RTO工艺处理有机废气风量设计探讨

目前，针对挥发性有机废气净化处理已经开发出了很多方法，并已经在工业中获得成功应用。总结主要有以下几类：一是热力学方法，比如冷凝法、吸收法、吸附和膜分离法；二是化学方法，比如直接燃烧法、热力燃烧法、催化燃烧法、蓄热式热力燃烧法；三是生化方法，比如生化过滤法、生化洗涤法和生物膜分离法等。当然，每种方法均有其适用的场合，也都有一定的局限性。其中，蓄热式热力燃烧法经过十几年的发展，由于其去除效率 ≥ 99% ，热回收效率 ≥ 95% ，处理VOCs范围广，经济性好等特点，在医药化工、涂装行业、橡胶轮胎行业等均得到了广泛应用[2-5]。

针对小风量、低含氧量、高浓度且无回收利用价值的有机废气，企业通常更倾向于燃烧工艺彻底氧化分解。但对于该类废气，采用RTO工艺需要特别关注废气浓度问题。首先，废气浓度是否超过1/4LEL，这涉及到安全性；第二，当废气浓度在维持自运行浓度之上，但小于1/4LEL时，需要考虑炉膛超温现象；第三，当废气浓度控制在维持自运行浓度以下时，需要考虑补充燃料的问题。因此，通常对于高浓度废气需经过新风稀释后进入RTO进行高温氧化处理后排放。而设计风量的大小直接影响RTO的投资成本及运行成本。本文主要探讨采用新风稀释废气进RTO工艺的风量设计，确定最优的设计风量，为工程应用作为参考。

1 .废气风量、组分、浓度物性分析

VOCs废气常见废气组分有甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、甲醇、乙醇、丙酮等。对于单一组分的有机废气，废气燃烧热值即为单一该组分的燃烧热值，通常混合有机物组分存在的情况居多。混合有机物燃烧热值计算公式如下：

Q总=Q1×a1+Q2×a2+?+Qn×an(1)

混合有机物的相对分子质量为：

M总=M1×a1+M2×a2+?+Mn×an(2)a1+a2+?+an=1(3)

其中，Q1、Q2、Qn分别是各组分的燃烧热值，KJ/mol；M1、M2、Mn分别是各组分的相对分子质量；a1、a2、an分别是各组分的占比。

废气风量为 Am3/h，浓度为 Bmg/m³，则废气负荷C为：

C=A×B×10^?6kg/h(4)

新风稀释风量为 Dm³/h，浓度为 0mg/m³，则稀释后的废气浓度为：(A×B)/(A+D)mg/m³，稀释后废气负荷不变。废气单位时间燃烧热值为：

H燃烧热=A×B×Q总/M总×10^?3KJ/h(5)

由上式可知，废气单位时间燃烧热值与废气物性（燃烧热值、相对分子质量）、负荷相关，新风稀释仅影响废气处理风量及浓度。

2 进RTO废气风量对RTO运行的影响

现以某化工企业VOCs废气治理项目为例进行分析。废气情况如下表₁所示。

表₁ 某化工企业VOCs废气情况表

 

 

由以上表₁数据可知，废气负荷为 8.4?20.4 kg/h ，单位时间燃烧热值为 189554.4?460346.4 KJ/h ，即 45304?110023 Kcal/h 。该废气风量较小，浓度波动较大。已知甲醇的爆炸极限下限为6%，即对应的1/4LEL浓度为 21.455g/m3，该值远大于该废气最大浓度 3400mg/m3，因此，不存在爆炸风险。因此，本项目只需考虑RTO炉超温问题，为此，进行了以下浓度、风量分析。

在不同风量及对应的浓度的情况下，对RTO维持自运行的影响分析如图1所示。

由图1可知，随着废气进行稀释，风量增加的时候，废气的浓度（最低、最高）逐渐减小，而废气维持自运行所需浓度为 2215mg/m3，因此并不是稀释的风量越多越好。当然，由图1也可以看出，当稀释风量较少时，最高浓度若一直远大于 2215mg/m3时，会存在长期超温现象。当控制最高浓度在维持自运行所需浓度附近时最为合适。此时，控制风量在 8000?10000m3/h即可。

 

在不同风量及对应的浓度的情况下，对RTO冷启动及自运行所需热量进行分析如下图2所示。

 

