低濃度VOCs 節(jié)能處理技術(shù)研究與應(yīng)用

王登祥，楊生林，張同鵬 （徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇徐州 221000）

0 引言

VOCs（揮發(fā)性有機(jī)化合物）是指參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物，包括非甲烷烴類（烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等）、含氧有機(jī)物（醛、酮、醇、醚等）等，是形成臭氧和細(xì)顆粒物（PM2.5）污染的重要前體物。2018 年以來，根據(jù)國(guó)家和省、市要求，涂裝行業(yè)VOCs 廢氣治理全面展開。僅某重工集團(tuán)就有十多家企業(yè)安裝沸石轉(zhuǎn)輪+RTO 氧化燃燒處理設(shè)備。

該類設(shè)備的運(yùn)行原理（圖1）為：（1）沸石轉(zhuǎn)輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，低濃度、大風(fēng)量的廢氣隨之被連續(xù)不斷地吸入到吸附區(qū)，廢氣中的VOCs 被沸石吸附，吸附后的凈化氣體直接排放；（2）小部分廢氣經(jīng)RTO 提供熱源的換熱器換熱，換熱后的高溫氣體吹掃轉(zhuǎn)輪上的脫附區(qū)，轉(zhuǎn)輪上吸附的VOCs 受熱脫附，進(jìn)入RTO，在760 ℃以上的高溫下氧化燃燒，生成二氧化碳和水蒸氣排放。

相較于家具、涂料、印刷等行業(yè)，工程機(jī)械涂裝產(chǎn)生的廢氣濃度明顯偏低，廢氣燃燒產(chǎn)生的熱量距離實(shí)現(xiàn)能量自維持有很大差距。以某工程機(jī)械公司為例，脫附后進(jìn)入RTO 燃燒的廢氣質(zhì)量濃度僅0.6 g/m3，而要實(shí)現(xiàn)能量自維持，廢氣質(zhì)量濃度至少要達(dá)到7 g/m3，因此需要實(shí)時(shí)燃燒天然氣補(bǔ)充能量，維持RTO設(shè)備的溫度，每日天然氣消耗量1 100~1 400 m3，對(duì)企業(yè)來說是不小的使用成本。

圖1 沸石轉(zhuǎn)輪吸脫附+RTO 廢氣處理系統(tǒng)工作原理圖Figure 1 Working principle diagram of zeolite rotor adsorption and desorption + RTO waste gas treatment system

1 試驗(yàn)過程

濃度低是VOCs 治理設(shè)備能耗高的主要原因。因此首先考慮提高油漆中的VOCs 含量，用普通溶劑型涂料代替高固低黏的涂料進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行一周后發(fā)現(xiàn)耗氣量平均降低8.2 %。但噴漆工普遍反映油漆氣味大，長(zhǎng)期噴涂有害身體健康，同時(shí)出于環(huán)保要求，普通溶劑型涂料已被高固低黏涂料替代，加之節(jié)能效果不明顯且影響工人健康，該試驗(yàn)停止。

其次考慮只吸不脫，待轉(zhuǎn)輪吸附飽和后再集中脫附，此時(shí)轉(zhuǎn)輪VOCs 含量較高，具備能量自維持條件。目前VOCs 治理設(shè)備為實(shí)時(shí)吸附、脫附和燃燒，新方案為轉(zhuǎn)輪吸附至飽和后，再啟動(dòng)RTO 設(shè)備，開始脫附和高溫氧化燃燒。轉(zhuǎn)輪單獨(dú)吸附至飽和的過程，燃燒器、脫附風(fēng)機(jī)、RTO 風(fēng)機(jī)均不運(yùn)行，能耗降低。

只吸不脫過程中，通過安裝在煙囪出口處的質(zhì)量濃度在線檢測(cè)表，每10 min 測(cè)量1 次廢氣的排放質(zhì)量濃度，質(zhì)量濃度變化如圖2 所示。由圖2 可見，轉(zhuǎn)輪吸附前期，廢氣質(zhì)量濃度變化相對(duì)平緩，達(dá)到20 mg/m3后質(zhì)量濃度曲線變得陡峭，約3 h 后質(zhì)量濃度超標(biāo)（徐州市標(biāo)準(zhǔn)為≤50 mg/m3）?？紤]到不同工件噴漆量的差異性，需要留出余量，最終確定只吸不脫時(shí)間段為2 h。

