烘烤處理模式下延長RTO 蓄熱陶瓷使用壽命的方法與應(yīng)用研究

崔兆軍 齊悅伊 蒙淑婷

（機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，長春 130011）

許多工業(yè)生產(chǎn)過程排放到大氣中的揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是導(dǎo)致對人體和農(nóng)作物有害的光化學(xué)氧化劑等二次污染物產(chǎn)生的主要物質(zhì)，國家有關(guān)部門已確認(rèn)VOCs 是大氣污染中重要的污染物之一[1]。蓄熱式氧化爐（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）作為工業(yè)生產(chǎn)線中用于治理VOCs 廢氣最常用的焚燒凈化裝置，其系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是保證車間穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

隨著RTO 廢氣處理設(shè)備運(yùn)行時間的逐漸增加，通常運(yùn)行5 000 ～10 000 h 就會出現(xiàn)不同程度的蓄熱陶瓷堵塞，若不及時處理，最終會導(dǎo)致RTO 進(jìn)出口壓差過大造成系統(tǒng)故障停機(jī)，車間因環(huán)保無法滿足國家標(biāo)準(zhǔn)而面臨全面停產(chǎn)。

1 RTO 蓄熱陶瓷堵塞成因分析

蓄熱體是RTO 進(jìn)行能量回收的熱載體，其性能是RTO 能耗的決定性因素[2]。以某大型整車廠項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目采用三塔RTO 蜂窩狀蓄熱材料，每層高度為300 mm，共計(jì)5 層，總蓄熱陶瓷高度為1.5 m，蓄熱效率高達(dá)95%，通過提升閥的切換使每一個區(qū)域的蓄熱陶瓷蓄熱體在蓄熱和放熱的狀態(tài)之間定時切換，最終在相同層蓄熱陶瓷上形成一個相對穩(wěn)定的溫度梯度曲線，如圖1 所示。該項(xiàng)目入口廢氣溫度約為60 ℃，出口廢氣溫度約為100 ℃，爐膛溫度為820 ℃。60 ℃的廢氣由下而上通過不同溫度梯度的蓄熱陶瓷被逐漸加熱至約780 ℃，通過爐膛高溫裂解產(chǎn)生820 ℃的廢氣，再由上而下經(jīng)過蓄熱陶瓷并對其進(jìn)行加熱。隨著潔凈廢氣的熱量被蓄熱陶瓷儲存，廢氣的溫度會逐漸降低，蓄熱陶瓷的溫度也隨之降低，系統(tǒng)運(yùn)行時最下層蓄熱材料的溫度最低。

圖1 RTO 蓄熱陶瓷儲放熱過程中不同層高的蓄熱材料溫度梯度曲線

進(jìn)入RTO 的廢氣中往往會含有一些焦油類物質(zhì)，在某項(xiàng)目中提取的焦油通過傅里葉紅外光譜分析，主要由石蠟、硬脂酸鋅和石英等組成。由于蓄熱陶瓷具有溫度梯度，底部溫度較低，氣流由下而上進(jìn)入蓄熱陶瓷，焦油類物質(zhì)更容易凝結(jié)在陶瓷的表面和孔隙內(nèi)。為保證蓄熱材料的比表面積，蓄熱陶瓷的孔隙通常很小，極易發(fā)生堵塞。隨著RTO 運(yùn)行時間的增加，其底部聚集的物質(zhì)會越來越多，孔隙越來越小，最終造成蓄熱陶瓷堵塞。圖2 為某項(xiàng)目蓄熱陶瓷堵塞后的狀態(tài)。

2 RTO 蓄熱陶瓷堵塞解決方式

當(dāng)聚凝顆粒堵塞蓄熱陶瓷孔隙后，必須采取有效的方式進(jìn)行處理。高溫是解決蓄熱陶瓷堵塞最有效的辦法，高溫可使一部分易揮發(fā)有機(jī)物發(fā)生氣化，另一部分有機(jī)物發(fā)生高溫氧化分解，所需溫度根據(jù)物質(zhì)不同而不同，但通常需要在300 ℃以上。在某項(xiàng)目中對蓄熱陶瓷上的焦油進(jìn)行烘烤，當(dāng)烘烤溫度設(shè)置為350 ℃時，焦油幾乎可以完全去除[3]。

2.1 烘烤前期準(zhǔn)備

由于烘烤模式會有較高溫度的廢氣從RTO 底部排出，在啟動烘烤模式前，需要檢查確認(rèn)以下幾點(diǎn)：檢查RTO 提升閥、底部風(fēng)管和煙囪內(nèi)狀態(tài)，及時清理漆霧以防止被點(diǎn)燃；記錄吹掃前的RTO 風(fēng)機(jī)頻率、RTO 進(jìn)出口壓差等參數(shù)，便于對比烘烤后的數(shù)據(jù)；了解切換閥在烘烤前的閥板間隙，烘烤后重新測量間隙，對比前后參數(shù)，防止高溫受熱不均導(dǎo)致閥體變形；在蓄熱陶瓷底層安裝溫度傳感器實(shí)時監(jiān)測溫度，以全面保證系統(tǒng)安全；檢查蓄熱陶瓷底部實(shí)際狀態(tài)，提取堵塞物質(zhì)并分析統(tǒng)計(jì)其成分和燃點(diǎn)。

2.2 烘烤模式實(shí)施

選擇合適的維修時間和有經(jīng)驗(yàn)的工程師進(jìn)行相關(guān)操作。建議烘烤模式在離線狀態(tài)下進(jìn)行，此模式一般需要6 ～24 h。通常烘烤模式會提前寫入RTO 的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）程序內(nèi)，通過一鍵啟動的方式開始烘烤。RTO風(fēng)機(jī)在低頻下運(yùn)行，此時RTO 前端的新風(fēng)閥打開，進(jìn)口閥門關(guān)閉。