 

由图2可知，随着风量的增加，RTO自运行和冷启动所需的热量也是线性增加，当控制风量在 8000?10000m3/h时，既可以减少冷启动所需热量，也可在废气浓度较高的情况下保证RTO的自运行情况。

综上所述，建议设计处理风量为 9000m3/h，即需再增加 3000m3/h新风进行稀释即可。此时，废气浓度控制在 933?2267mg/m3之间。此时，RTO冷启动时，设计经过2h用1/3处理风量的新风使得炉膛温度升至 800?C，需要消耗的热量为 358420 Kcal/h ，即天然气的用量约 42m3/h ，单次冷启动天然气总用量为 84m3。维持自运行需要消耗的热量为 107526 Kcal/h ，而废气可提供的热量为 45304?110023 Kcal/h ，当废气提供热量为 45304 Kcal/h 时，需补充的天然气量约 7.3m3/h，当废气提供热量为 110023 Kcal/h 时，不需要消耗天然气，RTO炉温会有小幅度升高，可通过RTO热旁通管路调节阀开启一定开度来调节炉膛温度在正常范围内。当浓度在 933?2267mg/m3之间，RTO的去除效率为 99% 时，RTO出口浓度控制在 9.33?22.67mg/m3，该值远低于排放标准限值要求，从而保证了稳定达标排放。

3 新风稀释导致的氧含量折算问题分析

众所周知，国家颁布的GB37823-2019、GB37822-2019等标准均规定：进入RTO的废气需要补充新风（燃烧器需要补充的助燃空气除外）进行燃烧的，烟囱出口浓度应换算为基准氧含量为3%的大气污染物基准排放浓度[6-7]。这对于高含氧量高浓度的有机废气而言，若采用新风稀释进RTO进行处理后，排放浓度根据折算后会非常高，难以达到排放标准要求。因此，本设计思路主要是针对低含氧量、小风量、高浓度废气可采用该设计思路进行设计。本项目废气氧含量 ≤ 10% ，实测大气污染物排放质量浓度在 9.33?22.67mg/m3之间，换算为大气污染物基准排放质量浓度约实测浓度的2.5倍，即 23.33?56.68mg/m3，小于排放限值（ 60mg/m3）的要求。对于高含氧量高浓度废气不适合采用燃烧工艺，因为经过氧含量折算后出口浓度很难控制在排放标准限值范围内，建议可直接采用吸附、吸收、冷凝、生物、膜分离等其他VOCs处理工艺进行处理。当然，还需注意的是，对于小风量、低含氧量、高浓度废气，采用新风稀释时，仍需控制引新风的量在合理范围内，使得系统内的氧含量在较低水平时保证达标排放。

4 .结论

对于小风量、低含氧量、高浓度有机废气采用RTO工艺进行处理时，在技术层面上，可从安全性、达标性和运行能耗的角度出发，在保证安全性的前提下，尽量控制设计风量、浓度在合理的范围内，这样不仅有效降低投资成本和运行成本，且可保障稳定、达标排放的要求。本文工艺设计思路对VOCs废气采用蓄热式燃烧法治理具有普适性，对该领域工程设计人员从事相关设计时具有一定参考性。

参考文献

[1] 陆震维. 有机废气的净化技术[M]. 北京：化学工业出版社，2011.

[2] 孙浩. 蓄热式热氧化废气处理工艺的安全设计问题探讨[J]. 上海节能，2020（11）：1309-1311.

[3] 胡德盛. 浅析蓄热燃烧法有机废气治理系统安全性分析[J]. 石化技术，2020，27（11）：86-87.

[4] 张钟鑫，吴天飞. 提高RTO废气处理系统运行稳定性的探讨[J]. 当代化工研究，2020（17）：108-109.

[5] 李富盛. 蓄热式氧化炉（RTO）设计优化的探讨[J]. 化工管理，2020（17）：185-187.

[6] 生态环境部. 制药工业大气污染物排放标准：GB37823-2019[S]. 北京：中国环境科学出版社，2019.

[7] 生态环境部. 挥发性有机物无组织排放控制标准：GB37822-2019[S]. 北京：中国环境科学出版社，2019.

作者简介：何文龙（1993- ），男，硕士，环保工程师，主要从事VOCs废气治理工艺设计工作。