王曉旭 常鵬濤 陸軍

摘要：為解決沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)存在的能耗高與能耗路徑不清晰等問(wèn)題，本文以某船舶企業(yè)涂裝車間沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)為例，依據(jù)該處理系統(tǒng)運(yùn)行的工藝流程與機(jī)理模型，分析運(yùn)行的能耗路徑與系統(tǒng)內(nèi)各組件的熱量平衡關(guān)系，提出能耗模型與能耗計(jì)算方法，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：沸石轉(zhuǎn)輪+RTO；能耗；熱量平衡

基金項(xiàng)目：上海市2020年度“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”社會(huì)發(fā)展科技領(lǐng)域項(xiàng)目

項(xiàng)目名稱：低溫余熱深度利用技術(shù)研究及示范應(yīng)用

項(xiàng)目編號(hào)：20dz1205700

隨著環(huán)保政策對(duì)VOCs（Volatile Organic Compound，揮發(fā)性有機(jī)污染物）的排放要求與管理要求逐漸嚴(yán)格，以船舶企業(yè)為代表的大型涂裝企業(yè)VOCs治理逐漸引起重視。在上海，船舶企業(yè)產(chǎn)生的VOCs貢獻(xiàn)了工業(yè)污染源VOCs排放的6.27%，船舶企業(yè)傳統(tǒng)的VOCs處理方式一般為活性炭?jī)艋颉盎钚蕴?CO”（Catalytic Oxidizer，催化氧化），以上處理方式雖然能較好地凈化廢氣中的VOCs，但由于現(xiàn)場(chǎng)管理不到位，活性炭不能定期更換與涂裝車間有機(jī)廢氣大風(fēng)量瞬時(shí)高濃度等因素，造成以活性炭為主要凈化介質(zhì)的處理方式往往不能滿足環(huán)保要求。

目前船舶企業(yè)VOCs治理的新建與改造工程多采用“沸石轉(zhuǎn)輪+ RTO（Regenerative Thermal Oxidizer，蓄熱式熱氧化器）”有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)，該有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，沸石轉(zhuǎn)輪可再生且無(wú)需頻繁更換，更換周期一般為5～6年。第二，VOCs凈化效率高，在應(yīng)對(duì)船舶涂裝產(chǎn)生的寬幅波動(dòng)VOCs廢氣具有良好的去除效果。第三，廢氣中的VOCs可二次利用，VOCs經(jīng)濃縮后進(jìn)入RTO中高溫氧化并釋放熱量，并為沸石轉(zhuǎn)輪高溫脫附提供熱量。

雖然沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)具有凈化效率高、凈化效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但在運(yùn)行過(guò)程中往往因?yàn)檫M(jìn)入RTO的VOCs濃度過(guò)低不足以支持自燃，需要大量天然氣助燃以維持系統(tǒng)的運(yùn)行。不僅會(huì)給企業(yè)造成較高的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，也會(huì)阻礙企業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排。針對(duì)該系統(tǒng)存在的能耗高與能耗路徑不清晰等問(wèn)題，本文以某船舶企業(yè)涂裝車間沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)為例，依據(jù)該有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)的機(jī)理模型，通過(guò)分析該處理系統(tǒng)運(yùn)行的能耗路徑與系統(tǒng)內(nèi)各組件的熱量平衡關(guān)系，提出該系統(tǒng)的熱量衡算方法。

一、能耗分析

沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：由涂裝車間排風(fēng)管收集的大風(fēng)量低濃度有機(jī)廢氣經(jīng)吸附風(fēng)機(jī)的牽引作用進(jìn)入預(yù)過(guò)濾器進(jìn)行初步過(guò)濾，去除漆霧粉塵等雜質(zhì)的有機(jī)廢氣進(jìn)入沸石轉(zhuǎn)輪凈化后由排氣筒排放，VOCs吸附于沸石轉(zhuǎn)輪中，沸石轉(zhuǎn)輪的凈化效率一般為95%以上。RTO由天然氣助燃加熱爐膛溫度并產(chǎn)生高溫空氣進(jìn)入換熱器，通過(guò)換熱風(fēng)機(jī)將換熱器從RTO獲取的熱量輸送至沸石轉(zhuǎn)輪脫附端，沸石轉(zhuǎn)輪的脫附區(qū)域經(jīng)加熱后使吸附的VOCs脫附，脫附后的VOCs經(jīng)脫附風(fēng)機(jī)形成高濃度小風(fēng)量的脫附風(fēng)進(jìn)入RTO中，此廢氣進(jìn)入RTO后先吸收RTO蓄熱體熱量至一定溫度后，由高溫氧化再釋放熱量以維持該系統(tǒng)的熱量平衡，高濃度有機(jī)廢氣經(jīng)RTO凈化后排至排氣筒高空排放，三室RTO的凈化效率一般為99%以上。如果濃縮后的有機(jī)廢氣濃度高于一定濃度，其在高溫氧化釋放的熱量足以補(bǔ)充其在RTO內(nèi)吸收的熱量，則無(wú)需天然氣助燃以維持該系統(tǒng)的熱量平衡。如果濃縮后的有機(jī)廢氣濃度較低，其在高溫氧化釋放的熱量不能補(bǔ)充在RTO內(nèi)吸收的熱量，則需要天然氣助燃以維持該系統(tǒng)的熱量平衡。

在沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，天然氣助燃與有機(jī)廢氣高溫氧化釋放熱量，熱量通過(guò)換熱器輸送至沸石轉(zhuǎn)輪以對(duì)VOCs進(jìn)行脫附；吸附風(fēng)機(jī)、脫附風(fēng)機(jī)、換熱風(fēng)機(jī)等風(fēng)機(jī)組件由電能提供動(dòng)力。綜上所述，沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)涉及的能耗主要為熱能與電能，由于電能僅為系統(tǒng)內(nèi)各風(fēng)機(jī)組件運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，而熱能則貫穿整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，本文僅討論該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中熱能的能耗路徑。

（一）能耗輸入

沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的能耗輸入主要有外源輸入與內(nèi)源輸入兩種形式，其中外源輸入主要為天然氣燃燒釋放的熱能，內(nèi)源輸入主要為有機(jī)廢氣在RTO燃燒釋放的熱能。

（二）能耗輸出

沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的能耗輸出路徑主要包括RTO的外表面散熱、RTO的助燃風(fēng)熱損耗、RTO的反吹風(fēng)熱損耗、RTO出口煙氣熱損耗、RTO熱旁通的熱損耗以及RTO供給換熱器的熱量。

沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)的耗輸路徑如圖1所示。

二、能耗模型

（一）能耗平衡

沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)的能效模型主要由能耗輸入模型與能耗輸出模型組成，熱量平衡關(guān)系見(jiàn)式（1）。

Qbal=Qinput-Qoutput# （1）

式（1）中，Qinput主要為天然氣燃燒釋放熱量（kJ/h）與VOCs燃燒釋放熱量（kJ/h）；Qoutput主要為RTO的熱量損耗（kJ/h）。

（二）能耗輸入

沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)的能耗輸入熱量關(guān)系見(jiàn)式（2）。

Qinput=Qgas+QVOCs# （2）

式（2）中，Qinput主要為天然氣燃燒釋放熱量（kJ/h）與VOCs高溫氧化釋放熱量（kJ/h）之和；Qgas，天然氣燃燒釋放熱量，kJ/h；QVOCs，VOCs高溫氧化釋放熱量，kJ/h。

1.天然氣燃燒

天然氣燃燒釋放熱量關(guān)系見(jiàn)式（3）。

Qgas=qgas×Lgas# （3）

式（3）中，Qgas，天然氣燃燒釋放熱量（kJ/h）；qgas，標(biāo)況下天然氣熱值，kJ/Nm3；Lgas，標(biāo)況下天然氣流量，m3/h。

2.VOCs高溫氧化

VOCs高溫氧化釋放熱量關(guān)系見(jiàn)式（4）。

QVOCs=qVOCs×mVOCs# （4）

式（4）中，mVOCs為VOCs的質(zhì)量流量（kg/h），由于mVOCs不能直接獲得，需結(jié)合沸石轉(zhuǎn)輪吸附端廢氣的VOCs濃度Ca、排氣筒出口VOCs濃度Cb、吸附風(fēng)/排氣筒風(fēng)量La獲得，見(jiàn)式（5）。

mVOCs=（Ca-Cb）×La×10－6# （5）

（三）能耗輸出

沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)的能耗輸出關(guān)系見(jiàn)式（6）。

Qoutput=Qxrt+Qe+Qz+Qf+Qg+Qh （6）

式（6）中，Qoutput，RTO的能耗輸出，kJ/h；Qxrt，RTO的外表面散熱，kJ/h；Qe，RTO的反吹風(fēng)熱量損耗，kJ/h；Qz，RTO的助燃風(fēng)熱量損耗，kJ/h；Qf，RTO—排氣筒的出口煙氣熱量損耗，kJ/h；Qg，RTO—排氣筒的高溫?zé)崤酝崃繐p耗，kJ/h；Qh，RTO—換熱器的熱量輸入，kJ/h。

1.外表面散熱

RTO的外表面散熱主要與RTO蓄熱體的散熱系數(shù)、蓄熱體表面積以及蓄熱體厚度有關(guān)，熱損耗關(guān)系如式（7）所示：

Qxrt=qxrt×Sxrt×σxrt# （7）

式（7）中，qxrt，RTO蓄熱體散熱系數(shù)，kJ/m3·h；Sxrt，RTO蓄熱體表面積，m2；σxrt，RTO蓄熱體厚度，m。

2.反吹風(fēng)熱損耗

反吹風(fēng)在進(jìn)行RTO的蓄熱室吹掃時(shí)會(huì)吸收部分熱量導(dǎo)致熱損耗，RTO反吹風(fēng)熱損耗主要與反吹風(fēng)的質(zhì)量流量、RTO爐膛溫度以及反吹風(fēng)溫度有關(guān)，熱損耗關(guān)系如式（8）所示：

