TW201925686A - 處理ＶＯＣｓ廢氣的蓄熱再生型氧化器 - Google Patents

Abstract

一種處理VOC廢氣的蓄熱再生型氧化器，其中，含有二個以上的蓄熱室、一個高溫氧化反應室及超溫邏輯控制器，其蓄熱室內有多孔材料堆積成的多孔蓄熱床，高溫氧化反應室位於蓄熱室上方並與蓄熱室結合，在該多孔蓄熱床內有部分多孔材料採用孔隙度大、熱容量低的材料構成蓄熱槽內部的氣體冷旁通快速通道，且在氣體冷旁通快速通道底部設有由超溫邏輯控制器控制的流量調節閥；含VOC廢氣被導入的蓄熱再生型氧化器內，經由預熱、高溫氧化處理；在VOC廢氣濃度超過限值導致溫度升高時，利用超溫邏輯控制器控制流量調節閥，導引部分VOC廢氣經由氣體冷旁通快速通道進入高溫氧化反應室，調節控制高溫氧化反應室的操作溫度，以避免系統發生超溫意外。

Description

處理VOCs廢氣的蓄熱再生型氧化器

本創作之主要目的，係提供一種處理VOC廢氣的的蓄熱再生型氧化器(Regenerative Thermal Oxidizer,RTO)，其特徵是在蓄熱室內設有冷旁通快速通道及流量控制閥門，經由高溫氧化反應室超溫邏輯控制器，使得部分VOCs廢氣可以維持在較低溫度直接進入高溫氧化反應室，可以徹底解決蓄熱再生型氧化器(RTO)在VOC廢氣濃度超限時，經常發生的高溫氧化反應室超溫及燃爆的問題。

揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)是工業界常見空氣污染物之一，其主要來源為化工廠、石化工業、橡膠業、塑膠業、印刷業、塗裝業、膠帶業、電路板業以及近年來新興之高科技半導體積體電路製造與光電液晶顯示器產業。由於VOCs具有毒性以及容易破壞大氣臭氧層，所以必須加以控制以避免危害地球環境。現行已開發及商業化之VOCs污染防制設備技術包含焚化、吸附、吸收、冷凝等方法，其基本上可分為破壞性及非破壞性兩種方法。破壞性方法包括焚化、高溫氧化與觸媒氧化，在此機制下VOCs將轉化為CO₂及水 或其他惰性等污染性較小之物質；而非破壞性方法則是利用吸附、吸收及冷凝等物理方法，將VOCs自排放廢氣中以物理方法轉移，使其成為乾淨氣體。

目前商業化技術，一般而言，低濃度排氣(<10-20mg/m³)大部分以活性碳吸附處理，中低濃度廢氣(50-1000mg/m³)使用吸附濃縮/脫附焚化法處理，中濃度廢氣(500-5,000mg/m³)使用蓄熱式氧化法(RTO)處理或蓄熱催化氧化(RCO)處理，高濃度廢氣(>5,000-10,000mg/m³)則以火焰焚化(DFTO)、高溫脈衝波反應器結合RTO(PDR-RTO)、冷凝回收處理。若含中低濃度硫或氮成分臭氣，則可以用化學洗滌法處理。然而，上述各常用之處理方法中均有其優缺點及適用之場合，尤其對於VOCs濃度較高的情況，目前商業化的處理方法，除了PDR-RTO意外，均面對處理操作成本高、容易產生爆炸或火災風險的困擾。

VOCs的高溫氧化或焚化處理技術，一般分為高溫焚化法及觸媒焚化法二種。依其能源回收方式分類，則VOCs的高溫氧化或焚化設施又可分為熱回收型氧化器(Recuperative Thermal Oxidizer)及蓄熱再生型氧化器(Regenerative Thermal Oxidizer)兩種主要技術。熱回收型氧化器是以熱交換器提供含VOCs氣體與高溫燃燒產物作熱交換使用，以回收高溫燃燒產物產生的高溫排氣熱量，熱回收型氧化器的熱回收率通常約為70-85%；蓄熱再生型氧化器則是以陶磁蓄熱材料儲存回收高溫燃燒產物排氣熱量，交替用於加熱含VOCs廢氣，蓄熱型氧化器的熱回收率可高達90~95%以上。一般VOCs廢氣的熱焚化處理，其高溫氧化反應室的燃燒機火焰溫度雖可達1,350~1500℃，但是混合氣體在高溫氧化反應室的燃燒溫 度通常控制在800~850℃，氣體滯留時間通常為0.5~2.5秒，在高溫氧化反應室內的氣流速度通常為3~15m/s。在上述條件下，臭味物質及VOCs之去除率通常即可達99%以上。但是對於特殊難處理的VOCs，高溫氧化反應室的操作溫度則需高達900~1,100℃，氣體停留時間則視需要設計為1.0~3.0秒，氣流速度為8~10m/s。

一般蓄熱再生型氧化器(RTO)至少包括二個蓄熱床、進氣控制設備、加熱及溫度控制設備。蓄熱床內填充石質或陶瓷蓄熱材料，欲處理的氣體先進入第一蓄熱床預熱至一定溫度後，在高溫氧化室內進行反應去除其中之VOCs，反應後高溫氣體通過另一蓄熱床時，氣體熱能將傳入原已冷卻之蓄熱材，將高溫氣體之顯熱儲存，氣體則以較低的溫度排放。待一定時間後，切換閥門，欲處理氣體則導入該高溫床預熱，反應後高溫氣體能量則儲存於A床，完成一操作循環(operation cycle)。

典型的蓄熱再生型氧化器(RTO)如第1圖所示。蓄熱再生型氧化器1至少包括二個蓄熱室(包含：第一蓄熱室10、第二蓄熱室20)、進氣控制設備(包含：第一蓄熱室入氣閥110、第二蓄熱室入氣閥112)、出氣控制設備(包含：第一蓄熱室排氣閥130、第二蓄熱室排氣閥132)、加熱設備(包含：燃燒機60、輔助燃料供應管線201、輔助燃料流量調節閥202、空氣流量調節閥212)及溫度控制設備(包含：燃燒安全控制器300、溫度感測傳送器301)，蓄熱床內填充石質或陶瓷蓄熱材料(包含：第一蓄熱室的多孔蓄熱床12、及第二蓄熱室的多孔蓄熱床22)。

