摘要:自由式RTO废气焚烧炉是对当前最先进的双塔式和单塔式RTO废气焚烧炉的改进,它造价低廉、燃料消耗少、蜂窝陶瓷不容易黏堵、维护费用低、炉膛结构可以自由调节、使用范围更加广泛等优点。特别适用于中小企业,也特别适用于对燃料消耗比较高的直燃式的废气焚烧炉的改造。 
关键词:焚烧炉 RTO焚烧炉 自由式RTO废气焚烧炉 
  减少焚烧炉燃油消耗,具有两方面重要意义:第一,巨大经济效益:对于FR-4生产,采用一台直燃式焚烧炉带一台立式上胶机配置时,每台焚烧炉每小时油耗在80公斤左右。在能源十分紧缺,石油越来越高的年代,每台焚烧炉如近来柴油价格达到8000元/吨,满负荷生产时,一年耗费燃油费用达460万元人民币。中小型FR-4覆铜板厂多数配备2-3台立式上胶机,满负荷生产时,一年耗费燃油费用达920~1380万元人民币,明显加大产品制造成本。经过各个设备制造厂和覆铜板厂的不断探索改进,这种焚烧炉的油耗都有所降低,但多数每小时油耗仍达二三十公斤或三四十公斤,每年的费用仍然很高。因此采用低油耗焚烧炉具有巨大经济效益。第二,减少碳的排放:低碳经济是一个任重道远的工作,减少焚烧炉燃油消耗,也就减少碳的排放。因此减少焚烧炉燃油消耗,既具有巨大经济效益,也减少了碳的排放。 
  在减少焚烧炉燃油消耗方面,人们研究了蓄热式(简称RTO)焚烧炉,它有双塔式和单塔式两种形式。这两种焚烧炉的结构都很庞大,造价都很高,一些中小型企业接受不了。而且在对能耗比较高的直燃式焚烧炉改造方面,发挥不了作用。此外,这两种焚烧炉都存在蜂窝陶瓷容易黏堵、维护费用高、在试车过程如发现油耗偏大等问题但炉体不容易更改等问题,因此,出现了自由式RTO废气焚烧炉。 
  自由式RTO废气焚烧炉是对双塔式和单塔式RTO废气焚烧炉的改进,它的能耗非常低。它的结构比双塔式和单塔式RTO焚烧炉要简单许多,因此它的制造成本低。与双塔式和单塔式RTO废气焚烧炉相比,自由式RTO废气焚烧炉的维护方便,它的蜂窝陶瓷也没有双塔式和单塔式RTO废气焚烧炉那么容易黏堵。 
  自由式RTO废气焚烧炉它最大特点是可以根据工艺要求对炉膛结构进行调整,这是双塔式和单塔式RTO废气焚烧炉做不到的。因此它的使用范围更加广泛,如它可以用于对直燃式废气焚烧炉的改造,以最低改造费用取得最大经济效益;再它可以应用于酚醛合成的含酚废水处理,这是一个历来都不容易解决的问题。自由式RTO废气焚烧炉由于其炉膛温度高达900℃左右,可以将含酚废水烧掉而不污染环境。 
  下面对这几种焚烧炉结构和功能做一对比介绍。 
  一、 直燃式废气焚烧炉 
  通常,废气焚烧炉是以柴油、重油或天然气为燃料。送入焚烧炉的废气在上述燃料的火焰中燃烧、氧化分解。 
  早期废气焚烧炉主要任务就是把有机废气烧掉,很少考虑热量回收,所以那种焚烧炉被称为直燃式废气焚烧炉,这种焚烧炉的燃料消耗很大。通常“一对一”(一台焚烧炉对一台上胶机)耗油量在80kg/小时左右。直燃式废气焚烧炉的结构示意图见图1。 
