三室RTO在精细化工废气治理中的应用

毕道文(夏禾科技(江苏)有限公司，江苏 泰州 225400)

0 引言

随着我国精细化工行业不断发展，VOCS污染环境问题日益突出。VOCS在收集和处理过程中，可能会向周围环境逸散大量有异味有毒害的气体，不仅污染环境，还能危害周围人群健康[1-2]。如何治理好精细化工工业废气，是目前行业与环保监管部门最为关注的问题。

一般治理VOCS的方法包括：冷凝法、吸收法、吸附法、低温等离子法、催化氧化法等，这些VOCS治理工艺确实在一定程度上缓解了企业的环保压力。但面对当前精细化工频繁多变的生产工况，VOCS成分复杂且浓度波动较大，常规处理工艺不仅无法满足废气达标排放要求，还会造成环境二次污染。三室RTO由于净化效率高(高达99%以上)，适应废气中有机物组成和浓度的变化波动，目前在精细化工行业被广泛应用。

1 项目概况

以江苏某精细化工企业为例：该企业生产废气主要由车间反应釜、离心机、真空泵、干燥机及储罐等设施环节产生，主要废气组分包含：甲苯、二甲苯、DMF、叔丁醇、乙酸甲酯、甲醇、乙醇、叔戊醇、四氢呋喃、丙酮、二氯甲烷、二氯乙烷、乙腈、环己烷、吡啶、正丁醇、甲基环己烷、甲基叔丁基醚、1,4-二氧六环、异丙醇、氯苯、二氯苯、氯化氢、H2S、氨等成分。

进入三室RTO治理废气分别来源于：1#、2#车间普通工艺废气、罐区普通尾气、污水站收集废气以及工艺含卤废气。由于精细化工废气成分复杂、浓度较高、波动性大的特点，目前企业已对以上几股废气分别进行了收集和预处理，预处理主要除去废气中HCl、氨、H2S以及水溶性有机废气；另外车间产生的工艺含卤废气单独收集后，采用“冷凝+洗涤+树脂吸脱附”预处理工艺，将工艺含卤废气浓度降低至500 mg/m3以下，最后与其他废气混合进入三室RTO焚烧处理。

2 设计工艺

根据企业提供的设计风量为20 000 Nm3/h，进入RTO废气浓度，大部分时间一般测定VOCs的浓度为1 500～3 000 mg/m3范围内，有时候进气浓度甚至接近4 000 mg/m3左右。

根据国家或地方废气排放标准要求，本企业VOCS排放浓度满足≤化学工业挥发性有机物排放标准≥DB 32/3151—2016 表1挥发性有机物及臭气浓度排放限值，二噁英排放浓度满足≤大气污染物综合排放标准≥DB 32/4041—2021 表1大气污染物有组织排放限值。

根据以上废气特点及地方环保要求，设计如下废气处理工艺流程，如图1所示。

图1 废气处理工艺流程

各股废气经过前端收集和预处理后，通过引风机输送至RTO处理系统，废气经过入口洗涤塔去除废气成分的无机酸及水溶性的物质，经过除雾器去除废气中绝大部分水汽，再进入预热器对废气预热，降低管道冷凝情况的发生，后经系统风机送入RTO对有机废气进行氧化分解处理，经过RTO处理达标的烟气通过后置冷却塔降温后进入出口洗涤塔对氧化后烟气中的酸性物质中和吸收，经后置风机输送至排气筒，从而达标排放。

三室RTO是将有机废气加热升温至820～900 ℃之间，将废气中的有机物通过高温焚烧分解成CO2、H2O并释放出热量的过程。高温氧化释放出的热量被RTO蓄热体“贮存”起来。其运行时序如图2所示。

图2 运行时序

3 工艺设计特点

预处理的加强：本企业各股废气在汇入RTO之前，针对废气性质，分别采用了洗涤处理，降低酸性废气浓度；废气混合后，进一步通过RTO入口洗涤塔除去酸性气体，大大减少了对RTO的腐蚀，同时也提高了RTO运行寿命。

特别设计的间接预热器：预热能降低腐蚀，降低堵塞，增加系统安全性(防止有机积液产生)，但如何防止预热器腐蚀，如何防止800 ℃以上的两侧温差导致变形撕裂是其稳定运行的基础。但混合预热会导致烟气中的Cl和废气中的胺类物质生产盐类物质堵塞陶瓷，导致系统运行异常甚至无法运行。因此本企业采用间接预热设计方式，避免了烟气和废气直接接触，故不会有盐类物质生成。

