天寒地凍，說說RTO溫暖一下

最近做了個RTO的項目，天寒地凍，寫篇文章，也算做個工作總結，全文閱讀完成需要10分鐘左右。

所謂RTO就是蓄熱式熱力焚燒的意思，在環保行業主要用於廢氣處理。為什麼會有這項技術還是要從廢氣處理這個行業說起。廢氣處理有個特點，那就是氣體量很大，污染物濃度很低，這個很好理解，氣體密度一般是液體的千分之一。無論是化學反應還是車間通風過程中產生的廢氣，別看質量只有一點點，但是體積流量動輒就是上萬立方/小時。偏偏廢氣中的有害成分含量很低的情況下就能對環境有很大危害，廢氣裡面只要含一點有害物質，氣味就特別明顯，很容易被投訴。相關的環境標準里，對於污染物的排放要求都在幾個ppm以內。因為廢氣處理涉及的東西都是濃度很低的，這給處理手段的選擇造成了很大的困難。因為濃度低，所以無論是化學過程還是物理過程其推動力都是不足的，低濃度的體系要想濃縮成高濃度其能量消耗也是非常可觀的，因此除非特殊情況很少看到能回收廢氣中有機物的案例。坦率的說目前廢氣處理行業就幾個技術比較成熟，活性炭吸附，噴淋吸收，再就是直接焚燒了。其他手段吹得天花亂墜都是花架子，諸如等離子，光催化等新技術都是中看不中，用很多情況下效果不明，加了等於沒加。目前來看，廢氣處理還是要靠這些簡單粗暴的技術。

這裡主要講講熱力焚燒，這個思路最簡單，既然廢氣裡面主要的污染物是有機物，那麼和汽油什麼的都是類似的，我們直接一把火把它們燒掉就是了，生成的二氧化碳和水是沒有污染的。當然在焚燒過程中會產生熱力性Nox這個是沒有辦法避免的，但好在這個的處理是非常成熟了。焚燒這種方法簡單粗暴，因為吸附，吸收等等化學手段本質上是污染物的轉移，產生的廢水和廢活性炭都是要處理的。另外還有相容性的問題，特別是吸收，針對不同的物質最好是要有不同的吸收劑，這就導致工藝的不確定性和技術風險。

雖然優點很多，但焚燒這個技術也有有很大的問題，主要是燃料消耗。因為之前說過，絕大多數廢氣污染物濃度是很低的，要想把它點燃是不可能，換句話說就算將廢氣里的污染物完全燃燒產生的熱量也不可能讓廢氣達到燃燒溫度。這種情況下就需要外加燃料，將廢氣加熱到可燃燒的溫度。但是外加的燃料每一點都是錢啊，省下來了燃料就是剩下來錢。

另外一方面，燃燒過後的高溫廢氣也是不能直接排放的，這種情況下需要把這個廢氣冷卻下來。熟悉化工生產的人都知道冷卻介質也是錢。這一冷一熱都是錢，於是從熱量有效利用這個角度來說，最好的方法是把加熱過程與冷卻過程有效的結合起來。利用燃燒過後的煙氣來預熱進口廢氣，在這個過程中既降低了煙氣的溫度又預熱了廢氣，加熱與冷卻過程的熱量都節省了下來。

現在的關鍵問題就是加熱和冷卻過程如何實現了。最終我們選擇了蓄熱式換熱器來實現這一過程。之所以這樣做，主要是考慮到氣體間的換熱係數是非常低的。一般來說氣體間的對流傳熱係數，也就是我們說的K值只有25-30左右，這主要是因為氣體的導熱能力實在太差。對於液體而言就大不一樣了，液體的傳熱係數大概在400-500，整體而言傳熱係數的差距可達到20幾倍。偏偏這種差距幾乎不可以通過改變換熱器結構進行優化，這一點和液體明顯不同，對於液體換熱可以採用改變換熱器結構提升傳熱係數，例如採用板式換熱器，其傳熱係數就可以比管殼式換熱器高一倍以上。

這最終決定了對於同樣的換熱量，氣體換熱器的換熱面積會比液體大20幾倍。這種情況下，採用傳統的管殼式換熱器設備體積會非常大，而且管殼式換熱器的結構是相當複雜的。因此，對於這個過程來說，管殼式換熱器就結構而言是不合適的。最終蓄熱式換熱器進入了我們的視野，這就是現在說的RTO技術。蓄熱式換熱器的特點就在於換熱器的結構是簡單的，而且藉助蓄熱體，可以在單位體積下達到儘可能大的換熱面積，這樣設備整體結構非常緊湊。

下面這張圖可以用來說明RTO技術的整體流程。

蓄熱式換熱器的操作是一個周期性的過程，蓄熱式可以分成幾個部分，為了詳細解釋，我們用最簡單的雙蓄熱體模式作為例子來進行介紹。這種換熱器一般有A，B兩個蓄熱室。

在周期開始的時候，蓄熱式A溫度高，蓄熱室B溫度低。有機廢氣首先進入溫度高的A蓄熱室，在蓄熱室內被預熱，同時A蓄熱室蓄熱體溫度降低。

經過蓄熱室的有機廢氣溫度升高，在燃燒室內，與燃料混合燃燒後進一步升高溫度。隨後從蓄熱體B流出。在經過蓄熱體B時由於蓄熱體溫度低，氣體被冷卻，同時蓄熱體B溫度升高，完成一個周期循環。

完成一個周期循環後此時蓄熱體B溫度高，蓄熱體A溫度低。此時與循環開始的時候相比蓄熱體AB的地位交換了一下。在下一個循環過程中通過換向閥切換，廢氣先經過蓄熱體B加熱，再由蓄熱體A冷卻。整個操作過程中兩個蓄熱體交替作為加熱和冷卻介質。

下面這個圖是計算機模擬的蓄熱陶瓷進出口氣體溫度變化變化圖，可以看出它們都是周期性變化的。

最後說一說蓄熱體，蓄熱體是RTO設備中最重要的部分。一般而言對蓄熱體要求有幾個。

首先，蓄熱體熱容要大，就是載熱能力要強，載熱能力強的蓄熱體可以在一個周期內加熱更多的氣體。這樣氣體的切換周期就可以延長，目前的RTO氣體的切換周期是分鐘級的，頻繁的切換對系統的控制條件要求很高而且對閥門和蓄熱體的損害都很大。

其次，蓄熱體熱膨脹要小，這主要是由於蓄熱體在加熱和冷卻過程中會產生膨脹與收縮，這個過程中蓄熱體反覆變形容易受熱應力而破壞。

蓄熱體導熱係數要好，我們知道雖然蓄熱體和空氣的換熱是對流傳熱，實際上蓄熱體傳熱係數對空氣換熱過程影響不大。但是蓄熱體導熱不良會導致蓄熱體內部溫度分布不均，同樣會導致局部熱應力過大而形成對蓄熱體的破壞。