蓄热式焚烧炉在碳纤维生产中的应用

周游(新疆隆炬新材料有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

蓄热式焚烧炉(RTO)是新一代有机废气处理设备，与传统的催化燃烧相比，具有热效率高(≥95%)、运行成本低、能处理大风量低浓度废气等特点，在浓度偏高时，还可以进行二次余热回收处理直供氧化炉，大大降低生产运营成本。

蓄热式燃烧技术能够最大限度地回收烟气的热量，大幅度节约燃料、降低成本，并减少CO和NOx的排放量。蓄热式焚烧炉技术特点一是蓄热体内陶瓷比表面积大，传热效率高；二是切换阀门设备换向间隔时间短(0.5～3.0min)[1]，可靠性强。蓄热式焚烧炉性能特点是具有很高的VOC去除率，两床设备的VOC去除率达98%以上，三床设备的VOC去除率超过99%，超低运行成本。当VOC浓度达到450 mg/L时，不需要额外的燃料消耗，如VOC浓度更高，还可进行二次余热回收而大大降低生产成本，处理过程不产生NOx等二次污染，处理风量范围极大(5 000～200 000 m3/h)，具有全自动控制、操作简易、维护方便等特点。

综上所述，RTO比较适合处理碳纤维生产中氧化炉产生的大流量低浓度的废气，现已广泛应用到国内外各大碳纤维生产线上。

1 RTO的类型及优缺点

1.1 按蓄热体床层数量分类

一般可分为单床和多床式RTO，单床是指把蓄热体装在一个设备内，只用一台设备来完成有机废气的净化操作，主要是通过切换气体的流向来实现对蓄热体的加热和冷却。其主要特点是设备比较紧凑、占地空间小，主要是用于处理小到中等的废气流量。缺点是不可能在一个循环后实现冲洗操作，在废气处理中，产生的SiO2极易堵塞蓄热床，影响生产的连续稳定运行。

多床式RTO一般分为两室、三室、五室和多室。目前大多数碳纤维生产厂家都采用三室的RTO。因为采用废气焚烧处理，主要目前是提高净化率，使其废气中的HCN、NOx、颗粒物等满足当地环保指标的要求，一般要求HCN≤1.9 mg/Nm3，NOx≤110 mg/Nm3、颗粒物≤20 mg/Nm3，一般提高净化率的方法有两种，一种是延长循环时间，但这样会使热效率降低。另一种方法是增加冲洗用的蓄热床，以达到提高净化率。但三室的RTO主要是用于处理中等流量的废气，废气量一般在60 000 Nm3/h以下，对于目前千吨级碳纤维的生产，设备宽度一般都在3 m左右，氧化炉和集气罩总的的废气量一般都在45 000～55 000 Nm3/h左右，故大多数碳纤维生产厂家都采用三室的RTO。未来随着设备宽度的增加，那么RTO以后也会用到五室或者七室。使净化率达到＞99%以上。优点是几乎可以处理所有含有机化合物的废气，可以处理风量大及低浓度的废气、可以适应废气浓度变化及波动、在合适的废气浓度条件下可实现自供热、维护工作量少、操作安全可靠、蓄热床内陶瓷可更换、装置使用寿命长等。缺点是装置重量大、容积大、升温时间较长、投资费用相对较高等。

1.2 按蓄热体静止或运动分类

一般可分为固定式和旋转式，固定式即蓄热床是固定不动的，像两室RTO、三室RTO等都属于固定式。旋转式是蓄热体可旋转，一般蓄热体做成圆盘状。在加热和冷却之间不断的转换。用陶瓷模块做成的蓄热体被用作热交换器，实现连续不断的热的干净气体和冷的废气之间的热交换。其中热的干净气体从上往下通过热交换器，随着温度被降下来，相应的清洗气把热的和冷却的区域之间未经处理的废气送回处理。通过旋转分配器，会连续的控制废气和净化气通过热交换陶瓷模块的转换，并在转换前洗净这些模块。优点是旋转分配器代替了复杂的风阀系统和复杂控制的气动转换阀，不会因为切换阀的变化导致气流压力波动，可保持空气气流的稳定。并且不需要用压缩空气。但缺点是气流径向通过面积很大的圆柱面，很难保证气流分布的均匀性。