一键反烤设计：由于废气中可能会形成盐类等堵塞陶瓷的物质，附着在陶瓷上容易堵塞下层陶瓷，难以清理。RTO设计了一键反烤模式，即将陶瓷底部的温度升高到 300 ℃左右，以使粘性物质气化或燃烧掉。当底部陶瓷被盐类物质堵塞时，能方便地通过一键反烤实现清理，一键反烤能避免使用水洗的方式清理陶瓷，水洗对陶瓷寿命、保温棉寿命都有影响，且需要烘炉产生大量天然气消耗和时间消耗。常见的陶瓷底部堵塞物质如氯化铵、硫化铵、焦油等，如：氯化铵加热至 100 ℃以上开始显著挥发，加热至 300 ℃时分解。如部分焦油在 300 ℃内能燃烧掉。对于盐类的堵塞问题，首先应尽量避免生成，比如盐类物质是废气总管过来的，可以增加水洗措施；若是在 RTO入口形成的，间接预热相比混合预热能大大降低盐类生成。

二噁英控制措施：实际运行中，由于RTO除去率≥98%，故在RTO处理中是不可能完全避免不产生二噁英的，因为RTO的蓄热陶瓷中总会有低温环境，但在温度高于850 ℃且燃烧时间大于1 s时，二噁英就会被完全氧化分解，本企业的炉膛设计燃烧温度是850 ℃且停留时间在2 s，是完全可以控制二噁英在炉膛产生。本企业工艺含卤废气虽然包含二氯甲烷、二氯乙烷、氯苯、二氯苯几种废气组分，但企业单独收集并进行树脂吸脱附预处理，含卤废气降浓后满足进入RTO治理要求，同时RTO设施采用防腐材料设计，从而减少了二噁英产生，并保证了RTO设施稳定地运行。

炉膛设计温度在820～900 ℃之间，停留时间2 s，除去率可达到 99%以上，废气排放浓度远远低于当地有组织废气排放标准要求；在设计上考虑了精细化工废气复杂性、波动性的特点，确保企业末端治理废气稳定达标排放。

4 安全设计

(1)为了保证RTO系统的安全运行，在RTO主风管适当距离位置安装2套LEL浓度检测仪，在当废气浓度高于爆炸下限的25%，需要将高浓度废气切换至应急活性炭箱，并经后置风机排至烟囱，由于活性炭吸附到一定程度不能继续吸附废气，该措施只是临时应急措施，需要及时调整生产工况，确保RTO稳定运行。

(2)为了RTO的安全运行，在RTO炉膛增加旁通管路，当炉膛发生超温现象时，可通过开启旁通风门的措施降低炉膛温度，并将旁通风排至出口混合箱。出口混合箱排出的烟气经冷却塔后从100～180 ℃降温至60 ℃以内，并经碱洗塔吸收酸性气体后排至烟囱。

(3) RTO区域防爆设计：RTO在点火前要进行吹扫，此吹扫的电气控制回路是硬件和软件双重连锁，连锁信号有系统风机正常运行、助燃风机正常运行、所有阀门开关位置正确、燃料管路关断阀关位置、炉膛高温报警等，吹扫的目的是将残留在RTO管道和炉膛内的有机物清理干净，避免点火时引爆。

RTO入口系统风机选择的是防爆风机，玻璃钢材质，外壳接地，内部结构为防爆结构，风机内部机器元件摩擦不会产生火花。

所有风管和设备壳体都需要接地，并且在法兰处要做好接地跨接，RTO上电前要做好接地电阻测试，只有符合接地电阻标准，才能上电和继续调试工作。

为防止爆炸事故，在RTO设施关键部位加泄爆装置，比如在RTO炉膛顶部设计1台泄爆门，总管、阻火器(或防火阀)前后等都需要泄爆装置，RTO入口处有泄爆片。RTO主管每60 m距离设置爆破片，有这些防爆措施，即使发生爆炸事故，也会把事故的损失降到最低。

(4) RTO的回火很难进入车间过来的管道，首先入口的洗涤塔会起到阻火的作用，同时在RTO入口有阻火器，都起到阻隔明火作用；各股废气在汇入总管之前，都设置了阻火器和紧急切断阀，大大降低了废气系统的事故风险。

(5) RTO废气主管每隔30 m设置低点排凝阀，RTO内部管道布置一样要倾斜布置且留有排污孔，避免底部有积液产生。积液一般是低温冷凝液体，通过提高RTO入口温度和出口温度，确保没有积液产生，从而避免了RTO底部腔体有明火出现。RTO底部腔体处是漏斗形式，每个腔体底部有积液排放，能够避免大量的积液产生，也降低了此处明火产生的概率。同时RTO内部管道布置一样要倾斜布置且留有排污孔，避免底部有积液产生。

