烘烤处理模式下延长RTO 蓄热陶瓷使用寿命的方法与应用研究

崔兆军 齐悦伊 蒙淑婷

（机械工业第九设计研究院股份有限公司，长春 130011）

许多工业生产过程排放到大气中的挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是导致对人体和农作物有害的光化学氧化剂等二次污染物产生的主要物质，国家有关部门已确认VOCs 是大气污染中重要的污染物之一[1]。蓄热式氧化炉（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）作为工业生产线中用于治理VOCs 废气最常用的焚烧净化装置，其系统的稳定运行是保证车间稳定生产的关键因素。

随着RTO 废气处理设备运行时间的逐渐增加，通常运行5 000 ～10 000 h 就会出现不同程度的蓄热陶瓷堵塞，若不及时处理，最终会导致RTO 进出口压差过大造成系统故障停机，车间因环保无法满足国家标准而面临全面停产。

1 RTO 蓄热陶瓷堵塞成因分析

蓄热体是RTO 进行能量回收的热载体，其性能是RTO 能耗的决定性因素[2]。以某大型整车厂项目为例，该项目采用三塔RTO 蜂窝状蓄热材料，每层高度为300 mm，共计5 层，总蓄热陶瓷高度为1.5 m，蓄热效率高达95%，通过提升阀的切换使每一个区域的蓄热陶瓷蓄热体在蓄热和放热的状态之间定时切换，最终在相同层蓄热陶瓷上形成一个相对稳定的温度梯度曲线，如图1 所示。该项目入口废气温度约为60 ℃，出口废气温度约为100 ℃，炉膛温度为820 ℃。60 ℃的废气由下而上通过不同温度梯度的蓄热陶瓷被逐渐加热至约780 ℃，通过炉膛高温裂解产生820 ℃的废气，再由上而下经过蓄热陶瓷并对其进行加热。随着洁净废气的热量被蓄热陶瓷储存，废气的温度会逐渐降低，蓄热陶瓷的温度也随之降低，系统运行时最下层蓄热材料的温度最低。

图1 RTO 蓄热陶瓷储放热过程中不同层高的蓄热材料温度梯度曲线

进入RTO 的废气中往往会含有一些焦油类物质，在某项目中提取的焦油通过傅里叶红外光谱分析，主要由石蜡、硬脂酸锌和石英等组成。由于蓄热陶瓷具有温度梯度，底部温度较低，气流由下而上进入蓄热陶瓷，焦油类物质更容易凝结在陶瓷的表面和孔隙内。为保证蓄热材料的比表面积，蓄热陶瓷的孔隙通常很小，极易发生堵塞。随着RTO 运行时间的增加，其底部聚集的物质会越来越多，孔隙越来越小，最终造成蓄热陶瓷堵塞。图2 为某项目蓄热陶瓷堵塞后的状态。

2 RTO 蓄热陶瓷堵塞解决方式

当聚凝颗粒堵塞蓄热陶瓷孔隙后，必须采取有效的方式进行处理。高温是解决蓄热陶瓷堵塞最有效的办法，高温可使一部分易挥发有机物发生气化，另一部分有机物发生高温氧化分解，所需温度根据物质不同而不同，但通常需要在300 ℃以上。在某项目中对蓄热陶瓷上的焦油进行烘烤，当烘烤温度设置为350 ℃时，焦油几乎可以完全去除[3]。

2.1 烘烤前期准备

由于烘烤模式会有较高温度的废气从RTO 底部排出，在启动烘烤模式前，需要检查确认以下几点：检查RTO 提升阀、底部风管和烟囱内状态，及时清理漆雾以防止被点燃；记录吹扫前的RTO 风机频率、RTO 进出口压差等参数，便于对比烘烤后的数据；了解切换阀在烘烤前的阀板间隙，烘烤后重新测量间隙，对比前后参数，防止高温受热不均导致阀体变形；在蓄热陶瓷底层安装温度传感器实时监测温度，以全面保证系统安全；检查蓄热陶瓷底部实际状态，提取堵塞物质并分析统计其成分和燃点。

