沸石轉(zhuǎn)輪+蓄熱焚燒爐在VOCs 處理中的應(yīng)用

（上海綠豎環(huán)保工程有限公司，上海 201108)

VOCs（揮發(fā)性有機化合物）來源廣泛，對人體和環(huán)境的危害大。隨著國家及地方各級政府對環(huán)境保護的重視，各種政策法規(guī)以及標準陸續(xù)發(fā)布，廢氣治理產(chǎn)業(yè)駛?cè)肓税l(fā)展的快車道。VOCs 治理技術(shù)不斷提升，其中沸石轉(zhuǎn)輪+蓄熱焚燒爐工藝以其良好的環(huán)保、節(jié)能得到業(yè)主的青睞。

1 沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)的選擇

與普通的塔式吸附箱相比，沸石濃縮轉(zhuǎn)輪是一種移動吸附設(shè)備[1]，其最大的優(yōu)勢是占地面積小，尤其是筒式轉(zhuǎn)輪，其將干式過濾器、吸脫附及高溫氧化幾道工序組合起來，成為一套集成的廢氣處理系統(tǒng)，更具有優(yōu)越性。但轉(zhuǎn)輪不是在所有工況下都可以使用，在選用轉(zhuǎn)輪時，需要從運行原理對轉(zhuǎn)輪進行分析。

1.1 轉(zhuǎn)輪運行模式

沸石轉(zhuǎn)輪一般是按照“吸附-脫附（再生）-冷卻-再吸附”原理運行。VOCs 廢氣通過沸石轉(zhuǎn)輪時被吸附于沸石中，達到凈化廢氣的目的。廢氣經(jīng)沸石吸附去除其中的揮發(fā)性有機物，之后通過煙囪排放到大氣中。轉(zhuǎn)輪持續(xù)以1～6 r/h 的速度旋轉(zhuǎn)，同時將吸附的揮發(fā)性有機物傳送至脫附區(qū)。

在脫附區(qū)中利用一小股加熱氣體對揮發(fā)性有機物進行脫附，吸附在轉(zhuǎn)輪上的有機物被分離、脫附，脫附后的沸石轉(zhuǎn)輪通過冷卻區(qū)再次旋轉(zhuǎn)至吸附區(qū)，持續(xù)吸附揮發(fā)性有機氣體。脫附過程中產(chǎn)生的有機廢氣送至焚燒爐進行燃燒，轉(zhuǎn)化成二氧化碳及水蒸氣排放至大氣中。其運行過程見圖1。

圖1 沸石轉(zhuǎn)輪運行過程圖

1.2 沸石型號的選擇

沸石處理裝置設(shè)計的基礎(chǔ)是根據(jù)廢氣中各成分的分子動力學(xué)直徑來選擇沸石分子篩。分子篩根據(jù)孔徑大小可分為微孔（小于2 nm）、介孔（2～50 nm）以及大孔（大于50 nm）分子篩，應(yīng)選擇孔徑稍大于吸附質(zhì)的分子篩。比如異丙醇廢氣，根據(jù)其分子體積數(shù)據(jù)(長：0.43 nm，寬：0.3 nm，高：0.32 nm)應(yīng)選擇介孔分子篩。

2 RTO 系統(tǒng)組成及參數(shù)計算

2.1 RTO 系統(tǒng)的組成

RTO 是一種含有蓄熱體的焚燒爐，由蓄熱室、燃燒室、進氣室、切換閥、燃燒機等組成，見圖2。

圖2 RTO 系統(tǒng)組成圖

每個蓄熱室裝填有蓄熱體及保溫棉，燃燒室安裝有燃燒器，用來預(yù)熱和加熱廢氣。進入的廢氣在蓄熱室1 預(yù)熱后，升溫到500 ℃左右，然后進入燃燒室，發(fā)生氧化分解反應(yīng)，去除其中的VOCs。850 ℃的高溫廢氣經(jīng)過蓄熱室3 時放熱，熱量傳給低溫區(qū)的蓄熱體，熱能被蓄熱體儲存，排出低溫、合格干凈的氣體。對蓄熱體設(shè)定熱回收效率為95%，一般出口廢氣溫度會高于進口廢氣溫度約50 ℃～60 ℃。

廢氣通過蓄熱室和燃燒室過程中，夾帶的VOCs 會在不同溫區(qū)發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，分解成無污染的CO2和H2O，釋放出大量熱能。熱能主要消耗途徑有四個：（1）蓄積在蓄熱體中；（2）經(jīng)由焚燒爐殼體散熱，這部分熱損失一般為5%；（3）隨低溫廢氣排至大氣；（4）進口廢氣中所含水汽在爐內(nèi)氣化吸熱。