蓄熱再生型氧化器1啟動時，先關閉三向旁通閥102，將揮發性有 機化學廢氣100經揮發性有機化學廢氣旁通管道103導向揮發性有機化學廢氣旁通排放口150；開啟空氣閥106，將空氣管線211內的空氣210，經蓄熱室入氣管道108送進蓄熱再生型氧化器1；接著啟動燃燒機60，利用溫度感測傳送器301訊號，由燃燒安全控制器300調節控制空氣流量調節閥212及輔助燃料流量調節閥202，將輔助燃料200經輔助燃料供應管線201送至燃燒機30；先將高溫氧化反應室50升溫到操作溫度T_c，然後再啟動三向旁通閥102，將揮發性有機化學廢氣100導入系統。欲處理的揮發性有機化學廢氣100經揮發性有機化學廢氣入氣管道101，由三向旁通閥102控制，在正常操作情況下，經火焰防阻器104作適當保護後，經蓄熱室入氣管道108；首先開啟第一蓄熱室入氣閥110、關閉第一蓄熱室排氣閥130，並關閉第二蓄熱室入氣閥112、開啟第二蓄熱室排氣閥132，將VOCs廢氣經第一蓄熱室入氣管道111導入第一蓄熱室10，氣體首先進入第一蓄熱室的入氣室11，均勻送進第一蓄熱室的多孔蓄熱床12預熱至一定溫度後，然後再經過高溫氧化室50升溫到最適反應溫度，將含VOCs廢氣中的VOCs徹底破壞，其後，高溫氣體再流經第二蓄熱室的多孔蓄熱床22將高溫氣體之顯熱儲存在原已冷卻之第二蓄熱室的多孔蓄熱床22蓄熱材內；經熱交換後的氣體，再經第二蓄熱室的入氣室21混合後，以較低的溫度經第二蓄熱室排氣管道133，從第二蓄熱室排氣閥132流向排氣管道144，經誘引排風機145抽引，排經尾排氣管道147流向排氣煙囪80排放。待一定時間後，切換閥門，將欲處理的揮發性有機化學廢氣100導入該已經蓄存能量的高溫床第二蓄熱室20預熱，反應後高溫氣體能量則儲存於第一蓄熱室10，完成一操作循環。 此作業方法是關閉第一蓄熱室入氣閥110、開啟第一蓄熱室排氣閥130，並開啟第二蓄熱室入氣閥112、關閉第二蓄熱室排氣閥132，將VOCs廢氣經第二蓄熱室入氣管道113導入第二蓄熱室20，氣體首先進入第二蓄熱室的入氣室21，均勻送進第二蓄熱室的多孔蓄熱床22預熱至一定溫度後，然後再經過高溫氧化室50升溫到最適反應溫度，將含VOCs廢氣中的VOCs徹底破壞；其後，高溫氣體再流經第一蓄熱室的多孔蓄熱床12將高溫氣體之顯熱儲存在原已冷卻之第一蓄熱室的多孔蓄熱床12蓄熱材內；經熱交換後的氣體，再經第一蓄熱室的入氣室11混合後，以較低的溫度經第一蓄熱室排氣管道131，從第一蓄熱室排氣閥130流向排氣管道144，經誘引排風機145抽引，排經尾排氣管道147流向排氣煙囪80排放。RTO雖然已經廣泛應用在各種領域上，但是在操作實務卻是意外頻傳，超溫、回火、燃爆等意外，經常發生。追究其原因，通常是由於前端製程擾動，造成VOC廢氣濃度及流量的快速改變，使得RTO的高溫氧化反應室溫度失控所造成。例如，欲處理的揮發性有機化學廢氣100濃度如超過原設計濃度，當揮發性有機化學廢氣100經揮發性有機化學廢氣入氣管道101，由三向旁通閥102控制，經火焰防阻器104作適當保護後，經蓄熱室入氣管道108；經由開啟的第一蓄熱室入氣閥110導入第一蓄熱室10，氣體在第一蓄熱室的多孔蓄熱床12預熱至一定溫度後，然後送至高溫氧化室50將含VOCs廢氣中的VOCs徹底破壞，此時，由於VOCs廢氣濃度高於設計值，氣體到達第二蓄熱室20後，也同時釋放出高於原設計值的能量；其後，高溫氣體再流經第二蓄熱室的多孔蓄熱床22將高溫氣體之顯熱儲存在原已冷卻之第二蓄熱室的多 孔蓄熱床22蓄熱材內時，所儲存的能量將高於原設計值。待一定時間後，切換閥門，將欲處理的揮發性有機化學廢氣100導入該已經蓄存能量的高溫床第二蓄熱室20預熱，反應後高溫氣體能量則儲存於第一蓄熱室10，完成一操作循環。此時VOCs廢氣導入第二蓄熱室20，氣體在第二蓄熱室的多孔蓄熱床22熱交換會獲得高於原設計值的能量，再流經過高溫氧化室50進行氧化，又產生高於設定值的能量，使得高溫氧化室50的溫度漸升；其後，高溫氣體再流經第一蓄熱室10將更多的能量儲存在第一蓄熱室的多孔蓄熱床12蓄熱材內；如此，當VOCs廢氣濃度升高後，蓄熱再生型氧化器1的操作溫度將持續升高，甚至導致失控。

為了解決VOC廢氣濃度升高時，高溫氧化室的溫度瞬間超溫導致系統跳車的問題，美國專利US5837205在高溫氧化反應室50設置對大氣的緊急旁通開口，當系統一旦有發生超溫情況的可能時，就自動開啟緊急旁通開口，將高溫氣體直接排放，這種技術統稱為『熱旁通技術』；這種技術單純為了設備安全考量，完全不考慮可能發生的工業安全問題及污染物排放問題。這種『熱旁通技術』，在產業界實際應用時，工安問題不斷。當系統操作超溫時，開啟熱旁通瞬間排出的高溫氣體常會引燃VOCs廢氣，造成嚴重的工安意外，爆炸事件時有所聞。

