RTO熱力平衡核算及天然氣消耗量影響因素分析

覃顯益,高乃平,高久唯,潘甲志,高 鵬,朱 彤

RTO熱力平衡核算及天然氣消耗量影響因素分析

覃顯益1,2,高乃平2*,高久唯3,潘甲志3,高 鵬3,朱 彤2

(1.上海電力大學(xué)能源與機械工程學(xué)院,上海 201306；2.同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院,上海 200092；3.江南造船(集團)有限責(zé)任公司,上海 201913)

以某船舶涂裝車間運行數(shù)據(jù)為依據(jù),建立了蓄熱式高溫氧化爐(Regenerative Thermal Oxidizer, RTO)的熱力平衡關(guān)系式,核算了RTO空載和滿載運行的數(shù)據(jù),驗證了爐溫與揮發(fā)性有機化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)濃度的關(guān)系;討論了排風(fēng)量、沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率、換熱器熱利用率和VOCs濃度四個關(guān)鍵參數(shù)對天然氣消耗量的影響.結(jié)果顯示,入爐VOCs濃度每增加1000mg/Nm3,爐溫上升約21℃,排風(fēng)量越小,沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率?換熱器熱利用率和VOCs濃度越大,天然氣消耗量越低.基于本研究建立的熱平衡方程,結(jié)合RTO實際工程應(yīng)用中的注意事項,結(jié)果表明,在烘干階段按照工藝要求的3次/h確定車間最小排風(fēng)量,將沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率設(shè)定為10～14倍,選用換熱器熱利用率在0.7以上的換熱器能在保證RTO安全運行的前提下顯著降低天然氣消耗量.

蓄熱式高溫氧化爐；揮發(fā)性有機化合物；熱力計算；天然氣消耗量

我國大型涂裝工業(yè)車間VOCs污染嚴(yán)重,危害工人健康,大多數(shù)的VOCs具有極高的親脂性,所以極易穿過細胞膜,使人的中樞神經(jīng)中毒[1];VOCs在一定條件下能參與形成二次氣溶膠,是大氣中光化學(xué)煙霧和PM2.5的重要來源[2-5].在上海,船舶制造業(yè)VOCs貢獻了工業(yè)源VOCs排放的6.27%,是表面涂裝行業(yè)VOCs排放量最大的行業(yè)之一[6].

工業(yè)上處理VOCs廢氣的方法主要有膜分離、活性炭吸附、液體吸收、生物降解和燃燒[7].對于不同濃度的VOCs工業(yè)廢氣,采用不同的處理方法,對于中低濃度廢氣,常用活性炭濃縮吸附和沸石轉(zhuǎn)輪吸附,但由于低濃度VOCs廢氣回收成本較高,吸附后一般直接銷毀,高濃度廢氣采用燃燒塔或冷凝回收[8].

針對船舶涂裝車間VOCs廢氣大風(fēng)量、低濃度的特點,選擇將吸附法與燃燒法相結(jié)合的沸石轉(zhuǎn)輪吸附+蓄熱式高溫氧化是較為合適的處理工藝[9].該方法(RTO)主要工藝流程為用沸石轉(zhuǎn)輪濃縮VOCs廢氣,提高廢氣濃度,降低風(fēng)量,再將濃縮后的廢氣送入RTO進行熱力分解,當(dāng)VOCs量過低,燃燒產(chǎn)生的熱量不足以維持爐膛溫度時,額外提供天然氣.沸石轉(zhuǎn)輪主要用于對VOCs廢氣進行吸脫附濃縮,其主要優(yōu)點是能大幅降低入爐風(fēng)量;吸附體易于更換; VOCs吸附率大于95%[10].蓄熱式高溫氧化法的應(yīng)用范圍廣,由于實際運營成本較低,所以在近幾年得到了快速發(fā)展[11],其主要優(yōu)點是(1)VOCs凈化效率高;熱效率遠高;能夠適應(yīng)VOCs濃度變化[12-14].

