揮發(fā)性有機(jī)物( Volatile Organic Compounds，簡稱VOCs)通常是指在常壓下沸點(diǎn)＜260 ℃或標(biāo)準(zhǔn)狀況下飽和蒸氣壓＞0.13 k Pa 的有機(jī)化合物，這類物質(zhì)種類繁多，多數(shù)具有毒性[3]。 當(dāng)前 VOCs 的末端處理技術(shù)包含兩，第一類是回收法，即采用物理方法將VOCs回收； 第二類是消除法， 即通過生化反應(yīng)將VOCs 氧化分解為無毒或低毒物質(zhì)的破壞性方法 。 具體方法上，前者包括冷凝法、吸附法、吸收法[5-6]。后者有燃燒法、生物法、膜技術(shù)、光催化降解和等離子技術(shù)[7-8]。 燃燒法是目前應(yīng)用比較廣泛的有機(jī)廢氣治理方法，主要包括直接燃燒法、熱力燃燒和催化燃燒法。 直接燃燒是將VOCs當(dāng)作燃料，通過熱反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)樗投趸?，去除效率可達(dá)95%以上。 催化燃燒法是在催化劑的作用下，使有機(jī)廢氣中的碳?xì)浠衔镌跍囟容^低的條件下迅速氧化成水和二氧化碳。燃燒法主要適用于成分復(fù)雜、高濃度的VOCs氣體，具有效率高、處理徹底等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)廢氣中有機(jī)物濃度較低時(shí)，采用燃燒法能耗較大。 為了提高熱利用效率，降低設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用，近年來發(fā)展了蓄熱式熱氧化焚燒爐（RTO），并得到了廣泛應(yīng)用。 蓄熱系統(tǒng)是使用具有高熱容量的陶瓷蓄熱體，采用直接換熱的方法將燃燒尾氣中的熱量蓄積在蓄熱體中，高溫蓄熱體直接加熱待處理廢氣，換熱效率可達(dá)到 90%以上，而傳統(tǒng)的間接換熱器的換熱效率一般只有50%~70%。

1蓄熱式熱力焚燒爐（RTO）的工作原理

在眾多 VOCs 治理方法中， 蓄熱燃燒法被認(rèn)為是凈化效率最高、最節(jié)能的方法。 其關(guān)鍵設(shè)備就是蓄熱式 熱 力焚 化爐 （Regenerative Thermal Oxidizer，簡 稱 為“RTO”）。 RTO 設(shè)備技術(shù)在我國經(jīng)過十幾年的發(fā)展 ，已經(jīng)從早期的 “2 室 RTO” 發(fā)展到第二代技術(shù)的“3 室RTO”,近年國內(nèi) RTO 生產(chǎn)廠又成功實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破 ，發(fā)展出具有 12 個(gè)室、第三代技術(shù)的“旋轉(zhuǎn)式 RTO”。RTO 主要包括蓄熱室 、氧化室 、風(fēng)機(jī)等 ；有機(jī)廢氣首先經(jīng)過蓄熱室預(yù)熱， 然后進(jìn)入氧化室升溫到 800 ℃左右，廢氣中的VOCs 氧化分解成CO2和 H2O（見圖1）。

2.1 第一代 RTO

第一代 RTO 是兩床式結(jié)構(gòu)（見圖 2），由兩個(gè)陶瓷蓄熱體填料床組成， 以最簡單的一進(jìn)一出過程完成“蓄熱 ”和 “放熱 ”過程的切換 。兩床式 RTO 的一個(gè)蓄熱室通過 VOCs 廢氣進(jìn)行氧化焚燒， 另一個(gè)蓄熱室通過分解后的高溫凈化空氣，將燃燒熱留在蓄熱體內(nèi)，凈化空氣降溫后經(jīng)煙囪排出。兩個(gè)蓄熱室的蓄熱和放熱功能交替通過4 個(gè)互鎖高溫切換閥實(shí)現(xiàn)。 兩床式 RTO 能夠有效凈化 VOCs廢氣同時(shí)降低系統(tǒng)外部能耗，但是其結(jié)構(gòu)簡單，閥組切換廢氣流向時(shí)易將蓄熱室底層未充分分解的 VOCs廢氣帶出蓄熱室，影響凈化效率。