進氣和排氣均需設(shè)定一定時間，讓廢氣可以充分地吸熱與放熱，時間一般為60～120 s，之后經(jīng)由提升閥切換，焚燒爐進入下一個流程，不斷循環(huán)，其運行過程見表1。

表1 RTO 系統(tǒng)運行過程

3 塔RTO 的VOCs 去除率可以達到99%，而2 塔RTO 由于沒有吹掃步驟，其去除效率最多只能達到95%。隨著環(huán)保標準趨嚴，允許的排放濃度及排放速率越來越嚴格，3 塔式RTO 應(yīng)用越來越廣泛。

2.2 廢氣濃度的轉(zhuǎn)換

廢氣濃度單位的有ppm,mg/m3等，現(xiàn)階段在進行熱力學(xué)計算時，濃度單位mg/m3用得比較多。以標況下2000 mg/m3乙醇廢氣為例，其在常溫下質(zhì)量濃度應(yīng)作如下計算。

乙醇在標況下密度：

2.3 混合氣體爆炸下限計算

由于焚燒爐內(nèi)溫度高達850 ℃，進入焚燒爐的廢氣濃度一定要低于其爆炸下限的25%,以保證絕對安全。某混合氣體的體積濃度及爆炸下限（LEL）見表2。

表2 某混合氣體的體積濃度及爆炸極限

依據(jù)萊·夏特爾定律，可計算出廢氣混合氣體的爆炸下限：

式（6）中：Pn為可燃氣體在混合氣體中的體積分數(shù)；LELn為對應(yīng)的該可燃氣體的爆炸下限。入口廢氣平均溫度為55 ℃，依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，則1 mol 氣體所占體積為22.4 L=26.9 L。

由入口質(zhì)量濃度計算得到體積濃度如下：

混合氣體安全爆炸下限為1.87×25%=0.47，入口氣體的體積濃度為0.029，小于混合氣體LEL的25%，故廢氣進爐燃燒是安全的。

每個焚燒爐均需進行爆炸下限的計算，以保證焚燒爐的安全與可靠運行。

2.4 蓄熱體數(shù)量計算

蓄熱體數(shù)量直接關(guān)系到RTO 的熱回收效率，目前RTO 熱回收效率一般要求達到95%以上，下面計算蓄熱體數(shù)量。

設(shè)定廢氣處理量為20000 Nm3/h，標況狀態(tài)下蓄熱體空塔流速宜設(shè)定為1.2 m/s 較為經(jīng)濟。

考慮到蓄熱體的尺寸一般為305 mm×305 mm×101 mm,可以將蓄熱體布置為長（0.305 mm×8 塊）×寬（0.305 mm×6 塊）=4.465 m2。故單位截面積蓄熱體數(shù)量為8×6=48 塊。

根據(jù)相關(guān)文獻[3]，蓄熱體陶瓷的蓄熱控制方程為：

式（9）中：ε 為蓄熱體孔隙率；ρr為蓄熱體密度，kg/m3；Cr為蓄熱體比熱容，kJ/(kg·K)；Ah為蓄熱體和氣流的換熱面積，m2；Vr為蓄熱體的堆積體積，m3；t 為時間，s；Tg為氣體截面平均溫度，K；Tr為蓄熱體溫度，K；h 為蓄熱體與氣流間的對流換熱系數(shù)，kJ/(m2·K）。

根據(jù)筆者工程經(jīng)驗，蓄熱體高度一般最少為1800 mm（蓄熱填料1600 mm+陶瓷鞍環(huán)200 mm），熱回收效率才能達到95%。

單層蓄熱體體積V單=S×H=4.63m2×1.8m=8.334m3，總蓄熱體體積V總=8.334 m3×3=25 m3。

2.5 蓄熱室尺寸計算

蓄熱室空塔長度為305 mm×8=2440 mm，保溫厚度為200 mm，焚燒爐殼體鋼板厚度為8 mm，蓄熱室長度為2440 mm+200 mm×2+8 mm×2=2856 mm。

蓄熱室空塔寬度為305 mm×6=1830 mm，保溫厚度為200 mm，焚燒爐殼體鋼板厚度為8 mm，蓄熱體室寬度為1830 mm +200mm×2+8 mm×2=2246 mm。

格柵高度為35 mm,支持高度為150 mm，預(yù)留200 mm 空間。

蓄熱室高度為1800 mm+35 mm+150 mm+200 mm=2185 mm。

2.6 燃燒室尺寸計算

如圖2 所示，燃燒室位于蓄熱室上方，保溫棉厚度為250 mm，爐體鋼板厚度為8 mm，塔室間隔600 mm。

燃燒室寬度=蓄熱室寬度=2246 mm。

流通寬度=燃燒室寬度-保溫棉厚度×2-鋼板厚度×2=2246 mm-500 mm-16 mm=1730 mm。

燃燒室長度=蓄熱室長度×3+間隔×2=2856 mm×3+600 mm×2=9768 mm。

流通長度=燃燒室長度-保溫棉厚度×2-鋼板厚度×2=9768 mm-500 mm-16 mm=9252 mm。

依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，20000 Nm3/h廢氣在燃燒室內(nèi)的體積：