研究者們從RTO的實際運行情況和數(shù)值模擬等角度切入,探究RTO的最佳運行模式.付守琪等[14]調(diào)研了四家企業(yè)的RTO裝置數(shù)據(jù),探究了實際工程中RTO入口VOCs濃度和VOCs凈化率的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨著RTO入口VOCs濃度升高,VOCs凈化率同時升高,這與蕭琦等[15]的結(jié)論相似.郝繼宗等[16]采用數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)RTO入爐廢氣量存在最佳運行工況點.

針對目前“沸石轉(zhuǎn)輪+RTO+換熱器”VOCs焚燒系統(tǒng)天然氣消耗量大的問題,本文依托美國空氣凈化產(chǎn)業(yè)協(xié)會(Institute of Clean Air Companies,ICAC)提出的RTO熱平衡關(guān)系,提出了系統(tǒng)性的天然氣消耗量計算方法,核算了空載運行時的天然氣消耗量,滿載運行時VOCs濃度,VOCs入爐濃度與RTO爐溫的關(guān)系;探究了排風(fēng)量?沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率?換熱器熱利用率和VOCs濃度對天然氣消耗量的影響,對降低RTO污染物處理系統(tǒng)的天然氣能耗具有重要意義.

1 實驗部分

1.1 運行流程

“沸石轉(zhuǎn)輪+RTO”運行流程如圖1所示.過程①:排風(fēng)VOCs廢氣從排風(fēng)管進入沸石轉(zhuǎn)輪進行VOCs吸附;過程②:經(jīng)沸石轉(zhuǎn)輪吸附的氣體成為凈氣,部分凈氣進入煙囪;過程③:部分從沸石轉(zhuǎn)輪出口的凈氣進入換熱器吸熱,這部分氣體稱為脫附風(fēng);過程④:吸熱升溫后的脫附風(fēng)再次進入沸石轉(zhuǎn)輪,對VOCs進行脫附;過程⑤:脫附風(fēng)攜帶較高濃度的VOCs進入RTO,首先經(jīng)過蓄熱體預(yù)熱升溫,再進入爐膛進行氧化分解;過程⑥:燃燒后的部分高溫?zé)煔饬鹘?jīng)蓄熱體并放熱,成為低溫?zé)煔夂笕缓筮M入煙囪;過程⑦:部分高溫?zé)煔膺M入換熱器放熱,加熱脫附風(fēng);過程⑧:放熱后的低溫?zé)煔膺M入煙囪;過程⑨:所有進入煙囪的凈氣混合后排入大氣.

圖1 沸石轉(zhuǎn)輪+RTO系統(tǒng)運行流程

省略了RTO的吹掃裝置和閥門

1.2 物性參數(shù)

涂裝所用涂料的主要VOCs組分為二甲苯?乙苯和正丁醇,以下是各組分與氧氣反應(yīng)方程式.

二甲苯、乙苯:

C8H10+ 10.5O2= 8CO2+ 5H2O

正丁醇:

C4H10O + 6O2= 4CO2+ 5H2O

涂裝車間作業(yè)產(chǎn)生的VOCs主要組分物性參數(shù)如表1所示:

表1 VOCs主要組分物性參數(shù)

1.3 計算方法

“沸石轉(zhuǎn)輪+RTO”污染物處理系統(tǒng)所需熱量主要由換熱器煙氣帶走熱量?蓄熱體出口煙氣帶走熱量組成,系統(tǒng)運行所需熱量由VOCs和天然氣燃燒提供.忽略預(yù)混空氣量?沸石吸附裝置散熱損失?RTO爐膛散熱損失和風(fēng)管散熱損失.熱量平衡關(guān)系見式(1):

式中:T為標(biāo)況下天然氣熱值,kJ/Nm3;V為天然氣流量,Nm3/h;H為換熱器吸熱端平均空氣比熱容,kJ/(kg ℃);為RTO出口換熱器端煙氣質(zhì)量流量,kg/h;L為爐膛平均溫度,℃;R-in為RTO入口氣體溫度,℃;L為標(biāo)況下空氣比熱容,kJ/(kg ℃);為RTO出口蓄熱體端氣體質(zhì)量流量,kg/h;X-out為RTO蓄熱體出口氣體溫度,℃;P為排風(fēng)質(zhì)量流量,kg/h;VOC為排風(fēng)管內(nèi)VOCs濃度,g/Nm3;VOC為VOCs熱值,kJ/kg;T為沸石轉(zhuǎn)輪凈化效率,%;R為RTO凈化效率,%.