  虽然人们也一直在寻找直燃式废气焚烧炉节能方法,如让废气进入炉膛时采用乱流的形式,并采用迷宫式或延长炉膛长度,在炉膛中放入一些砖等方法,来延长废气在炉膛中的停留时间,以使废气更加充分的燃烧。同时让废气先预热,然后再进入炉膛。经过预热的废气温度提高了以后,在炉膛中燃烧需要热量相应较低,以此来降低燃料消耗。但当燃烧机熄火时,炉膛的温度下降很快,燃烧机必须重新点火,所以这种结构焚烧炉的能耗很高。 
  由于对直燃式废气焚烧炉所采取的种种改进效果都有限,所以出现了下面的“蓄热式RTO” 废气焚烧炉。 
  二、“蓄热式”RTO 废气焚烧炉 
 
 一台生产速度为18m/分的立式上胶机,在稳定每小时产生溶剂量达100kg左右。FR-4覆铜板生产主要溶剂为DMF和丙酮,有机溶剂具有很高的热值,如每公斤丙酮的热值高达6000多大卡。如果能够将这些溶剂全部都利用起来,让它在焚烧炉里充分燃烧,那么100kg溶剂可以产生60万大卡/小时的热量。一台立式上胶机在稳定生产时需要的热量也在60万大卡/小时左右。因此,如果上胶机产生废气能够充分燃烧,则焚烧炉可以不需要其他燃料,或补充少量燃料就可以维持正常生产。于是,出现了“蓄热式” RTO废气焚烧炉。 
  所谓“蓄热式”就是把焚烧炉燃烧过程产生的热量蓄存在蓄热材料中。当前比较常用的蓄热材料是“蜂窝陶瓷”,它具有很多的小孔(也称为多孔砖),形成“蜂窝群”。当这些“蜂窝群”蓄聚大量的热量到达织热状态时,即使燃烧机不点火,织热的蜂窝陶瓷也能把有机废气燃烧起来。因此,“蓄热式” 废气焚烧炉就特别省能源。 
  “蓄热式” 废气焚烧炉有双塔式RTO和单塔式RRTO(旋转式也称RRTO)。这两种炉子的结构都很庞大,价格昂贵,炉膛结构固定,蜂窝陶瓷容易粘堵等缺陷。这几年,我们研究了“自由式RTO废气焚烧炉” ,它的炉膛结构是可以自由调节(所以给这种焚烧炉取名“自由式RTO废气焚烧炉” ),蜂窝陶瓷不容易粘堵,价格便宜等优点并申请了国家专利,终于冲破这层面纱。所以“蓄热式” 废气焚烧炉就有了三种结构形式,下面我们分别论述之: 
  1、 双塔式RTO废气焚烧炉: 
  当前双塔式RTO废气焚烧炉有如下两种结构形式:有一种是双燃烧机结构(见图2 A),;另一种是单燃 
  烧机结构(见图2 B)。这两种炉子都有人在用,它的原理都一样。 
  双塔分为A炉和B炉,两个塔的结构是相同的。下方是废气室,中部是蜂窝陶瓷,顶部是燃烧室。 
  废气从A炉的蓄热室下方进入焚烧炉,经过蓄热室到达燃烧室燃烧,产生的热量被送到热交换器给上胶机加热,有部分热量从B炉的蓄热室的上方流经蜂窝陶瓷到达B炉下方的废气室,对B炉蜂窝陶瓷加热,然后经过旁通管道排到烟囱(也可排入到热交换器)。经过预热的蜂窝陶瓷,如果能够达到炽热状态,能够将进入焚烧炉的废气点燃,就能够达到降低能耗目的。   为了使A、B炉的蜂窝陶瓷都得到预热,A、B炉就必须交替使用,这个过程通过气动阀的切换来实现。 
  即第一周期废气是从A炉废气室进入,流经燃烧室以后,部分热量从B炉废气室排走。经过若3~5分钟以后,经过气动阀的切换,废气是从B炉废气室进入,部分热量从A炉废气室排走,同时对A炉蜂窝陶瓷进行预热。通过气动阀的不断的切换,使A炉和B炉的蜂窝陶瓷被轮流加热。 
