蓄熱式焚燒爐在碳纖維生產(chǎn)中的應(yīng)用

引言
蓄熱式焚燒爐(RTO)是新一代有機(jī)廢氣處理設(shè)備，與傳統(tǒng)的催化燃燒相比，具有熱效率高(≥95%)、運(yùn)行成本低、能處理大風(fēng)量低濃度廢氣等特點(diǎn)，在濃度偏高時(shí)，還可以進(jìn)行二次余熱回收處理直供氧化爐，大大降低生產(chǎn)運(yùn)營成本。
蓄熱式燃燒技術(shù)能夠最大限度地回收煙氣的熱量，大幅度節(jié)約燃料、降低成本，并減少CO和NOx的排放量。蓄熱式焚燒爐技術(shù)特點(diǎn)一是蓄熱體內(nèi)陶瓷比表面積大，傳熱效率高；二是切換閥門設(shè)備換向間隔時(shí)間短(0.5～3.0min)，可靠性強(qiáng)。蓄熱式焚燒爐性能特點(diǎn)是具有很高的VOC去除率，兩床設(shè)備的VOC去除率達(dá)98%以上，三床設(shè)備的VOC去除率超過99%，超低運(yùn)行成本。當(dāng)VOC濃度達(dá)到450mg/L時(shí)，不需要額外的燃料消耗，如VOC濃度更高，還可進(jìn)行二次余熱回收而大大降低生產(chǎn)成本，處理過程不產(chǎn)生NOx等二次污染，處理風(fēng)量范圍極大(5000～200000m3/h)，具有全自動(dòng)控制、操作簡易、維護(hù)方便等特點(diǎn)。
綜上所述，RTO比較適合處理碳纖維生產(chǎn)中氧化爐產(chǎn)生的大流量低濃度的廢氣，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到國內(nèi)外各大碳纖維生產(chǎn)線上。
一、RTO的類型及優(yōu)缺點(diǎn)
1.1按蓄熱體床層數(shù)量分類
一般可分為單床和多床式RTO，單床是指把蓄熱體裝在一個(gè)設(shè)備內(nèi)，只用一臺(tái)設(shè)備來完成有機(jī)廢氣的凈化操作，主要是通過切換氣體的流向來實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄熱體的加熱和冷卻。其主要特點(diǎn)是設(shè)備比較緊湊、占地空間小，主要是用于處理小到中等的廢氣流量。缺點(diǎn)是不可能在一個(gè)循環(huán)后實(shí)現(xiàn)沖洗操作，在廢氣處理中，產(chǎn)生的SiO2極易堵塞蓄熱床，影響生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
多床式RTO一般分為兩室、三室、五室和多室。目前大多數(shù)碳纖維生產(chǎn)廠家都采用三室的RTO。因?yàn)椴捎脧U氣焚燒處理，主要目前是提高凈化率，使其廢氣中的HCN、NOx、顆粒物等滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保指標(biāo)的要求，一般要求HCN≤1.9mg/Nm3，NOx≤110mg/Nm3、顆粒物≤20mg/Nm3，一般提高凈化率的方法有兩種，一種是延長循環(huán)時(shí)間，但這樣會(huì)使熱效率降低。另一種方法是增加沖洗用的蓄熱床，以達(dá)到提高凈化率。但三室的RTO主要是用于處理中等流量的廢氣，廢氣量一般在60000Nm3/h以下，對(duì)于目前千噸級(jí)碳纖維的生產(chǎn)，設(shè)備寬度一般都在3m左右，氧化爐和集氣罩總的的廢氣量一般都在45000～55000Nm3/h左右，故大多數(shù)碳纖維生產(chǎn)廠家都采用三室的RTO。未來隨著設(shè)備寬度的增加，那么RTO以后也會(huì)用到五室或者七室。使凈化率達(dá)到＞99%以上。優(yōu)點(diǎn)是幾乎可以處理所有含有機(jī)化合物的廢氣，可以處理風(fēng)量大及低濃度的廢氣、可以適應(yīng)廢氣濃度變化及波動(dòng)、在合適的廢氣濃度條件下可實(shí)現(xiàn)自供熱、維護(hù)工作量少、操作安全可靠、蓄熱床內(nèi)陶瓷可更換、裝置使用壽命長等。缺點(diǎn)是裝置重量大、容積大、升溫時(shí)間較長、投資費(fèi)用相對(duì)較高等。
1.2按蓄熱體靜止或運(yùn)動(dòng)分類
一般可分為固定式和旋轉(zhuǎn)式，固定式即蓄熱床是固定不動(dòng)的，像兩室RTO、三室RTO等都屬于固定式。旋轉(zhuǎn)式是蓄熱體可旋轉(zhuǎn)，一般蓄熱體做成圓盤狀。在加熱和冷卻之間不斷的轉(zhuǎn)換。用陶瓷模塊做成的蓄熱體被用作熱交換器，實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的熱的干凈氣體和冷的廢氣之間的熱交換。其中熱的干凈氣體從上往下通過熱交換器，隨著溫度被降下來，相應(yīng)的清洗氣把熱的和冷卻的區(qū)域之間未經(jīng)處理的廢氣送回處理。通過旋轉(zhuǎn)分配器，會(huì)連續(xù)的控制廢氣和凈化氣通過熱交換陶瓷模塊的轉(zhuǎn)換，并在轉(zhuǎn)換前洗凈這些模塊。優(yōu)點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)分配器代替了復(fù)雜的風(fēng)閥系統(tǒng)和復(fù)雜控制的氣動(dòng)轉(zhuǎn)換閥，不會(huì)因?yàn)榍袚Q閥的變化導(dǎo)致氣流壓力波動(dòng)，可保持空氣氣流的穩(wěn)定。并且不需要用壓縮空氣。但缺點(diǎn)是氣流徑向通過面積很大的圓柱面，很難保證氣流分布的均勻性。
二、RTO裝置基本構(gòu)造
典型的RTO裝置主要由蓄熱床和蓄熱體、燃燒室、燃燒器和點(diǎn)火槍、切換閥、換熱器及PLC控制系統(tǒng)組成。
(1)蓄熱床主要由床內(nèi)填充的蓄熱體組成，一般的蓄熱體采用陶瓷散堆填充料或者陶瓷規(guī)整填充料組成。散堆填充料一般采用陶瓷矩鞍環(huán)，優(yōu)點(diǎn)是在開孔面積和氣流流道方面有很大改進(jìn)，防止填充料之間的相互堆疊和降低氣流通過填料床層時(shí)的壓力損失。規(guī)整填充料一般采用陶瓷蜂窩料，優(yōu)點(diǎn)是在傳熱性能和流體力學(xué)方面優(yōu)于散堆料，并可降低壓降，減少裝置容積，缺點(diǎn)是價(jià)格貴，并且一旦小孔局部被堵塞，就會(huì)使整個(gè)通道受阻。
(2)燃燒器和點(diǎn)火槍主要設(shè)置在燃燒室兩側(cè)，主要是將蓄熱體加熱到一定溫度或當(dāng)廢氣中可燃物濃度較低時(shí)，需要補(bǔ)充燃料來維持燃燒室所需要達(dá)到的溫度。點(diǎn)火槍主要是在剛啟動(dòng)RTO時(shí)，用于燃燒器的點(diǎn)火使用。
(3)切換閥主要是設(shè)置在管道上，保證RTO在極短的時(shí)間內(nèi)，循環(huán)的改變氣體的流動(dòng)方向，切換閥要直接而且同時(shí)將廢氣通到熱的蓄熱體和排出凈化氣，即一個(gè)閥門的通道進(jìn)，而相鄰的通道出，所以當(dāng)閥門動(dòng)作稍慢時(shí)，少量的廢氣就有可能直接進(jìn)入凈化氣的出口，其結(jié)果是降低了有機(jī)物的凈化率。
