基于RTO高效处理挥发性有机物(VOCs)的技术研究论文

2024-06-29 17:47:14 来源: 作者:xujingjing
摘要:为了推动我国节能减排目标顺利完成,本文介绍了如何利用R TO高效处理工业生产中产生的挥发性有机物(VOCs)废气的处理技术,在传统的废气处理技术基础上进行创新,加入电加热元件,区别于传统燃气加热方式。阐明系统中的电热元件结构形式和布置方式。并将此系统应用于某企业的VOCs废气处理中,说明应用流程。通过分析应用结果,发现废气中的VOCs质量浓度低于20 mg/m3,且污染物为浓度与国家标准范围契合,说明去除率符合处理要求。
摘要:为了推动我国节能减排目标顺利完成,本文介绍了如何利用R TO高效处理工业生产中产生的挥发性有机物(VOCs)废气的处理技术,在传统的废气处理技术基础上进行创新,加入电加热元件,区别于传统燃气加热方式。阐明系统中的电热元件结构形式和布置方式。并将此系统应用于某企业的VOCs废气处理中,说明应用流程。通过分析应用结果,发现废气中的VOCs质量浓度低于20 mg/m3,且污染物为浓度与国家标准范围契合,说明去除率符合处理要求。
关键词:R TO技术;工业企业;VOCs废气处理
0引言
针对加强挥发性有机物(VOCs)污染防治工作,实施重点行业VOCs污染深度治理,降低夏秋季臭氧(O3)生成影响,促进环境空气质量持续改善,建立VOCs污染防治长效机制。严格按照《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》要求的治理方式和治理工艺。为切实契合当前DB 12/524—2020《工业企业挥发性有机物排放控制标准》要求以及DB 37/2801.6—2018《挥发性有机物排放标准》要求,将VOCS废气的厂界质量浓度控制在20 mg/m3以下,需对所使用的RTO炉进行设计,保证处理效果。本文将重点就RTO炉的加热方式予以创新,改变过去燃气燃烧控制热量供应量的方式,通过调节电热元件的输出功率,满足不同VOC废气组成和浓度需求。
1 RTO的概述及处理原理
RTO(regenerative thermal oxidizer)是蓄热式排气处理装置的简称,是一种高效有机废气治理设备。与传统的催化燃烧、直燃式热氧化炉(TO)相比,具有热效率高(≥95%)、运行成本低、能处理大风量中低浓度废气等特点,浓度稍高时,还可进行二次余热回收,大大降低了生产运营成本。其原理是在高温下将废气中的有机物(VOCs)氧化成对应的二氧化碳和水,从而净化废气,并回收废气分解时所释放出来的热量,三室RTO废气分解效率达到99%以上,热回收效率达到95%以上。RTO主体结构由燃烧室、蓄热室和切换阀等组成。其结构操作费用低,燃料费超低。有机废气体积分数在450×10-6以上时,RTO装置不需添加辅助燃料。净化率高,两床式RTO净化率在98%以上,三床式RTO净化率在99%以上。不产生NOX等二次污染。全自动控制、操作简单、安全性高。
RTO广泛地运用于汽车涂装、石油化工、包装印刷、医药制造、涂布涂料等VOCs治理行业,对于大风量、低浓度、成分复杂的各类工业有机废气。无论是高浓度的有机废气还是还是涂装废气以及恶臭废气都有良好的运用并取得了显而易见的效果。
2 RTO废气处理设计系统
RTO主体结构由燃烧室、蓄热室和切换阀等组成。传统RTO炉以三塔式形式布置,在蓄热焚烧模块中包含反吹切换阀、出气切换阀、进气切换阀、蓄热室和燃烧室,热效率维持在70%左右,不满足目前节能减排理念践行要求。为此,设计一种利用电加热元件的RTO炉。
2.1选择电热元件结构形式
电热元件的主要结构形式为电加热管、电炉丝、电炉扁带、电热辐射管,需根据应用温度和具体场景确定[1]。
首先,电加热管中心为电热合金丝,中间部分由结晶氧化镁粉填充,外部利用不锈钢钢管保护。此种结构具备绝缘性优良、发热均匀的特性,更为适用于最高温度低于500℃的RTO炉中。
其次,电炉丝以螺旋结构居多,因内外部无保护和填充物质,具备升温快和电阻稳定的特性。但连接在高温环境下,持续工作将出现熔断,且出现感康效应,因此,一般在马弗炉和小型电炉中应用。
再次,电炉扁带的外观与电炉丝基本一致,横截面较宽,与电炉丝的基本特性相似。目前所制成的铁烙铝电炉扁带具备适用温度高、电阻率高和电阻温度系数小的优势,展现出优良的高温性能,可应用于炉底和侧墙。
最后,电热辐射管的电加热元件外部由封闭套管保护,在通电后,在热量辐射作用下,热量从套管传递至被加热介质[2]。陶瓷龙骨支撑保护套管和电热元件,提升绝缘性能。现阶段,主要应用轴向波折形笼框式、带状螺旋环绕、线状螺旋环绕电热辐射管几种形式,分别具备使用寿命长、适用大功率和应用范围广的优势。以上3种辐射管安装较为灵活,不易锈蚀,能够长期应用于多种工业场景中。
2.2设计电加热元件布置形式
整合RTO技术和电加热技术要结合燃烧室速度场、温度场确定系统结构,选择合适的电热元件。对于涉及挥发性有机物(VOCs)排放企业而言,处理挥发性有机物(VOCs)废气的作业温度处于750~900℃的范围内,因此可选择的电热元件为电热辐射管、电炉扁带和电炉丝,科学接入后将达到燃烧室启炉和补充运行热量的效果。
