电加热式三塔RTO处理VOCs技术在工程实践中的应用研究

第41卷,总第237期2023年1月,第1期
《节能技术》
ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol.41,Sum.No.237
Jan.2023,No.1
电加热式三塔RTO 处理VOCs 技术
在工程实践中的应用研究
邬文燕1,郝继宗1,樊　帆1,刘　栋1,兰　剑2,方可宁2
(1.中国船舶集团有限公司第七一一研究所,上海　201108;2.上海齐耀热能工程有限公司,上海　201108)
摘　要:本文介绍了三塔式RTO 处理VOCs (Volatile Organic Compounds )技术,创新的设计了电加热式三塔RTO 代替燃气加热式三塔RTO ,文中说明了电加热式三塔RTO 电加热元件的选型、布置工艺设计,该技术成功应用于某污水处理厂RTO 炉设计。

该污水处理厂电加热式三塔RTO 装置建成之后,经过试运行期间的调试,实现了电加热式三塔RTO 装置的连续稳定运行。

取样结果显示,烟气中非甲烷总烃最大为60mg /Nm 3,满足≤80mg /Nm 3的排放要求。

工程经验显示,采用电加热式RTO ,单台套三塔RTO 可减少二氧化碳排放量4855kg /年。

电加热式三塔RTO 技术成功应用于工程实践中,为VOCs 治理行业的节能减排贡献了更优的技术方案和应用经验。

该创新的绿色技术应用,减少了二氧化碳排放,为国家“双碳”战略做出了贡献。

关键词:三塔式RTO ;电加热式三塔RTO ;电热元件VOCs ;碳减排
中图分类号:TH49 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2023)01-0083-06
收稿日期　2022-08-10 修订稿日期　2022-11-01
作者简介:邬文燕(1988~),女,硕士,设计工程师,从事废物焚烧、低氮燃烧方面工程设计工作。

Research on the Application of Electric Heating Three -tower RTO
to Deal with VOCs in Engineering Practice
WU Wen -yan 1,HAO Ji -zong 1,FAN Fan 1,LIU Dong 1,LAN Jian 2,FANG Ke -ning 2
(1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute,Shanghai 201108,China;2.Shanghai Qiyao Thermal Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 201108,China)
Abstract :This paper introduces the technology of three tower RTO to deal with VOCs (Volatile Organic Compounds),and innovatively designs electric heating three tower RTO instead of gas heating three tower RTO.The selection and layout of three -tower RTO electric heating elements are described in this pa⁃
per,and the technology has been successfully applied to the design of RTO furnace in a sewage treatment plant.After the completion of the electric heating three -tower RTO device in the sewage treatment plant,the continuous and stable operation of the device was realized through commissioning during the trial operation.The sampling results show that the maximum non methane hydrocarbon in the flue gas is 60mg /Nm 3,which meets the emission requirements of ≤80mg /Nm 3.Engineering experience shows
that using electric heated RTO,a single set of RTO can reduce carbon dioxide emissions by 4855kg /year.The successful application of electric heating three -tower RTO technology in engineering practice has contributed better technical solutions and application experience for energy conservation and emission
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reduction of VOCs governance industry.At the same time,the application of innovative green technology reduces carbon dioxide emissions and contributes to the carbon peaking and carbon neutrality strategy. Key words:three-tower RTO;electric heating three-tower RTO;electric heating element;VOCs car⁃bon emission reduction
0　引言
挥发性有机物(Volatile Oganic Compounds, VOCs)是指饱和蒸气压较高(20℃下大于或等于0.01kPa)、沸点较低、分子量小、常温状态下易挥发的有机化合物[1-2]。

VOCs危害极大,不利于环境和身心健康,国家为了防治其造成的空气污染出台了相关政策法规[2]。

按照相关规定,废气中VOCs需进行处理达标后才能排放。

目前,国内外治理VOCs的方法很多[4-5],其中,焚烧法因其众多优点而被各行各业广泛应用,成熟的焚烧技术包括直燃焚烧(Thermal Oxidizer, TO)、催化氧化焚烧(Catalytic Oxidizer,CO)、蓄热焚烧(Regenerative Thermal Oxidizer,RTO)[6],其中蓄热焚烧(RTO)节能优势明显,应用最为广泛。

