基于沸石轉(zhuǎn)輪的吸附濃縮VOCs 治理系統(tǒng)余熱利用分析

常鵬濤

中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，VOCs治理的情況大幅改善，大批的企業(yè)通過源頭減排、末端治理等措施，使企業(yè)VOCs 排放的情況達(dá)到了相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求，空氣質(zhì)量大幅改善，工人的生產(chǎn)環(huán)境也有了顯著的提升，我們又看到了久違的藍(lán)天白云，呼吸到了新鮮的空氣。

在VOCs 治理日漸完善后，大部分上馬VOCs末端治理設(shè)備的企業(yè)把目光的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了另一個(gè)問題上，就是VOCs治理設(shè)備的能耗問題，焦點(diǎn)主要集中在以下幾方面：一是生產(chǎn)負(fù)荷的變化對(duì)VOCs 氣體的揮發(fā)產(chǎn)生了周期性或非周期性波動(dòng)，設(shè)備的能耗在生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)的過程中變化較大，特別是生產(chǎn)負(fù)荷較低的時(shí)候，VOCs 末端治理設(shè)備的能耗顯著上升；二是VOCs 治理設(shè)備以CO、RTO 為代表的焚燒法會(huì)產(chǎn)生大量的末端尾氣，尾氣帶走大量的熱量，造成了能量的流失。

本文就上文中的第二個(gè)問題展開討論，以涂裝車間的末端VOCs治理設(shè)備為研究對(duì)象，以“沸石轉(zhuǎn)輪+RTO”的典型末端治理系統(tǒng)為分析模型，探討VOCs末端治理設(shè)備的余熱利用思路。

本文重點(diǎn)針對(duì)上海某重工企業(yè)的涂裝車間VOCs 治理系統(tǒng)，以典型的系統(tǒng)進(jìn)行余熱量分析，對(duì)余熱的可利用數(shù)量、利用途徑、利用方法等展開討論。典型VOCs 治理系統(tǒng)的流程見圖1。VOCs 治理系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

表1 VOCs治理系統(tǒng)主要參數(shù)

圖1 典型VOCs治理系統(tǒng)流程圖

根據(jù)采取的工藝不同，VOCs 治理設(shè)備主要分為濃縮治理和不濃縮治理兩類，當(dāng)采取不濃縮治理時(shí)，其治理設(shè)備排出的熱風(fēng)可以在余熱利用中直接排入煙囪，該類VOCs 治理設(shè)備余熱利用計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，本文重點(diǎn)討論上述典型VOCs治理系統(tǒng)（吸附濃縮+燃燒氧化）中的余熱利用。

在上述系統(tǒng)中，其熱量的產(chǎn)生來源主要有兩處：一處是RTO 中的燃燒器燃燒產(chǎn)生的熱量，其來源為天然氣等化石能源或者電力能源；另一處是VOCs 自身發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。本文對(duì)熱量的產(chǎn)生不展開具體計(jì)算，僅對(duì)上述項(xiàng)目中的可利用余熱及利用方法展開討論，進(jìn)而為VOCs 治理行業(yè)的余熱利用提供借鑒。

1 可利用余熱熱量計(jì)算

首先，在上述典型項(xiàng)目中，明確其余熱用途，由于VOCs 治理設(shè)備的余熱具體有以下特點(diǎn)：品質(zhì)較低，一般VOCs 治理系統(tǒng)的可利用余熱溫度在80～120 ℃左右，且熱量由空氣承載，因此其品質(zhì)不高；熱能總量較大；具有時(shí)效性，在噴漆及固化階段，設(shè)備開啟時(shí)，有余熱可以利用，在設(shè)備關(guān)閉后余熱也相應(yīng)停止供應(yīng)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，將該項(xiàng)目的廢氣余熱進(jìn)行風(fēng)風(fēng)換熱后，供車間冬季采暖是比較合適。

因此熱交換器一次側(cè)/二次側(cè)的溫度參數(shù)為：一次側(cè)出口溫度25 ℃；二次側(cè)進(jìn)/出口30 ℃/0 ℃（默認(rèn)為南方環(huán)境，二次側(cè)設(shè)計(jì)參數(shù)按照上述計(jì)算）。

該典型VOCs治理系統(tǒng)每天可利用余熱總量計(jì)算如下。

（1）熱交換器余熱風(fēng)量計(jì)算：

（2）換熱器一次側(cè)廢氣可用余熱計(jì)算[1］：

（3）RTO尾氣可用余熱熱量計(jì)算[1］：

（4）一般產(chǎn)生VOCs的車間需要采暖時(shí)，車間采用微負(fù)壓狀態(tài)，避免車間內(nèi)VOCs 氣體逸散到車間外的空氣當(dāng)中，因此送風(fēng)取排風(fēng)量的85%，車間送風(fēng)需要的熱量為：