圖2 只吸不脫過程廢氣排放在線檢測(cè)質(zhì)量濃度變化圖Figure 2 Mass concentration change diagram of on-line detection of exhaust gas emissions in the process of only suction but not stripping

接近飽和的轉(zhuǎn)輪在脫附過程中存在以下2 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)輪中沸石吸附VOCs 較多，在脫附高溫氣體作用下的悶燃風(fēng)險(xiǎn)；（2）集中脫附后高濃度VOCs 氣體進(jìn)入RTO 燃燒帶來的溫度超高風(fēng)險(xiǎn)。

為避免上述風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)廢氣組成和各成分沸點(diǎn)情況，設(shè)計(jì)脫附過程采用溫度由低到高逐步脫附的方式，見表1。

表1 涂裝VOCs 成分及脫附溫度表Table 1 Coating VOCs composition and desorption temperature table

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定間歇脫附的運(yùn)行邏輯如下：首先轉(zhuǎn)輪吸附2 h，在脫附開始前啟動(dòng)RTO 設(shè)備，將爐內(nèi)溫度升高至760 ℃以上，然后開始脫附。第1 輪脫附溫度126 ℃，主要脫附溶劑中低沸點(diǎn)的丁酯、丁醇，約占49 % ；第2 輪脫附溫度146 ℃，主要脫附二甲苯和丙二醇甲醚乙酸酯，約占46 % ；最后一輪采用200 ℃脫附，主要脫附三甲苯及其他高沸點(diǎn)有機(jī)物，約占5 %。3 輪脫附耗時(shí)約1.5 h，在這期間內(nèi)轉(zhuǎn)輪正常進(jìn)廢氣吸附。轉(zhuǎn)輪脫附完成后，RTO 處于保溫待機(jī)狀態(tài)，開啟下一輪間歇式脫附、集中燃燒的循環(huán)。脫附過程中RTO 入口處的廢氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化見圖3。

圖3 間歇脫附過程RTO 入口處的廢氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線圖Figure 3 Variation curve of RTO inlet exhaust gas mass fraction in batch desorption process

間歇脫附過程中RTO 的爐溫變化見圖4。由圖4可見，在轉(zhuǎn)輪只吸不脫的2 h 內(nèi)，RTO 關(guān)機(jī)，溫度由上個(gè)周期的760 ℃降至600 ℃，隨后RTO 開機(jī)，在短短15 min 內(nèi)溫度迅速升至760 ℃以上，達(dá)到可以進(jìn)廢氣的條件。即使在設(shè)備停機(jī)的8 h，爐溫也僅降至500 ℃，升至760 ℃的時(shí)間也只需20 min。

圖4 間歇脫附過程RTO 爐溫變化曲線圖Figure 4 Variation curve of RTO furnace temperature in batch desorption process

間歇脫附整個(gè)過程耗時(shí)3.5 h，燃燒過程基本實(shí)現(xiàn)能量自維持，見圖5。燃燒器總開啟時(shí)間不足1 h，且天然氣閥開度較之前明顯降低，天然氣節(jié)約明顯，見圖6。

圖5 脫附燃燒過程實(shí)現(xiàn)能量自維持Figure 5 Realizing energy self-sustaining during desorption combustion process

圖6 實(shí)施間歇脫附方式前后VOCs 設(shè)備單日用氣量對(duì)比Figure 6 Comparison of daily gas consumption of VOCs equipment

2 結(jié)語

采用間歇脫附方式，按各成分沸點(diǎn)分批次脫附廢氣，可以減少57 %的RTO 開機(jī)時(shí)間。并且在氧化燃燒時(shí)由于廢氣濃度高，RTO 設(shè)備開機(jī)后在約70 %的時(shí)間里能夠?qū)崿F(xiàn)能量自維持。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)施間歇脫附前VOCs 治理設(shè)備天然氣消耗量平均1 060 m3/d，實(shí)施后天然氣消耗量平均179 m3/d，降低83%。按照每年工作300 d 計(jì)算，可節(jié)約天然氣26.43 萬m3，降低成本92.5 萬元/a。該技術(shù)不需硬件投入，僅需調(diào)整參數(shù)、修改程序，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值。