台灣發明專利I 504844及I 448657、中國發明專利ZL 2012 1 0143533.6及ZL 2012 1 0549700.5則是針對濃度高於LEL以上的含VOCs廢氣，利用安裝在高溫氧化反應室50的高溫脈衝波反應器(PDR)進行處理，並利用廢熱回收鍋爐回收能源，安全的解決了濃度高於LEL以上的VOC廢氣的處理。亦即，根 據以上分析，對於濃度偏高但是低於LEL以下，且濃度及流量會產生快速變化的含VOCs廢氣的處理問題，迄今產業界仍無安全可靠的方法可以解決。導致業界的蓄熱再生型氧化器(RTO)在濃度容易產生變化的應用場合，仍經常遭遇超溫失控的困境。

蓄熱再生型氧化器(RTO)的能源回收效率高是其優點，但由於石化、化工等產業的含VOCs廢氣通常而言，其特徵是濃度快速變化、流量快速變化；使用傳統的蓄熱再生型氧化器(RTO)經常會發生超溫失控的困擾，甚或產生超溫燃爆的意外。若VOCs濃度較高，過剩能量無法有效排出蓄熱再生型氧化器(RTO)，且無法有效控制高溫氧化反應室的操作溫度，RTO即有溫度失控或產生燃爆的風險。近年來，國際上發生多起蓄熱再生型氧化器(RTO)爆炸或焚毀的案例，主要即導因於誤將含高濃度VOCs廢氣導入蓄熱再生型氧化器(RTO)，在空氣供應調節不當的情況下，產生燃爆(Deflagration)或爆轟(Detonation)現象或超溫操作導致催化劑毀損。因此，改良現有蓄熱再生型氧化器技術，創造一個可以有效控制VOCs燃燒所釋放出來的能量的方法及設備即為本創作的目的之一。

本創作之主要目的，係欲提供一種可以處理VOCs廢氣的蓄熱再生型氧化器，其特徵是在蓄熱室內設有蓄熱室冷旁通快速通道及閥門，經由高溫氧化反應室超溫邏輯控制器控制空氣流量調節閥開度，使得部分VOCs廢氣可以經 由換熱效率較低的蓄熱室冷旁通快速通道，以較低的溫度進入高溫氧化反應室，以抑制因為VOCs濃度變化造成的溫升問題，維持高溫氧化反應室可以控制在合理的溫度範圍，維持催化劑活性，徹底解決蓄熱再生型氧化器(RTO)VOC廢氣濃度超限的高溫氧化反應室超溫問題。

分析這種超溫問題的解決方案，可以從第1圖之傳統的蓄熱再生型氧化器(RTO)的特徵，來思考解決方案。蓄熱再生型氧化器之熱回收率，一般定義為：R=(T_c-T_o)/(T_c-T_i) x 100% (1)其中T_c為蓄熱再生型氧化器的高溫氧化反應室50內氣體最高溫度或操作溫度(即最高氧化溫度)、T_o為蓄熱再生型氧化器(即regenerative oxidizer)排氣管道144出口溫度、T_i為欲處理的揮發性有機化學廢氣100在蓄熱室入氣管道108之入口溫度。設若T_c、T_o、T_i分別為850℃、90℃、50℃，則R=(850-90)/(850-50) x 100%=95%由上計算例所代表的意義是蓄熱再生型氧化器(RTO)本身的能源回收效率如果設計為95%，僅需提供能量使得欲處理的含揮發性有機化學廢氣100的溫度能提高40℃(T_o-T_i=90-50=40℃)即可將氣體中之VOCs氧化。一般而言，以蓄熱再生型氧化器(RTO)處理含揮發性有機化學廢氣100的濃度大於1,500mg/m³之廢排氣(相當於一般VOC約500ppmv)，除了啟動時燃燒機60需要輔助燃料以外；正常操作時，揮發性有機化學廢氣100內的有機揮發性成分氧化，所提供的 熱量就足以滿足RTO系統穩定操作所需要的能量，正常操作即無需使用輔助燃料或電熱。這是RTO的優點，但是，也是構成RTO在石化、化工產業使用時，操作上面臨困難的重大缺點；如果VOCs廢氣的濃度瞬間升高，則RTO的高溫氧化反應室50溫度將驟升；若VOCs廢氣的濃度升高為設計值以上且持續一段時間，則RTO的高溫氧化反應室50溫度將持續升溫、甚至導致失控。

例如，假設蓄熱再生型氧化器1的設計平衡濃度為Co，亦即當VOCs廢氣的濃度為Co時，蓄熱再生型氧化器1可以穩定操作在溫度Tc無需輔助燃料。當揮發性有機化學廢氣100的濃度低於Co時，高溫氧化反應室50需要經由燃燒機60添加燃料，才能維持操作溫度。當揮發性有機化學廢氣100的濃度高於Co時，高溫氧化反應室50的操作溫度將會漸增。利用本創作的設計，讓部分揮發性有機化學廢氣經由冷旁通快速通道(例如：第一蓄熱室冷旁通快速通道125或第二蓄熱室冷旁通快速通道127)流進高溫氧化反應室50，假設該氣體流量佔揮發性有機化學廢氣100的總流量的α倍體積比例(α<1)，且冷旁通快速通道的採用蓄熱容量低或比熱低的蓄熱材，使得經過冷旁通快速通道的氣體能量回收比例為正常蓄熱床的β倍(β<1)，亦即經過冷旁通快速通道的氣體升溫△T _s 為經過正常蓄熱床的氣體升溫為△T _i 的β倍(β<1)，亦即△T _s =β△T _i ；則揮發性有機化學廢氣100流經冷旁通快速通道的比例α與含VOCs氣體濃度與平衡設計濃度之比值C/Co、高溫氧化反應室50的操作溫度Tc與經過正常蓄熱床的氣體升溫△T _i 的比例，及能量回收比例β的關係，可以表示為： 例如，設若蓄熱再生型氧化器(RTO)的Tc、To、Ti分別為850℃、90℃、50℃，本身的能源回收效率根據方程式(1)為R=(Tc-To)/(Tc-Ti) x 100%=(850-90)/(850-50) X 100%=95%。假設冷旁通快速通道的設計使得能源回收效率只有20%，則β=^20%/_90%=2/9；△T _i =90-50=40℃；又假設揮發性有機化學廢氣100的濃度預備設計成最多可以容許升高100%，C/C0=2；則根據方程式(2)可以推估設計冷旁通快速通道時，考慮的氣體流量比率α如下： 亦即，只要準備6.35%流量的冷旁通快速通道，就可以有效的調整控制系統的操作，使得高溫氧化反應室50的操作溫度可以在VOCs廢氣濃度變化時，仍能有效的控制在穩定的設定操作溫度。因此，利用這種在蓄熱室內部增設VOCs廢氣冷旁通快速通道的設計方案，可以讓蓄熱再生型氧化器面對VOCs廢氣的濃度變化，得到有效的控制，進一步提高蓄熱再生型氧化器的操作安全性。

