胡志軍,王志良
(江蘇齊清環(huán)境科技有限公司,江蘇 南京 210046)
根據(jù)《印刷工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(DB32/4438-2022)》編制說明[1],截至2019 年底,江蘇省共有印刷企業(yè)10453 家,其中蘇州占比37%、無錫占比18%和常州占比11%。油墨使用類型中,溶劑型油墨占比40%,水性油墨占比38%、植物型油墨占比4%,其他占比18%。末端治理技術(shù)中,吸附法占比最大(53%),其次為光催化降解法(14%)和簡(jiǎn)易組合技術(shù)(10%),高效治理技術(shù)(催化燃燒、熱力燃燒等)占比較低,僅占12%,說明我省包裝印刷行業(yè)VOCs 減排及深度治理之路任重道遠(yuǎn)。
根據(jù)文獻(xiàn)資料[2],2010 年江蘇省包裝印刷行業(yè)VOCs 排放量為5.1 萬噸/年,占江蘇省工業(yè)源VOCs排放量的7.9%。印刷業(yè)VOCs 排放主要來源于油墨、稀釋劑、膠黏劑等有機(jī)溶劑的使用,主要涉及異丙醇、甲縮醛、乙酸乙酯、乙酸丁酯、正庚烷、丙酮、丁酮、環(huán)己酮、苯、甲苯、二甲苯、乙苯等的排放[3-5],其中臭氧生成潛勢(shì)(ozone formation potential,OFP)貢獻(xiàn)較大的物種主要為芳香烴類、醇醚類和酯類[6-7]。針對(duì)包裝印刷行業(yè)VOCs 排放特性,結(jié)合《印刷工業(yè)污染防治可行技術(shù)指南》(HJ1089-2020)及部分應(yīng)用案例[8-10],燃燒法將成為治理包裝印刷工業(yè)VOCs 廢氣的最佳可行技術(shù)。
筆者以江蘇某地板彩膜印刷過程VOCs 廢氣為研究對(duì)象,對(duì)沸石轉(zhuǎn)輪濃縮及RTO 系統(tǒng)的工藝參數(shù)及設(shè)備參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì),對(duì)熱回收效率、凈化效率、達(dá)標(biāo)排放及能源消耗進(jìn)行分析論證,為沸石轉(zhuǎn)輪濃縮及RTO 技術(shù)處理包裝印刷行業(yè)VOCs 廢氣提供工程案例,為江蘇省VOCs 綜合治理提供科學(xué)有效的技術(shù)指導(dǎo)。
沸石轉(zhuǎn)輪濃縮及RTO 處理印刷企業(yè)VOCs 廢氣工藝流程如圖1 所示,來自于印刷機(jī)操作區(qū)域和調(diào)墨間環(huán)境換風(fēng)的低濃度VOCs 廢氣經(jīng)過高效過濾器和沸石轉(zhuǎn)輪濃縮裝置處理后通過吸附風(fēng)機(jī)排放至排氣筒,沸石轉(zhuǎn)輪熱脫附高濃度VOCs 廢氣與來自于印刷機(jī)烘道的高濃度VOCs 廢氣合并經(jīng)過三床式RTO 處理后通過RTO 風(fēng)機(jī)排放至排氣筒。
圖1 沸石轉(zhuǎn)輪濃縮及RTO 處理VOCs 工藝流程圖
參照《蓄熱燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ1093-2020),對(duì)熱回收效率和凈化效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。廢氣處理設(shè)施進(jìn)出口醋酸丁酯(butyl acetate,BAC)和環(huán)己酮(cyclohexanone,CYC)質(zhì)量濃度參照環(huán)境測(cè)定方法進(jìn)行檢測(cè)[11-12]。
(1)沸石轉(zhuǎn)輪進(jìn)氣濃度設(shè)計(jì)
根據(jù)正常生產(chǎn)時(shí)油墨使用量及有機(jī)溶劑含量數(shù)據(jù)計(jì)算,進(jìn)入沸石轉(zhuǎn)輪濃縮裝置的低濃度廢氣來自于印刷機(jī)操作區(qū)域和調(diào)墨間環(huán)境換風(fēng),廢氣流量為30000 Nm3/h,BAC 質(zhì)量濃度為216 mg/m3,CYC質(zhì)量濃度為54 mg/m3。沸石轉(zhuǎn)輪吸附效率95%,濃縮比10∶1,濃縮廢氣進(jìn)RTO 流量為3000 Nm3/h,BAC 質(zhì)量濃度為2045 mg/m3,CYC 質(zhì)量濃度511 mg/m3。
(2)RTO 進(jìn)氣濃度設(shè)計(jì)
根據(jù)正常生產(chǎn)時(shí)油墨使用量及有機(jī)溶劑含量數(shù)據(jù)計(jì)算,進(jìn)入RTO 裝置的高濃度廢氣來自于印刷機(jī)烘道廢氣和沸石轉(zhuǎn)輪濃縮廢氣,其中烘道廢氣流量為18000 Nm3/h,BAC 質(zhì)量濃度1777 mg/m3,CYC 質(zhì)量濃度444 mg/m3。兩股廢氣合并后廢氣流量為21000 Nm3/h,BAC 質(zhì)量濃度1730 mg/m3,CYC 質(zhì)量濃度454 mg/m3,廢氣溫度為60℃。