蓄热焚烧(RTO)设备能够适应VOCs有机废气的组成和浓度的变化和波动,既可适用于中高浓度的有机废气,也可适用于低浓度的有机废气焚烧。

为了启炉预热到设定温度或低VOCs浓度时补充能量维持燃烧室的温度,RTO装置一般需要配置补充热量的设备,常规一般是配备燃气燃烧器。

在运行时,VOCs浓度高时是不需要补充额外能量的,而燃气燃烧器需设置长明灯维持火焰,此时长明灯消耗燃料将造成能量的浪费。

本文研究内容是创新的采用电加热替代燃气燃烧器,可通过控制电加热器输出功率来控制燃烧室热量供应,在废气含高VOCs 浓度时,可以将输出功率调整为零,从而节约能源,达到减少碳排放的效果。

1　三塔式RTO技术
三塔式布置是典型的蓄热焚烧(RTO)装置的布置方式,一般由一台燃烧室、三台蓄热室(A室、B 室、C室)、三台进气切换阀、三台出气切换阀、三台反吹切换阀组成,如图1所示。

图1　三塔式RTO主视图与俯视图
燃烧室是VOCs分解的场所,废气经蓄热室预热后进入燃烧室进行高温热力氧化,把有机物分解成CO2、H2O。

燃烧室运行温度控制在760~900℃之间,用于废气高温焚烧热解,根据废气焚烧处理的3T(温度、时间、涡流)原则设计确定炉膛结构、炉膛
尺寸、炉膛容积,保证炉内容积热负荷、烟气流速和停留时间,以满足VOCs在炉内达到完全氧化分解。

蓄热室是高温烟气和废气进行蓄放热的场所。

蓄热室内布置的陶瓷蓄热体是完成烟气和废气间接热交换的媒介,是实现热量极限回收和高效利用的核心设备。

其作用是由蓄热体将上一流程高温烟气的热量蓄存起来,用于预热下一流程的废气,使废气得到充分预热,进入炉膛时快速焚烧热解,显著减少补燃燃料的消耗。

进气、出气、反吹切换阀通过周期性的开、关切换,来控制气体在每一个陶瓷床的流入和流出,使RTO周期性的完成燃烧、换热、进排气三种流程,系统运行一个周期内RTO工作流程,如图2所示。

RTO装置节能的核心原理是通过进气、出气、反吹切换阀周期性的切换,实现高温烟气热量的充分利用。

蓄热式换热器的热效率>95%,而常规间壁式换热器的热效率一般在70%左右[7]。

2　电加热式三塔RTO的工程设计
开发电加热式三塔RTO,关键是要研究电加热元件的应用特性,能够匹配三塔RTO结构与安装环境,满足启动、运行、控制要求。

电热元件种类较多,根据材料特性不同,可分为铁铬铝合金系列、镍铬合金系列。

铁铬铝电热/电炉合金系列,其优点是使用温度高,最高使用温度可达1400℃,使用寿命长、价格便宜,但缺点是高温强度低。

镍铬电热/电炉合金系列,其使用温度较铁铬铝低,最高使用温度达1200℃,高温强度较铁铬铝高,使用寿命更长,但价格较高。

2.1　电热元件结构形式的选择
电热元件有多种结构形式,可根据不同应用温度和设置场合选择。

电热元件主要结构形式如下。

2.1.1　电加热管
发热元件采用不锈钢钢管作保护套管,中心布置高温电热合金丝,在间隙部分致密地填入导热性
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能及绝缘性能均良好的结晶氧化镁粉,如图3所示。

电加热管由电热丝发热导热到保护套管,再通过不
锈钢保护套管和被加热介质的对流换热进行热量传递。

这种结构先进、热效率高、发热均匀,但是受填充材料氧化镁粉的限制,最高应用温度不超过500
℃。

图2　RTO
运行流程图
图3　电加热管
2.1.2　电炉丝
电炉丝具有耐高温、升温快、使用寿命长、电阻稳
定、功率偏差小等特点,广泛用于小型电炉、马弗炉等。

在工作状态下,电炉丝由于自身处于高温炽热状态,在空气中易因为发生氧化反应而出现熔断;此外,电炉丝一般是螺旋结构,在通电时会产生感抗效应。

电炉丝结构如图4所示,其应用场景如图5所示。

图4　电炉丝
图5　电炉丝的应用场景
2.1.3　电炉扁带
电炉扁带同电炉丝一样带具有耐高温、升温快、
使用寿命长、电阻稳定、功率偏差小的特点。

应用于工业炉中时可以在侧墙、炉底排布,更好地利用这些空间。

铁铬铝电阻合金材料具有电阻温度系数小、电阻率高、使用温度高等特点,采用铁铬铝电阻合金为主的电热扁带的高温性能好。

电炉扁带结构如图6所示,其应用场景如图7所示。

图6　电炉扁带
图7　电炉扁带的应用场景
2.1.4　电热辐射管
电热辐射管是把电加热元件封闭在保护套管
内,进行通电发热,由封闭套管间接把电加热热量辐射给炉衬和被加热介质,电加热元件和保护套管之间用耐高温绝缘陶瓷龙骨支撑。