  双塔式RTO,当炉膛的温度达到850-950℃时,蜂窝陶瓷可以使有机废气自燃,所以能够达到节能目的。A炉和B炉的切换,也为了通过对蜂窝陶瓷的热处理,来防止蜂窝陶瓷的黏堵。 
  双塔式RTO废气焚烧炉比直燃式废气焚烧炉在节能方面的确进了一大步。但蜂窝陶瓷自下而上布置,顶部的蜂窝陶瓷接近燃烧室,温度比较高,不容易出现黏堵。但下面的蜂窝陶瓷温度比较低,有机废气中的低分子物会在这里沉积,容易出现蜂窝陶瓷的黏堵问题。 
  有些公司采用“返烧方法”,每过一段时间如将A炉产生热量全部排入B炉,来烧去蜂窝陶瓷上的黏堵物,但由于蜂窝陶瓷3~4层厚,厚度达一米多,有些炉子在蜂窝陶瓷下面还布置有陶瓷环,陶瓷马蹄块等物,采用返烧方法也很难将下方黏堵物烧干净。另外是A,B炉通过气动阀频繁切换,万一气动阀出现故障,就有安全隐患。 
  2、单塔式RRTO废气焚烧炉 
  为了解决RTO焚烧炉中蜂窝陶瓷的预热,需要A,B两个塔气路频繁切换问题,出现了单塔式RTO焚烧炉。有人为了区别双塔式,给他取名RRTO,它的特点就是用一个旋转废气室来代替双塔(单塔式RRTO结构见图25)。 
  单塔式RRTO焚烧炉的废气室在下方,蜂窝陶瓷在中部,炉膛在上部。 
  废气从炉子的下方经过已经预热了的蜂窝陶瓷进入燃烧室燃烧,产生的热量被送到热交换器给上胶机加热,有部分热量则从燃烧室经蜂窝陶瓷流到下方的废气室,给蜂窝陶瓷预热。 
  为了使进入的废气与流出的热气流分开,同时又要让蓄热室所有的蜂窝陶瓷都能够均匀受热。废气室被分成多个小格(如12-16个小格)。它通过旋转使进入的废气和流下的热量每若干秒钟就变换一个小格,这样就使到蜂窝陶瓷被均匀加热。 
  当蜂窝陶瓷被加热到比较高的温度,并明显超过有机废气的着火点时。即使燃烧机不点火,织热的蜂窝陶瓷也能把有机废气点燃。如果生产过程中产生的有机废气很充分,则这个过程可以连续下去,即只烧废气不烧油,所以蓄热式废气焚烧炉很节能。 
  单塔式RRTO焚烧炉比双塔式RTO少了一个塔,也减少了气阀切换问题,但多了废气室旋转问题。单塔式RRTO焚烧炉结构比较庞大,蜂窝陶瓷通常为4层,每块砖的高度300mm,总高度在1200mm甚至更厚。由于下层蜂窝陶瓷的温度比较低,仍解决不了蜂窝陶瓷容易黏堵问题。直立堆叠蜂窝陶瓷坏了之时也不容易更换等。 
  3、自由式RTO废气焚烧炉 
  自由式RTO废气焚烧炉是对双塔式RTO废气焚烧炉和单塔式RRTO废气焚烧炉的改进。它的后半部分即热交换器部分与双塔式RTO废气焚烧炉和单塔式RRTO废气焚烧炉基本相同(自由式RTO结构见图26)。 
  焚烧炉的最关键部分是炉膛部分,如果炉膛设计太大,则燃料消耗增加。如果设计太小,则废气容易过量,造成很大不安全因素。双塔式RTO废气焚烧炉和单塔式RRTO废气焚烧炉的炉膛结构很庞大,安装完成以后很难更改。而自由式RTO废气焚烧炉的炉膛结构是自由式的,它可以随生产需求进行调整。如在生产过程发现炉膛偏大时,它可以适当调小。当用户需要把一拖二焚烧炉改为一拖三时,它也可以很容易的去完成,(包括供热部分必要时的适当加大,都可以做到)。因此,自由式RTO废气焚烧炉的安全性比双塔式RTO废气焚烧炉和单塔式RRTO废气焚烧炉更加高。 
