术规范》要求停留时间不 低于0.75 s，本RTO设计燃烧温度760℃、停留时间 1.0 s，湍流度通过合理设计设备内结构设计实现。 （2）热回收效率 乙醇与丁酮均为易燃物质，且浓度已经达到 2000 mg/Nm3，根据实践经验，基本可以自持反 应，为降低其在蓄热体内燃烧的风险，本装置设 计热回收效率不低于90%，以可燃物氧化释放的热 能及气量为基础，对热回收效率进行理论计算。 乙醇氧化释放热能1365.5 kJ/mol×0.199 kmol/h =2.72×105 kJ/h=75.6 kW

丁酮氧化释放热能： 2261.7 kJ/mol× 0.127 kmol/h =2.87×105 kJ/h=79.7 kW

当RTO有机物释放热能可以自持反应时， 燃烧器长明火天然气耗量约1 Nm3/h，天然气热 值约8500 kcal/Nm3，计算得出长明火释放热能约 9.88 kW=3.56×104 kJ/h。 RTO排气温度一般不高于100℃，废气进 气温度为50℃，干空气在70~120℃的比热容为 1.009 kJ/（kg·℃），干空气标况下密度为1.293 kg/Nm3， 忽略设备表面散热，由Q=c·m·△t知RTO进出口理 论温升为

3 设备参数设计及关键设备选型 

3.1 预处理设备 生产车间产生的有机废气经管道合并后进入 干式过滤箱，设置两级过滤：G4+F8，用于过滤废 气中的粘性物质及粉尘，使进入陶瓷蓄热体废气 中的颗粒物浓度低于5 mg/m3[11] 。截面风速一般取 1.5~2.5 m/s，本设计取2 m/s进行计算，则过滤面积1.46,G4过滤器选用规格594 mm*594 mm*46 mm， 为方便安装及设备制作，F8过滤器选用规格为 595 mm*595 mm*600 mm，本系统设计一级过滤 4片G4过滤器、二级过滤4片F8过滤袋。

3.2 RTO设备主体设计 

（1）蓄热室 

RTO设计出气流量9764 Nm3/h，蓄热室截面风 速不宜大于2 m/s（标准状态下）[11]，本装置设计截 面为930 mm*1550 mm，实际截面风速为1.9 m/s。 蓄热体一般选用陶瓷矩鞍环乱堆或蜂窝陶瓷整 砌方式，比热容不低于750 J/（kg·K）、短时间可承 受1200℃的高温冲击、使用寿命不低于40000 h，本 系统选用12层305 mm*305 mm*102 mm蜂窝陶瓷，具 备阻力小的优点；顶部铺300 mm厚2寸矩鞍环，抗热 负荷冲击，蓄热室合计高度为12*102 mm+300 mm= 1524 mm。蓄热室外壳采用Q235B-5 mm碳钢瓦楞 板制作，保证室体强度，保温层选用1260高纯型耐 火陶瓷纤维折叠块，长期工作温度＜1100℃，短时 工作温度＜1260℃，通过锚固的方式固定在蓄热室 内，总保温厚度为200 mm.

（2）反应室 

反应室内烟气停留时间应按照烟气最短行程计 算，烟气流速一般取2~4 m/s，本设计取3 m/s，设 计停留时间为1.0 s，因此相邻两个反应室的中心距为3 m，反应室的总长度为0.93 m+3 m*2=6.93 m， 反应室宽度因保温厚度的差异，较蓄热室窄 100 mm，即反应室宽度为1.45 m。通过反应室内 烟气流量9764 Nm3/h，反应温度760℃及停留时间 1 s计算反应室相邻两室体间有效体积为10.3 m3， 烟气流速取3 m/s，对反应室高度进行求解.

3.3 燃烧器选型 

按照RTO启动时的能耗计算燃烧器的功率， 设计系统升温时间2 h，启动时气量按2929 Nm3/h （设计气量的30%），忽略助燃风温升所需热量， 系统所需热量主要包括蓄热体升温、保温棉升 温、随气流带出、系统表面热损失四部分。通过对比燃烧器厂家标准型号，最终选择630 kW 燃烧器，空燃比例阀自动调节，理论需空气量约 600 Nm3/h，风机选用流量800 m3/h，全压11 kPa，功率7.5 kW，定频运行。

 3.4 RTO反吹系统 

当达到设定的切换时间后（通常60~180 s）， 由 A床切换至B床的瞬间，B床底部仍蓄积的待进 入高温氧化系统内的VOCS 或吸附在陶瓷蓄热体上 的VOCS 被气流直接带至切换系统，直接进入烟 囱逸散，导致阀门切换的瞬间排放超标的问题产 生[11,12]，需要配置吹扫系统解决此问题。吹扫一般 有两种方式，第一种利用RTO主风机回流，将废 气或吸附在蓄热体上的污染物从反应室通过蓄热 室吹扫至主风机前端，再次进入反应室处理，不 增加烟气排放总量，但是反吹出的气流温度高， 可能损坏蓄热式下部的切换阀，很少在RTO中应 用；第二种单独配置反吹风机，采用空气将原蓄 热室内废气或吸附在蓄热体上的污染物吹扫至反 应室处理，可以在一定程度上提高热回收效率， 但是需要额外配置风机，增加设备投资及运行 成本。 本设备采用第二种方式，因RTO为正压运 行，反应室内运行压力一般1000~2000 Pa，设 计反吹风机风量1200 m3/h，风压7000 Pa，功率 75 kW，定频运行。