根據(jù)Burgess-Wheeler 法則,Zabetakis 等人給出修正式,爆炸極限與溫度的關(guān)系的模型是[13]:
式中:LELt,溫度t 時(shí)的爆炸下限,%;LEL25℃,在常溫(25℃)時(shí)的爆炸下限,%;t,廢氣溫度,℃。
基于25℃環(huán)境下BAC 和CYC 的爆炸下限值(LEL(BAC-25℃)為1.20%,LEL(CYC-25℃)為1.10%),按照公式(1)計(jì)算25℃環(huán)境下BAC 的LEL(BAC-60℃)為1.17%,CYC 的LEL(CYC-60℃)為1.07%。
根據(jù)萊夏特爾定律及BAC 和CYC 的質(zhì)量濃度,計(jì)算兩者混合物爆炸下限LEL(混合物-60℃)為1.15%,混合物的體積濃度為0.045%,該濃度為0.045%/1.15%=3.90%LEL(混合物-60 ℃)<25%LEL(混合物-60℃),滿足《蓄熱燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ1093-2020)4.5 條款“對(duì)于含有混合有機(jī)物的廢氣,其控制濃度應(yīng)低于混合氣體爆炸極限下限最低值的25%”的技術(shù)要求。
(1)燃燒溫度和停留時(shí)間設(shè)計(jì)
由表1 可知,當(dāng)RTO 凈化效率設(shè)計(jì)為99.9%時(shí),燃燒溫度應(yīng)至少高于待處理污染物自燃溫度(auto-ignition temperature,AIT)之上288℃,且停留時(shí)間不低于1.00 s。BAC 的AIT 溫度為421℃,燃燒溫度為709℃,CYC 的AIT 溫度為520℃,燃燒溫度為808℃,為此燃燒溫度設(shè)計(jì)808℃,滿足《蓄熱燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ1093-2020)6.3.3.4 條款“燃燒室燃燒溫度一般應(yīng)高于760℃”的技術(shù)要求。停留時(shí)間設(shè)計(jì)1.00 s,滿足《蓄熱燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ1093-2020)6.3.3.3 條款“廢氣在燃燒室的停留時(shí)間一般不宜低于0.75 s”的技術(shù)要求。
表1 RTO 凈化效率與燃燒室溫度和停留時(shí)間的關(guān)系[14]
(2)燃燒室容積設(shè)計(jì)
燃燒室容積確定主要與氣體通過燃燒室的有效體積流量、燃燒室溫度、所需的停留時(shí)間三個(gè)因素有關(guān),燃燒室體積計(jì)算公式(2)如下[15]:
式中:VBK,燃燒室體積,m3;t,氣體在燃燒室中停留時(shí)間,s;VRN,燃燒煙氣(或凈化氣)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下體積流量,Nm3/s;TN,進(jìn)氣溫度,K;TR,燃燒室溫度,K。
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)燃燒室溫度TR=808℃,煙氣停留時(shí)間t=1.00 s,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下燃燒煙氣體積流量VRN=24000 Nm3/h;標(biāo)態(tài)下進(jìn)氣溫度TN=323 K(273 K+50 K),燃燒室溫度TR=1081 K(273 K+808 K),計(jì)算得出燃燒室體積VBK=22 m3。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備加工難易程度,燃燒室長(zhǎng)度L燃燒室取7 m,寬度W燃燒室取2 m,高度H燃燒室取1.6 m,因此燃燒室容積尺寸為7×2×1.6 m3。
(3)蓄熱室容積設(shè)計(jì)
蓄熱室寬度和長(zhǎng)度:根據(jù)HJ1093-2020 技術(shù)要求“蓄熱室截面風(fēng)速不宜大于2 m/s”,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)蓄熱室截面風(fēng)速為1.5 m/s,設(shè)計(jì)風(fēng)量為24000 Nm3/h,計(jì)算單個(gè)蓄熱床截面積為4.4 m2,蓄熱室寬度W燃燒室取2 m,則長(zhǎng)度L蓄熱室為2 m。