  4、蓄热材料选用 
  由于“蓄热式” 废气焚烧炉的温度高达850-950℃,对于这些材料不仅需要它具有蓄热性能,而且必须有较长使用寿命。含铝质陶瓷材料就具有蓄热性能和耐热性好,它的使用温度可以高达1000℃以上,所以“蜂窝陶瓷”大部分采用可以用于做陶瓷的材料,它的优点是耐热性好,吸热快,散热也快。比较常用的有高铝石,堇清石,莫来石等。 
  当前,用的比较多的蜂窝陶瓷多孔砖的规格是: 150×150×150、150×150×300(mm),孔数:25×25、40×40、50×50、60×60等,它的孔径从0.5mm~4mm。蜂窝陶瓷砖的截面孔主要为正方形,且孔道是相互平行的直通道结构,这种结构大大降低了气孔流经的阻力。 使用时把它堆放起来,让前后每块砖的孔对齐就可以,相当方便。 
  有人为了增加废气在蓄热体上的停留时间,在蜂窝陶瓷多孔砖的下方放入部分陶瓷环,陶瓷环的规格多种多样,因使用者要求不同而不同。这些陶瓷环是无序堆放的,需要有容器避免它散开。 
  由于上述蓄热材料都容易出现黏堵现象,蜂窝陶瓷多孔砖的孔道或陶瓷环表面及孔内粘上一层棕色或综黑色物质,这些物质是未完全氧化分解的低分子物。黏堵导致空气流动不顺畅,降低焚烧炉效率,并危及安全生产。黏堵现象主要出现在蜂窝陶瓷的低温区,有机废气中的低分子物容易在这里沉积。为了解决这个问题,人们一直在不停的探索,包括在蜂窝陶瓷的低温区应用大孔径蜂窝陶瓷,或将它们做成片式,在它上面压有许多沟槽,当把它一块一块组合在一起时,就形成许多的孔,有人把它称为“饼干式”。采用“饼干式”陶瓷砖目的是它具有蜂窝式陶瓷多孔砖堆放方便优点,又比蜂窝式陶瓷多孔砖好清理。但“饼干式”陶瓷砖的孔数太少,蓄热效果低,所以只能作为炉的下层砖。 
  热膨胀系数是选用蜂窝陶瓷的一个重要参数,通常选用热膨胀系数小的陶瓷材料,它是防止蜂窝陶瓷碎裂的一个重要参数。通常是采用高铝土,堇青石,莫来石的混合材料站制造。 
  为了提高焚烧炉的热效果,有人在蜂窝陶瓷中加入催化剂,它是一种贵金属,它能够降低有机废气在蜂窝陶瓷上“自燃”温度。即使在较低的炉膛温度下,即使还没有达到有机废气自燃点,有机废气也能够着火燃烧,进一步提高焚烧炉节能效果。但在FR-4生产中,溴及其他某些化学物质会使催化剂“中毒”,使其失去作用、因此,在使用时要慎重。
    三、废气焚烧炉安全生产上的一些问题 
  1、蜂窝陶瓷的黏堵 
  蜂窝陶瓷的黏堵是RTO焚烧炉比较头痛的一个问题。 
  (1)蜂窝陶瓷的黏堵增加燃料消耗:对于双塔式RTO废气焚烧炉和单塔式RRTO废气焚烧炉,刚开始生产的时候,耗油很少。但生产一段时间以后,耗油量开始增加,产生原因就是蜂窝陶瓷开始出现黏堵现象。很多厂家每三个月,有的是半年就需要清理一次蜂窝陶瓷。清理方法是把蜂窝陶瓷都拆下来,换去黏堵比较严重的部分。重新开机生产时,耗油量又明显下降了。 