附圖編號符號如下所示：

1‧‧‧蓄熱再生型氧化器

10‧‧‧第一蓄熱室

11‧‧‧第一蓄熱室的入氣室

12‧‧‧第一蓄熱室的多孔蓄熱床

20‧‧‧第二蓄熱室

21‧‧‧第二蓄熱室的入氣室

22‧‧‧第二蓄熱室的多孔蓄熱床

30‧‧‧第三蓄熱室

31‧‧‧第三蓄熱室的入氣室

32‧‧‧第三蓄熱室的多孔蓄熱床

50‧‧‧高溫氧化反應室

60‧‧‧燃燒機

70‧‧‧燃燒機

80‧‧‧排氣煙囪

100‧‧‧揮發性有機化學廢氣

101‧‧‧揮發性有機化學廢氣入氣管道

102‧‧‧三向旁通閥

103‧‧‧揮發性有機化學廢氣旁通管道

104‧‧‧火焰防阻器

106‧‧‧空氣閥

107‧‧‧旁通空氣管道

108‧‧‧蓄熱室入氣管道

110‧‧‧第一蓄熱室入氣閥

111‧‧‧第一蓄熱室入氣管道

112‧‧‧第二蓄熱室入氣閥

113‧‧‧第二蓄熱室入氣管道

114‧‧‧第三蓄熱室入氣閥

115‧‧‧第三蓄熱室入氣管道

124‧‧‧第一蓄熱室冷旁通快速通道流量調節閥

125‧‧‧第一蓄熱室冷旁通快速通道

126‧‧‧第二蓄熱室冷旁通快速通道流量調節閥

127‧‧‧第二蓄熱室冷旁通快速通道

128‧‧‧第三蓄熱室冷旁通快速通道流量調節閥

129‧‧‧第三蓄熱室冷旁通快速通道

130‧‧‧第一蓄熱室排氣閥

131‧‧‧第一蓄熱室排氣管道

132‧‧‧第二蓄熱室排氣閥

133‧‧‧第二蓄熱室排氣管道

134‧‧‧第三蓄熱室排氣閥

135‧‧‧第三蓄熱室排氣管道

144‧‧‧排氣管道

145‧‧‧誘引排風機

147‧‧‧尾排氣管道

150‧‧‧揮發性有機化學廢氣旁通排放口

160‧‧‧第一蓄熱室反洗閥

161‧‧‧第一蓄熱室反洗管道

162‧‧‧第二蓄熱室反洗閥

163‧‧‧第二蓄熱室反洗管道

164‧‧‧第三蓄熱室反洗閥

165‧‧‧第三蓄熱室反洗管道

166‧‧‧反洗風車

167‧‧‧反洗管道

200‧‧‧輔助燃料

201‧‧‧輔助燃料供應管線

202‧‧‧輔助燃料流量調節閥

210‧‧‧空氣

211‧‧‧空氣管線

212‧‧‧空氣流量調節閥

300‧‧‧燃燒安全控制器

301‧‧‧溫度感測傳送器

320‧‧‧高溫氧化反應室超溫邏輯控制器

321‧‧‧高溫氧化反應室超溫控制器

為使對本創作有較佳之了解，特就下列圖示為例作為本發明之一較佳實施例說明如下。

第1圖：傳統的蓄熱再生型氧化器

第2圖：本創作之二槽式蓄熱再生型氧化器之實施例

第3圖：本創作之三槽式蓄熱再生型氧化器之實施例

第4圖：快速通道的流動面積比率(α)與濃度變化比率(C/Co)的關係

第5圖：快速通道的流動面積比率(α)與濃度變化比率(C/Co)的關係

為達上述功效，本創作係提供一種可以處理VOC廢氣的蓄熱再生型氧化器1，其中，含有至少二個以上的蓄熱室、一個高溫氧化反應室及高溫氧化反應室超溫邏輯控制器，其中蓄熱室內有多孔材料堆積成的多孔蓄熱床，高溫氧化反應室位於蓄熱室上方並與蓄熱室結合，且在該多孔蓄熱床內有部分多孔材料採用孔隙度大、熱容量低的材料構成蓄熱室內部的冷旁通快速通道，且在蓄熱室冷旁通快速通道設有溫度自動控制的流量調節閥及高溫氧化反應室超溫邏輯控制器；含VOC廢氣被導入蓄熱再生型氧化器內，經由預熱、高溫氧化處理；在VOC廢氣濃度超過限值時，由高溫氧化反應室超溫邏輯控制器利用溫度自動控制的蓄熱室冷旁通快速通道流量調節閥導引部分VOC廢氣經由蓄熱室冷旁通快速通道，以較低的熱回收效率，維持較低溫狀態進入高溫氧化反應室，調節控制高溫氧化反應室的操作溫度，以避免系統發生超溫意外。