（5）根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016）中第9.1.4 的相關(guān)要求[2］，產(chǎn)生VOCs的車間一般有易燃物存在，其空氣不應(yīng)循環(huán)利用，因此如果要對(duì)余熱進(jìn)行合理利用供車間采暖，需要采用交換裝置，熱交換裝置的效率取85%，計(jì)算該典型VOCs 末端治理系統(tǒng)的可轉(zhuǎn)化熱量為Q1=(Q11+Q12)×0.85 =14 933 764 kJ/d，折算標(biāo)準(zhǔn)煤約14 933 764/29 307=510 kgce，折耗電約14 933 764/3 600=4 148 kWh，折天然氣約14 933 764/38 460=388 m3。

可轉(zhuǎn)化熱量占車間需求熱量的比例為14 933 764/37 541 950=40%

由此可知，該末端治理系統(tǒng)可以提供的余熱，在冬季環(huán)境溫度為0 ℃的時(shí)候，可以滿足車間40%的采暖熱風(fēng)需求，當(dāng)環(huán)境溫度高于0 ℃時(shí)，VOCs 末端治理設(shè)備可以提供的余熱熱量是不會(huì)發(fā)生變化的，因此其可以滿足車間采暖熱風(fēng)的需求比例會(huì)根據(jù)溫度的不同有一定的增加，當(dāng)環(huán)境溫度上升到10 ℃時(shí)，熱量需求量變?yōu)樵瓉淼?/3，此時(shí)VOCs 治理系統(tǒng)余熱的可轉(zhuǎn)化熱量占車間采暖需求熱量的比例為40%×3/2=60%。

2 VOCs末端治理系統(tǒng)余熱利用存在的問題

我們通過對(duì)典型VOCs末端治理設(shè)備的可利用余熱計(jì)算，通過冬季采暖的方式將余熱加以利用，可以看到經(jīng)濟(jì)效益是比較明顯的。考慮到南北方差異，北方企業(yè)冬季采暖大都采用市政熱電廠熱源，南方更多采用天然氣熱風(fēng)機(jī)組、熱泵機(jī)組、電熱風(fēng)機(jī)組等方式采暖，因此，考慮余熱利用時(shí)，南方的經(jīng)濟(jì)效益要明顯好于北方。接下來，我們同樣以上述典型VOCs 末端治理系統(tǒng)為例，梳理該系統(tǒng)余熱利用過程中存在的問題。

1）供熱時(shí)間與用熱時(shí)間的匹配[7］

在車間的生產(chǎn)過程中，VOCs 氣體的產(chǎn)生是與生產(chǎn)緊密關(guān)聯(lián)的，而大部分VOCs 治理設(shè)備的企業(yè)其VOCs治理設(shè)備余熱和供應(yīng)周期和企業(yè)自身熱能的需求周期是有一定的偏差的，需要設(shè)計(jì)人員通過合理的設(shè)計(jì)和計(jì)算，為企業(yè)自身做好供需關(guān)系上的匹配。

2）余熱無法完全滿足車間用熱需求

從本文的計(jì)算中，可以看到一個(gè)典型的涂裝車間，在設(shè)計(jì)條件下，僅通過余熱是無法滿足車間用熱需求的，這就需要另外設(shè)置補(bǔ)熱設(shè)備或功能，并涉及不同的熱源之間供熱量及供熱時(shí)間上的互補(bǔ)。

3）冬夏季余熱利用空間差異大

以上海為例，冬季采暖季一般3-5 個(gè)月，也就是說如果余熱的熱源用來采暖，其季節(jié)性是非常明顯的，理想的余熱利用是VOCs 治理設(shè)備產(chǎn)生的余熱供車間生產(chǎn)用熱，從而避免季節(jié)性與供需時(shí)間的不匹配。

4）在充分利用余熱的同時(shí)，需確保VOCs 治理設(shè)備的穩(wěn)定性和排放達(dá)標(biāo)性能

VOCs 治理設(shè)備的達(dá)標(biāo)性、安全性和穩(wěn)定性都是非常重要的，余熱的取用會(huì)在一定程度上影響VOCs 治理設(shè)備內(nèi)部風(fēng)壓的穩(wěn)定性，部分情況下會(huì)對(duì)其安全性造成影響，這些都是設(shè)計(jì)人員在制定方案時(shí)需要考慮的。

3 結(jié)論

在有效保證VOCs 治理設(shè)備的達(dá)標(biāo)、安全以及穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，其余熱是可以考慮充分利用的，根據(jù)企業(yè)不同的用熱情況可以將余熱以熱風(fēng)或熱水的形式用于生產(chǎn)或生活，VOCs 治理設(shè)備的余熱品質(zhì)低、總量大，應(yīng)用有一定的局限性，是否有應(yīng)用場(chǎng)景以及應(yīng)用場(chǎng)景是否匹配是設(shè)備余熱是否能夠有效利用的重要基礎(chǔ)，優(yōu)秀的能源綜合應(yīng)用方案是實(shí)現(xiàn)VOCs治理設(shè)備余熱利用的有效途徑，在“雙碳”背景下的今天，區(qū)域化的能源調(diào)度是大勢(shì)所趨，在一定程度上能夠?yàn)閂OCs治理設(shè)備余熱的應(yīng)用場(chǎng)景提供更多選擇的余地。