电热辐射管的电热合金材料,通过保护套管与
被加热介质物理隔绝,使得其具有不易腐蚀、不易生锈、安装灵活,工业适应性强,在多种环境下使用寿命长久。

维修时只需要把加热芯抽出维修即可,具备维修方便、高效、安全的特点。

电热辐射管根据内芯结构不同大致分三种,内芯结构分别如图8、图9、图10所示,电热辐射管的总装如图11所示。

(1)线状螺旋环绕电热辐射管:这种辐射管较
为常用。

图8　线状螺旋环绕电热辐射管的加热芯
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(2)带状螺旋环绕电热辐射管:这种辐射管适用于大功率场景。

图9　带状螺旋环绕电热辐射管的加热芯
(3)轴向波折形笼框式电热辐射管:这种辐射管寿命相对较长。

图10　
轴向波折形笼框式电热辐射管的加热芯
图11　电热辐射管的总装图
电加热式三塔RTO,需要整合电加热技术和三塔RTO 技术,做适用性选型和结构设计,并通过数值模拟对整合后的燃烧室的温度场、速度场进行理论研究,以确定加热元件的选型结构并合理布置在燃烧室中,燃烧室需配合加热元件的布置做合理的结构设计。

2.2　电加热元件布置工艺设计
通过研究以上电热元件的特性,因RTO 燃烧室的工作温度在760~900℃之间,电加热式三塔RTO 的燃烧室与电热元件的结合只能在电炉丝、电炉扁带、电热辐射管之间选择,这三种加热元件结构都能实现燃烧室的启炉和运行补充能量的功能。

采用电炉丝结构的电加热式三塔RTO,需要在燃烧室的前后墙及侧墙布置均匀布置电炉丝,电炉丝通过陶瓷绝缘支撑管和耐火砖固定支撑。

考虑安全及电炉丝的悬吊固定难度,炉顶不布置电炉丝。

该结构下的燃烧室俯视图示意图如图12。

采用电炉扁带结构的电加热式三塔RTO,需要在燃烧室的前后墙及侧墙布置均匀布置电炉扁带,电炉扁带通过陶瓷绝缘支撑柱固定支撑。

考虑安全及电炉扁带的悬吊固定难度,炉顶不布置电炉扁带。

该结构下的燃烧室俯视图示意图如图
13。

图12　电炉丝结构的电加热式三塔RTO
燃烧室示意图
图13　电炉扁带结构的电加热式三塔RTO 燃烧室示意图
采用电热辐射管结构的电加热式三塔RTO,可以在燃烧室横跨前后墙水平布置电热辐射管,也可以在燃烧室炉顶悬吊布置电热辐射管。

电热辐射管外保护套管设有安装法兰及接线盒。

该电热辐射管对介质的加热既包括电阻丝对外护套管的辐射换热,也包括外保护套管对流通空气或烟气的对流换热,合理的布置使得燃烧室内温度场更均匀,更利于换热,延长电加热芯的使用寿命,也更易于实现精确控温。

电热辐射管结构水平布置的燃烧室俯视图如图14,电热辐射管结构垂直布置的燃烧室俯视图示意图如图15,电热辐射管水平布置的电加热式三塔RTO 蓄热焚烧炉如图16所示。

图14　电热辐射管结构水平布置的电加热式三塔
RTO 燃烧室示意图
图15　电热辐射管结构垂直布置的电加热式三塔
RTO 燃烧室示意图
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图16　电热辐射管水平布置的电加热式三塔
RTO 蓄热焚烧炉本体
以上几种型式电加热式三塔RTO 燃烧室各有特点,其燃烧室和蓄热室结合就形成了不同型式的电加热式三塔RTO 蓄热焚烧炉本体。