蓄熱體床層高度:根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),廢氣再蓄熱體中停留時(shí)間一般控制在1.00 s,由此可計(jì)算出蓄熱體床層高度H蓄熱體床層取1.50 m。
結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備加工難易程度,蓄熱室長(zhǎng)度L蓄熱室取2 m,寬度W蓄熱室取2 m,高度H蓄熱室取2.5 m,因此蓄熱室容積尺寸為2×2×2.5 m3。
(4)進(jìn)氣室容積計(jì)算
考慮裝置檢維修,進(jìn)氣室高度H進(jìn)氣室取1 m,長(zhǎng)度L進(jìn)氣室取2 m,寬度W進(jìn)氣室取2 m。
(5)蓄熱陶瓷體用量計(jì)算
本項(xiàng)目蓄熱陶瓷體選用藍(lán)太克環(huán)??萍迹ㄉ虾#┯邢薰镜腗LM-180 型號(hào)(尺寸305 mm×305 mm×102 mm),蓄熱床豎向填充15 層,填充高度為1.53 m,橫向填充6 層,填充長(zhǎng)度和寬度均為1.83 m,單個(gè)蓄熱床尺寸為1.83 m×1.83 m×1.53 m,本項(xiàng)目RTO 蓄熱室總用量為15.37 m3。
(1)RTO 系統(tǒng)壓降計(jì)算
RTO 裝置系統(tǒng)壓降計(jì)算包括管道阻力、局部阻力(進(jìn)出口、彎頭、閥門等)和蓄熱體床層阻力的計(jì)算。其中管道阻力和局部阻力按照公式(3)[15]計(jì)算,但需將局部阻力作為相應(yīng)的管長(zhǎng)來處理:
式中:Δp,壓降,Pa;Leq,相應(yīng)的局部阻力換算成的管道當(dāng)量長(zhǎng)度;λ,摩擦系數(shù);L,管道長(zhǎng)度,m;d,管道內(nèi)徑,m;ρg,流體密度,kg/m3;Wg,流體流速,m/s。
根據(jù)《環(huán)境工程技術(shù)手冊(cè)-廢氣處理工程技術(shù)手冊(cè)》(2013 版)及設(shè)備布置圖,L=6.5 m,d=0.8 m,ρg=1.29 kg/m3,Wg=10 m/s,λ=0.74,∑Leq=9.5 m,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣流的理論壓降Δp=955 Pa。
根據(jù)MLM 蓄熱體在兩室RTO 試驗(yàn)裝置的壓降測(cè)試結(jié)果[15],當(dāng)截面風(fēng)速為1.5 m/s、燃燒室溫度為860℃,進(jìn)氣溫度60℃時(shí),蓄熱體壓降為498 Pa/m,由此可計(jì)算兩床蓄熱體壓降為1524 Pa。
蓄熱燃燒系統(tǒng)總壓降=管道和局部阻力壓降+蓄熱體床層壓降=955 Pa+1524 Pa=2479 Pa,滿足《蓄熱燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ1093-2020)6.3.6.1 條款“系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓降宜低于3000 Pa”的技術(shù)要求。
(2)RTO 風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)
按照最大廢氣排放量的105%以上進(jìn)行設(shè)計(jì),額定風(fēng)量不低于25200 Nm3/h。
按照RTO 系統(tǒng)最大壓降的120%以上進(jìn)行設(shè)計(jì),風(fēng)機(jī)靜壓不低于2975 Pa。
按照公式(4)計(jì)算系統(tǒng)風(fēng)機(jī)理論功率為23.61 kW,系統(tǒng)風(fēng)機(jī)額定功率選擇30 kW。
式中:Ne,電機(jī)功率,kW;m,氣體質(zhì)量流,kg/h;V,氣體流量,m3/h;Δp,壓降,Pa;ρg,流體密度,kg/m3;ηt,風(fēng)機(jī)效率,ηt=70%;k,單位換算系數(shù),1/(1000×3600)。
(3)RTO 脫附風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)
按照最大廢氣排放量的105%以上進(jìn)行設(shè)計(jì),額定風(fēng)量不低于3150 Nm3/h。
根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),脫附風(fēng)機(jī)靜壓設(shè)計(jì)4000 Pa。
按照公式(4)計(jì)算吹掃風(fēng)機(jī)理論功率為5 kW,吹掃風(fēng)機(jī)額定功率選擇7.5 kW。
(1)轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)壓降計(jì)算