Qe=ρa(bǔ)ir×Le×Cair×（Trto-Te）# （8）

式（8）中，ρa(bǔ)ir，不同溫度與壓力下的空氣密度，kg/m3；Le，反吹風(fēng)風(fēng)量，m3/h；Cair，空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；Trto，RTO爐膛溫度，℃；Te，反吹風(fēng)溫度，℃。

3.助燃風(fēng)熱損耗

當(dāng)RTO的爐膛溫度不能達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)，需要提供助燃風(fēng)以使天然氣充分燃燒釋放熱量，助燃風(fēng)一般由助燃風(fēng)機(jī)直接從室外空氣中抽取至RTO中，因此進(jìn)入RTO的助燃風(fēng)會(huì)吸收RTO的熱量導(dǎo)致熱損耗。

RTO助燃風(fēng)熱損耗主要與助燃風(fēng)的質(zhì)量流量、RTO爐膛溫度以及助燃風(fēng)溫度有關(guān)，熱損耗關(guān)系如式（9）所示：

Qz=ρa(bǔ)ir×Lz×Cair×（Trto-Tz）# （9）

式（9）中，ρa(bǔ)ir，不同溫度與壓力下的空氣密度，kg/m3；Lz，助燃風(fēng)風(fēng)量，m3/h；Cair，空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；Trto，RTO爐膛溫度，℃；Tz，助燃風(fēng)溫度，℃。

4.出口煙氣熱損耗

經(jīng)沸石轉(zhuǎn)輪濃縮后的有機(jī)廢氣進(jìn)入RTO，有機(jī)廢氣中的VOCs一般組成為苯、甲苯、二甲苯、非甲烷總烴等，VOCs經(jīng)高溫氧化后分解為CO2、H2O等以高溫?zé)煔庑问接蒖TO排至排氣筒，出口煙氣一般也攜帶較多熱量。

RTO出口煙氣熱損耗主要與RTO出口煙氣的質(zhì)量流量與溫度有關(guān)，熱損耗關(guān)系如式（10）所示：

Qf=ρa(bǔ)ir×Lf×Cair×Tf# （10）

式（10）中，ρa(bǔ)ir，不同溫度與壓力下的空氣密度，kg/m3；Lf，RTO出口煙氣的風(fēng)量，m3/h；Cair，空氣比熱容[2]，kJ/（kg·℃）；Tf，RTO出口煙氣的溫度，℃。

5.高溫?zé)崤酝釗p耗

RTO在運(yùn)行過(guò)程中為確保凈化效率穩(wěn)定，往往需要維持一定的爐膛溫度以確保進(jìn)入的VOCs可以被充分高溫氧化，當(dāng)RTO的爐膛溫度過(guò)高，可能導(dǎo)致?tīng)t體開(kāi)裂甚至爆炸，因此，為確保RTO運(yùn)行的穩(wěn)定可靠，高溫?zé)崤酝蔀镽TO及時(shí)排出多余的熱量以降低爐膛溫度。

RTO高溫?zé)崤酝釗p耗主要與RTO高溫?zé)崤酝ǖ某隹陲L(fēng)量與出口溫度有關(guān)，熱損耗關(guān)系如式（11）所示：

Qg=ρa(bǔ)ir×Lg×Cair×Tg# （11）

式（11）中，ρa(bǔ)ir，不同溫度與壓力下的空氣密度，kg/m3；Lg，RTO高溫?zé)崤酝ǔ隹陲L(fēng)量，m3/h；Cair，空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；Tg，RTO高溫?zé)崤酝ǔ隹跍囟?，℃?/p>

6.換熱器的熱量供給

沸石轉(zhuǎn)輪需吸收熱量以脫附著在沸石表面的VOCs，此部分熱量一般由RTO傳至換熱器再由換熱器輸送至沸石轉(zhuǎn)輪，該部分熱量主要與換熱器的測(cè)入口進(jìn)風(fēng)的風(fēng)量、溫度有關(guān)，熱損耗關(guān)系如式（12）所示：

Qh=ρa(bǔ)ir×Lh×Cair×Th# （12）

式（12）中，ρa(bǔ)ir，不同溫度與壓力下的空氣密度，kg/m3；Lh，換熱器的一次側(cè)入口的風(fēng)量，m3/h；Cair，空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；Th，換熱器的一次側(cè)入口溫度，℃。

三、結(jié)語(yǔ)

沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)具有凈化效率高、凈化效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，適用于以船舶企業(yè)為代表的大型涂裝企業(yè)，尤其對(duì)船舶企業(yè)涂裝作業(yè)存在著不連續(xù)性且涂裝廢氣中VOCs濃度瞬時(shí)波動(dòng)大等問(wèn)題，具有較好的適用性。

本文以沸石轉(zhuǎn)輪+RTO有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)為研究對(duì)象，依據(jù)該有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)的機(jī)理模型，梳理并搭建該有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)的能耗路徑與能耗模型，揭示該有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)內(nèi)各組件的熱量平衡關(guān)系，并給出計(jì)算方法，以期為相關(guān)人員提供參考。

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作者簡(jiǎn)介：王曉旭（1994），男，安徽省六安市人，碩士研究生，助理工程師，從事廢氣污染控制工作。