蓄熱式熱氧化器在印鐵行業中的應用
摘要：印鐵塗布和印刷的尾氣中含有大量的VOCs及CO，直接排放會對環境造成極大汙染，如何處理這部分尾氣使之達標排放，並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首次用蓄熱式熱氧化器（RTO）裝置對年產500t塗布尾氣進行了處理，處理後的尾氣完全達到GB16297—1996排放標準以及DB31--933--2015上海市大氣汙染物綜合排放標準。介紹了利用RTO裝置處理印刷和塗布尾氣的工作機理，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，結果表明，RTO優於目前其他同類的廢氣環保處理裝置。
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隨著我國經濟的快速增長，能源與環保的結構性矛盾更加突出，節能與環保已在社會形成一種共識，被推到一個前所未有的高度。印鐵塗布生產中由於尾氣中含有VOCs成分，因而尾氣的排放一直困擾著印鐵行業。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。現有的焚燒爐和催化氧化裝置存在節能效果不夠顯著、運行成本較高、設備運行不夠穩定等問題。鑑於以上情況，上海寶鋼包裝股份有限公司決定採用蓄熱式熱氧化器來處理印鐵塗布尾氣。
1蓄熱式熱氧化器處理印鐵塗布尾氣
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)，是國際上一種最為有效的VOCs治理技術裝置，主要用於處理中低濃度揮發性有機廢氣。其基本原理是VOCs與O2發生氧化反應生成CO2和H2O，化學方程式如式(1)。
aCxHyOz+bO2cCO2+dH2O(1)
熱氧化器中加入蓄熱體，儲存熱量預熱VOCs廢氣，對預熱後的VOCs廢氣進行熱氧化處理。隨著蓄熱材料的發展，目前蓄熱體的熱回收率已能達到95%以上，具有顯著的節能效果。當VOCs濃度較高時，餘熱可做二次回收，因而RTO廣泛應用於石油、化工、塗裝、塗布、醫藥等行業。
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熱;預熱完成後，含有VOCs的尾氣先進入1#填料床預熱，然後通過燃燒室，在燃燒室內VOCs充分氧化放熱;氧化完成後潔淨的氣體通過2#填料床冷卻，並將熱量傳遞給2#陶瓷床，隨後潔淨的氣體排入大氣，此過程為半個周期。半個周期結束後，閥門切換，含有VOCs的氣體先通過2#填料床預熱，然後在燃燒室氧化放熱，再通過1#填料床進行熱交換放熱，放熱完成後，潔淨的氣體排入大氣，至此完成一個周期循環
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1.2蓄熱式熱氧化器處理印鐵塗布尾氣
印鐵塗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塗布尾氣情況，決定採用蓄熱式熱氧化器(RTO)處理塗布尾氣。為了提高淨化效率，系統採用了三床式RTO，其工藝如圖2。
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1.3蓄熱式熱氧化器模型優化
1.3.1熱力計算及分析
不考慮RTO預熱階段燃燒室內補充的熱量，在投入運行時，印鐵塗布尾氣中的有機成分氧化所產生的總熱量將達到熱平衡，穩態流動時所產生的技術功數值很小，可以忽略，因此能量守恆如式(2):
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式中:η為尾氣中有機物的轉化效率；ΔHi為單位時間內進入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。
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式中:λ為導熱係數;δ為RTO保溫材料的壁厚;ΔT為RTO爐體內外溫度差;A為各箱體散熱面積。
由式(2)、(3)可知，在尾氣中有機物產生的熱值固定的情況下，為了更好地產生效益，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，選擇導熱係數低的材料，同時適當增加保溫材料的厚度來減少熱損。一般要求箱體表面最高點的溫度比環境溫度高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，根據經驗滯留時間一般在1.2s以上。氧化溫度與尾氣中VOCs的成分有關，燃燒室的最低溫度一般要高於尾氣中VOCs的自燃點;通常情況下，氧化溫度越高，氣體的淨化率越高，但溫度過高對設備的使用壽命有影響，尤其是影響餘熱鍋爐的壽命。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有關，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表
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2運行結果及分析
上海寶鋼包裝股份有限公司年產500t的VOCs尾氣處理裝置———RTO，自2014年5月投入運行至今，已連續運行32個月，運行穩定可靠，其運行控制界面見圖3。
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(1)經過多次、隨機抽查測量，RTO箱體表面溫度維持在50～70℃之間，滿足最高溫度不高於環境溫度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)尾氣直排溫度高於進氣溫度10K，完全達到小於40K的設計要求.
(4)煙囪平均出口溫度150℃，低於180℃的設計要求。
(5)經當地環保部多次抽查，經過RTO裝置處理的印鐵塗布尾氣完全達到GB16297—1996《大氣汙染物綜合排放標準》，VOCs的淨化率達到了99%，CO的淨化率達到了97%。
3與原有廢氣處理設備的比較
2014年之前，上海寶鋼包裝股份有限公司一直採用直燃式燃燒爐(TO)和催化燃燒爐(CO)兩種環保技術，處理能力滿足當時國家的規定。隨著國內環保要求的進一步提高，尤其是上海地方標準的提出，公司原有的VOCs環保處理裝置已很難滿足廢氣排放的要求，因此公司嚴格按照新的排放標準對廢氣進行處理。2014上海寶鋼包裝股份有限公司採用的5萬m3/h風量蓄熱式熱氧化爐(RTO)裝置對車間生產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，而且塗裝生產過程中廢氣VOCs濃度較高，在經過RTO處理後完全能維持設備自身的熱能損耗外，還有部分富裕熱值可以供企業加熱空氣通入烘箱輔助生產。與原有環保技術相比除了進一步提升環保性能外，還充分為企業節能，實現了真正意義上的一舉兩得。
經過實施驗證，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保的要求，同時由於合理的設計，運行過程中天然氣和用電量都有一定程度的降低。以印鐵塗布線正常生產為條件，RTO除了啟動需要燃料外，滿產運行時不需要補充天然氣，產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，單價按上海市現行標準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。以前的塗布線觸媒環保設備年能耗費用為339萬，該項目的實施每年同比降低能源成本248萬元。
4結論
(1)採用蓄熱式熱氧化器處理塗布印鐵尾氣，可將尾氣的有毒有害成分完全氧化分解，排放達到GB16297—1996環保標準及上海市地方標準要求，可直接排入大氣，減少了對空氣的汙染。
(2)本裝置從性能的可靠性、設備的使用壽命、日常的維護費用及年度能源損耗等方面都優於目前同類其他的廢氣環保處理裝置，為企業降本增效做出重要貢獻。