蓄热式燃烧技术在金属表面涂装中VOCs处理应用和工程实践-姜荣行

90《中国建材科技》杂志·金属复合材料专刊1公司简介红岛实业有限公司成立于2002年位于佛山市顺德区容桂镇，公司自成立以来一直专注于金属卷材表面涂装技术的研发及应用，立足于产品自主研发的企业，专业从事金属卷材表面涂装工艺设计，设备制造，废气处理等全套解决方案，是多项国家标准起草参与单位。公司主要生产:金属卷材涂装成套设备，复合板材成套设备，废气处理(RTO)回用系统及金属卷材花纹涂装产品和复合板材。公司生产金属卷材涂装设备，铝塑及金属板材复合设备，表面花纹涂装卷材，己成为国内外的铝塑板企业主要设备及卷材供应商。目前公司在英德市成立全资子公司，红岛实业(英德)有限公司，注册资金1500万元，公司位于广东顺德清远（英德）合作区内，占地五万平方米，总投资1.5亿元，己建厂房三万多平方米，安装了二条涂装生产线，设计年产能三万吨厚度从0.1mm到1.0mm最大宽度达2350mm拥有国际先进的卷材表面花纹涂装技术。年产花纹卷材1000万平方米，普通涂装卷材2000万平方米以及金属复合板生产线二条，年产复合板200万平方米，还有拉丝机组及德国高宝多色印刷机等配套设备，在2015年全面调试投产。2VOCs废气处理简介金属涂装废气中VOCs的组分比较复杂，主要成分有：甲苯、二甲苯、醋酸乙脂、环己酮、丁酮、异丙醇、丁醇等，针对铝涂装含VOCs废气的处理，国内不少环保企业研发出多种设备及工艺，主要工艺方式有几种。2.1催化燃烧法该法的工作原理是：利用废气中的VOCs在催化剂的作用下可以有效降低氧化转化温度的特点，在设备内增加催化剂作为触媒来降低VOCs的氧化转化温度。首先将废气通过外来热源加热到催化起燃最低温度280℃导入到装有催化剂的催化床层，使得含有VOCs的废气与催化剂充分接触，并保持足够的停留时间。被加热后的VOCs依靠催化剂中的活性成分铂Pt、钯Pd的活性作用，使废气中的有机物转化氧化为无害的水和二氧化碳从而达到净化废气的目的。该法的缺点是随着设备使用周期的延长，催化剂的性能逐步降低，使得处理效果逐渐下降，同时存在二次维护金属涂装线外排废气采用蓄热式焚烧工艺设备进行环保处理是非常合适和理想的，不仅处理效果优异，能够完全达标排放，而且运行能耗最省，是金属涂装企业环保处理的最优选择。蓄热式燃烧技术在金属表面涂装中VOCs处理应用和工程实践文/姜荣行张焜照（红岛实业（英德）有限公司，广东清远513000）红岛实业有限公司成立于2002年位于佛山市顺德区容桂镇，公司自成立以来一直专注于金属卷材表面涂装技术的研发及应用，立足于产品自主研发的企业，专业从事金属卷材表面涂装工艺设计，设备制造，废气处理等全套解决方案，是多项国家标准起草参与单位。公司主要生产:金属卷材涂装成套设备，复合板材成套设备，废气处理(RTO)回用系统及金属卷材花纹涂装产品和复合板材。公司生产金属卷材涂装设备，铝塑及金属板材复合设备，表面花纹涂装卷材，己成为国内外的铝塑板企业主要设备及卷材供应商。技术交流论道〉91《中国建材科技》杂志·金属复合材料专刊 费用较高，非甲烷总烃残留量超标等缺点。2.2热力燃烧法该法的工作原理是：利用废气中的VOCs在高温下分子链容易被击破产生氧化转化的原理，直接采用外来热源将含有VOCs的废气加热到最低氧化转化温度750℃。首先把含有VOCs的废气加热到最低氧化转化温度750℃，并且停留足够的分解时间，使废气中的VOCs充分转化氧化为水和二氧化碳，从而达到净化废气的目的。且在合适的条件下可进行余热利用，不仅净化废气保护环境，同时余热利用产生一定的经济效益。该方法适用于任何废气温度的场合，废气VOCs浓度在中、高低的场合均能获得较理想的处理效果，由于废气的裂解温度高，燃料消耗较多，对于热量不能充分利用的场合，造成运行成本高。2.3活性炭（碳纤维）吸附脱附该法的工作原理：利用活性炭（碳纤维）内部微孔的物理吸附作用，把废气中的VOCs吸附下来，从而达到净化废气的目的。由于活性炭吸附只是把VOCs吸附下来，并没有把VOCs真正转化为无害的物质，并且吸附到一定程度会达到饱和，所以必须进行脱附再生。脱附的方法有饱和蒸汽脱附溶剂溶剂回收法、常压过热蒸汽脱附催化净化法和直接催化燃烧热空气连续脱附。采用活性炭吸附/脱附的方法适用于温度50℃且废气浓度1,000mg/m3的场合。若废气温度较高，有机物分子热运动增强，则活性炭（碳纤维）的吸附效果明显下降；废气浓度较高则活性炭（碳纤维）会迅速饱和，则必须采用连续脱附的方式。该法的缺点是对酮类物质可以吸附但是再生效果很差，活性炭容易饱和，相对净化效率较底。2.4蓄热式热力燃烧其废气处理的原理和热力燃烧方法相同。不同的是蓄热式方法安装了蓄热材料代替了热力燃烧方法的换热器，由于蓄热材料具有较大的传热面积和热容量，所以依靠对废气进气/排气方向的不断切换，从而使蓄热材料不断的吸收热量和放出热量，达到节能效果。表1DB44/27-2001现有污染源大气污染物排放限值序号污染物最高允许排放浓度(mg/m3)最高允许排放速率(Kg/h)无组织排放监控浓度限值排气筒高度m一级二级三级监控点浓度(mg/m3)1苯1215禁排0.420.63周围外浓度最高电0.4020禁排0.71.030禁排2.33.640禁排4.26.32甲苯4015禁排2.53.8周围外浓度最高电2.020禁排4.36.530禁排152240禁排25383二甲苯7015禁排0.841.3周围外浓度最高电1.220禁排1.42.730禁排4.87.740禁排8.4134酚类10015禁排0.0840.13周围外浓度最高电0.08020禁排0.140.2230禁排0.480.740禁排0.841.35非甲烷总烃12015禁排8.413周围外浓度最高电4.020禁排142130禁排447040禁排601006甲醇19015禁排4.36.4周围外浓度最高电1220禁排7.01030禁排243640禁排4163技术交流〉论道92《中国建材科技》杂志·金属复合材料专刊该方法的优点在于安装了蓄热材料有效提高了换热效率，通常高达95%以上，远高于普通热交换器的60%以下的换热效率，在较低的废气浓度时可达到最低的运行费用，废气浓度达到2g/m3即可实现无功运行，是目前国际通用且能源消耗最低的新型处理VCOs的工艺方法。根据以上各种含VOCs废气的处理方法、原理并结合铝涂装行业的废气中VOCs的种类（苯类、酯类为主）、性质（有机物）、浓度（6g/m3），结合国家最新标准GB16297-1996（二类地区）及广东省地方标准广东省地方标准《大气污染物排放限值》DB44/27-2001（第一第二工艺段排放限值）要求，并考虑到未来国家可能进一步提高相关污染物排放要求将重要污染物排放标准提高10倍以上选择工艺设备。现行广东省地方标准DB44/27-2001比国家标准GB16297-1996要求更高，因此应以广东省DB44/27-2001标准执行。1)参考条件：环境温度20℃，大气压力1,000mbar，海拔100m2)一般应用于无组织排放源上风向2-50m范围内设定参考点，排放源下风向2-50m范围内设监控点。3)界外浓度最高点一般应设于排放源下风向的单位周界外10m范围内。通过对上述处理工艺进行比较，能够处理6g/m3、能够达到表格中的标准且排放浓度低于现行标准十倍以上的工艺仅有热力燃烧及RTO，而RTO对比热力燃烧更有能耗低的特点，非常适合24小时连续生产的铝涂装行业。因此，红岛实业(英德)有限公司做出了RTO方案及投资预算，采用该工艺来处理铝涂装线的节能减排计划。3RTO设备工作原理160℃左右待处理有机废气进入蓄热室1的陶瓷介质层(该陶瓷介质“储存”了上一循环的热量)，陶瓷释放热量，温度降低，而有机废气吸收热量，温度升高，废气离开蓄热室后以较高的温度进入氧化室。在氧化室中，有机废气再由燃烧器加热升温至设定的氧化温度850℃，使其中的VOCs成分分解成二氧化碳和水。