來源:《寶鋼技術(shù)》 作者:張毅 楊虹雷
摘要：印鐵涂布和印刷的尾氣中含有大量的VOCs及CO，直接排放會對環(huán)境造成極大污染，如何處理這部分尾氣使之達標(biāo)排放，并做到資源和能量的綜合利用尤為重要。上海寶鋼包裝股份有限公司在國內(nèi)首次用蓄熱式熱氧化器（RTO）裝置對年產(chǎn)500t涂布尾氣進行了處理，處理后的尾氣完全達到GB16297—1996排放標(biāo)準(zhǔn)以及DB31--933--2015上海市大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。介紹了利用RTO裝置處理印刷和涂布尾氣的工作機理，從RTO的性能、使用的壽命和日常的維護費用等角度對該案例進行了分析，結(jié)果表明，RTO優(yōu)于目前其他同類的廢氣環(huán)保處理裝置。
隨著我國經(jīng)濟的快速增長，能源與環(huán)保的結(jié)構(gòu)性矛盾更加突出，節(jié)能與環(huán)保已在社會形成一種共識，被推到一個前所未有的高度。印鐵涂布生產(chǎn)中由于尾氣中含有VOCs成分，因而尾氣的排放一直困擾著印鐵行業(yè)。另外尾氣中含有濃度較高的CO，直接排放也造成了巨大的能源浪費。現(xiàn)有的焚燒爐和催化氧化裝置存在節(jié)能效果不夠顯著、運行成本較高、設(shè)備運行不夠穩(wěn)定等問題。鑒于以上情況，上海寶鋼包裝股份有限公司決定采用蓄熱式熱氧化器來處理印鐵涂布尾氣。
1蓄熱式熱氧化器處理印鐵涂布尾氣
1.1蓄熱式熱氧化器原理簡介
蓄熱式熱氧化器(RegenerativeThermalOxidizer，以下簡稱RTO)，是國際上一種有效的VOCs治理技術(shù)裝置，主要用于處理中低濃度揮發(fā)性有機廢氣。其基本原理是VOCs與O2發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2和H2O，化學(xué)方程式如式(1)。
aCxHyOz+bO2→cCO2+dH2O(1)
熱氧化器中加入蓄熱體，儲存熱量預(yù)熱VOCs廢氣，對預(yù)熱后的VOCs廢氣進行熱氧化處理。隨著蓄熱材料的發(fā)展，目前蓄熱體的熱回收率已能達到95%以上，具有顯著的節(jié)能效果。當(dāng)VOCs濃度較高時，余熱可做二次回收，因而RTO廣泛應(yīng)用于石油、化工、涂裝、涂布、醫(yī)藥等行業(yè)。
典型的兩床式RTO如圖1。RTO啟動前先通過燃燒器對燃燒室及填料床預(yù)熱;預(yù)熱完成后，含有VOCs的尾氣先進入1#填料床預(yù)熱，然后通過燃燒室，在燃燒室內(nèi)VOCs充分氧化放熱;氧化完成后潔凈的氣體通過2#填料床冷卻，并將熱量傳遞給2#陶瓷床，隨后潔凈的氣體排入大氣，此過程為半個周期。半個周期結(jié)束后，閥門切換，含有VOCs的氣體先通過2#填料床預(yù)熱，然后在燃燒室氧化放熱，再通過1#填料床進行熱交換放熱，放熱完成后，潔凈的氣體排入大氣，至此完成一個周期循環(huán)。
1.2蓄熱式熱氧化器處理印鐵涂布尾氣
印鐵涂布尾氣中主要有害成分為苯、二甲苯及其他非甲烷總烴，上海寶鋼包裝股份有限公司針對500t/a涂布尾氣情況，決定采用蓄熱式熱氧化器(RTO)處理涂布尾氣。為了提高凈化效率，系統(tǒng)采用了三床式RTO，其工藝如圖2。
1.3蓄熱式熱氧化器模型優(yōu)化
1.3.1熱力計算及分析
不考慮RTO預(yù)熱階段燃燒室內(nèi)補充的熱量，在投入運行時，印鐵涂布尾氣中的有機成分氧化所產(chǎn)生的總熱量將達到熱平衡，穩(wěn)態(tài)流動時所產(chǎn)生的技術(shù)功數(shù)值很小，可以忽略，因此能量守恒如式(2):
式中:η為尾氣中有機物的轉(zhuǎn)化效率；ΔHi為單位時間內(nèi)進入RTO有機物的燃燒熱值;Qj為各箱體表面的散熱量;C為尾氣的比熱容;q1為RTO出口氣體的流量;ΔT1為出口氣體與進口氣體的溫度差;q2為通過RTO高溫旁路氣體的流量，ΔT2為高溫旁路氣體與進口氣體的溫度差。
式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù);δ為RTO保溫材料的壁厚;ΔT為RTO爐體內(nèi)外溫度差;A為各箱體散熱面積。
由式(2)、(3)可知，在尾氣中有機物產(chǎn)生的熱值固定的情況下，為了更好地產(chǎn)生效益，必須減少箱體表面的熱損及直排氣體所帶走的熱量。因此箱體表面積固定時，選擇導(dǎo)熱系數(shù)低的材料，同時適當(dāng)增加保溫材料的厚度來減少熱損。一般要求箱體表面的溫度比環(huán)境溫度高50K。
