蓄熱式焚燒爐在丁苯橡膠生產(chǎn)節(jié)能改進(jìn)中的應(yīng)用

劉 凱

（杭州宜邦橡膠有限公司，浙江 杭州 311228）

某乳聚丁苯橡膠工廠在建設(shè)之初設(shè)計(jì)有各類廢氣處理裝置，主要用于處理乳聚丁苯橡膠后處理工段干燥單元的廢氣。后處理工段主要是將丁苯膠乳中的橡膠顆粒凝聚成粒，并干燥、壓塊、包裝。干燥單元將含水量高的橡膠顆粒通風(fēng)加熱，除去水分，以達(dá)到外觀和其他控制指標(biāo)的要求。在原裝置設(shè)計(jì)中，有一套玻璃鋼/聚丙烯材質(zhì)的廢氣填料吸收塔，用于中和酸氣和吸收廢氣中的水溶性成分，對(duì)廢氣中的主要污染物苯乙烯處理效果不明顯。為解決VOCs 處理不達(dá)標(biāo)問(wèn)題，新建蓄熱式焚燒爐（RTO）。

RTO 技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展成形式多樣、適用廣泛的廢氣處理技術(shù)，其主要的處理原理基本相同：廢氣經(jīng)前置處理后，進(jìn)入高溫蓄熱體升溫，在約800 ℃的燃燒室氧化分解成二氧化碳和水，并燃燒放熱。經(jīng)過(guò)處理的高溫潔凈氣體從蓄熱體降溫排入大氣，熱量保留在蓄熱體中供下一個(gè)循環(huán)廢氣升溫。對(duì)于乳聚丁苯橡膠裝置而言，即使采用了蓄熱和燃燒廢氣的方式循環(huán)處理，為維持燃燒室的高溫，RTO 仍需要消耗大量的天然氣。RTO 經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，在廢氣處理效率和熱效率上有一定提升，如新型的旋轉(zhuǎn)式RTO、三室RTO 等主要在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，在節(jié)能上還有改進(jìn)空間。

1 廢氣處理流程

丁苯橡膠裝置廢氣主要處理流程見(jiàn)圖1。

圖1 丁苯橡膠裝置廢氣處理流程

圖1 中,干燥單元廢氣1 由廢氣風(fēng)機(jī)2 排入填料吸收塔3，由循環(huán)泵4 循環(huán)堿液處理廢氣中的酸性組分。經(jīng)處理的高含水量廢氣進(jìn)入除水罐5 除水，降低含水量的廢氣進(jìn)入RTO 6。廢氣經(jīng)入口③、④閥門(mén)進(jìn)入蓄熱體A，①、②閥門(mén)關(guān)閉，廢氣經(jīng)過(guò)高溫蓄熱體A 加熱升溫進(jìn)入燃燒室燃燒，由蓄熱體B 吸收廢氣熱量，經(jīng)出口⑦、⑧閥門(mén)排出，⑤、⑥閥門(mén)關(guān)閉，廢氣由排風(fēng)機(jī)9 排入排風(fēng)管10，進(jìn)入高空排入大氣。過(guò)程持續(xù)約180 s，蓄熱體A溫度下降，蓄熱體B 溫度升高，此時(shí)閥門(mén)切換，廢氣經(jīng)入口⑤、⑥閥門(mén)進(jìn)入蓄熱體B，⑦、⑧閥門(mén)關(guān)閉，廢氣經(jīng)過(guò)高溫蓄熱體B 加熱升溫進(jìn)入燃燒室燃燒，由蓄熱體A 吸收廢氣熱量，經(jīng)出口①、②閥門(mén)排出，③、④閥門(mén)關(guān)閉，廢氣由排風(fēng)機(jī)9 排入排風(fēng)管10，進(jìn)入高空排入大氣。RTO 約經(jīng)360 s（一個(gè)周期）循環(huán)切換，維持蓄熱體的溫度狀態(tài)。

2 節(jié)能改進(jìn)

RTO 熱量損耗主要是排出廢氣和引入廢氣的溫差及裝置保溫?fù)p耗。RTO 熱量來(lái)源為天然氣和廢氣VOCs 燃燒放熱。理論上，廢氣VOCs 燃燒釋放熱量等于廢氣出入熱量差和裝置保溫?fù)p耗熱量時(shí)，天然氣無(wú)消耗。裝置保溫在設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)基本定型，改造成本高，且相對(duì)損耗較少。RTO 燃燒室在維持約800 ℃時(shí)，外部爐體對(duì)應(yīng)位置的溫度為40 ℃～60 ℃。乳聚丁苯橡膠干燥單元排出的廢氣到達(dá)RTO 入口時(shí)溫度穩(wěn)定，約為60 ℃，因此決定熱量消耗的關(guān)鍵是排氣溫度。圖2 為RTO節(jié)能改進(jìn)前某段時(shí)間內(nèi)的典型RTO 出口溫度和時(shí)間關(guān)系曲線，RTO 設(shè)計(jì)能力：處理風(fēng)量為50000 Nm3/h、總烴小于1000 mg/m3；處理風(fēng)量為30000 m3/h、總烴為500 mg/m3。