由于废气已在蓄热室内预热，燃料耗量大为减少。氧化室有两个作用：一是保证废气能达到设定的氧化温度，而是保证有足够的停留时间使废气中的VOCs充分氧化，停留时间为1sec。废气流经蓄热室1升温后进入氧化室氧化，成为净化的高温气体后离开氧化室，进入蓄热室2(在前面的循环中已被冷却)，释放热量，降温后排出，而蓄热室2吸收大量热量后升温(用于下一个循环加热废气)。处理后气体离开蓄热室2.循环完成后，进气与出气阀门进行一次切换，进入下一个循环，废气由蓄热室2进入，蓄热室3排出。如此交替。RTO氧化室抽取部分高温气体经换热器加热涂装室废气自20℃升温至400℃送入烘箱。830℃高温烟气降温后返回氧化炉。风机由变频器控制，以适应不同的工况全自动运行。4运行参数表2运行参数RTO型号RTO-3-50000m³/h处理废气风量50,000m³/h废气浓度450kg/h废气VOCs去除率99%陶瓷蓄热体换热效率95%RTO氧化室温度830℃废气RTO氧化室停留时间1secRTO废气入口温度(平均)190℃RTO废气净化后出口温度(平均)~200℃返回热风量19,300Nm³/h新风初始温度20℃新风加热后温度420℃RTO系统压降~4,800Pa装机功率220KWRTO燃烧器最大输出热功率100×104kcal/hrRTO运行NG消耗：(1)启动平均值~90m³/hr冷却启动时间2h(3)正常运行时(VOCs2,000mg/m³)~2m³/hr5节能经济5.1热平衡计算废气量50,000m³/h(26,000Nm³/h)，废气温度160℃；溶剂排放150-400kg/h。混合溶剂燃烧热值：7,000kcal/kg。该方法的优点在于安装了蓄热材料有效提高了换热效率，通常高达95%以上，远高于普通热交换器的60%以下的换热效率，在较低的废气浓度时可达到最低的运行费用，废气浓度达到2g/m3即可实现无功运行，是目前国际通用且能源消耗最低的新型处理VCOs的工艺方法。技术交流论道〉93《中国建材科技》杂志·金属复合材料专刊 废气中VOCs氧化产生的最大热值为：Q1=450×7000=315×104kcal/h；考虑废气的去除率是99%，散热损失5%，那么实际最大热值为Q2=296×104kcal/hRTO进出口温差最小为50℃左右，则RTO系统正常运行需要的最小热量：Q3=26000×0.31×50=41×104kcal/h当Q2≥Q3，正常运行时不需要补充燃料。则可理论余热回收热量：Q4=Q2-Q3=255×104kcal/h按余热回收热量250×104kcal/h考虑，返回热风温度420℃；新风温度20℃。则返回热风量：19300Nm³/h。总上所述，最高VOCs浓度时，RTO系统不用补充燃料，并回收余热250万kcal/hr。5.2RTO工艺简介蓄热式热力焚化炉英文名为“RegenerativeThermalOxidizer”，简称“RTO”。是一种高效有机废气治理设备。原理是把有机废气加热到760摄氏度以上，使废气中的VOCs被氧化分解成二氧化碳和少量的水蒸气。氧化产生的高温气体流经特制的陶瓷蓄热体，使陶瓷体升温而“蓄热”，此“蓄热”用于预热后续进入的有机废气。与传统的催化燃烧、直燃式热氧化炉(TO)相比，具有热转换效率高(≥95%)、运行成本低、能处理大风量低浓度废气等特点。该法主要特点有：1)适用大风量，低浓度的有机废气处理。(5,000-100,000m³/h风量，有机废气浓度在100ppm-4,000ppm之间。)2)设备采用PLC程序控制，自动化程度高，适合长期运行。3)二室RTO的有机废气去除率在95%以上；三室RTO的有机废气去除率在99%以上。4)符合国家提倡的节能减排产业政策，是国外工业发达国家普遍采用的环保设备，与直燃式或催化焚烧炉相比，不仅节约能源90%以上，还可以大大减少温室气体的排放。5)应用广泛，适用行业有：彩铝、汽车、摩托车、印铁制罐、彩钢板、集成电路、化工、塑料、制药行业的有机废气、恶臭、Nox、等废气的