张建萍，项 菲

(浙江环科环境咨询有限公司，浙江 杭州 310007)

0 前言

人类的生产活动是造成环境污染的主要原因，特别在工业化生产之后情况更为严重。在工业生产中，在生产所期望的产品的同时，常常伴随着大量的废弃物和残留物。在空气中的气态有害物质，有一部分为挥发性有机物(缩写为VOC或VOCs)，主要来自溶剂生产或使用过程，涉及行业众多。一个工业化国家每年排入大气中的VOC数量达数百万吨之多，因此，治理工业VOC 废气污染已成为当前环境保护工作的一个重要组成部分。

1 VOC 概述

1.1 VOC 的定义和来源

VOC 通常是指在环境条件下容易蒸发或挥发的有机化合物，基于该类物质高蒸气压或低沸点而容易挥发，如烃类、卤代烃、氮烃、含氧烃、硫烃、脂肪烃、芳香烃等。由于目前大部分的有机溶剂均以挥发物的形式排放，因此常将有机溶剂和VOC 联系在一起。目前VOC 尚无统一的定义，国内外文献的报道也不一致，但通常是根据其沸点和一定温度下的蒸气压等参数来进行分类限定的。如我国《炼油与石油化工工业大气污染物排放标准》(GB11/447-2007) 中对VOC 下的定义是：在20 ℃条件下，蒸汽压大于或等于0.1 kPa，或者在特定条件下具有相应挥发性的全部有机化合物的总称。从广义来讲，任何液体或固体在常温常压下能自然挥发出的有机化合物均可属于VOC。

VOC 种类繁多，来源广泛，溶剂使用部门（涂装、印刷、石油和化工行业）和交通运输部门(汽车、加油站等)所排放的VOC 占绝大部分。许多VOC 具有神经毒性、肾脏和肝脏毒性，甚至具有致癌作用，能损害血液成分和心血管系统，引起胃肠道紊乱，诱发免疫系统、内分泌系统及造血系统疾病，造成代谢缺陷[1]。

1.2 VOC 废气处理现状

由于VOC 的危险性，许多国家颁布法令对VOC 的排放进行了严格控制，规定了排放的界限值，而且越来越严格。欧美国家于20 世纪90 年代前后，对所有使用有机溶剂的地方都规定了排放要求；美国1990 年提高了废气排放标准，将工业生产中的189 种污染物列为有毒污染物，其中大部分为VOC；我国颁布的《大气污染防治法》要求对工业生产中产生的有毒气体进行净化处理，对可燃性气体要回收利用；在《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)规定了33 种挥发性有机物的排放标准；目前环保部正在制定石化等重点行业的VOC 排放标准。

解决VOC 的污染问题，从根本上讲是要提倡不用或者少用有机溶剂，或者将溶剂回收再利用。由于在大多数情况下，VOC 往往是多组分的，很难回收，或者想要达到能再利用的纯度，在经济上几乎无法承受，因此在多数情况下，只好采用破坏方法，将VOC 转化为无害物质再排入大气。因此对于企业来讲，如何做到环保节能，经济合理已成为当前有机废气净化技术的发展方向。迄今为止，在工业上已获得成功应用的有机废气净化方法主要有吸附法、冷却法、吸收法、生物膜法、燃烧法等。

在有机废气净化诸方法中，蓄热燃烧法是目前一种很有发展前景的VOC 废气治理方法，其所用的装置蓄热式热力氧化器“Regenerative Thermal Oxidizer”简称为“RTO”。在充分满足燃烧过程的必要条件下，燃烧法可以使有害物质达到完全燃烧氧化。RTO 由于过程的热效率很高(>95%以上)，通常只需补充少量的辅助燃料，当废气中有机物浓度达到一定值时即可实现自供热操作。在欧美发达国家，RTO 已在整个VOC 废气净化范围内起到主导地位[2-4]。

2 RTO 装置的工作原理和系统组成

有机废气净化的燃烧法是基于废气中有机化合物可以燃烧氧化的特性，将废气中可氧化的组分转为无害物质。RTO 的工作原理即将VOC废气经预热室吸热升温后，进入燃烧室高温焚烧，使有机物氧化成二氧化碳和水，再经过另一个蓄热室蓄存热量后排放，蓄存的热量用于预热新进入的有机废气，经过周期性地改变气流方向从而保持炉膛温度的稳定。

基本的RTO 系统由1 个公共燃烧室、2 台或多台蓄热室、l 套换向装置和相配套的控制系统组成。根据结构不同，典型的RTO 装置可分为以下几种。

2.1 两室RTO

两室RTO 装置主要由两台蓄热室和顶部相连通的燃烧室组成，其中蓄热室内部通常采用具有良好耐高温性能的陶瓷材料作为蓄热体。燃烧室设有辅助燃烧器，可用油或天然气作为燃料。辅助燃烧器的作用主要为了在开车时将蓄热体加热到一定温度，或当废气中可燃物的浓度较低时，需要补充燃料来维持燃烧室所要求达到的反应温度。蓄热室和燃烧室均砌有耐火砖，并用陶瓷纤维保温，使燃烧室保持均匀的温度分布。两室RTO 典型结构如图1 所示。