  (2)蜂窝陶瓷黏堵威胁焚烧炉安全生产:由于蜂窝陶瓷产生黏堵导致空气流动不顺畅,废气流量开始下降, 
  这使上胶机和焚烧炉的安全生产受到威胁。黏堵现象主要出现在蜂窝陶瓷的低温区,有机废气中的低分子物容易在这里沉积。黏堵,降低焚烧炉效率,并危及安全生产。 
  (3)增加生产成本:双塔式RTO废气焚烧炉和单塔式RRTO废气焚烧炉的蜂窝陶瓷比较难拆,必须将整 
  个炉膛都拆开才能做到。工作量比较大,而且每次拆卸都造成部分蜂窝陶瓷碎裂而报废。少的每次报废几十块,多的每次报废一百多二百块,经济损失比较大。 
  自由式RTO废气焚烧炉的蜂窝陶瓷布置与双塔式RTO废气焚烧炉和单塔式RRTO废气焚烧炉不同,蜂窝陶瓷不容易出现黏堵现象。有些厂家使用数年都没有出现这种情况。此外,如果需要对蜂窝陶瓷进行更换时,自由式RTO废气焚烧炉蜂窝陶瓷是水平摆放的,人可以自由出入,因此比较容易清理。 
  (4)蜂窝陶瓷黏堵主要原因:造成蜂窝陶瓷黏堵主要原因是溶剂带有少量低分子树脂,如果胶液中有填料时,还带有一些填料。当溶剂从从胶液中挥发出来时,部分低分子树脂和很少量填料被溶剂带出来,蜂窝陶瓷的孔很小,表面积很大,如果他们温度很高时,低分子树脂处于气化状态,不容易沉积。但是当这些蜂窝陶瓷的温度比较低时,这些低分子树脂和量填料就容易出现沉积。由于双塔式RTO废气焚烧炉和单塔式RRTO废气焚烧炉下层蜂窝陶瓷温度比较低,所以容易产生沉积。沉积物多了,就产生黏堵。 
  自由式RTO废气焚烧炉蜂窝陶瓷温度都很高,所以不会产生低分子树脂沉积。但填料由于不能气化,所以胶液中如果填料的比例比较高时,还是会出现由填料造成的黏堵。由低分子树脂造成的黏堵物呈现棕色或综黑色物质,可以烧掉;由填料(如氢氧化铝或硅微粉)造成的黏堵呈现白色,烧不掉。 
  (5)蜂窝陶瓷黏堵较常用处理方法:提高蜂窝陶瓷的温度是防止黏堵或延长造成黏堵时间的最好的方法;但并不是所有的焚烧炉的蜂窝陶瓷的温度都能提得很高,由于由低分子树脂造成的黏堵物是可以烧掉的,所以,可以许多厂家采用“返烧”方法,(燃烧室高温不往热交换器送,而是把热量回压到蜂窝陶瓷上,把由低分子树脂造成的黏堵物烧掉,这种做法常用于双塔式RTO废气焚烧炉和单塔式RRTO废气焚烧炉);对于由填料造成的黏堵,由于烧不掉,较常用方法是用压缩空气把他们吹掉。 
  2、燃烧机回火问题 
  当燃烧机处于熄火状态时,燃烧机的风机可能处于停顿或低送风状态。而RTO焚烧炉此时炉膛的温度仍高达800-900℃,就很容易出现回火烧坏燃烧机情况,这种情况在直燃式焚烧炉比较常见。为了解决这个问题,直燃式焚烧炉常采用排烟风机的功率大于废气风机的功率方法,使炉膛为微负压,以避免出现回火烧坏燃烧机情况。但这种情况不容易维持。比较好的办法是在燃烧机头有感温棒,设定一个保护温度,当其感应到温度超过设定值时,自动增大燃烧机送风量,避免燃烧机过热烧坏情况发生。 
  有些焚烧炉采用比较特殊燃烧机,这种燃烧机是一种全密闭结构,它还通入压缩空气,就保证不会产生燃烧机回火烧坏燃烧机情况。 
  3、安全系统设计 