轉(zhuǎn)輪裝置系統(tǒng)壓降計(jì)算包括管道阻力、局部阻力(進(jìn)出口、彎頭、閥門等)和轉(zhuǎn)輪阻力的計(jì)算。其中管道阻力和局部阻力按照公式(3)計(jì)算[15]。根據(jù)《環(huán)境工程技術(shù)手冊(cè)-廢氣處理工程技術(shù)手冊(cè)》(2013 版)及設(shè)備布置圖,L=4 m,d=1.0 m,ρg=1.29 kg/m3,Wg=10 m/s,λ=0.74,∑Leq=7 m,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣流的理論壓降Δp=525 Pa。
根據(jù)高效過濾器及沸石轉(zhuǎn)裝置技術(shù)參數(shù),高效過濾器壓降為550 Pa,沸石轉(zhuǎn)輪裝置壓降為600 Pa。
沸石轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)總壓降=管道和局部阻力壓降+高效過濾器壓降+沸石轉(zhuǎn)輪裝置壓降=525 Pa+550
(2)轉(zhuǎn)輪風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)
按照最大廢氣排放量的105%以上進(jìn)行設(shè)計(jì),額定風(fēng)量不低于31500 Nm3/h。
按照轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)最大壓降的120%以上進(jìn)行設(shè)計(jì),風(fēng)機(jī)靜壓不低于2010 Pa。
按照公式(4)計(jì)算轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)風(fēng)機(jī)理論功率為25.13 kW,系統(tǒng)風(fēng)機(jī)額定功率選擇30 kW。
沸石轉(zhuǎn)輪濃縮及蓄熱燃燒裝置關(guān)鍵工藝參數(shù)一覽表見表2。
表2 沸石轉(zhuǎn)輪濃縮+蓄熱燃燒裝置關(guān)鍵工藝參數(shù)一覽表
本項(xiàng)目正常運(yùn)行后,每4 小時(shí)記錄實(shí)時(shí)進(jìn)氣溫度、實(shí)時(shí)出氣溫度和實(shí)時(shí)燃燒溫度,根據(jù)公式(1)計(jì)算實(shí)時(shí)熱回收效率,得到日均進(jìn)氣溫度、日均出氣溫度、日均燃燒溫度和日均熱回收效率,連續(xù)觀測(cè)7 個(gè)自然日,得到如下曲線圖。如圖2 所示,日均熱回收效率介于94.04%~95.10%,符合熱回收效率95%的設(shè)計(jì)預(yù)期。
圖2 RTO 裝置日均進(jìn)氣溫度、日均出氣溫度、日均燃燒溫度和日均熱回收效率曲線圖
本項(xiàng)目正常運(yùn)行后,沸石轉(zhuǎn)輪裝置的日均廢氣流量為27850 Nm3/h,RTO 裝置的日均廢氣流量為18406 Nm3/h。每4 小時(shí)取樣監(jiān)測(cè)BAC 和NMHC 質(zhì)量濃度以及氣體流量,根據(jù)公式(2)計(jì)算實(shí)時(shí)凈化效率,得到日均BAC 進(jìn)出氣質(zhì)量濃度、日均NMHC進(jìn)出氣質(zhì)量濃度和日均凈化效率,連續(xù)觀測(cè)7 個(gè)自然日,得到如下曲線圖3 和圖4。
圖3 沸石轉(zhuǎn)輪裝置VOCs 的日均凈化效率曲線圖(A 為BAC,B 為NMHC)
圖4 RTO 裝置VOCs 的日均凈化效率曲線圖(A 為BAC,B 為NMHC)
圖3 所示,沸石轉(zhuǎn)輪裝置中,BAC 的日均凈化效率介于93.52%~95.56%,NMHC 的日均凈化效率介于93.00%~95.74%,符合沸石轉(zhuǎn)輪裝置凈化效率95%的設(shè)計(jì)預(yù)期。
圖4 所示,RTO 裝置中,BAC 的日均凈化效率介于99.13%~99.40%,NMHC 的日均凈化效率介于99.07%~99.39%,略低于RTO 凈化效率99.9%的設(shè)計(jì)預(yù)期,推斷可能的原因是進(jìn)出氣零泄漏垂直提升閥存在微量泄漏。
基于圖3、圖4 數(shù)據(jù)以及日均廢氣流量,得到排氣筒BAC 和NMHC 日均排放濃度和排放速率曲線圖。由圖5 可知,BAC 的日均排放濃度介于9.7~14.6 mg/m3,日均排放速率介于0.45~0.67 kg/h,滿足《印刷工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB32/4438-2022)標(biāo)準(zhǔn)中“TVOC-70 mg/m3、2.5 kg/h”的排放限值要求。NMHC 的日均排放濃度介于7.9~12.3mg/m3,日均排放速率介于0.36~0.57 kg/h,滿足《印刷工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB32/4438-2022)標(biāo)準(zhǔn)中“NMHC-50 mg/m3、1.8 kg/h”的限值要求。