3.5 设备安全系统 

（1）配置可燃气体爆炸下限检测仪

 在合并后的主风管上设置1套可燃气体爆炸 下限（LEL）检测仪，采用红外或催化燃烧原理 监测可燃气体浓度，当废气中可燃气体浓度超过 25%LEL时报警，超过50%LEL时报警并紧急切 断设备入口阀门，控制爆炸风险。目前LEL原理 可以分为IR红外检测（例如行业中常见的梅思安 PrimaX IR PRO、DF-8500 SIL响应时间为≤20 s）、 催化检测、FID氢焰离子检测、FTA火焰温度检 测，其中FTA火焰温度检测响应时间（t90）已经 可以做到＜1 s[16]。废气在取样管路中输送时间 （＜2 s）及阀门动作时间（＜2 s），可以按照 5 s的综合响应时间考虑。废气在主风管内的输送 速度一般10~14 m/s，本系统风管直径圆整后取 600 mm，理论风速10.3 m/s，因此LEL检测仪取样 位置距离切断阀门应不低于51.5 m[17]。 

（2）混合气体爆炸下限计算及浓度校核 

进入RTO炉的有机物浓度应低于其爆炸极限 下限的25%。对于含有混合有机物的废气，其控制 浓度C应低于最易爆组分或混合气体爆炸极限下限 最低值的25%，即C＜min(Ce ,Cm )×25%，Ce 为最易爆组分爆炸极限下限（%），Cm 为混合气体爆炸 极限下限，且根据RTO反应温度修正[8] 。

（3）阻火器及防爆口 

在主风机前设置阻火器，将可能出现的火焰 分散到阻火器的多个细小通道，火焰被分割成多 个细小的火焰流，从而增加了火焰与通道壁的接 触面积，加强了传热效果，有效地降低了火焰的 温度，防止其达到继续传播所需的着火点，从而 达到阻火的目的[18] 。阻火器两端设置压差开关， 当阻火器堵塞时，系统报警提醒人工排查。 防爆口的主要作用是当反应室内部压力过 高时，能够及时排放掉部分气体进行泄压，防止 RTO因压力过大而爆炸。爆破膜式防爆口一旦作 用以后，就不会自行复位，而必须打开夹紧装置 重新放置爆破膜。为克服这一缺点，本RTO采用 弹跳门型式防爆口，设计开启压力10 kPa，在超出 设计压力时自动打开泄压，当恢复正常后弹跳门 自动复位，使用方便，安全可靠。 

（4）燃烧器安全联锁

 燃烧器配置燃气管道燃气高低压开关、空气低压开关、火焰检测系统，使燃烧器运行安全 可靠。 燃气压力高于低压、低于高压，空气压力 高于低压情况下才允许进行点火，给出点火信号 后，空气管道先进行吹扫20 s，防止烧嘴内残余 燃气爆燃。当检测不到火焰、燃气/空气压力不在 允许范围内中任意一项出现时，立即切断燃气供 应，防止出现火焰异常或爆燃事故。

3.6 控制系统

 本设备采取PLC+HMI（Human Machine Interface，人机接口）全自动化控制系统，配套电 动调节阀、变送器、报警系统等，所有调节阀均 配置阀位检测信号，实现HMI实时监视。本系统 包含试车模式、手动控制模式、待机模式、系统 自动开/关机安全程序，其核心控制包括燃烧器控 制、切换阀控制、温度控制、压力控制。

（1）燃烧器控制

 燃气燃烧器由以下主要部分组成：燃气喷嘴 （内置点火烧嘴）、燃气电磁阀（3个）、燃气手 动线性调节阀、空燃比例阀、减压阀（内置过滤 器）、空气电动蝶阀、空气手动调节阀、程序控 制器、点火装置、燃气高低压力检测开关、空气 低压检测开关及火焰监测装置等，其中程序控制 器、火焰探测装置、空气/燃气压力开关对安全性 尤为重要。

（2）切换阀控制

 系统共计3个进气阀、3个排气阀、3个反吹 阀，按照第1节的周期进行切换，A/B/C室阀门切 换周期可单独设定，一般在60~120 s，根据现场工 况进行调整，当达到切换周期或蓄热体下层温度 达到设定温度时就进入下一个运行周期。 

（3）温度控制 

系统在以下位置布置了热电偶：进气主风 管、A/B/C蓄热室下部蓄热体、A/B/C蓄热室上部 蓄热体、反应室左/中/右、排气风管，共计11个热 电偶。采用PID方式控制燃烧器输出功率，使反应 室平均温度维持在设定值，一方面维持反应所需 的温度，保证处理效率；另一方面节约燃气，降 低运行成本