2.2 烘烤模式实施

选择合适的维修时间和有经验的工程师进行相关操作。建议烘烤模式在离线状态下进行，此模式一般需要6 ～24 h。通常烘烤模式会提前写入RTO 的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）程序内，通过一键启动的方式开始烘烤。RTO风机在低频下运行，此时RTO 前端的新风阀打开，进口阀门关闭。

烘烤温度设定点在保证烘烤效果的同时应尽可能低，这样可以有效降低系统发生故障的可能性。运行时，RTO 总出口的平均温度应低于300 ℃，若烟囱内有漆雾，需打开其他风机降低进入烟囱的整体温度。烘烤完成后，需要及时对底部蓄热陶瓷进行降温，防止再次启动时出口温度过高造成系统隐患。最后，通过对比烘烤前后的RTO 运行参数来判断实际运行效果。

2.3 烘烤模式选择

烘烤控制方式通常包括以下2 种，以三塔式RTO为例进行介绍。

一是炉膛温度维持不变，通过延长RTO 切换时间来增加RTO出口温度。当温度达到初始设定温度（根据不同工况采用200 ～300 ℃）时切换到第二个塔，对第二个塔底部进行加热。当循环一次后，提高出口温度的设定值（比初始温度高20 ℃左右）继续循环，达到最终设定温度时，烘烤模式结束。

二是降低炉膛温度，使其控制在设定温度（通常为350 ～500 ℃），并持续吹扫其中一个塔。由于切换阀不动，系统长时间对单一塔的蓄热陶瓷进行加热，使炉膛不同层的蓄热陶瓷趋于同一温度。当达到一定时间后，再对下一个塔进行吹扫。所有塔吹扫完毕后，烘烤模式结束。

需要注意的是，尽早发现RTO 内的蓄热陶瓷堵塞是解决问题的先决条件。当局部蓄热陶瓷孔隙完全被填满时，在没有气流通过的状态下，高温很难进入蓄热陶瓷内，通过烘烤方式处理也很难将堵塞物处理干净。因此，需持续监控RTO 系统风机频率和RTO前后系统压差曲线来判断蓄热材料的堵塞情况。

3 其他烘烤方式

除了常规烘烤模式，国内外项目采用的几种特殊结构也能解决蓄热陶瓷的堵塞问题。

3.1 底层可更换蓄热陶瓷的RTO 结构

尽管烘烤模式可以有效延长蓄热陶瓷的使用寿命，但是研究发现，绝大部分的附着物会集中附着在第一层蓄热陶瓷底部的迎风面，导致最下层的蓄热陶瓷先堵塞。在更换时，需将5 层的蓄热陶瓷全部取出才能更换最底部的蓄热陶瓷[4]。为此，在设计RTO结构时，可将最下部的蓄热陶瓷层和其他层分开，增加2 m 高的更换空间，并增设检修门，这样方便单独更换最下层的蓄热陶瓷，有效节省了每次更换陶瓷的时间和经济成本。

3.2 四塔RTO 在线烘烤结构

对于四塔式RTO 结构，其中的3 个塔正常运行处理废气，1 个塔进行烘烤，这样既不影响RTO 系统的处理效率，也无须停产影响生产任务。同时，针对底部气化或未完全燃烧的废气，开发一种特殊的环形间歇燃烧器，气体通过这种燃烧器可以直接注入燃烧室并被完全氧化。经过改进的燃烧系统虽然可以减少多环芳烃的排放，但仍须进行进一步的热处理[5]。可见，这种烘烤结构不但能够保护环境，还为RTO 系统节省了能源。

4 定期维护

根据运行情况，需要定期在停产时进入蓄热陶瓷底部检查实际状态，并针对不同项目实际废气残留物质的数量来确定清洁时间。为了更好地检测RTO 出入口压差，需在RTO 的进出口加装压差传感器，并上传至PLC 内，连续记录RTO 进出口压差，设置报警值[6]。如果在检测期间发现压差值与之前存在较大偏差，应及时检查RTO 蓄热陶瓷。

5 结语

烘烤模式为解决蓄热陶瓷堵塞问题提供了有效的解决方案。在方案实施时，一定要严格按照操作流程进行，不得随意提高出口温度以免造成安全隐患。通过改善蓄热陶瓷的结构或者研发新的油漆产品，均能有效解决蓄热陶瓷的堵塞问题，这需要相关人员在生产维护中不断探索和尝试。