  本专利针对国内外焚烧炉发生过多次失火、爆炸情况,特别在RTO燃烧室上增加了一套安全设计,大大提高了焚烧炉生产的安全性。调节废气输送的舞蹈性和废气输送安全性。 
  (1)废气放空阀,在管道或炉膛压力超过设定值时阀门自动打开,将压力释放,避免焚烧炉发生爆炸事故。在生产结束焚烧炉停机前10-20分钟,打开该阀门将系统废气排光,以避免停机以后发生不安全事故。 
  (2)安全防爆片,当焚烧炉压力出现异常时自动破开,将压力释放,避免焚烧炉发生爆炸事故。 
  (3)冷风进入阀门,在炉膛温度超高,难以控制时自动打开,进入冷空气降低炉膛温度,防止焚烧炉出现不安全事故。 
  四、自由式RTO废气焚烧炉在其他行业应用 
  自由式RTO废气焚烧炉的应用范围比双塔式RTO废气焚烧炉和单塔式RRTO废气焚烧炉更加广泛。 
  1、在喷漆、压敏胶带等行业应用 
  双塔式RTO废气焚烧炉和单塔式RRTO废气焚烧炉,体积都很庞大,不适用于这些的废气是间断产生,或废气量比较小的场合。 
  自由式RTO废气焚烧炉结构可以做得比较小,炉膛的结构又可以自由调整,所以它可以用于废气的产生是间断性,废气量可能比较小(如胶粘带或压敏胶带行业)的场合。 
  2、在含酚废水处理方面的应用 
  含酚废水处理一直是酚醛树脂工业的老大难问题。我们曾经试用过“生化法”,“活性污泥法”,“离子交换树脂吸付法”等等,都存在处理不彻底,或产生二次污染灯问题。后来采用将含酚废水雾化喷入一个专用的废水焚烧炉中,将有机物烧掉的方法,但耗油量相当大,在能源短缺的时代,也不是一个好方法。也有一些工厂将含酚废水与煤混合后送入锅炉烧掉,混合煤过程产生刺激性气体对人、对环境都产生污染。如果将将含酚废水喷到锅炉中烧掉,由于含酚废水进入锅炉以后先气化,气体在炉膛停留时间太短,有许多有机物来不及燃烧就被排走。因此,这个方法不是一个完满方法。 
  我们尝试将含酚废水雾化喷入废气焚烧炉中,这是一个有潜力的做法。但对于直燃式废气焚烧炉,当含酚废水喷进去时,炉温下降太快,所以不适用。对于蓄热式废气焚烧炉,炉膛温度高达850-950℃,足以将含酚废水彻底氧化分解。而且蓄热材料能够保持焚烧炉不会再含酚废水进入焚烧炉时过快降温,影响焚烧炉的正常运行。 
  为了避免将含酚废水进入废气焚烧炉中,炉膛的温度下降过快,并导致蜂窝陶瓷碎裂等产生。不适宜采用喷的方法。因为含酚废水中的低分子物很容易黏堵喷嘴。就是将含酚废水过滤了,但随着低分子树脂进一步反应,还是会黏堵。比较适当方法应当将含酚废水气化,然后与有机废气一同输送入燃烧室。这种做法可以避免黏堵喷嘴问题,可以避免含酚废水间断性进入,以及炉膛降温波动过大,造成蜂窝陶瓷碎裂等问题。 
  3、在焚烧炉改造方面应用 
  当前国内许多覆铜板厂仍大量使用直燃式废气焚烧炉,它的能耗大,安全性低。用自由式焚烧炉结构对其进行改造,是投资最少,效果最好一种改造方法,对于一拖二或一拖三(一台焚烧炉拖二台或拖三台立式上胶机)它的油耗可以从每小时几十公斤降低到每小时只烧几公斤燃料或不需要燃料,只烧有机废气,具有明显的经济效益,非常值得推广应用。