2.2 第二代 RTO

目前在 VOCs 處理業(yè)界， 國內(nèi)外廠商通常采用的是三床式 RTO（見圖 3）。

三床式 RTO 同樣是采用閥門切換式，由 3 個(gè)或多個(gè)陶瓷填充床組成, 在第一代RTO的基礎(chǔ)上增加了“吹掃”功能，在三床式 RTO 閥組切換時(shí)， 原來通過VOCs 廢氣的蓄熱室由吹掃風(fēng)機(jī)送入大量潔凈空氣， 將殘余 VOCs 廢氣吹入氧化室進(jìn)行氧化分解。

廢氣通過蓄熱床A 被預(yù)熱， 然后進(jìn)入燃燒室燃燒，蓄熱床C 中殘留未處理廢氣被凈化后的氣體反吹回燃燒室進(jìn)行焚燒處理（吹掃功能），分解后的廢氣經(jīng)過蓄熱床 B 排出，同時(shí)蓄熱床 B 被加熱。廢氣通過蓄熱床 B 被預(yù)熱， 然后進(jìn)入燃燒室燃燒，蓄熱床 A 中殘留未處理廢氣被凈化后的氣體反吹回燃燒室進(jìn)行焚燒處理，分解后廢氣經(jīng)過蓄熱床 C 排出，同時(shí)蓄熱床 C 被加熱。廢氣通過蓄熱床 C 被預(yù)熱， 然后進(jìn)人燃燒室燃燒，蓄熱床 B 中殘留未處理廢氣被凈化后的氣體反吹回燃燒室進(jìn)行焚燒處理分解后廢氣經(jīng)過蓄熱床A 排出，同時(shí)蓄熱床A 被加熱。工程應(yīng)用表明， 三床式 RTO 的 VOCs 的最高分解效率可達(dá) 99%，

最大綜合熱效率可達(dá) 95%，進(jìn)出口溫差在 40 ℃左右。 在閥切換時(shí)，廢氣管道內(nèi)的壓力波動在±250 Pa。三床式 RTO 的 VOCs 處理質(zhì)量濃度不能超過5 g/m3，不然會超過北京和上海的地方排放標(biāo)準(zhǔn)。另外由于其比表面積較大所以自身運(yùn)行散熱量較大，降低了可供回用的余熱量。 除此之外，由于每次閥組切換瞬間，廢氣管道內(nèi)負(fù)壓條件受沖擊，對于精密涂布等行業(yè)會對產(chǎn)品工藝產(chǎn)生影響，系統(tǒng)壓力波動較大，比如成品溶劑殘留量的波動。 三床式RTO 具有六個(gè)高溫切換閥和三個(gè)吹掃閥，閥組平均 20 s 切換一次，連續(xù)工作時(shí)往復(fù)運(yùn)動、沖擊較大，每年切換次數(shù)高達(dá)一百萬次。當(dāng)閥組中任意閥體損壞時(shí)，三床式RTO則無法正常工作。

2.3 第三代RTO

爐體分為了12 個(gè)扇區(qū)， 對 12 個(gè)扇區(qū)又進(jìn)行了 4個(gè)功能區(qū)的劃分（見圖 4），4 個(gè)功能分區(qū)分別是：吹掃區(qū)、加熱區(qū)、冷卻區(qū)、死區(qū)。 爐體自上而下又分為了 5個(gè)室（見附圖），分別為：燃燒室、換熱室、導(dǎo)流室、出入室、 吹掃室。 廢氣首先進(jìn)入加熱區(qū)， 然后依次經(jīng)過導(dǎo)流室，換熱室、燃燒室、在燃燒室高溫燃燒后，再經(jīng)過冷卻區(qū)，進(jìn)入冷卻區(qū)時(shí)分別又依次經(jīng)過換熱室、導(dǎo)流室、出入室然后進(jìn)入煙沖，達(dá)標(biāo)排出。 廢氣進(jìn)入加熱區(qū)時(shí)， 由于氧化分解后產(chǎn)生的熱量存儲在陶瓷磚內(nèi)，此時(shí)廢氣自下向上經(jīng)過加熱區(qū)時(shí)溫度會急劇上升，直到廢氣進(jìn)入燃燒室燃燒后，達(dá)標(biāo)的氣體自上而下又經(jīng)過冷卻區(qū)，把溫度又存儲在了陶瓷蓄熱磚里為下一次循環(huán)廢氣進(jìn)入存儲熱能，達(dá)標(biāo)的氣體依次經(jīng)過冷卻區(qū)的換熱室、導(dǎo)流室、出入室最后進(jìn)入煙囪排入大氣。