烘烤溫度設(shè)定點(diǎn)在保證烘烤效果的同時應(yīng)盡可能低，這樣可以有效降低系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性。運(yùn)行時，RTO 總出口的平均溫度應(yīng)低于300 ℃，若煙囪內(nèi)有漆霧，需打開其他風(fēng)機(jī)降低進(jìn)入煙囪的整體溫度。烘烤完成后，需要及時對底部蓄熱陶瓷進(jìn)行降溫，防止再次啟動時出口溫度過高造成系統(tǒng)隱患。最后，通過對比烘烤前后的RTO 運(yùn)行參數(shù)來判斷實(shí)際運(yùn)行效果。

2.3 烘烤模式選擇

烘烤控制方式通常包括以下2 種，以三塔式RTO為例進(jìn)行介紹。

一是爐膛溫度維持不變，通過延長RTO 切換時間來增加RTO出口溫度。當(dāng)溫度達(dá)到初始設(shè)定溫度（根據(jù)不同工況采用200 ～300 ℃）時切換到第二個塔，對第二個塔底部進(jìn)行加熱。當(dāng)循環(huán)一次后，提高出口溫度的設(shè)定值（比初始溫度高20 ℃左右）繼續(xù)循環(huán)，達(dá)到最終設(shè)定溫度時，烘烤模式結(jié)束。

二是降低爐膛溫度，使其控制在設(shè)定溫度（通常為350 ～500 ℃），并持續(xù)吹掃其中一個塔。由于切換閥不動，系統(tǒng)長時間對單一塔的蓄熱陶瓷進(jìn)行加熱，使?fàn)t膛不同層的蓄熱陶瓷趨于同一溫度。當(dāng)達(dá)到一定時間后，再對下一個塔進(jìn)行吹掃。所有塔吹掃完畢后，烘烤模式結(jié)束。

需要注意的是，盡早發(fā)現(xiàn)RTO 內(nèi)的蓄熱陶瓷堵塞是解決問題的先決條件。當(dāng)局部蓄熱陶瓷孔隙完全被填滿時，在沒有氣流通過的狀態(tài)下，高溫很難進(jìn)入蓄熱陶瓷內(nèi)，通過烘烤方式處理也很難將堵塞物處理干凈。因此，需持續(xù)監(jiān)控RTO 系統(tǒng)風(fēng)機(jī)頻率和RTO前后系統(tǒng)壓差曲線來判斷蓄熱材料的堵塞情況。

3 其他烘烤方式

除了常規(guī)烘烤模式，國內(nèi)外項(xiàng)目采用的幾種特殊結(jié)構(gòu)也能解決蓄熱陶瓷的堵塞問題。

3.1 底層可更換蓄熱陶瓷的RTO 結(jié)構(gòu)

盡管烘烤模式可以有效延長蓄熱陶瓷的使用壽命，但是研究發(fā)現(xiàn)，絕大部分的附著物會集中附著在第一層蓄熱陶瓷底部的迎風(fēng)面，導(dǎo)致最下層的蓄熱陶瓷先堵塞。在更換時，需將5 層的蓄熱陶瓷全部取出才能更換最底部的蓄熱陶瓷[4]。為此，在設(shè)計(jì)RTO結(jié)構(gòu)時，可將最下部的蓄熱陶瓷層和其他層分開，增加2 m 高的更換空間，并增設(shè)檢修門，這樣方便單獨(dú)更換最下層的蓄熱陶瓷，有效節(jié)省了每次更換陶瓷的時間和經(jīng)濟(jì)成本。

3.2 四塔RTO 在線烘烤結(jié)構(gòu)

對于四塔式RTO 結(jié)構(gòu)，其中的3 個塔正常運(yùn)行處理廢氣，1 個塔進(jìn)行烘烤，這樣既不影響RTO 系統(tǒng)的處理效率，也無須停產(chǎn)影響生產(chǎn)任務(wù)。同時，針對底部氣化或未完全燃燒的廢氣，開發(fā)一種特殊的環(huán)形間歇燃燒器，氣體通過這種燃燒器可以直接注入燃燒室并被完全氧化。經(jīng)過改進(jìn)的燃燒系統(tǒng)雖然可以減少多環(huán)芳烴的排放，但仍須進(jìn)行進(jìn)一步的熱處理[5]?？梢姡@種烘烤結(jié)構(gòu)不但能夠保護(hù)環(huán)境，還為RTO 系統(tǒng)節(jié)省了能源。

4 定期維護(hù)

根據(jù)運(yùn)行情況，需要定期在停產(chǎn)時進(jìn)入蓄熱陶瓷底部檢查實(shí)際狀態(tài)，并針對不同項(xiàng)目實(shí)際廢氣殘留物質(zhì)的數(shù)量來確定清潔時間。為了更好地檢測RTO 出入口壓差，需在RTO 的進(jìn)出口加裝壓差傳感器，并上傳至PLC 內(nèi)，連續(xù)記錄RTO 進(jìn)出口壓差，設(shè)置報警值[6]。如果在檢測期間發(fā)現(xiàn)壓差值與之前存在較大偏差，應(yīng)及時檢查RTO 蓄熱陶瓷。

5 結(jié)語

烘烤模式為解決蓄熱陶瓷堵塞問題提供了有效的解決方案。在方案實(shí)施時，一定要嚴(yán)格按照操作流程進(jìn)行，不得隨意提高出口溫度以免造成安全隱患。通過改善蓄熱陶瓷的結(jié)構(gòu)或者研發(fā)新的油漆產(chǎn)品，均能有效解決蓄熱陶瓷的堵塞問題，這需要相關(guān)人員在生產(chǎn)維護(hù)中不斷探索和嘗試。