圖2 改進(jìn)前典型RTO 出口溫度隨時(shí)間變化曲線

從圖2 可以看出，RTO 每個(gè)循環(huán)360 s，出現(xiàn)2 個(gè)高溫峰和1 個(gè)低溫峰，高低溫差50 ℃（綜合歷史數(shù)據(jù)取值）。出現(xiàn)排氣溫差大的原因是蓄熱體溫差大，即兩個(gè)蓄熱體儲(chǔ)存的熱量出現(xiàn)極大偏差。例如蓄熱體A 進(jìn)氣時(shí)頂部溫度為600 ℃，蓄熱體B 進(jìn)氣時(shí)頂部溫度為300 ℃，兩者溫度偏差大造成蓄熱體B 熱量少、進(jìn)氣溫度低，蓄熱體A熱量多、無(wú)法儲(chǔ)存從RTO 排出的熱量，造成熱量損耗。RTO 系統(tǒng)在發(fā)展過(guò)程中，結(jié)構(gòu)和功能都有所改進(jìn)和提升，但在進(jìn)氣和排氣閥門(mén)切換的編程設(shè)計(jì)上，仍然是簡(jiǎn)易地設(shè)置切換時(shí)間，這樣的設(shè)計(jì)導(dǎo)致溫度高的蓄熱體持續(xù)溫度高，溫度低的蓄熱體持續(xù)溫度低，一方面熱量損耗，另一方面長(zhǎng)期高溫可能降低蓄熱體的使用壽命。

通過(guò)平衡蓄熱體的熱量可以解決這一問(wèn)題，主要步驟：

（1）識(shí)別和區(qū)分高溫蓄熱體和低溫蓄熱體，若設(shè)施已安裝蓄熱體溫度監(jiān)控，直接觀察溫度區(qū)分；若沒(méi)有安裝溫度監(jiān)控，則可通過(guò)觀察排出溫度確認(rèn)，如圖2 所示，若0～180 s 為蓄熱體A 排氣，其排氣溫度持續(xù)下降或主要過(guò)程溫度下降，則蓄熱體A 為低溫蓄熱體。

（2）延長(zhǎng)高溫蓄熱體進(jìn)氣時(shí)間，直至排氣溫度由降低趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?shì)，并使排氣溫度提升至一個(gè)比最低溫度高10 ℃左右的值，將此值作為后續(xù)調(diào)整的目標(biāo)值，達(dá)到目標(biāo)值切換閥門(mén)，注意高溫蓄熱體進(jìn)氣的總時(shí)間。

（3）低溫蓄熱體進(jìn)氣180 s，切換閥門(mén)。

（4）重復(fù)(2)、(3)步驟，直到高溫蓄熱體進(jìn)氣達(dá)到目標(biāo)值的時(shí)間接近180 s，調(diào)整時(shí)應(yīng)注意目標(biāo)值的觀察，調(diào)整初期的目標(biāo)值應(yīng)在后續(xù)重復(fù)調(diào)整時(shí)不斷修正，合理的設(shè)定目標(biāo)是控制能耗的關(guān)鍵。

圖3 中實(shí)線為改進(jìn)后的典型曲線，這種溫度曲線仍有提升空間，工況合適的情況下，通過(guò)人為干預(yù)可以將高、低溫峰差控制在1 ℃以內(nèi)，典型曲線操作彈性大，便于程序改進(jìn)。

圖3 改進(jìn)前后典型RTO 出口溫度隨時(shí)間變化曲線對(duì)比

以圖3 中0～180 s 作為計(jì)算區(qū)域，經(jīng)模擬計(jì)算得出其面積差為1720 ℃·s，即排氣溫度下降9.6 ℃/s（此結(jié)果依據(jù)模擬制作的曲線計(jì)算得出，模擬曲線的不同得出的結(jié)果有所差異）。通過(guò)以下計(jì)算（忽略出入口氣體微量組分的變化對(duì)比熱容的影響），得出節(jié)約天然氣的理論值：

將Cp水=4.2×103J/(kg·℃)、Cp空氣=1.003×103J/(kg·℃)、ρ空氣=1.293 kg/m3、Q天然氣=34×106J/m3、m水（空氣含水量）=50 g/m3代入式（1），計(jì)算得出每天節(jié)約天然氣的理論量為36.76 m3，每月可節(jié)約天然氣1100 m3。