作為本創作的第一個實施例，請參閱〔第2圖〕所示。本創作之第一個實施例係包括有：一蓄熱再生型氧化器1(RTO)，內部至少包含二個蓄熱室(第一蓄熱室10、第二蓄熱室20)、二組位於蓄熱室內部的蓄熱室冷旁通快速通道 (第一蓄熱室冷旁通快速通道125、第二蓄熱室冷旁通快速通道127)、二組進氣控制設備(第一蓄熱室入氣閥110、第二蓄熱室入氣閥112)、二組出氣控制設備(第一蓄熱室排氣閥130、第二蓄熱室排氣閥132)、至少一組加熱設備(燃燒機60、輔助燃料供應管線201、輔助燃料流量調節閥202、空氣流量調節閥212)及高溫氧化反應室50的溫度控制設備(燃燒安全控制器300、溫度感測傳送器301)，蓄熱室的多孔蓄熱床內填充石質或陶瓷蓄熱材料。蓄熱再生型氧化器1啟動時，先關閉三向旁通閥102，將揮發性有機化學廢氣100經揮發性有機化學廢氣旁通管道103導向揮發性有機化學廢氣旁通排放口150；開啟空氣閥106，將空氣管線211內的空氣210，經蓄熱室入氣管道108送進蓄熱再生型氧化器1，啟動燃燒機60，利用溫度感測傳送器301訊號，由燃燒安全控制器300調節控制空氣流量調節閥212及輔助燃料流量調節閥202，將輔助燃料200經輔助燃料供應管線201送至燃燒機30進行燃燒升溫；先將高溫氧化反應室50升溫到操作溫度(Tc)。再啟動三向旁通閥102，將揮發性有機化學廢氣100導入系統。欲處理的揮發性有機化學廢氣100經揮發性有機化學廢氣入氣管道101，由三向旁通閥102控制，在正常操作情況下，經火焰防阻器104作適當保護後，經蓄熱室入氣管道108；首先開啟第一蓄熱室入氣閥110、關閉第一蓄熱室排氣閥130，並關閉第二蓄熱室入氣閥112、開啟第二蓄熱室排氣閥132，將VOCs廢氣經第一蓄熱室入氣管道111導入第一蓄熱室10，氣體首先進入第一蓄熱室的入氣室11，均勻送進第一蓄熱室的多孔蓄熱床12預熱至一定溫度後，再經過高溫氧化室50升溫到最適反應溫度，將含VOCs廢氣中的VOCs徹底破壞；然後， 高溫氣體再流經第二蓄熱室的多孔蓄熱床22將高溫氣體之顯熱儲存在原已冷卻之第二蓄熱室的多孔蓄熱床22蓄熱材內；經熱交換後的氣體，再經第二蓄熱室的入氣室21混合後，以較低的溫度經第二蓄熱室排氣管道133，從第二蓄熱室排氣閥132流向排氣管道144，經誘引排風機145抽引，排經尾排氣管道147流向排氣煙囪80排放。在這過程中，例如假設蓄熱再生型氧化器1的設計平衡濃度為Co=1500ppm，亦即當VOCs廢氣的濃度為Co=1500ppm時，蓄熱再生型氧化器1可以穩定操作在溫度Tc=850℃無需輔助燃料。當揮發性有機化學廢氣100的濃度為500~1500ppm(低於Co=1500ppm)時，高溫氧化反應室50需要經由燃燒機60添加燃料，才能維持操作溫度。例如當揮發性有機化學廢氣100的濃度達到3000ppm(高於Co=1500ppm)時，高溫氧化反應室50的操作溫度將會因為揮發性有機化學廢氣100的濃度超過設計值，而使得高溫氧化反應室50的溫度漸增。利用本創作的設計，當系統溫度超過設定值後，高溫氧化反應室超溫邏輯控制器320會開始作動開啟第一蓄熱室冷旁通快速通道流量調節閥124，讓部分揮發性有機化學廢氣經由第一蓄熱室冷旁通快速通道125流進高溫氧化反應室50，揮發性有機化學廢氣100的總流量的體積比例α值可以利用方程式(2)推估之。假設冷旁通快速通道的採用蓄熱容量低或比熱低的蓄熱材，使得經過冷旁通快速通道的氣體能量回收比例為正常蓄熱床的β倍(β<1，例如β=0.25)，亦即經過冷旁通快速通道的氣體升溫△T _s 為經過正常蓄熱床的氣體升溫為△T _i 的β倍(β<1)，亦即△T _s =β△T _i =0.25△T _i ；蓄熱再生型氧化器1(RTO)的Tc、To、Ti分別為850℃、90℃、50℃， 本身的能源回收效率如果設計為95%。△T _i =90-50=40℃；則揮發性有機化學廢氣100流經第一蓄熱室冷旁通快速通道125的VOCs廢氣比例α可以利用方程式(2)推估為： 亦即，只要有6.58%流量的VOCs廢氣流經第一蓄熱室冷旁通快速通道125，就可以有效調整系統操作溫度，使得高溫氧化反應室50的操作溫度可以在VOCs廢氣濃度變化時，仍能有效的控制在原設定操作溫度。在本實例中，第一蓄熱室冷旁通快速通道125提供了較低的換熱效率給VOCs廢氣，使得部分VOCs廢氣能夠以較低溫度進入高溫氧化反應室50，達到調節控制高溫氧化反應室50的操作溫度的目的；由於揮發性有機化學廢氣100釋放的燃燒熱值也會經由高溫氧化反應室50的氧化反應將過剩能量釋放出來；此時，蓄熱再生型氧化器1的高溫氧化反應室超溫邏輯控制器320，也會同時調節控制第二蓄熱室冷旁通快速通道127的開度，有效的將過剩能量排出。待一定時間後，切換閥門，將欲處理的揮發性有機化學廢氣100導入該已經蓄存能量的高溫床第二蓄熱室20預熱，反應後高溫氣體能量則儲存於第一蓄熱室10，完成一操作循環。此作業方法是關閉第一蓄熱室入氣閥110、開啟第一蓄熱室排氣閥130，並開啟第二蓄熱室入氣閥112、關閉第二蓄熱室排氣閥132，將VOCs廢氣經第二蓄熱室入氣管道113導入第二蓄熱室20，氣體首先進入第二蓄熱室的入氣室21，均勻送進第二蓄熱室的多孔蓄熱床22預熱至一定溫度後，然後再經過高溫氧化反應室超溫邏輯控制器320調節控制第二蓄熱室冷旁通快速通道 127及第一蓄熱室冷旁通快速通道125，有效的控制高溫氧化室50操作在最適催化反應溫度，將含VOCs廢氣中的VOCs徹底破壞；其後，高溫氣體再流經第一蓄熱室的多孔蓄熱床12將高溫氣體之顯熱儲存在原已冷卻之第一蓄熱室的多孔蓄熱床12蓄熱材內；經熱交換後的氣體，再經第一蓄熱室的入氣室11混合後，以較低的溫度經第一蓄熱室排氣管道131，從第一蓄熱室排氣閥130流向排氣管道144，經誘引排風機145抽引，排經尾排氣管道147流向排氣煙囪80排放。

作為本創作的第二個實施例，請參閱〔第3圖〕所示。本創作之第二個實施例係包括有：一個具有三槽式的蓄熱再生型氧化器1(RTO)，內部至少包含三個蓄熱室(第一蓄熱室10、第二蓄熱室20、第三蓄熱室30)、三組位於蓄熱室內部的蓄熱室冷旁通快速通道(第一蓄熱室冷旁通快速通道125、第二蓄熱室冷旁通快速通道127、第三蓄熱室冷旁通快速通道129)、三組進氣控制設備(第一蓄熱室入氣閥110、第二蓄熱室入氣閥112、第三蓄熱室入氣閥114)、三組出氣控制設備(第一蓄熱室排氣閥130、第二蓄熱室排氣閥132、第三蓄熱室排氣閥134)、至少一組加熱設備(燃燒機60、燃燒機70、輔助燃料供應管線201、輔助燃料流量調節閥202、空氣流量調節閥212)及高溫氧化反應室50的溫度控制設備(燃燒安全控制器300、溫度感測傳送器301)，蓄熱室的多孔蓄熱床內填充石質或陶瓷蓄熱材料。三槽式蓄熱再生型氧化器1操作時，有一個蓄熱室作為入氣室、一個蓄熱室作為出氣室、一個蓄熱室作為反洗室；以避免蓄熱室切換時，造成的短時間污染情況。作為反洗室的蓄熱室，反洗流量約為正常操作流量的1/5~1/10，反洗時間約 20秒以上。三槽式蓄熱再生型氧化器1操作時，可以分為以下三個操作組合，依時序或出口溫度控制對應閥門的開啟與關閉。(1)一進三出二反洗(第一蓄熱室10進氣，第二蓄熱室20反洗，第三蓄熱室30出氣)；(2)三進二出一反洗(第一蓄熱室10反洗，第二蓄熱室20出氣，第三蓄熱室30進氣)；及(3)二進一出三反洗(第一蓄熱室10出氣，第二蓄熱室20進氣，第三蓄熱室30反洗)。

三槽式蓄熱再生型氧化器1操作啟動時，先關閉三向旁通閥102，將揮發性有機化學廢氣100經揮發性有機化學廢氣旁通管道103導向揮發性有機化學廢氣旁通排放口150；開啟空氣閥106，將空氣管線211內的空氣210，經蓄熱室入氣管道108送進蓄熱再生型氧化器1，啟動燃燒機60及燃燒機70，利用溫度感測傳送器301訊號，由燃燒安全控制器300調節控制空氣流量調節閥212及輔助燃料流量調節閥202，將輔助燃料200經輔助燃料供應管線201送至燃燒機60及燃燒機70進行燃燒升溫；先將高溫氧化反應室50升溫到操作溫度(Tc)。再啟動三向旁通閥102，將揮發性有機化學廢氣100導入系統。欲處理的揮發性有機化學廢氣100經揮發性有機化學廢氣入氣管道101，由三向旁通閥102控制，在正常操作情況下，經火焰防阻器104作適當保護後，經蓄熱室入氣管道108，送進RTO處理。

一進三出二反洗

首先開啟第一蓄熱室入氣閥110、關閉第一蓄熱室排氣閥130、關閉第一蓄熱室反洗閥160，同時關閉第二蓄熱室入氣閥112、關閉第二蓄熱室排氣閥132、開啟第二蓄熱室反洗閥162，並關閉第三蓄熱室入氣閥114、開啟第三蓄熱室排氣閥134、 關閉第三蓄熱室反洗閥164，將VOCs廢氣經第一蓄熱室入氣管道111導入第一蓄熱室10，氣體首先進入第一蓄熱室的入氣室11，均勻送進第一蓄熱室的多孔蓄熱床12預熱至一定溫度後，然後再經過高溫氧化室50調節到最適反應溫度，將含VOCs廢氣中的VOCs徹底破壞；其後，高溫氣體再流經第三蓄熱室的多孔蓄熱床32將高溫氣體之顯熱儲存在原已冷卻之第三蓄熱室的多孔蓄熱床32蓄熱材內；經熱交換後的氣體，再經第三蓄熱室的入氣室31混合後，以較低的溫度經第三蓄熱室排氣管道135，從第三蓄熱室排氣閥134流向排氣管道144，經誘引排風機145抽引，排經尾排氣管道147流向排氣煙囪80排放。同時，微量的潔淨燃燒產物將被反洗風車166抽引，將第二蓄熱室20反洗，氣體經第二蓄熱室反洗閥162、第二蓄熱室反洗管道163，流經反洗風車166，再經反洗管道167，送回蓄熱室入氣管道108；將第二蓄熱室20反洗潔淨後，接著可以作為下一個循環『三進二出一反洗』的出氣蓄熱室使用。在這過程中，例如假設蓄熱再生型氧化器1的設計平衡濃度為C_O=1500ppm，亦即當VOCs廢氣的濃度為C_O=1500ppm時，蓄熱再生型氧化器1可以穩定操作在溫度T_c=850℃無需輔助燃料。當揮發性有機化學廢氣100的濃度為500~1500ppm(低於C_O=1500ppm)時，高溫氧化反應室50需要經由燃燒機60及燃燒機70添加燃料，才能維持操作溫度。例如當揮發性有機化學廢氣100的濃度達到3000ppm(高於C_o=1500ppm)時，高溫氧化反應室50的操作溫度將會因為揮發性有機化學廢氣100的濃度超過設計值，而使得高溫氧化反應室50的溫度漸增。利用本創作的設計，當系統溫度超過設 定值後，高溫氧化反應室超溫邏輯控制器320會開始作動開啟第一蓄熱室冷旁通快速通道流量調節閥124，讓部分揮發性有機化學廢氣經由第一蓄熱室冷旁通快速通道125流進高溫氧化反應室50，揮發性有機化學廢氣100的總流量的體積比例α值可以利用方程式(2)推估之。假設冷旁通快速通道的採用蓄熱容量低或比熱低的蓄熱材，使得經過冷旁通快速通道的氣體能量回收比例為正常蓄熱床的β倍(β<1，例如β=0.25)，亦即經過冷旁通快速通道的氣體升溫△T _s 為經過正常蓄熱床的氣體升溫為△T _i 的β倍(β<1)，亦即△T _s =β△T _i =0.25△T _i ；蓄熱再生型氧化器1(RTO)的T_c、T_o、T_i分別為850℃、90℃、50℃，本身的能源回收效率如果設計為95%。△T _i =90-50=40℃；則揮發性有機化學廢氣100流經第一蓄熱室冷旁通快速通道125的VOCs廢氣比例α可以利用方程式(2)推估為 亦即，只要有6.58%流量的VOCs廢氣流經第一蓄熱室冷旁通快速通道125，就可以有效調整系統操作溫度，使得高溫氧化反應室50的操作溫度可以在VOCs廢氣濃度變化時，仍能有效的控制在原設定操作溫度。在本實例中，第一蓄熱室冷旁通快速通道125提供了較低的換熱效率給VOCs廢氣，使得部分VOCs廢氣能夠以較低溫度進入高溫氧化反應室50，達到調節控制高溫氧化反應室50的操作溫度的目的；由於揮發性有機化學廢氣100釋放的燃燒熱值也會經由高溫氧化反應室50的氧化反應將過剩能量釋放出來；此時，蓄熱再生型氧化器1的高溫氧 化反應室超溫邏輯控制器320，也會同時調節控制第三蓄熱室冷旁通快速通道129的開度，有效的將過剩能量排出。