第三代 RTO 采用旋轉(zhuǎn)式分流導(dǎo)向，在爐膛內(nèi)設(shè)置多個(gè)等份的陶瓷填料床，通過旋轉(zhuǎn)換向閥的轉(zhuǎn)動把有機(jī)廢氣導(dǎo)向各個(gè)蓄熱床進(jìn)行預(yù)熱和氧化分解。 旋轉(zhuǎn)式RTO 主要由燃燒室 、陶瓷填料床和旋轉(zhuǎn)閥等組成 。 爐體分成 12 個(gè)陶瓷填料床，其功能分為 5 個(gè)進(jìn)氣室（預(yù)熱區(qū)）、5 個(gè)出氣室 （冷卻區(qū)）、1 個(gè)吹掃室和1 個(gè)隔離室。 廢氣分配閥由電機(jī)帶動，作連續(xù)、勻速轉(zhuǎn)動，在分配閥的作用下，廢氣緩慢地在 12 個(gè)室之間依次通過。廢氣經(jīng)進(jìn)氣分配器進(jìn)入預(yù)熱區(qū)，使廢氣預(yù)熱到一定溫度后進(jìn)入頂部的燃燒室，并完全氧化分解。 凈化后的高溫氣體離開燃燒室，進(jìn)入冷卻區(qū)，將熱量傳給陶瓷蓄熱體，而氣體被冷卻，并通過氣體分配器排出。 冷卻區(qū)的陶瓷蓄熱體吸熱，“儲存”大量的熱量用于下個(gè)循環(huán)加熱廢氣。

如此不斷地交替進(jìn)行， 廢氣在燃燒室內(nèi)氧化分解，當(dāng)廢氣中 VOCs 濃度超過一定值，氧化分解釋放熱量足以維持燃燒室的反應(yīng)溫度時(shí)，則不需要用燃料進(jìn)行加熱，最大限度的保證能量循環(huán)利用。旋 轉(zhuǎn) 式 RTO 的 VOCs 的 最 高 分 解 效 率 可 達(dá)99.5%。

（1）表面散熱

在廢氣處理量均為 30 000 Nm3/h 風(fēng) 量 規(guī)模 情況下， 兩床式、 三床式和旋轉(zhuǎn)式 RTO 表面積分別為95m2、145 m2和 86 m2。 旋轉(zhuǎn)式RTO 表面積比兩床式、三床式分別降低 9.5%和 41%。 這表明，旋轉(zhuǎn)式 RTO 有著更小的比表面積，從爐體結(jié)構(gòu)角度看熱量損失較小。

（2）進(jìn)出口溫差

兩床式、三床式RTO 一般情況下 2~3 min 進(jìn)行一次“蓄熱-放熱”工況交換，每小時(shí)的平均“蓄熱-放熱”工況交換頻率為 20~30 次， 也就是每次蓄熱時(shí)間在120 s 以 上 。 旋 轉(zhuǎn) 式RTO 一 般情 況 下旋 轉(zhuǎn)閥 工 作為1.5 r/min，蓄熱室 “蓄熱-放熱 ”工況交換頻率為每小時(shí)90 次 ，也就是每次蓄熱時(shí)間為40 s 左右 。 由于 “蓄熱-放熱”工況交換頻率高，這樣在相同的蓄熱室氣流長度情況下，旋轉(zhuǎn)式RTO 的熱量吸收更充分，放熱也更充分。經(jīng)實(shí)際測試，兩床式、三床式和旋轉(zhuǎn)式RTO 氣體進(jìn)出口溫差分別為 45 ℃、40 ℃和 20 ℃。這表明，旋轉(zhuǎn)式 RTO 有著更強(qiáng)的余熱利用能力，可以充分將廢氣燃燒余熱儲存利用。