換熱器熱平衡關(guān)系見式(6):

廢氣中的氧氣含量遠高于理論上的氧氣需求量[17],參與燃燒反應(yīng)的空氣占脫附風(fēng)量的氣體總量少,過量空氣系數(shù)大于20.所以可近似將RTO進出口氣體量看作定值,則RTO進?出氣體質(zhì)量相等,同時不計預(yù)混空氣量,質(zhì)量流量平衡關(guān)系見式(7):

沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率為排風(fēng)量與脫附風(fēng)量之比,計算式見式(8):

假設(shè)燃料在絕熱系統(tǒng)中完全燃燒,假設(shè)燃燒產(chǎn)物在高溫下不會發(fā)生熱分解,忽略燃氣和預(yù)混空氣帶入的物理熱,可以列出理論燃燒溫度的計算式,見式(9)[18]:

爐子的理論燃燒溫度與實際燃燒溫度的比值大體波動在一個范圍內(nèi),計算式見式(11)[18]:

2 運行參數(shù)核算

2.1 空載運行時天然氣消耗量核算

文中涉及的實測數(shù)據(jù)為15℃,1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下測試所得,為便于統(tǒng)一單位,對測試值進行換算,得到0℃,1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的對應(yīng)值.

空載運行時,VOCs濃度為0mg/Nm3,系統(tǒng)運行所需熱量全部由天然氣提供.計算輸入與輸出值如表2所示,空載運行時排風(fēng)量為60000Nm3/h,當(dāng)沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率為10,換熱器熱利用率為0.70時,聯(lián)立式(1)、(2)、(4)、(5)、(6)、(7)和(8),求得天然氣流量T= 54.5Nm3/h.

表2 空載運行時計算輸入值與輸出值

RTO在空載時實際的天然氣流量為50.0Nm3/h,但過濾棉和排風(fēng)管內(nèi)有部分VOCs殘留,即使長時間不作業(yè),排風(fēng)VOCs濃度也維持在20mg/Nm3左右,將這部分的VOCs總質(zhì)量折算為天然氣流量,約為1.4Nm3/h.折算后的天然氣總流量為51.4Nm3/h,計算值54.5Nm3/h與實際值51.4Nm3/h相差約為5.7%,計算結(jié)果符合工程實際情況.

2.2 滿載運行時VOCs濃度核算

滿載運行時,系統(tǒng)運行所需熱量全部由VOCs燃燒提供,天然氣停止供應(yīng).計算輸入與輸出值如表3所示.滿載運行時排風(fēng)量為95000Nm3/h,沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率為10,換熱器熱利用率為0.70時,聯(lián)立式(1)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)和(8),可以求出VOCs濃度為827mg/Nm3.

表3 滿載運行時計算輸入值與輸出值

2.3 VOCs入爐濃度與爐溫關(guān)系核算

在排風(fēng)量為60000Nm3/h,排風(fēng)管內(nèi)VOCs濃度為0mg/Nm3,沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率為10,換熱器熱利用率為0.70的初始計算條件下,核算驗證VOCs入爐濃度與爐溫的關(guān)系,聯(lián)立式(9)、(10)和式(11),可以求得爐溫為760℃,在此基礎(chǔ)上,RTO入口處VOCs濃度每增加1000mg/Nm3,平均爐溫上升約21℃,計算結(jié)果如圖2所示.在實際運行過程中,RTO入口處VOCs濃度每增加1000mg/Nm3,爐溫上升約20℃,計算結(jié)果與工程實際的經(jīng)驗值相近,說明計算方法合理.根據(jù)工程實際中產(chǎn)生的VOCs種類,在保證VOCs去除率的前提下,適當(dāng)降低爐溫可以減少天然氣消耗量[14].