2 RTO装置基本构造

典型的RTO装置主要由蓄热床和蓄热体、燃烧室、燃烧器和点火枪、切换阀、换热器及PLC控制系统组成。

(1)蓄热床主要由床内填充的蓄热体组成，一般的蓄热体采用陶瓷散堆填充料或者陶瓷规整填充料组成。散堆填充料一般采用陶瓷矩鞍环，优点是在开孔面积和气流流道方面有很大改进，防止填充料之间的相互堆叠和降低气流通过填料床层时的压力损失。规整填充料一般采用陶瓷蜂窝料，优点是在传热性能和流体力学方面优于散堆料，并可降低压降，减少装置容积，缺点是价格贵，并且一旦小孔局部被堵塞，就会使整个通道受阻[2]。

(2)燃烧器和点火枪主要设置在燃烧室两侧，主要是将蓄热体加热到一定温度或当废气中可燃物浓度较低时，需要补充燃料来维持燃烧室所需要达到的温度。点火枪主要是在刚启动RTO时，用于燃烧器的点火使用。

(3)切换阀主要是设置在管道上，保证RTO在极短的时间内，循环的改变气体的流动方向，切换阀要直接而且同时将废气通到热的蓄热体和排出净化气，即一个阀门的通道进，而相邻的通道出，所以当阀门动作稍慢时，少量的废气就有可能直接进入净化气的出口，其结果是降低了有机物的净化率。

(4)换热器主要是由于RTO焚烧炉出口温度过高，直接排放既浪费热量，又带来环境的热污染，因此在RTO焚烧炉后面设计了新风换热器，对氧化炉的新风进行预热，达到减小氧化炉加热器的功率输出及降低能耗的目的。

3 RTO装置基本工作原理

目前大多数RTO装置均采用三台蓄热床设计，优点是可有效提高废气净化率及装置的运行时间。当第一台蓄热床处于被冷却而废气被预热的阶段时(冷周期)，第二台蓄热床正处于被净化气加热的过程(热周期)，而第三台蓄热床则进入冲洗阶段。因此，当一个循环结束后，废气始终进入到上一循环时排出净化气的蓄热床，而原来进入废气的蓄热床则用净化气(或空气)冲洗，并将残留未反应的废气送到燃烧室进行焚烧，然后与净化气一起从冲洗过的蓄热床排出。三床RTO装置操作顺序将下表：其工作原理是可燃有机废气在760～1 000 ℃发生氧化反应，生成二氧化碳、水、NO、NO2、N2、HCN等。废气首先通过蓄热体加热到接近热氧化温度，而后进入燃烧室进行热氧化，氧化后的气体温度升高，有机物基本转化成二氧化碳、水、N2，以及少量的NO、NO2等氮氧化物，净化后的气体经过另一处蓄热体，达到排放标准后进行排放[3]。

陶瓷蓄热室应分成三个(含三个)以上，每个蓄热室依次经历蓄热-放热-清扫等程序，周而复始，连续工作。蓄热室“放热”后应立即引入适量洁净空气对该蓄热室进行清扫(以保证VOC去除率在99%以上)。

4 各种因素对RTO装置热效率的影响

评价RTO装置的优劣，除了应考虑装置的操作、维护、日常维护费用外等，还应关注净化率和热效率两个重要指标。前者主要是看废气的净化程度，是否满足排放法规要求。后者主要是看过程热量利用程度如何，一般RTO装置的热效率＞95%、净化率＞99%，影响RTO装置热效率的因素主要有以下三方面。