三進二出一反洗

待一定時間後，切換閥門，將欲處理的揮發性有機化學廢氣100導入該已經蓄存能量的高溫床第三蓄熱室30預熱，反應後高溫氣體能量則儲存於第一蓄熱室10，完成『三進二出一反洗』的操作循環。此作業方法是關閉第一蓄熱室入氣閥110、關閉第一蓄熱室排氣閥130、開啟第一蓄熱室反洗閥160，並關閉第二蓄熱室入氣閥112、開啟第二蓄熱室排氣閥132、關閉第二蓄熱室反洗閥162，開啟第三蓄熱室入氣閥114、關閉第三蓄熱室排氣閥134、關閉第三蓄熱室反洗閥164，將VOCs廢氣經第三蓄熱室入氣管道115導入第三蓄熱室30，氣體首先進入第三蓄熱室的入氣室31，均勻送進第三蓄熱室的多孔蓄熱床32預熱至一定溫度後，然後再經過高溫氧化反應室超溫邏輯控制器320調節控制第三蓄熱室冷旁通快速通道129、第二蓄熱室冷旁通快速通道127及第一蓄熱室冷旁通快速通道125，有效的控制高溫氧化室50操作在最適反應溫度，將含VOCs廢氣中的VOCs徹底破壞；其後，高溫氣體再流經第二蓄熱室的多孔蓄熱床22將高溫氣體之顯熱儲存在原已冷卻之第二蓄熱室的多孔蓄熱床22蓄熱材內；經熱交換後的氣體，再經第二蓄熱室的入氣室21混合後，以較低的溫度經第二蓄熱室排氣管道133，從第二蓄熱室排氣閥132流向排氣管道144，經誘引排風機145抽引，排經尾排氣管道147流向排氣煙囪80排放。同時，微量的潔淨燃燒產物將被反洗風車166抽引，將第一 蓄熱室10反洗，氣體經第一蓄熱室反洗閥160、第一蓄熱室反洗管道161，流經反洗風車166，再經反洗管道167，送回蓄熱室入氣管道108；將第一蓄熱室10反洗潔淨後，接著可以作為下一個循環『二進一出三反洗』的出氣蓄熱室使用。在本實例中，第三蓄熱室冷旁通快速通道129提供了較低的換熱效率給VOCs廢氣，使得部分VOCs廢氣能夠以較低溫度進入高溫氧化反應室50，達到調節控制高溫氧化反應室50的操作溫度的目的；由於揮發性有機化學廢氣100釋放的燃燒熱值也會經由高溫氧化反應室50的氧化反應將過剩能量釋放出來；此時，蓄熱再生型氧化器1的高溫氧化反應室超溫邏輯控制器320，也會同時調節控制第二蓄熱室冷旁通快速通道127的開度，有效的將過剩能量排出。

二進一出三反洗

待一定時間後，切換閥門，將欲處理的揮發性有機化學廢氣100導入該已經蓄存能量的高溫床第二蓄熱室20預熱，反應後高溫氣體能量則儲存於第一蓄熱室10，完成『二進一出三反洗』的操作循環。此作業方法是關閉第一蓄熱室入氣閥110、開啟第一蓄熱室排氣閥130、關閉第一蓄熱室反洗閥160，並開啟第二蓄熱室入氣閥112、關閉第二蓄熱室排氣閥132、關閉第二蓄熱室反洗閥162，關閉第三蓄熱室入氣閥114、關閉第三蓄熱室排氣閥134、開啟第三蓄熱室反洗閥164，將VOCs廢氣經第二蓄熱室入氣管道113導入第二蓄熱室20，氣體首先進入第二蓄熱室的入氣室21，均勻送進第二蓄熱室的多孔蓄熱床22預熱至一定溫度後，然後再經過高溫氧化反應室超溫邏輯控制器320調節控制第二蓄熱室冷旁通快速通道127、 第一蓄熱室冷旁通快速通道125及第三蓄熱室冷旁通快速通道129，有效的控制高溫氧化室50操作在最適反應溫度，將含VOCs廢氣中的VOCs徹底破壞；其後，高溫氣體再流經第一蓄熱室的多孔蓄熱床12將高溫氣體之顯熱儲存在原已冷卻之第一蓄熱室的多孔蓄熱床12蓄熱材內；經熱交換後的氣體，再經第一蓄熱室的入氣室11混合後，以較低的溫度經第一蓄熱室排氣管道131，從第一蓄熱室排氣閥130流向排氣管道144，經誘引排風機145抽引，排經尾排氣管道147流向排氣煙囪80排放。同時，微量的潔淨燃燒產物將被反洗風車166抽引，將第三蓄熱室30反洗，氣體經第三蓄熱室反洗閥164、第三蓄熱室反洗管道165，流經反洗風車166，再經反洗管道167，送回蓄熱室入氣管道108；將第三蓄熱室30反洗潔淨後，接著可以作為下一個循環『一進三出二反洗』的出氣蓄熱室使用。在本實例中，第二蓄熱室冷旁通快速通道127提供了較低的換熱效率給VOCs廢氣，使得部分VOCs廢氣能夠以較低溫度進入高溫氧化反應室50，達到調節控制高溫氧化反應室50的操作溫度的目的；由於揮發性有機化學廢氣100釋放的燃燒熱值也會經由高溫氧化反應室50及第一蓄熱室的多孔觸媒床13的氧化反應將過剩能量釋放出來；此時，蓄熱再生型氧化器1的高溫氧化反應室超溫邏輯控制器320，也會同時調節控制第一蓄熱室冷旁通快速通道125的開度，有效的將過剩能量排出。本創作的處理VOC廢氣的蓄熱再生型氧化器，是經由蓄熱室內整合設計的冷旁通快速通道及流量調節閥，配合高溫氧化反應室超溫邏輯控制器320，利用PLC規劃編程，與燃燒安全控制器300結合，以PID控制模式調節控制第一蓄熱 室冷旁通快速通道流量調節閥124、第二蓄熱室冷旁通快速通道流量調節閥126、及第三蓄熱室冷旁通快速通道流量調節閥128，達成穩定控制高溫氧化反應室50的操作溫度的目的，使得本創作的蓄熱再生型氧化器1能夠因應工業界VOCs廢氣排放治理需要，對於快速變化的VOCs廢氣濃度及速度、濃度高於設定值的應用情況等，都能夠提供一個嶄新而且安全的控制工具。