在工业应用中,根据不同的应用场景和客户需求、处理VOCs 废气的成份、处理量等条件,结合技术经济分析进行选择适用的电加热式RTO。

3　电加热式三塔RTO 技术的应用
3.1　工程概况
某污水处理厂VOCs 废气处理量设计为
8000Nm 3/h,废气中有机气体主要组分为非甲烷总
烃、苯、甲苯、二甲苯、乙苯,同时含有微量的NH 3、H 2S。

该污水处理厂区内无燃料气公用工程管线,首选电加热式三塔RTO 技术进行治理,设计要求排放烟气中非甲烷总烃≤80mg /m 3。

考虑RTO 在处
理VOCs 废气时的热力氧化环境,废气的成份复杂多变甚至有腐蚀性,需要减少或避免该特性的废气或烟气环境对电热元件的氧化、腐蚀、结焦等不利影响,且考虑安装、检修方便,综合考虑经济适用性,采用轴向波折形笼框式电热辐射管水平布置的电加热式三塔RTO,其应用如图17所示。

图17　电热辐射管水平布置的电加热式三塔
RTO 蓄热焚烧炉本体主视图
3.2　电加热式RTO 运行特性
图18为电加热式三塔RTO 启炉升温运行曲
线。

在预热电热管阶段,燃烧室温度较低,温度升温曲线光滑。

在系统预热阶段温度升高以后的升温曲线和恒温曲线能看出明显的周期性波峰波谷,恒温
时温度波动约±10℃。

分析此周期性是由RTO
进、出气流程每2min 变化一次,6min 一个循环周期而形成的。

图18　电加热式三塔RTO 启炉升温运行曲线
从曲线总体来看,采用电加热式三塔RTO 的升温速率满足要求、升温过程平稳、废气投入后控温稳定,运行状态良好。

3.3　烟气采样分析正式启炉投入VOCs 废气试运行,对烟气进行
取样分析。

连续取样编号Y -1~Y -8,该取样批次包含A 进B 出、B 进C 出、C 进A 出的全循环流程。

经分析化验的烟囱排放总烃、非甲烷总烃浓度见图19所示。

图19　烟囱连续取样时烟气中烃浓度
从分析化验结果图可看出,烟囱连续取样Y -1~
Y -8的化验参数都满足非甲烷总烃≤80mg /m 3的要求,采样化验分析达标,实现了装置的稳定达标
运行。

3.4　电加热式RTO 应用分析
经过试运行阶段的积累调试,该电加热式三塔
RTO 系统已实现长周期稳定达标运行,烟气排放参数符合客户要求和国家标准。

在启炉时,电加热系统满功率运行,通过电热辐射管将电能转换为热能,逐步加热燃烧室流通的空气,使得系统逐步升温到设定的温度,以引入废气进
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行热力氧化处理。

如果废气中VOCs浓度低或热值低,需通过电加热系统温控仪或者PLC输出调功信号给电加热控制柜中的可控硅,调节电热辐射管的输出电功率,补充热量以控制燃烧室温度稳定。

如果废气中VOCs浓度或热值足够维持燃烧室温度时,可停运电热辐射管。

在此工况下,根据工程应用经验,燃气燃烧器的长明灯一般消耗天然气约
7Nm3/h,可节约天然气2555Nm3/年,以工业天然气平均价格3.8元/Nm3计算,节约运行成本9709元/年,减少二氧化碳排放量4855kg/年。

4　结论
采用电加热系统补充热量,电热辐射管与三塔式RTO结合,电加热式三塔RTO技术在工程实践中取得成功应用。

根据工程应用,得出如下结论: (1)采用电加热式RTO替代燃气燃烧式RTO 可以节约能源,每年可以减少4855kg碳排放,具有很好的工程应用前景;
(2)设计电加热式RTO时,主要考虑电加热元件的承受温度、使用寿命等性能,还需要考虑拆卸维修方便,布置电加热元件时,需要保证炉膛内温度均匀;
(3)电加热式RTO在运行中温度曲线平稳,温度控制精准,操作简便,调节灵活,适合于无天然气源的VOCs治理采用RTO技术的应用。

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(上接第82页)
(3)通过低压缸进汽流道优化,排汽导流环优化并结合布莱登汽封改造和汽封的优化以及通流部分多齿数镶齿汽封的应用,可大大消除汽轴封漏汽问题。

(4)改善高中低压缸效率,改造后高中低压缸效率将达到88%、92.50%、89.10%,改造后汽轮机热耗将达到7856kJ/kWh,五六抽超温问题将得到有效解决。

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