圖5 排氣筒VOCs 日均排放濃度和排放速率曲線圖
基于圖2 中日均進(jìn)氣溫度、日均出氣溫度可以計(jì)算出日均溫差為41℃,爐體熱輻射損失與轉(zhuǎn)輪脫附熱損失取20%,吹掃風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)等增加新鮮空氣量取15%,燃燒機(jī)效率取95%,根據(jù)熱力學(xué)方程可計(jì)算氣體流量為21000 Nm3/h 純空氣實(shí)現(xiàn)41℃的溫升需要得到1538404 kJ/h 的熱量。根據(jù)BAC 和CYC 的燃燒熱值及小時(shí)質(zhì)量流量,按照99%凈化效率核算VOCs 燃燒釋放熱量為1348408 kJ/h,差額熱量189996 kJ/h 需通過天然氣來補(bǔ)充,則計(jì)算天然氣補(bǔ)充量為5.5 m3/h。根據(jù)風(fēng)機(jī)額定功率計(jì)算用電量為67.5 kWh。電力和天然氣的小時(shí)用量折算15.61 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤。
根據(jù)“分質(zhì)收集、分類處理”原則,擬選了印刷VOCs 廢氣的治理工藝路線為:來自于印刷機(jī)操作區(qū)域和調(diào)墨間環(huán)境換風(fēng)的低濃度VOCs 廢氣經(jīng)過沸石轉(zhuǎn)輪濃縮裝置處理后達(dá)標(biāo)排放,沸石轉(zhuǎn)輪熱脫附高濃度VOCs 廢氣與來自于印刷機(jī)烘道的高濃度VOCs 廢氣經(jīng)過三床式RTO 處理后達(dá)標(biāo)排放。
對(duì)沸石轉(zhuǎn)輪濃縮及RTO 系統(tǒng)的工藝參數(shù)及設(shè)備參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。①工藝參數(shù)設(shè)計(jì)如下:RTO進(jìn)氣濃度為3.90%LEL(混合物-60℃)、燃燒溫度為808℃、停留時(shí)間為1.00 s、熱回收效率為95%、凈化效率為99.9%、系統(tǒng)壓降為2479 Pa,滿足《蓄熱燃燒法工業(yè)有機(jī)廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ1093-2020)相應(yīng)條款要求;②確定了燃燒室尺寸、蓄熱室尺寸、進(jìn)氣室尺寸以及蓄熱陶瓷體用量,對(duì)RTO風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)輪吸附風(fēng)機(jī)以及脫附風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量、額定功率、靜壓等設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。
本項(xiàng)目正常運(yùn)行后,連續(xù)觀測(cè)7 個(gè)自然日,對(duì)熱回收效率、凈化效率、達(dá)標(biāo)排放及能源消耗進(jìn)行分析論證:①熱回收效率:日均熱回收效率介于94.04%~95.10%,符合熱回收效率95%的設(shè)計(jì)預(yù)期。②凈化效率:沸石轉(zhuǎn)輪裝置中,BAC 的日均凈化效率介于93.52%~95.56%,NMHC 的日均凈化效率介于93.00%~95.74%,符合沸石轉(zhuǎn)輪裝置凈化效率95%的設(shè)計(jì)預(yù)期;RTO 裝置中,BAC 的日均凈化效率介于99.13%~99.40%,NMHC 的日均凈化效率介于99.07%~99.39%,略低于RTO 凈化效率99.9%的設(shè)計(jì)預(yù)期,推斷可能的原因是進(jìn)出氣零泄漏垂直提升閥存在微量泄漏。③達(dá)標(biāo)排放:BAC 和NMHC排放濃度和排放速率均滿足《印刷工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB32/4438-2022)標(biāo)準(zhǔn)。④能源消耗:系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),電力和天然氣的小時(shí)用量折算15.61 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤。