蓄熱式焚燒爐在丁苯橡膠生產節能改進中的應用

劉 凱

（杭州宜邦橡膠有限公司，浙江 杭州 311228）

某乳聚丁苯橡膠工廠在建設之初設計有各類廢氣處理裝置，主要用于處理乳聚丁苯橡膠后處理工段干燥單元的廢氣。后處理工段主要是將丁苯膠乳中的橡膠顆粒凝聚成粒，并干燥、壓塊、包裝。干燥單元將含水量高的橡膠顆粒通風加熱，除去水分，以達到外觀和其他控制指標的要求。在原裝置設計中，有一套玻璃鋼/聚丙烯材質的廢氣填料吸收塔，用于中和酸氣和吸收廢氣中的水溶性成分，對廢氣中的主要污染物苯乙烯處理效果不明顯。為解決VOCs 處理不達標問題，新建蓄熱式焚燒爐（RTO）。

RTO 技術現已發展成形式多樣、適用廣泛的廢氣處理技術，其主要的處理原理基本相同：廢氣經前置處理后，進入高溫蓄熱體升溫，在約800 ℃的燃燒室氧化分解成二氧化碳和水，并燃燒放熱。經過處理的高溫潔凈氣體從蓄熱體降溫排入大氣，熱量保留在蓄熱體中供下一個循環廢氣升溫。對于乳聚丁苯橡膠裝置而言，即使采用了蓄熱和燃燒廢氣的方式循環處理，為維持燃燒室的高溫，RTO 仍需要消耗大量的天然氣。RTO 經過不斷改進，在廢氣處理效率和熱效率上有一定提升，如新型的旋轉式RTO、三室RTO 等主要在結構上進行改進和創新，在節能上還有改進空間。

1 廢氣處理流程

丁苯橡膠裝置廢氣主要處理流程見圖1。

圖1 丁苯橡膠裝置廢氣處理流程

圖1 中,干燥單元廢氣1 由廢氣風機2 排入填料吸收塔3，由循環泵4 循環堿液處理廢氣中的酸性組分。經處理的高含水量廢氣進入除水罐5 除水，降低含水量的廢氣進入RTO 6。廢氣經入口③、④閥門進入蓄熱體A，①、②閥門關閉，廢氣經過高溫蓄熱體A 加熱升溫進入燃燒室燃燒，由蓄熱體B 吸收廢氣熱量，經出口⑦、⑧閥門排出，⑤、⑥閥門關閉，廢氣由排風機9 排入排風管10，進入高空排入大氣。過程持續約180 s，蓄熱體A溫度下降，蓄熱體B 溫度升高，此時閥門切換，廢氣經入口⑤、⑥閥門進入蓄熱體B，⑦、⑧閥門關閉，廢氣經過高溫蓄熱體B 加熱升溫進入燃燒室燃燒，由蓄熱體A 吸收廢氣熱量，經出口①、②閥門排出，③、④閥門關閉，廢氣由排風機9 排入排風管10，進入高空排入大氣。RTO 約經360 s（一個周期）循環切換，維持蓄熱體的溫度狀態。

2 節能改進

RTO 熱量損耗主要是排出廢氣和引入廢氣的溫差及裝置保溫損耗。RTO 熱量來源為天然氣和廢氣VOCs 燃燒放熱。理論上，廢氣VOCs 燃燒釋放熱量等于廢氣出入熱量差和裝置保溫損耗熱量時，天然氣無消耗。裝置保溫在設計建設時基本定型，改造成本高，且相對損耗較少。RTO 燃燒室在維持約800 ℃時，外部爐體對應位置的溫度為40 ℃～60 ℃。乳聚丁苯橡膠干燥單元排出的廢氣到達RTO 入口時溫度穩定，約為60 ℃，因此決定熱量消耗的關鍵是排氣溫度。圖2 為RTO節能改進前某段時間內的典型RTO 出口溫度和時間關系曲線，RTO 設計能力：處理風量為50000 Nm3/h、總烴小于1000 mg/m3；處理風量為30000 m3/h、總烴為500 mg/m3。

圖2 改進前典型RTO 出口溫度隨時間變化曲線

從圖2 可以看出，RTO 每個循環360 s，出現2 個高溫峰和1 個低溫峰，高低溫差50 ℃（綜合歷史數據取值）。出現排氣溫差大的原因是蓄熱體溫差大，即兩個蓄熱體儲存的熱量出現極大偏差。例如蓄熱體A 進氣時頂部溫度為600 ℃，蓄熱體B 進氣時頂部溫度為300 ℃，兩者溫度偏差大造成蓄熱體B 熱量少、進氣溫度低，蓄熱體A熱量多、無法儲存從RTO 排出的熱量，造成熱量損耗。RTO 系統在發展過程中，結構和功能都有所改進和提升，但在進氣和排氣閥門切換的編程設計上，仍然是簡易地設置切換時間，這樣的設計導致溫度高的蓄熱體持續溫度高，溫度低的蓄熱體持續溫度低，一方面熱量損耗，另一方面長期高溫可能降低蓄熱體的使用壽命。