1.3.2控制模型
影響RTO氧化的主要因素有氣體在RTO燃燒室的滯留時間及氧化溫度。氣體在燃燒室的滯留時間由尾氣量及燃燒室容積確定，根據(jù)經(jīng)驗滯留時間一般在1.2s以上。氧化溫度與尾氣中VOCs的成分有關(guān)，燃燒室的溫度一般要高于尾氣中VOCs的自燃點;通常情況下，氧化溫度越高，氣體的凈化率越高，但溫度過高對設(shè)備的使用壽命有影響，尤其是影響余熱鍋爐的壽命。溫度的控制主要與各填料床的切換周期及熱旁通閥的開啟狀態(tài)有關(guān)，表1為三床式RTO在尾氣投入運行時各周期閥門的邏輯狀態(tài)表。
2運行結(jié)果及分析
上海寶鋼包裝股份有限公司年產(chǎn)500t的VOCs尾氣處理裝置———RTO，自2014年5月投入運行至今，已連續(xù)運行32個月，運行穩(wěn)定可靠，其運行控制界面見圖3。
(1)經(jīng)過多次、隨機抽查測量，RTO箱體表面溫度維持在50～70℃之間，滿足溫度不高于環(huán)境溫度50K的要求。
(2)燃燒室溫度始終維持在850～950℃之間，保證尾氣中的有機成分充分氧化。
(3)尾氣直排溫度高于進氣溫度10K，完全達到小于40K的設(shè)計要求.
(4)煙囪平均出口溫度150℃，低于180℃的設(shè)計要求。
(5)經(jīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)保部多次抽查，經(jīng)過RTO裝置處理的印鐵涂布尾氣完全達到GB16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，VOCs的凈化率達到了99%，CO的凈化率達到了97%。
3與原有廢氣處理設(shè)備的比較
2014年之前，上海寶鋼包裝股份有限公司一直采用直燃式燃燒爐(TO)和催化燃燒爐(CO)兩種環(huán)保技術(shù)，處理能力滿足當(dāng)時國家的規(guī)定。隨著國內(nèi)環(huán)保要求的進一步提高，尤其是上海地方標(biāo)準(zhǔn)的提出，公司原有的VOCs環(huán)保處理裝置已很難滿足廢氣排放的要求，因此公司嚴(yán)格按照新的排放標(biāo)準(zhǔn)對廢氣進行處理。2014上海寶鋼包裝股份有限公司采用的5萬m3/h風(fēng)量蓄熱式熱氧化爐(RTO)裝置對車間生產(chǎn)VOCs廢氣進行處理，該RTO裝置的熱回收率高達96%以上，在處理過程中只消耗很少的燃料，而且涂裝生產(chǎn)過程中廢氣VOCs濃度較高，在經(jīng)過RTO處理后完全能維持設(shè)備自身的熱能損耗外，還有部分富裕熱值可以供企業(yè)加熱空氣通入烘箱輔助生產(chǎn)。與原有環(huán)保技術(shù)相比除了進一步提升環(huán)保性能外，還充分為企業(yè)節(jié)能，實現(xiàn)了真正意義上的一舉兩得。
經(jīng)過實施驗證，自2014年5月8日RTO投入運行以來，上海寶鋼包裝股份有限公司印鐵尾氣達到了環(huán)保的要求，同時由于合理的設(shè)計，運行過程中天然氣和用電量都有一定程度的降低。以印鐵涂布線正常生產(chǎn)為條件，RTO除了啟動需要燃料外，滿產(chǎn)運行時不需要補充天然氣，產(chǎn)量不足時需要補充少量燃料，平均燃氣耗量5m3/h。若按照每年10次停車、啟動計算，每次啟動時需要100m3，年正常運行8000h，年消耗天然氣41000m3，燃氣單價4.2元，年運行成本為17.22萬元;同時裝機容量128kWh，年耗電按照工作小時約8000h，實耗為102.4萬kWh/a，單價按上海市現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)0.72元/kWh計算，年運行成本為73.73萬元。總能耗費用(電+燃氣)為90.95萬元。以前的涂布線觸媒環(huán)保設(shè)備年能耗費用為339萬，該項目的實施每年同比降低能源成本248萬元。
4結(jié)論
(1)采用蓄熱式熱氧化器處理涂布印鐵尾氣，可將尾氣的有毒有害成分完全氧化分解，排放達到GB16297—1996環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)及上海市地方標(biāo)準(zhǔn)要求，可直接排入大氣，減少了對空氣的污染。
(2)本裝置從性能的可靠性、設(shè)備的使用壽命、日常的維護費用及年度能源損耗等方面都優(yōu)于目前同類其他的廢氣環(huán)保處理裝置，為企業(yè)降本增效做出重要貢獻。
