刘 凯

（杭州宜邦橡胶有限公司，浙江 杭州 311228）

某乳聚丁苯橡胶工厂在建设之初设计有各类废气处理装置，主要用于处理乳聚丁苯橡胶后处理工段干燥单元的废气。后处理工段主要是将丁苯胶乳中的橡胶颗粒凝聚成粒，并干燥、压块、包装。干燥单元将含水量高的橡胶颗粒通风加热，除去水分，以达到外观和其他控制指标的要求。在原装置设计中，有一套玻璃钢/聚丙烯材质的废气填料吸收塔，用于中和酸气和吸收废气中的水溶性成分，对废气中的主要污染物苯乙烯处理效果不明显。为解决VOCs 处理不达标问题，新建蓄热式焚烧炉（RTO）。

RTO 技术现已发展成形式多样、适用广泛的废气处理技术，其主要的处理原理基本相同：废气经前置处理后，进入高温蓄热体升温，在约800 ℃的燃烧室氧化分解成二氧化碳和水，并燃烧放热。经过处理的高温洁净气体从蓄热体降温排入大气，热量保留在蓄热体中供下一个循环废气升温。对于乳聚丁苯橡胶装置而言，即使采用了蓄热和燃烧废气的方式循环处理，为维持燃烧室的高温，RTO 仍需要消耗大量的天然气。RTO 经过不断改进，在废气处理效率和热效率上有一定提升，如新型的旋转式RTO、三室RTO 等主要在结构上进行改进和创新，在节能上还有改进空间。

1 废气处理流程

丁苯橡胶装置废气主要处理流程见图1。

图1 丁苯橡胶装置废气处理流程

图1 中,干燥单元废气1 由废气风机2 排入填料吸收塔3，由循环泵4 循环碱液处理废气中的酸性组分。经处理的高含水量废气进入除水罐5 除水，降低含水量的废气进入RTO 6。废气经入口③、④阀门进入蓄热体A，①、②阀门关闭，废气经过高温蓄热体A 加热升温进入燃烧室燃烧，由蓄热体B 吸收废气热量，经出口⑦、⑧阀门排出，⑤、⑥阀门关闭，废气由排风机9 排入排风管10，进入高空排入大气。过程持续约180 s，蓄热体A温度下降，蓄热体B 温度升高，此时阀门切换，废气经入口⑤、⑥阀门进入蓄热体B，⑦、⑧阀门关闭，废气经过高温蓄热体B 加热升温进入燃烧室燃烧，由蓄热体A 吸收废气热量，经出口①、②阀门排出，③、④阀门关闭，废气由排风机9 排入排风管10，进入高空排入大气。RTO 约经360 s（一个周期）循环切换，维持蓄热体的温度状态。

2 节能改进

RTO 热量损耗主要是排出废气和引入废气的温差及装置保温损耗。RTO 热量来源为天然气和废气VOCs 燃烧放热。理论上，废气VOCs 燃烧释放热量等于废气出入热量差和装置保温损耗热量时，天然气无消耗。装置保温在设计建设时基本定型，改造成本高，且相对损耗较少。RTO 燃烧室在维持约800 ℃时，外部炉体对应位置的温度为40 ℃～60 ℃。乳聚丁苯橡胶干燥单元排出的废气到达RTO 入口时温度稳定，约为60 ℃，因此决定热量消耗的关键是排气温度。图2 为RTO节能改进前某段时间内的典型RTO 出口温度和时间关系曲线，RTO 设计能力：处理风量为50000 Nm3/h、总烃小于1000 mg/m3；处理风量为30000 m3/h、总烃为500 mg/m3。

图2 改进前典型RTO 出口温度随时间变化曲线

从图2 可以看出，RTO 每个循环360 s，出现2 个高温峰和1 个低温峰，高低温差50 ℃（综合历史数据取值）。出现排气温差大的原因是蓄热体温差大，即两个蓄热体储存的热量出现极大偏差。例如蓄热体A 进气时顶部温度为600 ℃，蓄热体B 进气时顶部温度为300 ℃，两者温度偏差大造成蓄热体B 热量少、进气温度低，蓄热体A热量多、无法储存从RTO 排出的热量，造成热量损耗。RTO 系统在发展过程中，结构和功能都有所改进和提升，但在进气和排气阀门切换的编程设计上，仍然是简易地设置切换时间，这样的设计导致温度高的蓄热体持续温度高，温度低的蓄热体持续温度低，一方面热量损耗，另一方面长期高温可能降低蓄热体的使用寿命。

通过平衡蓄热体的热量可以解决这一问题，主要步骤：

（1）识别和区分高温蓄热体和低温蓄热体，若设施已安装蓄热体温度监控，直接观察温度区分；若没有安装温度监控，则可通过观察排出温度确认，如图2 所示，若0～180 s 为蓄热体A 排气，其排气温度持续下降或主要过程温度下降，则蓄热体A 为低温蓄热体。