圖2 RTO入口VOCs濃度對爐溫的影響

3 結(jié)果和討論

3.1 排風(fēng)量對天然氣消耗量的影響

在VOCs濃度為0mg/Nm3,沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率為10,換熱器熱利用率為0.70的條件下,將排風(fēng)量分別設(shè)置為95000Nm3/h,90000Nm3/h,85000Nm3/h, 85000Nm3/h,80000Nm3/h,75000Nm3/h,70000Nm3/h,65000Nm3/h和60000Nm3/h,計算所需的天然氣流量.計算結(jié)果如圖3所示,在濃縮倍率不變的情況下,排風(fēng)量越小,天然氣消耗量越少.空載條件下,排風(fēng)量每減小5000Nm3/h,天然氣消耗量就減少4.54Nm3/h.當(dāng)排風(fēng)量從95,000Nm3/h下降到60,000Nm3/h,天然氣消耗量從86.22Nm3/h下降到了54.45Nm3/h,降低了36.8%.

圖3 排風(fēng)量對天然氣消耗量的影響

在極端條件空載工況下,天然氣消耗量隨著排風(fēng)量減少而減少,天然氣消耗量與排風(fēng)量成負(fù)相關(guān).所以對于釋放VOCs的涂裝車間,在烘干階段,沒有人員停留在室內(nèi)的情況下,排風(fēng)量的設(shè)定值滿足工藝要求的最小換氣次數(shù)3次/h即可[19].同時,降低排風(fēng)量也能使得風(fēng)機運行能耗下降.

3.2 濃縮倍率對天然氣消耗量的影響

為了研究沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率對天然氣消耗量的影響,在排風(fēng)管內(nèi)VOCs濃度為0mg/Nm3,排風(fēng)量為60000Nm3/h,換熱器熱利用率為0.70的條件下,設(shè)置不同的濃縮倍率,計算天然氣消耗量.計算結(jié)果如圖4所示,沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率越大,所需天然氣量越小;在濃縮倍率較小時,提高濃縮倍率對天然氣流量影響較大,在較高的濃縮倍率下繼續(xù)提高濃縮倍率,對減少天然氣消耗量作用較小.在綜合考慮天然氣消耗量和RTO安全運行風(fēng)量下限的前提條件下,排風(fēng)量為60000～95000Nm3/h時,將沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率設(shè)置為10～14倍是較為經(jīng)濟安全的選擇.

圖4 沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率對天然氣消耗量的影響

RTO入爐廢氣量存在最佳值,濃縮倍率過大或過小都不利于三室式RTO的運行[17].在實際運行過程中,為減少天然氣消耗量,設(shè)定較大的濃縮倍率,可以減少入爐風(fēng)量,但需要注意的是,在增大濃縮倍率的過程中,需要保證安全限值下的最小換風(fēng)量,即入爐的VOCs濃度需要保持在25%爆炸極限以下,避免爆炸風(fēng)險[9].

3.3 換熱器熱利用率對天然氣消耗量的影響

圖5 換熱器熱利用率對天然氣消耗量的影響

為了研究換熱器熱利用率對天然氣消耗量的影響,在排風(fēng)管內(nèi)VOCs濃度為0mg/Nm3,排風(fēng)量為60000Nm3/h,沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率為10的計算條件下,將換熱器熱利用率分別設(shè)置為0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85和0.90,圖5展示了空載時不同換熱器熱利用率對天然氣消耗量的影響,從圖5可以看出,換熱器熱利用率率越大,天然氣消耗量越小.換熱器熱利用率從0.50提高到0.70時,天然氣消耗量從72.9Nm3/h下降到了54.5Nm3/h,降低了25%;換熱器熱利用率從0.70提高到0.90時,天然氣消耗量從54.5Nm3/h下降到了44.2Nm3/h,下降了18.9%.提高換熱器熱利用率對降低天然氣消耗量有顯著效果.

由于RTO啟動時間長,啟動過程能耗高,結(jié)合部分涂裝車間作業(yè)時間不定的特點,系統(tǒng)通常處于24h運行狀態(tài),系統(tǒng)長時間在低VOCs濃度下運行,天然氣累計耗量極高,從長期運行降低天然氣消耗量的角度出發(fā),應(yīng)選擇熱利用效率在0.7以上的換熱器.