(4)換熱器主要是由于RTO焚燒爐出口溫度過高，直接排放既浪費(fèi)熱量，又帶來環(huán)境的熱污染，因此在RTO焚燒爐后面設(shè)計(jì)了新風(fēng)換熱器，對(duì)氧化爐的新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到減小氧化爐加熱器的功率輸出及降低能耗的目的。
三、RTO裝置基本工作原理
目前大多數(shù)RTO裝置均采用三臺(tái)蓄熱床設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是可有效提高廢氣凈化率及裝置的運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)?shù)谝慌_(tái)蓄熱床處于被冷卻而廢氣被預(yù)熱的階段時(shí)(冷周期)，第二臺(tái)蓄熱床正處于被凈化氣加熱的過程(熱周期)，而第三臺(tái)蓄熱床則進(jìn)入沖洗階段。因此，當(dāng)一個(gè)循環(huán)結(jié)束后，廢氣始終進(jìn)入到上一循環(huán)時(shí)排出凈化氣的蓄熱床，而原來進(jìn)入廢氣的蓄熱床則用凈化氣(或空氣)沖洗，并將殘留未反應(yīng)的廢氣送到燃燒室進(jìn)行焚燒，然后與凈化氣一起從沖洗過的蓄熱床排出。三床RTO裝置操作順序?qū)⑾卤恚浩涔ぷ髟硎强扇加袡C(jī)廢氣在760～1000℃發(fā)生氧化反應(yīng)，生成二氧化碳、水、NO、NO2、N2、HCN等。廢氣首先通過蓄熱體加熱到接近熱氧化溫度，而后進(jìn)入燃燒室進(jìn)行熱氧化，氧化后的氣體溫度升高，有機(jī)物基本轉(zhuǎn)化成二氧化碳、水、N2，以及少量的NO、NO2等氮氧化物，凈化后的氣體經(jīng)過另一處蓄熱體，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行排放[3]。陶瓷蓄熱室應(yīng)分成三個(gè)(含三個(gè))以上，每個(gè)蓄熱室依次經(jīng)歷蓄熱-放熱-清掃等程序，周而復(fù)始，連續(xù)工作。蓄熱室“放熱”后應(yīng)立即引入適量潔凈空氣對(duì)該蓄熱室進(jìn)行清掃(以保證VOC去除率在99%以上)。
四、各種因素對(duì)RTO裝置熱效率的影響
評(píng)價(jià)RTO裝置的優(yōu)劣，除了應(yīng)考慮裝置的操作、維護(hù)、日常維護(hù)費(fèi)用外等，還應(yīng)關(guān)注凈化率和熱效率兩個(gè)重要指標(biāo)。前者主要是看廢氣的凈化程度，是否滿足排放法規(guī)要求。后者主要是看過程熱量利用程度如何，一般RTO裝置的熱效率＞95%、凈化率＞99%，影響RTO裝置熱效率的因素主要有以下三方面。
4.1切換時(shí)間
即一個(gè)循環(huán)持續(xù)時(shí)間，切換時(shí)間短，可獲得較高熱效率，延長切換時(shí)間，熱效率就降低，但缺點(diǎn)是頻繁動(dòng)作會(huì)影響切換閥和相應(yīng)機(jī)構(gòu)的使用壽命和降低有機(jī)物脫除率。此外，閥門頻繁、快速切換會(huì)引起氣體壓力波動(dòng)而造成裝置的不穩(wěn)定操作。所以從操作、維護(hù)來講，一般當(dāng)床層在2～3m時(shí)，30～200s內(nèi)選擇較短切換時(shí)間可達(dá)到廢氣預(yù)熱極限溫度。
4.2床層高度
蓄熱體是RTO裝置中的關(guān)鍵部件，一般根據(jù)廢氣的處理量，選擇合適的氣流速度(停留時(shí)間)，可求得蓄熱室截面積，從而可求出床層高度，增加蓄熱體床層高度可以提高熱效率，但會(huì)增加蓄熱體的費(fèi)用，同時(shí)還增大設(shè)備容積，其次，會(huì)增大氣體通過床層的壓力損失，進(jìn)而增加風(fēng)機(jī)電耗。