图1 两室RTO 的典型结构

两室RTO 的操作过程如下：在开车时先用新鲜空气代替VOC，借燃烧器将蓄热室加热到一定温度。正常操作时，风机将VOC 气体送入进气管，经进口处的气体切换阀通过填满陶瓷填料的蓄热体A，蓄热体A 在前一个循环中储存了热量，VOC 经底部通过蓄热体床层时，热量从填料中被吸收出来，而蓄热体A 同时逐渐被冷却。预热后的废气进入顶部燃烧室，在燃烧室中VOC 被氧化后，作为高温净化气进入蓄热体B，此时净化气中夹带的热量被蓄热体B 中的陶瓷填料吸收并储存起来，蓄热体B 床层逐渐被加热，而净化气则被冷却排出。在下一个循环中气流逆转，VOC 气体首先进入已被加热过的蓄热体B 进行预热，再依次进入燃烧室氧化，在另一个蓄热体A 填料床释放热，最后排出RTO 系统。

这个过程不断循环操作，每个蓄热填料床都是在输入废气与排出净化气的模式间交替转换，从而实现废气的净化和热量的充分利用。典型的循环时间(即切换时间)大约为30～120 s。

二室RTO 是实现蓄热式热量回收的最基本结构，热量回收率超过95%。在换向以后稳定作业结算，废气中VOC 的净化率可达99%以上。但采用二室RTO 也有一定缺点：在切换气流流动方向的时候，留在蓄热体和管道中部分未经处理的VOC 会与净化气一起排入大气；其次入口阀和出口阀在极短时间内同时启动，有可能造成进入的VOC 直接走短路而与净化气一起排出。基于以上原因，装置出口排气有可能出现瞬间不合格的峰值。目前应用二室RTO 比较普遍，一方面是由于废气中VOC 浓度较低，经净化处理后尾气可达标，另一方面是有些设备采用了新型、快速的切换阀，其换向动作时间小于0.5 s。

2.2 三室和多室RTO

若VOC 废气的净化率要求很高，则可采用两种方法：一种是延长循环时间的操作时间，但这样会使热效率降低；另一种常用的方法是增加一个蓄热室用于吹扫系统，即采用三室RTO 装置。其装置典型结构如图2 所示。

图2 三室RTO 的典型结构

三室RTO 的操作原理是在一个蓄热室进气、一个蓄热室排气的同时，一个蓄热室处于吹扫状态。在一个循环后，废气始终进入到在上一循环时排出净化气的蓄热室，而原来进入废气的蓄热室则用净化气或空气冲洗。蓄热室在进气以后用于排气之前均可得到吹扫，从而解决了二室RTO换向时VOC 直接排放问题，提高了VOC 的平均破坏去除率。

三室RTO 可用于小到中等的废气流量，一般当废气量大于60000 Nm3/h 时，为保证气流的均匀分布和传热效率，应过渡到五室RTO，即两个三室并联加上一个冲洗室。同样，当处理量更大时，可用七室，以此类推。

3 RTO 的特点

RTO 宜用于处理2～8 g/m3浓度的有机废气，对于低热值气体(如乙酸乙酯等)浓度可达12 g/m3，特别适用于难分解组分的焚化，且净化率较高(一般三室>99%，两室95%～98%)。其次，RTO 可以适应废气中VOC 的组成和浓度的变化波动，且对废气中夹带少量灰尘、固体颗粒不敏感。相对于其他处理技术（例如换热式热氧化)，RTO 的另一个优点在于热回收率高，高的热回收率使补充燃料的使用量显著减少，从而节约运行费用。尤其是处理量大、有机物含量低的工业气体，效果更加显著。

4 国内RTO 应用现状

RTO 在1998 年前在我国尚未见应用。国内对于低浓度VOC 废气的处理，大都采用落后的热力焚烧装置，由于处理费用偏高，少数企业甚至将未经处理的VOC 直接排放。近年来，随着国外先进废气处理技术的引进和研究，RTO 已在一些领域有所应用。国内一些汽车制造商引进的车身油漆线和集装箱涂装生产线烘干工艺中均应用了RTO 技术，获得了良好的净化效果[5-7]；采用RTO 技术替代传统的直接燃烧排放法用于处理胶粘剂涂布中产生的VOC 废气可达到节能、净化环境等目的[8]；一些大型化工企业已尝试将RTO 应用于化工有机废气的治理，以处理顺酐装置尾气为例，三室RTO 装置对于VOC 净化率达99.9%，热效率为99.5%，同时实现了余热回收利用和尾气达标排放的要求[9]；厦门翔鹭石化采用RTO 系统用于处理PTA 装置高压洗涤塔的尾气，膨胀机能量回收后，换热效率可达95%，节省了大量的燃料，且不用昂贵的催化剂，运行费用较低[10]。国内研究人员在现有RTO 系统基础上进行改进，北京科技大学自主研发了多蓄热室旋转换向蓄热式有机废气焚烧炉系统，并成功用于研磨带涂布生产过程产生的有机废气的处理。该系统各个蓄热室不是同时换向，减少了换向时炉膛内压力波动，易于实现RTO系统小型化[11]。另外RTO 技术在医化企业有机废气治理中也进行了一定推广，但由于行业特点决定其产生的废气量和VOC 浓度的不稳定，装置运行管理难度较大，还不能从根本上解决废气污染问题，需要进一步的探索优化。

5 结论

蓄热式热氧化处理技术相对于传统的焚烧处理技术有明显的优势，该技术在国外已经很成熟，而在国内的研究应用尚处于起步阶段，特别是提高VOC 破坏去除效率、扩大适用范围和降低运行费用等方面还有待探索。从绿色环保角度出发，以资源化循环利用为目的的RTO 技术将是VOC 处理技术发展趋势之一。在当前能源价格飙升的背景下，组织力量研究开发并推广使用该项技术，不仅能够节约能源和减少环境污染，还可获得可观的经济效益和显著的杜会效益。

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