4.1 切换时间

即一个循环持续时间，切换时间短，可获得较高热效率，延长切换时间，热效率就降低，但缺点是频繁动作会影响切换阀和相应机构的使用寿命和降低有机物脱除率。此外，阀门频繁、快速切换会引起气体压力波动而造成装置的不稳定操作。所以从操作、维护来讲，一般当床层在2～3 m时，30～200 s内选择较短切换时间可达到废气预热极限温度 。

4.2 床层高度

蓄热体是RTO装置中的关键部件，一般根据废气的处理量，选择合适的气流速度(停留时间)，可求得蓄热室截面积，从而可求出床层高度，增加蓄热体床层高度可以提高热效率，但会增加蓄热体的费用，同时还增大设备容积，其次，会增大气体通过床层的压力损失，进而增加风机电耗。

4.3 气体质量流速

温度效率随气体质量流速增加而降低，对温度效率而言，降低气体质量流速可增加气体在床层中的停留时间，有利于热量传递。因而温度效率随气体质量流速增加而降低。

如表1和表2所示。可以看出，在相同条件下，床层愈高，就延长了气体在床层中的停留时间，则热效率也高，但气体通过床层的压损是随床层高度的提高而增大，一般对于蓄热床填装散堆料(陶瓷矩鞍环)高度约在1.8～2.5 m。气体流速一般控制在1.5 m/s以下，以免压降太高。

表1 比较两种床层高度的压降

表2 不同床层高度时，热效率随切换时间的变化

5 目前存在的问题

目前蓄热式焚烧技术虽然有很多优点，但也存在一些不足。

5.1 蜂窝陶瓷的使用寿命不高

目前国内蜂窝陶瓷的使用寿命均不是很高，焚烧炉蓄热体内的蜂窝陶瓷使用寿命一般都均在4～6个月左右，随着蓄热床压差的增高，证明蓄热体内的陶瓷存在碎裂、SiO2堵塞等情况，需清理回填后方可继续运行。造成以上问题的原因主要有两点。

(1)材料问题。蜂窝陶瓷长期工作在急冷急热、带有腐蚀性气体的恶劣环境中，经常承受着高温作用和因内外温差变化而引起的应力作用。增加蓄热陶瓷的密度，抗热震稳定性就会变差。

(2)偏流问题。在排烟阶段，烟气流经蜂窝陶瓷时将热量贮存在蓄热体内，加热蜂窝陶瓷，在燃烧阶段，废气流经蜂窝陶瓷时被加热，余热被重新带回炉内，即在冷、热周期间之间切换。如果气体在蓄热体内出现偏流，经过若干次换向后容易导致蜂窝陶瓷局部高温而产生热应力，当超过承受极限时，蜂窝陶瓷就会碎裂。

5.2 RTO节能效果不确定

(1)通过蜂窝陶瓷的烟气量不确定。在不影响燃烧效果的前提下，增加流经蓄热体的烟气量，是制约蓄热式燃烧技术节能效果的瓶颈。

(2)蜂窝陶瓷体积大小不确定。蓄热体内陶瓷的多少、烟气温度、陶瓷的传热系数、比表面积、比热容等都对RTO的节能效果产生影响。

(3)蓄热体内气流的均匀性不确定。蓄热体内气流分布状况将影响蓄热体的热交换能力，预热温度、蜂窝陶瓷的使用寿命，所以提供蓄热体内气体分布的均匀性是一个迫切需要解决的问题。

6 结语

随着碳纤维各生产厂商产能不断扩大，如何将碳纤维生产的废气通过焚烧炉既能达到环保排放要求，又能实现节能减排和连续稳定运行，是当前头等大事。比如氧化废气中含有机硅化物，硅在高温下氧化为二氧化硅而呈玻璃态状，它可以使陶瓷矩鞍环结块成团和堵塞蜂窝填料的小孔，从而引发床层压降升高。如何提高气速，开放高效的蓄热体来缩小装置的容积，借以降低投资成本，如何改进切换阀来延长其使用寿命等，已成为当前RTO装置研究的发展方向。