通過平衡蓄熱體的熱量可以解決這一問題，主要步驟：

（1）識別和區分高溫蓄熱體和低溫蓄熱體，若設施已安裝蓄熱體溫度監控，直接觀察溫度區分；若沒有安裝溫度監控，則可通過觀察排出溫度確認，如圖2 所示，若0～180 s 為蓄熱體A 排氣，其排氣溫度持續下降或主要過程溫度下降，則蓄熱體A 為低溫蓄熱體。

（2）延長高溫蓄熱體進氣時間，直至排氣溫度由降低趨勢轉變為上升趨勢，并使排氣溫度提升至一個比最低溫度高10 ℃左右的值，將此值作為后續調整的目標值，達到目標值切換閥門，注意高溫蓄熱體進氣的總時間。

（3）低溫蓄熱體進氣180 s，切換閥門。

（4）重復(2)、(3)步驟，直到高溫蓄熱體進氣達到目標值的時間接近180 s，調整時應注意目標值的觀察，調整初期的目標值應在后續重復調整時不斷修正，合理的設定目標是控制能耗的關鍵。

圖3 中實線為改進后的典型曲線，這種溫度曲線仍有提升空間，工況合適的情況下，通過人為干預可以將高、低溫峰差控制在1 ℃以內，典型曲線操作彈性大，便于程序改進。

圖3 改進前后典型RTO 出口溫度隨時間變化曲線對比

以圖3 中0～180 s 作為計算區域，經模擬計算得出其面積差為1720 ℃·s，即排氣溫度下降9.6 ℃/s（此結果依據模擬制作的曲線計算得出，模擬曲線的不同得出的結果有所差異）。通過以下計算（忽略出入口氣體微量組分的變化對比熱容的影響），得出節約天然氣的理論值：

將Cp水=4.2×103J/(kg·℃)、Cp空氣=1.003×103J/(kg·℃)、ρ空氣=1.293 kg/m3、Q天然氣=34×106J/m3、m水（空氣含水量）=50 g/m3代入式（1），計算得出每天節約天然氣的理論量為36.76 m3，每月可節約天然氣1100 m3。

根據以上方法調整后，實際節約的天然氣遠高于理論值。選取產量相當的月份對比，改進前某月天然氣消耗6300 m3（以往最低水平），改進后某月天然氣消耗4100 m3，相差2100 m3，下降33%。理論與實際相差較大的主要原因是操作控制波動比理論范圍更窄、理論與實際工況的偏差。從理論計算和實際操作可以得出結論，改進后可以顯著降低天然氣的消耗。

3 自動化控制

人為控制干預可以得到較為理想的效果，但需要人工頻繁檢查、分析和調整。通過改進RTO切換進氣、排氣閥門的方式可以實現自動化控制。RTO 進氣和排氣閥門切換模式是以180 s 作為一個切換基礎時間，分為蓄熱體A 進氣時間和蓄熱體B 進氣時間。調整原理：當蓄熱體A 進氣時，排氣溫度高，則增加蓄熱體B 的進氣時間；若蓄熱體A 進氣時間設定已大于180 s，可降低蓄熱體A 的進氣時間，但通常情況下不建議切換時間小于180 s，此方式本質是通過人工識別排氣溫度調整閥門切換時間。改進后的方法：設定一個經驗的排氣溫度目標值（持續調整），當排氣溫度到目標值時，切換閥門；當排氣溫度再次達到目標值時，切換閥門，一個循環完成。

實現自動控制循環的控制點如下：

(1) 至少2 個不同源的排氣溫度監控點以及可設定的高溫報警值，以免某個監控點異常；

(2)可設定的排氣溫度目標值，達到此值時，閥門切換；

(3)可設定的閥門最低切換時間，當排氣溫度出現跳值時，限制閥門切換；

(4)可設定的閥門最高切換時間，當系統出現其他異常時，強制切換閥門，防止極端高溫。

(3)、(4)切換條件優先級相同，均高于(2)切換條件，原RTO 系統的切換模式應保留，可以根據實際需要選擇改進模式和原模式。

完成以上控制點后，具體實現流程如下：

(1)選擇原模式人工調整排氣溫度，縮小兩個蓄熱體溫度偏差，實現一個閥門切換時間內排氣溫度先降再升；

(2)設定排氣溫度目標值、最低切換時間（90 s，1/4 周期）和最高切換時間（270 s，3/4 周期），投用改進模式，實現自動控制。

以圖4 為例，當人工調整至圖4 曲線時，投用改進模式，設定排氣溫度目標值為90 ℃。當排氣溫度達到90 ℃時（接近180 s 位置），自動切換一次閥門，排氣溫度因溫度遲滯略微升高后下降至90 ℃，受最低切換時間限制，此時不會切換；當再次達到波峰90 ℃時閥門切換，完成一次循環。

圖4 改進模式閥門切換時間點

圖4 所示的180 s 閥門切換時間是一個假設值，實際生產中的切換時間根據設定的排氣溫度目標值而定，而排氣溫度目標值的設定與廢氣中的總烴量相關。因此，設定一個合理的排氣溫度目標值是節約能耗的關鍵，可以通過觀察排氣溫度最低值，將目標值設定為高于最低值10 ℃～20 ℃，可以達到較理想的效果。

4 結語

通過改進操作方法，將半個循環周期內排氣溫度的上升或下降趨勢轉變為先降后升，可以節約至少33%的天然氣，這種操作方法可實現自動化控制。