3.2 吹掃風(fēng)量

兩床式 RTO 無吹掃功能。 三床式 RTO 總的蓄熱磚填充量為 42 m3， 吹掃時(shí)對其中1/3 蓄熱室進(jìn)行吹掃， 吹掃蓄熱磚體積為 14 m3。 旋轉(zhuǎn)式 RTO 總的蓄熱磚填充量為 15 m3， 吹掃時(shí)對其中 1/12 蓄熱室進(jìn)行吹掃，吹掃蓄熱磚體積為 0.8 m3。單位時(shí)間內(nèi)三床式和旋轉(zhuǎn)式 RTO 吹掃風(fēng)量分別為 5 000 Nm3/h 和 3 000 Nm3/h。 吹掃風(fēng)通常取自煙筒前的排氣 ，溫度一般＜60 ℃，且?guī)缀鯖]有 VOCs 可燃成分，因此，吹掃風(fēng)量越大越消耗能源。

3.3 開機(jī)升溫時(shí)間

二床式 RTO 總的蓄熱磚填充量為28 m3， 三床式RTO 總的蓄熱磚填充量為 42 m3，旋轉(zhuǎn)式 RTO 總的蓄熱磚填充量為 15 m3。 在冷爐啟動工況下，兩床式、三床式和旋轉(zhuǎn)式 RTO開機(jī)升溫時(shí)間分別為 2 h、3 h 和1.5 h。 旋轉(zhuǎn)式 RTO 開機(jī)升溫時(shí)間分別是兩床式 、三床式的 3/4 和 1/2，節(jié)約了啟爐過程中燃料的消耗。此外，針對業(yè)主單位作業(yè)不連續(xù)造成廢氣間斷的情況，可以采用悶爐保溫技術(shù)。 在設(shè)備關(guān)機(jī)后，關(guān)閉所有閥門，12 h 后爐內(nèi)溫度仍可維持在 400 ℃以上，再次點(diǎn)火開機(jī)，30~60 min 即可使?fàn)t內(nèi)溫度達(dá)到800 ℃，節(jié)約啟爐能耗。

3.4 自運(yùn)行濃度

自運(yùn)行濃度是指當(dāng) VOCs 質(zhì)量濃度達(dá)到某一下限時(shí)（同時(shí)低于爆炸下限），其燃燒熱量可平衡爐體熱輻射損失和廢氣溫度升高所需要的能量。 此時(shí)，RTO 即可維持自運(yùn)行狀態(tài)，不再需要額外消耗其他燃料。 由于散熱面積不同、“蓄熱-放熱”工況交換頻率不同、吹掃能耗不同、排氣溫度不同、蓄熱磚填充量不同等，最終運(yùn)行測試平均結(jié)果，兩床式、三床式和旋轉(zhuǎn)式 RTO 平均自運(yùn)行質(zhì)量濃度分別為 2.3 g/m3、2.5 g/m3 和 1.8 g/m3。

3.5 舉例計(jì)算

RTO 表面溫度比正常高10 ℃， 在環(huán)境風(fēng) 3 級 （5m/s）條件下 ，以 3 萬風(fēng)量計(jì)算額外消耗的燃?xì)饬?。計(jì)算條件具體為:平均風(fēng)速: 5 m/s;平均環(huán)境溫度:20 ℃；理想平均爐溫 ：50 ℃;實(shí)際平均爐溫: 60 ℃；已知3 萬 RTO 爐體直徑 Dav= 4.2m, 經(jīng)估算得 RTO 爐體+高溫管道散熱面面積(Ftw) 為 74 m2。 再通過各種參數(shù)的計(jì)算，如爐壁對流傳熱系數(shù)、爐壁熱輻射放熱系數(shù)、爐壁對流傳熱系數(shù)、爐體熱損失等，最終得出:每小時(shí)爐體散失熱量等效為 3.83 m3 天然氣燃燒所釋放的熱量。結(jié)論：3 萬風(fēng)量 RTO 在三級風(fēng)速 （5 m/s） 的條件下，外表面溫度從 50 ℃增加到 60 ℃，每小時(shí)多消耗1.02 m3天然氣。爐 體 外 表 面 的 總 散 熱 系 數(shù) 可 以 大 概 用 12.5w(m2·℃)來計(jì)算 ，具體散熱量可乘以爐體表面積和與環(huán)境溫度的溫差來計(jì)算。工程應(yīng)用表明，旋轉(zhuǎn)式 RTO 的熱效率可達(dá) 97%，其進(jìn)出口溫差 20 ℃左右， 最大限度地降低了RTO 運(yùn)行中的熱損失，保證了熱能的二次回收利用。 旋轉(zhuǎn)閥的平穩(wěn)連續(xù)轉(zhuǎn)動，對廢氣管道的壓力影響僅為±25Pa，對于生產(chǎn)光學(xué)材料的廠家來說極其重要。 由于具有很高的分解效率，旋轉(zhuǎn)式 RTO 的 VOCs 入口廢氣質(zhì)量濃度可高達(dá) 10 g/m3。