3.4 VOCs濃度對天然氣消耗量的影響

為了研究VOCs濃度對天然氣消耗量的影響,在排風(fēng)量為60000Nm3/h,沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率為10,換熱器熱利用率為0.70的條件下,將VOCs濃度分別設(shè)置為0.0mg/Nm3、100mg/Nm3、200mg/Nm3、300mg/Nm3、400mg/Nm3、500mg/Nm3、600mg/Nm3、700mg/Nm3和800mg/Nm3,圖6展示了不同VOCs濃度對天然氣消耗量的影響,從圖6可以看出,VOCs濃度與天然氣消耗量成負(fù)相關(guān).

圖6 VOCs濃度對天然氣消耗量的影響

VOCs濃度升高,燃燒反應(yīng)中釋放的熱量也就越多,爐溫和蓄熱體出口溫度也會同時升高,熱損失會隨之增加[16].但從整體來看,VOCs濃度越大,天然氣消耗量越少,VOCs濃度升高會提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性.

4 結(jié)論

4.1 對于入爐風(fēng)量為6000Nm3/h的RTO,VOCs入爐濃度每增加1000mg/Nm3,平均爐溫上升約21℃.

4.2 以此方法計算所得RTO空載時天然氣消耗量54.5Nm3/h,與實際值51.4Nm3/h相差約為5.7%,滿載時VOCs濃度為827mg/Nm3.

4.3 降低排風(fēng)量?增大濃縮倍率?提高換熱器熱利用率和增加VOCs濃度均有助于減少天然氣消耗量.

4.4 為降低天然氣消耗量,排風(fēng)量設(shè)定值應(yīng)盡可能小,烘干階段取滿足工藝要求的最小換氣次數(shù)3 次/h即可[20].將沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率設(shè)置為10～14倍是較為經(jīng)濟安全的選擇.應(yīng)選用熱利用效率在0.7以上的換熱器.

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Thermodynamic balance calculation of RTO and analysis of influencing factors of natural gas consumption.

QIN Xian-yi1,2, GAO Nai-ping2*, GAO Jiu-wei3, PAN Jia-zhi3, GAO Peng3, ZHU Tong2

(1.College of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 201306, China；2.School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；3.Jiangnan Shipyard (Group)Co., ltd., Shanghai 201913, China)., 2021,41(10)：4837～4842

The heat balance equation of Regenerative Thermal Oxidizer (RTO) was established according to actual operating condition of a painting workshop. The no-load and full-load operation data of RTO was calculated, and the relationship between furnace temperature and concentration of Volatile Organic Compounds (VOCs) was verified. On this basis, the influence of four key parameters of exhaust air volume, zeolite runner concentration ratio, heat exchanger heat utilization rate and VOCs concentration on natural gas consumption were discussed. The results show that the furnace temperature increased by about 21°C for each 1000mg/Nm3growth in the incoming VOCs concentration. The smaller exhaust air volume made the higher zeolite rotor concentration multiplier and heat exchanger thermal utilization rate, and thus resulted in higher VOCs concentration in the RTO. This results could reduce natural gas consumption. The heat balance equation was established in this paper, combined with the considerations in engineering application of RTO. When painting was being dryed, the minimum exhaust air volume of painting workshop was establed on the basis of 3 times/h. The concentration multiplier of zeolite rotor was set to 10～14times, and the heat exchanger with heat utilization rate above 0.7 was selected, which could significantly reduce the natural gas consumption, and ensuring the safe operation of RTO.

regenerative thermal oxidizer；volatile organic compounds；thermodynamic calculation；natural gas consumption

X788

A

1000-6923(2021)10-4837-06

覃顯益(1997-),男,四川成都人,上海電力大學(xué)碩士研究生,主要從事工程熱物理方面的研究.

2021-03-09

上海市2020年度“科技創(chuàng)新行動計劃“社會發(fā)展科技攻關(guān)項目(20dz1207802)

* 責(zé)任作者, 教授, gaonaiping@#edu.cn