(6)炉膛温度过高保护：炉膛内有4支热电偶，每支热电偶都是双支的，如果一支出现问题，还有一支备用，保证炉膛内温度有效控制。若热电偶本身出现问题，比如断线或者检测不准确，4支热电偶会有数值比较，若差值大于200 ℃，则不允许RTO点火和联机运行，RTO操作人员需要人为确认此热电偶，维修好后方可投入使用。

(7) RTO出口高温保护：RTO出口接洗涤塔，洗涤塔是玻璃钢材质，则 RTO出口温度需要控制在100 ℃以下，为了防止废气浓度过高时出口温度过高，RTO出口配置一台冷却塔。若出口温度仍然超过100 ℃，则 RTO自动切断与生产线之间的联机，工艺废气直接进入活性炭应急处理后排放。

(8)失电、失气、失水设计：电控柜配备有UPS电源模块，当发生失电时，UPS模块可支持控制系统及阀门正常工作30 min左右，以应对突发情况。系统在压缩空气管线上设置有压力传感器，当压力不足时传感器会进行报警，且执行紧急停机操作，防止气动元件因失气造成无法正常工作。对于关键设备，例如冷却塔，除普通工艺水外，还会接入消防水。当发生失水时，可通过消防水进行紧急补水，防止温度异常升高。

5 RTO防腐设计

由于废气中含有腐蚀性气体和含氯化合物等燃烧后会产生腐蚀性气体，所以在不同位置要采用不同的防腐材料。排放点至RTO区域的废气输送管道采用防静电玻璃钢材质。

为了减小RTO进出口风管、提升阀、陶瓷支撑架和蓄热体底腔体等部位的腐蚀，将入口废气温度提高后再进入RTO，以保持这些位置处于一个比较干燥的环境，不结露，减小积液产生和HCl对金属的腐蚀。

RTO区域炉体入口前的管道采用不锈钢316L材质(指预热后)，预热前采用防静电玻璃钢材质，新风风门采用玻璃钢材质；RTO入口联机/直排风门采用三通提升阀结构，保证泄漏率小，壳体采用碳钢衬防腐材料，关键部位采用双相钢2507材质。

RTO出口至冷却塔间的管道采用双相钢2507材质并做外保温，冷却塔至烟囱间的管道采用玻璃钢材质。

陶瓷床支撑架采用双相不锈钢2507材质钢丝网和型材，此支撑架非常重要，如果被腐蚀严重而无法支撑陶瓷砖，导致陶瓷砖坍塌，会酿成大事故。

RTO进出口切换阀采用双相不锈钢2507材质；蓄热床底腔体采用双相不锈钢2507材质；冷却塔采用碳钢内衬耐火材质。

由于化工厂内的环境较差，很多压差开关是非常关键的安全部件，压差开关的采样管会采用不锈钢316L材质，避免采样管被腐蚀而导致压差报警。

6 运行能耗计算

本企业废气风量：20 000 Nm3/h，年运行时间7 200 h：

年运行电费：150 kW×0.7 元/kW·h×7 200 h/年=756 000元/年。

年燃气费：系统正常运行后，日平均最大天然气使用量约为250 m3，按3.4 元/m3的天然气价格计算，年运行燃气费：250 m3/d×3.4 元/m3×300 d/年=255 000元/年。

液碱消耗约120 kg/d，按1 000元/t的液碱价格计算，年运行药剂费：0.12 t/d×1 000元/t×300 d/年=36 000 元/年 。

水费：2 m3/d×3 元/m3×300 d/年=1 800元/年。

RTO年最大运行费用：1 048 800元/年。

7 结语

精细化工废气因排放浓度高，种类复杂，浓度波动大，需要根据废气实际排放特点，采用“分类收集、分质处理”的方式，确保废气排放符合当地环保要求。

三室RTO废气治理技术应用在精细化工企业需充分保证系统安全运行，如双LEL控制，加装阻火器、应急旁通阀、泄爆装置、紧急切断阀、排凝阀以及设备故障应急措施等。

考虑本企业运行中可能出现堵塞，特别设计的间接预热器，预热能降低腐蚀和堵塞，增加系统安全性；本企业采用RTO的800 ℃炉膛烟气进行间接预热，不仅降低了使用蒸汽预热而增加的成本，同时避免了烟气和废气直接接触，因此不会有盐类物质生成。

本企业RTO设计了一键反铐，当底部陶瓷被盐类物质堵塞时，能方便地通过一键反烤实现在线清理，既方便快捷，又避免了水洗影响了陶瓷和保温棉寿命。