4.3氣體質(zhì)量流速
溫度效率隨氣體質(zhì)量流速增加而降低，對(duì)溫度效率而言，降低氣體質(zhì)量流速可增加氣體在床層中的停留時(shí)間，有利于熱量傳遞。因而溫度效率隨氣體質(zhì)量流速增加而降低。如表1和表2所示。可以看出，在相同條件下，床層愈高，就延長了氣體在床層中的停留時(shí)間，則熱效率也高，但氣體通過床層的壓損是隨床層高度的提高而增大，一般對(duì)于蓄熱床填裝散堆料(陶瓷矩鞍環(huán))高度約在1.8～2.5m。氣體流速一般控制在1.5m/s以下，以免壓降太高。

五、目前存在的問題
目前蓄熱式焚燒技術(shù)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足。
5.1蜂窩陶瓷的使用壽命不高
目前國內(nèi)蜂窩陶瓷的使用壽命均不是很高，焚燒爐蓄熱體內(nèi)的蜂窩陶瓷使用壽命一般都均在4～6個(gè)月左右，隨著蓄熱床壓差的增高，證明蓄熱體內(nèi)的陶瓷存在碎裂、SiO2堵塞等情況，需清理回填后方可繼續(xù)運(yùn)行。造成以上問題的原因主要有兩點(diǎn)。
(1)材料問題。蜂窩陶瓷長期工作在急冷急熱、帶有腐蝕性氣體的惡劣環(huán)境中，經(jīng)常承受著高溫作用和因內(nèi)外溫差變化而引起的應(yīng)力作用。增加蓄熱陶瓷的密度，抗熱震穩(wěn)定性就會(huì)變差。
(2)偏流問題。在排煙階段，煙氣流經(jīng)蜂窩陶瓷時(shí)將熱量貯存在蓄熱體內(nèi)，加熱蜂窩陶瓷，在燃燒階段，廢氣流經(jīng)蜂窩陶瓷時(shí)被加熱，余熱被重新帶回爐內(nèi)，即在冷、熱周期間之間切換。如果氣體在蓄熱體內(nèi)出現(xiàn)偏流，經(jīng)過若干次換向后容易導(dǎo)致蜂窩陶瓷局部高溫而產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)超過承受極限時(shí)，蜂窩陶瓷就會(huì)碎裂。
5.2RTO節(jié)能效果不確定
(1)通過蜂窩陶瓷的煙氣量不確定。在不影響燃燒效果的前提下，增加流經(jīng)蓄熱體的煙氣量，是制約蓄熱式燃燒技術(shù)節(jié)能效果的瓶頸。
(2)蜂窩陶瓷體積大小不確定。蓄熱體內(nèi)陶瓷的多少、煙氣溫度、陶瓷的傳熱系數(shù)、比表面積、比熱容等都對(duì)RTO的節(jié)能效果產(chǎn)生影響。
(3)蓄熱體內(nèi)氣流的均勻性不確定。蓄熱體內(nèi)氣流分布狀況將影響蓄熱體的熱交換能力，預(yù)熱溫度、蜂窩陶瓷的使用壽命，所以提供蓄熱體內(nèi)氣體分布的均勻性是一個(gè)迫切需要解決的問題。
六、結(jié)語
隨著碳纖維各生產(chǎn)廠商產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，如何將碳纖維生產(chǎn)的廢氣通過焚燒爐既能達(dá)到環(huán)保排放要求，又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，是當(dāng)前頭等大事。比如氧化廢氣中含有機(jī)硅化物，硅在高溫下氧化為二氧化硅而呈玻璃態(tài)狀，它可以使陶瓷矩鞍環(huán)結(jié)塊成團(tuán)和堵塞蜂窩填料的小孔，從而引發(fā)床層壓降升高。如何提高氣速，開放高效的蓄熱體來縮小裝置的容積，借以降低投資成本，如何改進(jìn)切換閥來延長其使用壽命等，已成為當(dāng)前RTO裝置研究的發(fā)展方向。
來源：相章分享環(huán)保技術(shù)