（2）延长高温蓄热体进气时间，直至排气温度由降低趋势转变为上升趋势，并使排气温度提升至一个比最低温度高10 ℃左右的值，将此值作为后续调整的目标值，达到目标值切换阀门，注意高温蓄热体进气的总时间。

（3）低温蓄热体进气180 s，切换阀门。

（4）重复(2)、(3)步骤，直到高温蓄热体进气达到目标值的时间接近180 s，调整时应注意目标值的观察，调整初期的目标值应在后续重复调整时不断修正，合理的设定目标是控制能耗的关键。

图3 中实线为改进后的典型曲线，这种温度曲线仍有提升空间，工况合适的情况下，通过人为干预可以将高、低温峰差控制在1 ℃以内，典型曲线操作弹性大，便于程序改进。

图3 改进前后典型RTO 出口温度随时间变化曲线对比

以图3 中0～180 s 作为计算区域，经模拟计算得出其面积差为1720 ℃·s，即排气温度下降9.6 ℃/s（此结果依据模拟制作的曲线计算得出，模拟曲线的不同得出的结果有所差异）。通过以下计算（忽略出入口气体微量组分的变化对比热容的影响），得出节约天然气的理论值：

将Cp水=4.2×103J/(kg·℃)、Cp空气=1.003×103J/(kg·℃)、ρ空气=1.293 kg/m3、Q天然气=34×106J/m3、m水（空气含水量）=50 g/m3代入式（1），计算得出每天节约天然气的理论量为36.76 m3，每月可节约天然气1100 m3。

根据以上方法调整后，实际节约的天然气远高于理论值。选取产量相当的月份对比，改进前某月天然气消耗6300 m3（以往最低水平），改进后某月天然气消耗4100 m3，相差2100 m3，下降33%。理论与实际相差较大的主要原因是操作控制波动比理论范围更窄、理论与实际工况的偏差。从理论计算和实际操作可以得出结论，改进后可以显著降低天然气的消耗。

3 自动化控制

人为控制干预可以得到较为理想的效果，但需要人工频繁检查、分析和调整。通过改进RTO切换进气、排气阀门的方式可以实现自动化控制。RTO 进气和排气阀门切换模式是以180 s 作为一个切换基础时间，分为蓄热体A 进气时间和蓄热体B 进气时间。调整原理：当蓄热体A 进气时，排气温度高，则增加蓄热体B 的进气时间；若蓄热体A 进气时间设定已大于180 s，可降低蓄热体A 的进气时间，但通常情况下不建议切换时间小于180 s，此方式本质是通过人工识别排气温度调整阀门切换时间。改进后的方法：设定一个经验的排气温度目标值（持续调整），当排气温度到目标值时，切换阀门；当排气温度再次达到目标值时，切换阀门，一个循环完成。

实现自动控制循环的控制点如下：

(1) 至少2 个不同源的排气温度监控点以及可设定的高温报警值，以免某个监控点异常；

(2)可设定的排气温度目标值，达到此值时，阀门切换；

(3)可设定的阀门最低切换时间，当排气温度出现跳值时，限制阀门切换；

(4)可设定的阀门最高切换时间，当系统出现其他异常时，强制切换阀门，防止极端高温。

(3)、(4)切换条件优先级相同，均高于(2)切换条件，原RTO 系统的切换模式应保留，可以根据实际需要选择改进模式和原模式。

完成以上控制点后，具体实现流程如下：

(1)选择原模式人工调整排气温度，缩小两个蓄热体温度偏差，实现一个阀门切换时间内排气温度先降再升；

(2)设定排气温度目标值、最低切换时间（90 s，1/4 周期）和最高切换时间（270 s，3/4 周期），投用改进模式，实现自动控制。

以图4 为例，当人工调整至图4 曲线时，投用改进模式，设定排气温度目标值为90 ℃。当排气温度达到90 ℃时（接近180 s 位置），自动切换一次阀门，排气温度因温度迟滞略微升高后下降至90 ℃，受最低切换时间限制，此时不会切换；当再次达到波峰90 ℃时阀门切换，完成一次循环。

图4 改进模式阀门切换时间点

图4 所示的180 s 阀门切换时间是一个假设值，实际生产中的切换时间根据设定的排气温度目标值而定，而排气温度目标值的设定与废气中的总烃量相关。因此，设定一个合理的排气温度目标值是节约能耗的关键，可以通过观察排气温度最低值，将目标值设定为高于最低值10 ℃～20 ℃，可以达到较理想的效果。

4 结语

通过改进操作方法，将半个循环周期内排气温度的上升或下降趋势转变为先降后升，可以节约至少33%的天然气，这种操作方法可实现自动化控制。