对于接入电热辐射管的RTO炉,安装电热元件的位置可选择为燃烧室炉顶或横跨前后墙的水平区域,将接线盒和法兰安装在保护套上。为达到精准控温和延长电加热芯使用时间的效果,采取流通烟气与外保护套管、外保护套管与电阻丝对流与辐射换热的双重加热方式,提升燃烧室内温度场的均匀程度。具体布置方式见图1,所形成的蓄热焚烧炉见图2。
对于接入电炉扁带的RTO炉,可在燃烧室的前后及侧墙位置安装电炉扁带,使用陶瓷绝缘支撑柱固定。为提升安全性能,一般在炉顶位置不设置电热元件,有效降低悬吊难度。
对于接入电炉丝的RTO炉,可在燃烧室的前后及侧墙位置安装电炉扁带,使用耐火砖或陶瓷绝缘支撑柱固定。与采用电炉扁带的布置形式类似,不在炉顶设置元件[3]。
以上三种形式的RTO炉燃烧室的设置需要结合挥发性有机物(VOCs)企业的废气处理的需求和场景,结合废气成分和具体量,与蓄热室结合,组成电加热式VOCs废气处理RTO炉。
3 RTO对于重点行业中VOCs废气处理技术的应用
根据重点行业划分,结合企业的生产工艺及《工业企业挥发性有机物排放控制标准(DB 13/2322—2016)》对涉及挥发性有机物(VOCs)排放企业的行业划分,结合《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》要求的治理方式和治理工艺,对涉及挥发性有机物(VOCs)企业的开展深度治理工作,完成提标改造。
3.1项目概况
所举案例为某炼化企业的内部废气处理设施,VOCs废气来源于1号(碱洗脱硫)、2号(碱洗脱硫)、3号(活性炭吸附)三处废气处理装置,废气分别来自于污泥干化凝气池、浮渣罐、污油罐、浮选池、生化池、沉淀池以及污泥脱水机房,集中处理装置(蓄热式氧化)处的废气来自于1、2、3号三处的装置以及气和污泥减量化项目厂房的废气;以上4处的处理规模分别为8、20、16、50 dm3/h,非甲烷总烃的质量浓度分别为4 000、220、105、900 mg/m3。电加热式RTO炉布置在某炼化企业的废气处理排放口,能够集中处理其余废气处理装置中所产生的VOC气体,操作弹性35%~100%,处理规模50 dm3/h,所应用的RTO炉中接入电热辐射管。
3.2应用流程
RTO炉装置的工艺流程示意图见图3。
碱洗塔接收1号处理装置中产生的高浓度废气,经除臭处理,通入3号处理装置,所产生的低浓度废气进入RTO炉中。2号处理装置所产生的废气经增压处理与1、3号废气共同通入气液分离器中。静态混合箱将废气混合,以均匀状态进入电热氧化系统中。经高温处理后,VOC废气转变为水蒸气和二氧化碳,最终排放至空气中。
3.3效果分析
首先,就整体处理效果来看,2021年8月1日该炼化企业投入使用改进后的电加热RTO炉,经1年初步运行,于2022年8月1日至2日对相关数据进行标定,得到表1结果。
结合表1数据可以看出,引入改进后的电加热RTO炉在外排烟气方面的总烃去除率均高于96.5%,最大值为98.9%,且非甲烷总烃质量浓度最大为9.65 mg/m3<20 mg/m3,满足现行标准。同时,通过对比入口处不同废气浓度的总烃去除率可以发现,当浓度增加时,去除率也随之提高。因此,VOC废气的质量浓度为850 mg/m3时,仍旧可满足总烃去除率低于20 mg/m3的标准。
其次,在运行平稳性及能耗情况来看,自RTO炉开车运行以来,技术人员借助调控各期废气量比的方式,优化装置运行参数,实现平稳运行目标。按照入口处可燃气体积分数为3%LEL、30 dm3/h的处理量计算年排放量,可得到全年平均减少360 tVOC废气的结论,证明引入RTO炉后节能减排效果十分显著。
在天然气消耗方面,通过调整除臭废气风量,可得到下表2的结果。
通过读表可以发现,天然气的总体消耗量处于37~62 m3/h的范围内,消耗量较低。且经对比不同可燃气体浓度(总流量不变)下的天然气消耗量,可以发现当浓度升高时,消耗量降低。
4结语
综上所述,对应用于该炼化企业处理VOCs废气的RTO炉进行改进,利用电热元件提供热效率,需在应用时根据客户需求和场景确定电热元件类型。将改进后的RTO炉应用于所举案例中,经1年运行,VOCs废气的去除率超过96.5%,保证排放尾气中的非甲烷总烃质量浓度低于20 mg/m3,证明RTO炉发挥实效。与此同时,RTO炉运行平稳,展现出显著的环境效能,契合国家节能减排理念践行要求,可在实践中予以应用。
参考文献
[1]刘天波,刘晓峰,姜斌.RTO技术在污水处理场工业应用总结[J].炼油技术与工程,2023,53(3):69-72.
[2]邬文燕,郝继宗,樊帆,等.电加热式三塔RTO处理VOCs技术在工程实践中的应用研究[J].节能技术,2023,41(1):83-88.
[3]杨旭,王涛,王翼鹏,等.沸石转轮+RTO工艺在低浓度VOCs废气治理中的应用[J].中国资源综合利用,2022,40(12):88-90.
