對于有毒、有害、不須回收的 VOC, 熱氧化法是一種較徹底的處理方法。它的基本原理是 VOC與 O2 發(fā)生氧化反應, 生成CO2 和 H20, 化學方程式如下:

aCxHyOz+bO2→cCO2+dH2O

這種氧化反應很像化學上的燃燒過程, 只不過由于 VOC 的濃度太低, 所以反應中不會產生可見的火焰。氧化法一般通過以下兩種方法使氧化反應能夠順利進行:一是加熱, 使含 VOC 的廢氣達到氧化反應所需的溫度; 二是使用催化劑, 氧化反應在較低的溫度下在催化劑表面進行。本文主要介紹熱氧化法。

熱氧化法可分為三種: 熱力燃燒式、間壁式和蓄熱式。它們的主要區(qū)別在于熱量回收方式的不同。三種方法都可以和催化法結合起來以降低反應溫度。

a. 熱力燃燒式熱氧化器。熱力燃燒式熱氧化器一般指的是氣體焚燒爐。它由助燃劑、混合區(qū)和燃燒室組成。助燃劑 (天然氣、 石油等) 作為輔助燃料, 燃燒產生的熱在混合區(qū)對 VOC 廢氣進行預熱, 燃燒室為預熱后的廢氣提供足夠大的空間和足夠長的時間以完成最終的氧化反應。

在供氧充足的前提條件下, 氧化反應的程度(影響最終的VOC 去處率)取決于“三 T條件” : 反應溫度(Temperature)、駐留時間(Time)、湍流混合情況(Turbulence)。這 “三 T 條件”是互相聯(lián)系的, 在一定范圍內改善一個條件可使另外兩個條件降低。熱
力燃燒式熱氧化器的一個最大缺點是輔助燃料價格太高, 致使裝置的操作費用很高。

b. 間壁式熱氧化器。間壁式熱氧化是指在熱氧化裝置中加入間壁式熱交換器, 熱交換器把從燃燒室排出的高溫氣體所帶的熱量傳遞給氧化裝置進口處的低溫氣體, 預熱后發(fā)生氧化反應。

由于目前的間壁式熱交換器最高可獲得 85%的熱回收率,所以極大地降低了輔助燃料的消耗。

間壁式熱交換器通常設計成管式、殼式或板式。由于通常的熱氧化溫度要保持在 800℃—1000℃, 所以間壁式熱交換器必須由耐熱、耐腐蝕的不銹鋼或合金材料制成。這就使得間壁式熱交換器的造價很高, 這是間壁式熱氧化器的一個缺點。同時材料的熱應力也不易消除, 這是間壁式熱氧化器的另一個缺點。

c. 蓄熱式熱氧化器。蓄熱式熱氧化器(Regenerative Thermal Oxidizer , 以下簡稱RTO), 是在熱氧化裝置中加入蓄熱式熱交換器, 預熱 VOC 廢氣, 再進行氧化反應。

隨著蓄熱材料的發(fā)展, 目前蓄熱式熱交換器的熱回收率已能達到95%以上, 而且占用空間越來越小。這樣輔助燃料的消耗很少(甚至不用輔助燃料, 且當 VOC 的濃度達到一定值以上時, 還可從 RTO 輸出熱量)。同時, 由于目前的蓄熱材料都選用陶瓷填料, 所以可處理腐蝕性或含有顆粒物的 VOC 廢氣。

RTO 裝置又可分為閥門切換式和旋轉式。

閥門切換式 RTO 是最常見的一種 RTO。其由兩個或多個陶瓷填充床, 通過閥門的切換, 改變氣流的方向, 從而達到預熱VOC 廢氣的目的。圖 1 是典型的兩床式 RTO 示意圖及工作原理。

兩床式 RTO 主體結構由燃燒室、兩個陶瓷填料蓄熱床和兩個切換閥組成。當 VOC 廢氣由引風機送入蓄熱床1后, 該床放熱, VOC 廢氣被加熱, 在燃燒室氧化燃燒, 氣體通過蓄熱床 2, 該床吸熱, 燃燒后的潔凈氣被冷卻, 通過切換閥后排放。在達到規(guī)定的切換時間后, 閥切換, VOC 廢氣從蓄熱床 2 進入, 蓄熱床 2放熱, VOC 廢氣被氧化燃燒, 氣體通過蓄熱床 1, 該床吸熱, 燃燒后的潔凈氣被冷卻, 通過切換閥后排放。如此周期性切換, 就可連續(xù)處理 VOC 廢氣。

近年來, 國外又研制開發(fā)出旋轉式 RTO。該裝置由一個燃燒室、一個圓柱形分成幾瓣獨立區(qū)域的陶瓷蓄熱床和一個旋轉式轉向器組成。通過旋轉式轉向器的旋轉, 就可改變陶瓷蓄熱床不同區(qū)域的氣流方向, 從而連續(xù)地預熱 VOC 廢氣, 在燃燒室氧化燃燒后就可去除 VOC。

相對于閥門切換式 RTO, 旋轉式RTO由于只有一個活動部件(旋轉式轉向器) , 所以運行更可靠, 維護費用更低, 但缺點是旋轉式轉向器不易密封, 泄露量大, 影響 VOC 的凈化率。

4 RTO 裝置的國內外情況

熱力燃燒式熱氧化器 (氣體焚燒爐) 的使用可以追溯到十九世紀, 后來隨著能源危機, 在氧化裝置中普遍開始使用能量回收系統(tǒng)。

間壁式熱交換器是熱氧化器的第一代熱回收系統(tǒng), 其熱回收率最高可達 85% , 在 1980 年之前間壁式熱交換器是最先進的熱回收系統(tǒng)。

二十世紀 70 年代初, 蓄熱式熱交換器也在熱氧化器上開始了應用。 但由于最初的蓄熱式熱交換器使用格子磚等蓄熱填料不僅結構龐大, 而且熱回收率也趕不上間壁式熱交換器。其后由于不斷有新的蓄熱填料應用于蓄熱式熱交換器, 使其得到了不斷的發(fā)展。目前, RTO 的熱回收率已能達到 95%以上。

1990 年以后, 隨著發(fā)達國家對 VOC 控制的立法, RTO 得到了迅猛的發(fā)展。發(fā)展最快的是美國。1990 年, Reeco、 SmithSalem、 Huntington 四家公司的 RTO 產值都超過了 1 000 萬美元。

歐洲以德國發(fā)展最快, Durr 公司已成為全世界最大的 RTO制造商。1995 年之后, 日本、意大利、瑞典等國也開始了 RTO 的研制、開發(fā)、生產, 出現(xiàn)了許多 RTO 生產公司。

目前國內已有上百套國外進口的 RTO 裝置在運行, 如美國SMITH 公司在廣州松下電路板生產線上建立了一套, 美國MONSANTO 公司在鋁箔生產線上建立了一套, 美國 Megtec公司在江蘇昆山建立了 3 套。

天華化工機械及自動化研究設計院瑞瑪公司聯(lián)合廣東森洋環(huán)境保護工程設備有限公司在國內首家研制成功 RTO。公司的RTO 技術是 2002 年國家重點環(huán)境保護實用技術, 2002 年國家火炬計劃項目, 2002 年國家重點新產品, 2002 年獲得國家實用新型專利授權(ZL01208840.4) 。已在日本積水化學公司廊坊工廠、芬蘭太爾膠粘劑(廣東) 有限公司、樂凱集團、中石化鎮(zhèn)海煉油股份有限公司等十幾家公司尾氣處理中得到成功應用。

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