热氧化剂和微粒堆积入门

蓄热式热氧化器 (RTO) 和其他类型的热氧化系统已被证明是减少工厂排放的挥发性有机化合物 (VOC) 和其他污染物的高效节能方法。然而，排放流中的颗粒物可能是一个特别棘手的问题，会导致介质床结垢和堵塞。因此，应仔细选择热交换介质的形状和材料，以减轻颗粒物的潜在问题，并确保热氧化系统的可靠、经济和安全运行。

蓄热式热氧化
热氧化器本质上是焚化炉，可通过热或催化将含有污染物的排放物转化为二氧化碳和水蒸气。氧化过程通常对 VOC、有害空气污染物 (HAPS) 和气味的破坏/去除效率 (DRE) 水平高于 99%。

蓄热式热氧化器通过“再生”或再利用系统产生的热量来最大限度地减少燃料消耗。风扇从喷漆间收集系统和其他来源吸入空气，空气通过热交换器介质预热到热氧化温度，通常为 1,400 至 1,600 华氏度。然后空气进入燃烧室并持续指定的停留时间（0.5 到 2.0 秒），在那里发生放热反应，将 VOC 转化为二氧化碳和水蒸气。在排放到大气中之前，热的净化空气通过介质床以捕获热能，这些热能将用于预热进入的空气。阀门不断地交替介质床之间的流动：一个循环，将冷空气进入刚刚被热排气加热的介质床，然后是一个循环，热排气流过介质床以重新加热它。

RTO 可以以 85% 到 99% 的热效率运行，从而减少或消除在燃烧室中燃烧天然气的需要。 RTO 对于具有低至中等溶剂负载的工艺流特别有效，并且可以在中等爆炸下限 (LEL) 水平下自我维持。换句话说，一旦系统被充分加热，如果废气流中存在足够的可燃气体，则可以关闭天然气燃烧器。

其他热氧化剂
对于低于 4% LEL 的较低溶剂负载水平，通常建议使用催化系统。蓄热式催化氧化器 (RCO) 具有与 RTO 相似的设计，不同之处在于最靠近燃烧区的陶瓷热交换介质涂有或浸渍有贵金属，这些贵金属用作催化剂，能够在显着较低的温度（600 至 1,000华氏度）。催化系统需要存在会在这些较低温度下氧化的 VOC 类型。 RCO 利用与机动车辆中的催化转化器相同的原理，将一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物氧化成二氧化碳和水。

对于具有高 LEL 水平的废气流，可以使用简单的热氧化器，而没有任何热再生能力。在这种情况下，高溶剂负载可以支持燃烧而无需预热，并且通常很少或不燃烧天然气。

对于 VOC 浓度相对较低的气流，可​​使用旋转吸附器来浓缩气流并提高 LEL 水平，从而能够使用更小和/或更节能的氧化装置。含有污染物的工艺废气通过旋转吸附装置，在那里 VOC 被吸附在沸石或活性炭介质上。净化后的空气被排放到大气中，然后通过用较小的热空气流解吸从介质中去除溶剂，然后将其输送到氧化装置。

上游微粒去除
尽管氧化剂系统主要用于减少 VOC，但所有排放流都包含一定数量的颗粒物，这些颗粒会导致床污染、性能下降，甚至导致危险和破坏性的火灾。上游颗粒物去除方法的一些方法包括级联（水洗）、挡板和介质过滤。其他的，例如湿式和干式静电除尘器 (ESP) 和旋风除尘器，可以减少但不能消除进入 RTO 的颗粒物。

颗粒堆积的影响
深入介质床的颗粒往往会燃烧掉。然而，化学反应性颗粒即使深入到介质中也会引起问题。

进入 RTO 的一部分颗粒将聚集在介质床的冷面上。根据介质的设计，颗粒堆积会迅速导致介质床堵塞。堵塞会导致几个重大问题。气流受阻导致压降上升，迫使引风机工作更用力，消耗更多电力。 RTO 的容量降低，因为介质床在传递热量方面变得不那么有效，因为“死区”意味着暴露在空气流中的表面积减少，可用于保持热能的介质质量减少。此外，颗粒的堆积会带来严重的火灾危险。

这些症状的唯一补救解决方案是清洗或烘烤介质床，这些过程涉及代价高昂的停机时间。随着时间的推移，清洗和烘烤程序的频率通常会增加，直到唯一可行的解​​决方案是完全更换介质。

媒体类型
在过去的几十年中，RTO 使用了几种不同类型的传热介质。三大类是无规填料、整体结构块和波纹结构填料。

随机包装。 最初，在 1970 年代，RTO 中使用了各种各样的随机填充材料，包括砾石、陶瓷球和各种形状。将包装材料随机倒入 RTO 中以形成介质床。随机排列是首选，以防止嵌套会限制流动并导致收集颗粒的死区。

在 1980 年代，RTO 制造商和所有者发现为化学传质操作开发的陶瓷“鞍座”为 RTO 随机堆积提供了最佳形状。相对于其他类型的随机填料，马鞍形最大限度地减少了压降（以降低感应风扇的电力消耗）和最大化表面积（以提高传热效率）。

多年来，RTO 介质供应商改进了陶瓷鞍座的设计。例如，Koch Knight LLC 开发了一种独特的三肋低压降 FLEXISADDLE 随机填料设计（或 LPD 随机填料），它提供了高开口面积和空气动力学设计，与标准鞍座相比，可限制嵌套并减少 20% 的压降媒体。

一些制造商使用金属催化剂涂覆或浸渍此 LPD 鞍座，以用于 RCO。填料也可采用耐釉氧化铝制成，以抵抗碱性化学侵蚀，这可能由清洁化学烟雾或电镀应用中使用的金属盐产生。

整体结构块。 另一种非常干净、低颗粒流的替代品，例如进口的堇青石陶瓷蜂窝整料，是可用的。整料块是一种规整填料形式，以正式排列方式放置，而不是随意倾倒。细胞在垂直于冷面的直通道中延伸穿过块。

这种设计的优点是理论上它为气流提供了一个直的、空气动力学的通道。缺点是，如果颗粒在冷面堵塞通道，流入物在此处进入块，那么整个通道将成为死区。

波纹规整填料。 用于 RTO 的最先进的陶瓷热交换介质是波纹规整填料。这种填料由波纹陶瓷片构成。相邻片材波纹的倾斜角度是相反的，确保整个介质床的气流分布良好。即使介质床的一个区域被颗粒堵塞，交替波纹的混合和扩散效果也可以防止堵塞区域上方的向下区域。

现场研究表明，波纹规整填料RTO在安装时与整体结构块RTO消耗的天然气量相同，但前者具有更好的气流分布，而后者的蓄热能力略高。瓦楞纸解决方案的优势随着时间的推移变得显着，因为它具有极其卓越的抵抗由颗粒堆积引起的污垢的能力。

终身运营成本
在安装新系统或更换现有系统的介质床时，热氧化器的所有者有多种选择。对于涂饰行业中的 VOC 减排系统，其中可能存在颗粒问题，应考虑使用波纹规整填料。这种先进的解决方案的购买和安装成本可能更高，但与替代介质相比，它将提供更低的压降、更高的传热效率、更可靠的运行和更长的使用寿命。仅能源消耗的显着长期降低就远远超过安装先进热交换​​介质的额外成本。

关于作者：
Paul Sims 是 Koch Knight LLC 东南地区的销售经理。可以通过 [email protected] 与他联系。