上述所揭露之圖式、說明，僅為本創作之較佳的二槽式及三槽式的處理VOCs廢氣的蓄熱再生型氧化器實施例，大凡熟悉此項技藝人士，依本案精神範疇所作之修飾、等效變化或增加蓄熱槽數目等變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。

第4圖及第5圖為VOCs廢氣流經冷旁通快速通道的比例或快速通道的流動面積比率(α)與濃度變化比率(C/Co)的關係，其中β為經過冷旁通快速通道的氣體能量回收率與正常蓄熱床的氣體能量回收率比值。由第4圖顯示，冷旁通快速通道的材料及結構設計決定β值，β值越小因應濃度變化的能力越強。系統如果要因應濃度變化範圍越廣，則設計蓄熱再生型氧化器1時，快速通道的流動面積比(α)就需要加大。如第5圖所示，當快速通道的流動面積比率(α)等於10%時，若β值設計為0.1，則蓄熱再生型氧化器1在VOCs廢氣濃度變化增加達94%時，仍能穩定控制操作溫度在原設定值。但當β值設計為0.3時，則蓄熱再生型氧化器1在VOCs廢氣濃度變化增加73%時，仍能穩定控制操作溫度在原設定值。高溫氧化反應室超溫邏輯控制器320搭配最適化控制編程技術，可以讓VOCs 廢氣的濃度比增加20%時，仍能讓蓄熱再生型氧化器1穩定控制操作溫度在原設定值的溫度高位警告以下；例如，當快速通道的流動面積比率(α)等於10%時，若β值設計為0.1，則蓄熱再生型氧化器1在VOCs廢氣濃度變化增加達94% X 1.2=112.8%時，例如原設計VOCs廢氣濃度為1500ppm，系統操作到3192ppm時，系統仍能穩定控制操作。當β值設計為0.3時，則蓄熱再生型氧化器1在VOCs廢氣濃度變化增加73% X 1.2=87.6%時，例如原設計VOCs廢氣濃度為1500ppm，系統操作到2814ppm時，系統仍能穩定控制操作溫度在原設定值。

冷旁通快速通道的材料及結構設計決定β值的大小，例如，多孔材料的孔隙度ε越大、有效孔徑D_h越大、及材料的比熱C_p越小都會影響β值，使得β值越小，根據方程式(2)，快速通道的流動面積比率(α)與(1-β)成反比，β值越小所需要的快速通道的流動面積比率(α)也越小。通常設計選用的材料及結構設計β值小於0.5為原則，且以β值小於0.3最佳。若使用中空陶瓷管作為冷旁通快速通道的材料，β值趨近於零，根據方程式(2)，快速通道的流動面積比率(α)與(1-β)成反比，β值越小所需要的快速通道的流動面積比率(α)也越小，因此，使用中空陶瓷管，所需的快速通道的流動面積比率(α)也最小；但是使用中空陶瓷管作為冷旁通快速通道的材料，材料結構設計需要特別設計。

綜上所述，本創作所揭示之處理VOC廢氣的蓄熱再生型氧化器，為昔所無，且確能達到功效之增進，並具可供產業利用性，完全符合發明專利要件，祈請 鈞局核賜專利，以勵創新，無任德感。惟，上述所揭露之圖式、說明， 僅為本創作之較佳實施例，大凡熟悉此項技藝人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。

Claims (9)

1. 一種蓄熱再生型氧化器，含有至少二個蓄熱室、一個高溫氧化反應室，其中蓄熱室內有多孔材料堆積成的多孔蓄熱床，高溫氧化反應室位於蓄熱室上方並與蓄熱室結合，且在每一個蓄熱室的多孔蓄熱床內部有一組氣體冷旁通快速通道，在氣體冷旁通快速通道底部有一組流量調節閥。
2. 如申請專利範圍第1項之蓄熱再生型氧化器，其中每一組氣體冷旁通快速通道底部的流量調節閥可以獨立控制。
3. 如申請專利範圍第1項之蓄熱再生型氧化器，其中構成氣體冷旁通快速通道的材料為多孔材料，其蓄熱容量為多孔蓄熱床多孔材料之蓄熱容量的50%以下。
4. 如申請專利範圍第1項之蓄熱再生型氧化器，其中構成氣體冷旁通快速通道的材料為中空陶瓷管。
5. 如申請專利範圍第1項之蓄熱再生型氧化器，設有高溫氧化反應室超溫邏輯控制器，自動控制氣體冷旁通快速通道的流量調節閥。
6. 一種蓄熱再生型氧化器的氣體冷旁通快速通道，是位於在蓄熱室內由多孔材料堆積成的多孔蓄熱床內部，且氣體冷旁通快速通道底部有一組流量調節閥。
7. 如申請專利範圍第6項之蓄熱再生型氧化器的氣體冷旁通快速通道，其底部的流量調節閥利用超溫邏輯控制器獨立控制。
8. 如申請專利範圍第6項之蓄熱再生型氧化器的氣體冷旁通快速通道，係利用 多孔材料鋪設而成。
9. 如申請專利範圍第6項之蓄熱再生型氧化器的氣體冷旁通快速通道，係利用中空陶瓷管鋪設而成。