4 旋轉(zhuǎn)式 RTO 的優(yōu)點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)式 RTO 是第三代 RTO， 在各方面性能及后期維護(hù)費(fèi)用上都全面優(yōu)于床式 RTO， 表 2 為旋轉(zhuǎn)式RTO 與傳統(tǒng)兩床 、三床 RTO 的性能對比 。

（1）占地面積小 、結(jié)構(gòu)緊湊

旋轉(zhuǎn)式 RTO 爐體均勻分為 12 個(gè)蓄熱室， 根據(jù)功能分為 5 個(gè)放熱區(qū)、5 個(gè)蓄熱區(qū)、1 個(gè)死區(qū)和 1 個(gè)吹掃區(qū)。 12 個(gè)蓄熱室在圓周上均勻分布，爐體直徑在 8 m以內(nèi)，占地面積??；

（2）運(yùn)行平穩(wěn)、無沖擊

兩床式和三床式 RTO 使用高溫切換閥改變 VOCs廢氣流向，達(dá)到蓄熱室功能切換的目的，旋轉(zhuǎn)式 RTO使用廢氣旋轉(zhuǎn)分配閥改變廢氣流向。 廢氣旋轉(zhuǎn)分配閥通過電機(jī)傳動，運(yùn)行速度緩慢，平均 15 s 切換一個(gè)蓄熱室，設(shè)備壓力無波動；

（3）設(shè)備關(guān)鍵件壽命長

廢氣旋轉(zhuǎn)分配閥在驅(qū) 動 電機(jī) 帶動 下 以 7.5 min/r的速度旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行平穩(wěn)，不會產(chǎn)生沖擊，密封面經(jīng)過研磨具有良好的氣密性， 制造材料具有高度的耐高溫、耐腐蝕特性，設(shè)計(jì)壽命長達(dá) 20 a。

（4）系統(tǒng)無功運(yùn)行要求低

由于 旋轉(zhuǎn) 式RTO 結(jié)構(gòu) 緊湊 ， 蓄 熱室 面積 不 大，VOCs 反應(yīng)熱足夠系統(tǒng)無功運(yùn)行 ；

（5）凈化效率 、綜合熱效率高

旋轉(zhuǎn)式 RTO 包含 12 個(gè)蓄熱室， 設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)5 個(gè)放熱室通入 VOCs 廢氣 ， 對應(yīng) 5 個(gè)蓄熱室通過凈化后的高溫氣體進(jìn)行蓄熱。 在蓄熱室功能由放熱切換為蓄熱的過程中，需要先通入吹掃風(fēng)，保證凈化效率。由于旋轉(zhuǎn)式RTO 蓄熱室面積遠(yuǎn) 小于 三 床式 RTO，所以小風(fēng)量即可完成吹掃，有效減少熱損失，提高綜合熱效率；

（6）經(jīng)濟(jì)性

從設(shè)備制造的經(jīng)濟(jì)性能來看， 以 3 萬風(fēng)量為例，兩 床 式、 三 床 式 和 旋 轉(zhuǎn) 式 RTO 的 保 溫 面 積 分 別 為19m3、29mm3和 14m3， 相對應(yīng)的蓄熱陶瓷填充量分別為 28m3、42m3 和 15m3。 旋轉(zhuǎn)式 RTO 的蓄熱陶瓷填充量比兩床式、三床式分別減少46%和 64%。 大量節(jié)省了蓄熱陶瓷的使用量，降低了制造成本。 此外，制造原材料的減少，也使旋轉(zhuǎn)式 RTO 質(zhì)量降低至 57t。 該質(zhì)量分別是兩床式、三床式的 84%和 56%。 但是由于旋轉(zhuǎn) RTO 是圓形整體制造的， 相對于兩床式、 三床式RTO 運(yùn)輸成本高是其最大的弱點(diǎn) 。