根據(jù)以上方法調(diào)整后，實(shí)際節(jié)約的天然氣遠(yuǎn)高于理論值。選取產(chǎn)量相當(dāng)?shù)脑路輰?duì)比，改進(jìn)前某月天然氣消耗6300 m3（以往最低水平），改進(jìn)后某月天然氣消耗4100 m3，相差2100 m3，下降33%。理論與實(shí)際相差較大的主要原因是操作控制波動(dòng)比理論范圍更窄、理論與實(shí)際工況的偏差。從理論計(jì)算和實(shí)際操作可以得出結(jié)論，改進(jìn)后可以顯著降低天然氣的消耗。

3 自動(dòng)化控制

人為控制干預(yù)可以得到較為理想的效果，但需要人工頻繁檢查、分析和調(diào)整。通過(guò)改進(jìn)RTO切換進(jìn)氣、排氣閥門(mén)的方式可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。RTO 進(jìn)氣和排氣閥門(mén)切換模式是以180 s 作為一個(gè)切換基礎(chǔ)時(shí)間，分為蓄熱體A 進(jìn)氣時(shí)間和蓄熱體B 進(jìn)氣時(shí)間。調(diào)整原理：當(dāng)蓄熱體A 進(jìn)氣時(shí)，排氣溫度高，則增加蓄熱體B 的進(jìn)氣時(shí)間；若蓄熱體A 進(jìn)氣時(shí)間設(shè)定已大于180 s，可降低蓄熱體A 的進(jìn)氣時(shí)間，但通常情況下不建議切換時(shí)間小于180 s，此方式本質(zhì)是通過(guò)人工識(shí)別排氣溫度調(diào)整閥門(mén)切換時(shí)間。改進(jìn)后的方法：設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的排氣溫度目標(biāo)值（持續(xù)調(diào)整），當(dāng)排氣溫度到目標(biāo)值時(shí)，切換閥門(mén)；當(dāng)排氣溫度再次達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，切換閥門(mén)，一個(gè)循環(huán)完成。

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制循環(huán)的控制點(diǎn)如下：

(1) 至少2 個(gè)不同源的排氣溫度監(jiān)控點(diǎn)以及可設(shè)定的高溫報(bào)警值，以免某個(gè)監(jiān)控點(diǎn)異常；

(2)可設(shè)定的排氣溫度目標(biāo)值，達(dá)到此值時(shí)，閥門(mén)切換；

(3)可設(shè)定的閥門(mén)最低切換時(shí)間，當(dāng)排氣溫度出現(xiàn)跳值時(shí)，限制閥門(mén)切換；

(4)可設(shè)定的閥門(mén)最高切換時(shí)間，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)其他異常時(shí)，強(qiáng)制切換閥門(mén)，防止極端高溫。

(3)、(4)切換條件優(yōu)先級(jí)相同，均高于(2)切換條件，原RTO 系統(tǒng)的切換模式應(yīng)保留，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇改進(jìn)模式和原模式。

完成以上控制點(diǎn)后，具體實(shí)現(xiàn)流程如下：

(1)選擇原模式人工調(diào)整排氣溫度，縮小兩個(gè)蓄熱體溫度偏差，實(shí)現(xiàn)一個(gè)閥門(mén)切換時(shí)間內(nèi)排氣溫度先降再升；

(2)設(shè)定排氣溫度目標(biāo)值、最低切換時(shí)間（90 s，1/4 周期）和最高切換時(shí)間（270 s，3/4 周期），投用改進(jìn)模式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

以圖4 為例，當(dāng)人工調(diào)整至圖4 曲線時(shí)，投用改進(jìn)模式，設(shè)定排氣溫度目標(biāo)值為90 ℃。當(dāng)排氣溫度達(dá)到90 ℃時(shí)（接近180 s 位置），自動(dòng)切換一次閥門(mén)，排氣溫度因溫度遲滯略微升高后下降至90 ℃，受最低切換時(shí)間限制，此時(shí)不會(huì)切換；當(dāng)再次達(dá)到波峰90 ℃時(shí)閥門(mén)切換，完成一次循環(huán)。

圖4 改進(jìn)模式閥門(mén)切換時(shí)間點(diǎn)

圖4 所示的180 s 閥門(mén)切換時(shí)間是一個(gè)假設(shè)值，實(shí)際生產(chǎn)中的切換時(shí)間根據(jù)設(shè)定的排氣溫度目標(biāo)值而定，而排氣溫度目標(biāo)值的設(shè)定與廢氣中的總烴量相關(guān)。因此，設(shè)定一個(gè)合理的排氣溫度目標(biāo)值是節(jié)約能耗的關(guān)鍵，可以通過(guò)觀察排氣溫度最低值，將目標(biāo)值設(shè)定為高于最低值10 ℃～20 ℃，可以達(dá)到較理想的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)改進(jìn)操作方法，將半個(gè)循環(huán)周期內(nèi)排氣溫度的上升或下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)橄冉岛笊?，可以?jié)約至少33%的天然氣，這種操作方法可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。