依據(jù)經(jīng)驗，廢氣在燃燒室停留時間至少應(yīng)為1.2 s，燃燒室高度不應(yīng)小于2.5 m，故燃燒室高度H 取值2.57 m。

2.7 RTO 設(shè)備主要參數(shù)

除了以上設(shè)備參數(shù)，RTO 設(shè)備還有如下一些重要參數(shù)需要確定，見表3。

表3 RTO 設(shè)備主要參數(shù)

3 濃縮轉(zhuǎn)輪+RTO 組合系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化及安全設(shè)計

3.1 該組合系統(tǒng)的主要特點

該組合工藝主要是利用沸石良好的吸脫附性能，將大風量、低濃度的有機廢氣濃縮成小風量、高濃度的廢氣進RTO 焚燒，因沸石轉(zhuǎn)輪較高的吸附效率，RTO 較高的去除效率，故該組合工藝VOCs去除率非常高。同時由于2 g/Nm3以上的高濃廢氣進RTO 焚燒，基本不需要消耗額外的燃料輔助加熱，有良好的的節(jié)能效果。該工藝流程見圖3。

圖3 濃縮轉(zhuǎn)輪+RTO 組合系統(tǒng)工藝流程

3.2 工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)置

（1）溫度及濕度：廢氣進氣溫度宜控制在40℃以下，相對濕度（RH）控制在80%以下。

（2）濃縮比：指轉(zhuǎn)輪通過吸附-脫附過程，將低濃度廢氣變成高濃度廢氣，濃度的比值F。該比值F[1]直接關(guān)系到RTO 運行安全及系統(tǒng)能耗大小。

（3）轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速與濃縮比直接相關(guān)，亦與VOCs 去除率有一定關(guān)系，需要在現(xiàn)場根據(jù)實際調(diào)試和企業(yè)生產(chǎn)情況，進行實時設(shè)置。

（4）再生風溫度：進轉(zhuǎn)輪脫附熱風一般在180℃～200 ℃之間，溫度過低會出現(xiàn)脫附效率低，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部VOCs 富集，有安全隱患；溫度過高會損壞轉(zhuǎn)輪涂覆層。

（5）密封性：內(nèi)漏會使轉(zhuǎn)輪存在竄風的問題，外漏會導(dǎo)致RTO 里面高溫煙氣泄漏，因而結(jié)構(gòu)密封是一個非常重要的控制點。

3.3 系統(tǒng)安全設(shè)計

為保證系統(tǒng)安全運行，對進入RTO 的高濃廢氣設(shè)置雙備份LEL 檢測儀，這兩個LEL 可以進入PLC 讀取其平均值，以防止其中一個失效。LEL 報警值可以設(shè)計成3 個階梯：15% LEL、20%LEL、25% LEL。當廢氣濃度達到15% LEL 時，可以設(shè)置報警，提醒操作人員注意。當廢氣濃度達到20%LEL 時，PLC 發(fā)出命令，打開相關(guān)新風口進新風，稀釋高濃廢氣。當廢氣濃度達到25%LEL 時，進入RTO 閥門會關(guān)閉，高濃廢氣將不經(jīng)過焚燒爐，通過旁通風機從煙囪排走。

RTO 前面宜設(shè)置阻火器，防止高溫煙氣返回至高濃廢氣區(qū)域可能引起的火災(zāi)。

4 工程應(yīng)用

以河北某油漆廠為例，該廠廢氣主要來源于油漆生產(chǎn)過程中反應(yīng)釜、投料、清洗等工序，風量總計約100000 Nm3/h，廢氣主要成分有甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、丙酮等非甲烷總烴，廢氣濃度約210 mg/m3。該廢氣特點即為大風量、低濃度，同時廢氣含有苯系物，對于廢氣處理效率要求極高。按照上述方法設(shè)計和優(yōu)化，廢氣處理系統(tǒng)投用以后運行穩(wěn)定，煙囪排放濃度穩(wěn)定在30 mg/m3以內(nèi)，見表4。

表4 VOCs 廢氣治理檢測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語及展望

沸石轉(zhuǎn)輪+蓄熱焚燒爐組合工藝適用于大風量、低濃度的工況。轉(zhuǎn)輪具有很高的吸附效率，RTO 對于VOCs 也有極高去除率。兩者組合不僅有很高的環(huán)保效益，也帶來了節(jié)能降耗的社會效益，目前頗受業(yè)內(nèi)人士推崇。但該組合工藝一次性投入成本較高，如何降低轉(zhuǎn)輪及RTO 采購成本，是下一步探究的方向。