RTO煙氣余熱利用綜合節能技術

林驥

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

汽車涂裝自動生產線上的烘干設備，是主要耗能生產設備之一，所以在滿足安全生產并符合環保法規的前提下，烘干設備的節能技術改進，是其重要的發展方向。在實際生產中，烘干設備的供熱系統和廢氣處理系統的煙氣排放熱損失，約占總能耗的25%。雖然這些煙氣的排放溫度降至200～250℃左右，就滿足現在的環保法規要求，但這部分被排放的煙氣仍然存在著能量回收的契機。對低溫排放的煙氣進行余熱回收和利用，是涉及烘干設備、公用動力系統、其他區域耗能設備等綜合性很強的系統節能技術，是涂裝車間能源綜合利用的典型課題，本文重點討論RTO（蓄熱式廢氣氧化裝置）煙氣余熱利用綜合節能技術。

1 RTO技術的機理

RTO（蓄熱式廢氣氧化裝置）煙氣余熱利用綜合節能技術的機理如下：涂裝車間各烘干設備在生產過程中產生的有機廢氣，通過廢氣管網集中被送到RTO裝置中，進行750℃左右的高溫焚燒處理；這些廢氣燃燒后產生的能量，被RTO內部的陶瓷蓄熱體進行熱量回用后，最終排入大氣的煙氣溫度，被降到200～250℃之間。

由于安全方面的因素，這部分最終排入大氣的溫度，必須在120℃以上，但從200～250℃到120℃，這部分依然有能量回收的空間。采用水作為這部分煙氣能量回收的介質，利用這些低溫煙氣的余熱來制備熱水，煙氣的溫度被降到120℃左右后排入大氣，而制備出的熱水，可以輸送到熱水鍋爐或其他需要熱水的地方充分利用，從而實現烘干設備煙氣排放余熱回收利用的目的。

2 排煙余熱回收效益

以60 JPH綱領的某汽車涂裝線項目為例，RTO廢氣處理量為8萬m3/h，廢氣處理后排煙溫度約為200℃。在保證煙囪抽力（抽力取決于煙囪高度和氣體密度差，高度一定的情況下，排煙溫度高抽力大）、防止凝結（溫度低，換熱器、煙囪內壁容易凝結物質，著火）的基本條件下，可以采用換熱器回收部分熱量，使排煙溫度降至120℃后排放。其余熱回收經濟效益計算公式如下：

上面計算中，效益隨生產線的實際工作時間（年時基數）變化而變化。

這一節能技術，設計之初首先需掌握車間用能設備的能量需求變化規律，以便合理計算水量和配置換熱器，合理組織生產（RTO、鍋爐與前處理等用能設備的聯動），以提高系統能量綜合利用率，最大化地回收能量。

3 能量流動結構圖

能量流動結構圖如圖1所示。

圖1 能量流動結構圖

以60 JPH綱領的某汽車涂裝線項目為例，車間鍋爐房共有5臺2.8 MW的燃氣鍋爐，主要供前處理、空調二次加熱和少量其他生活需求見表1。

表1 涂裝車間熱水需求狀況表（單位：kJ/h）

表2 余熱利用系統設計數據表

表2中的設計數據顯示，煙氣回收的能量，占車間熱水平均量夏季需求的29%、冬季需求的41%、其他季節需求的54%，現場實際數據還受聯動系統生產組織的影響。

在這個能量體系中，RTO最終的排煙溫度取決于水路的水量、進出口溫差；而現場數據變化，主要取決于動力需求變化。例如：前處理或空調等工藝設備的升溫狀態、保溫狀態下不同用能量；生產綱領滿負荷生產、不滿負荷生產、休息時段的用能量；季節變化車間能量需求不同等等，也就是說該聯動系統存在一個綜合利用率問題。

4 余熱回收系統組成

整個余熱利用系統，包括氣路、水路、余熱換熱器和自動化系統等4部分組成（如圖2）。

圖2 煙氣余熱利用系統圖

煙氣管路包括氣動切換閥、及進出口煙氣溫度探頭、壓差開關等監測元件；水路系統包括水泵、手動蝶閥、氣動三通調節閥、安全閥、壓力表、流量開關和進出口水溫探頭等監測元件。

其中，主體設備是熱管換熱器，其傳熱效率高（具有超強的導熱性、良好的等溫性、熱流密度可變性等特質），節能效果顯著；具有良好的防腐蝕能力；裝置體積小，只是普通熱交換器的1/3；使用壽命長，單根熱管可拆卸更換，維護簡單成本低（如圖3、圖4）。

圖3 熱管換熱器原理圖

圖4 熱管換熱器

熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，將管內抽成1.3×（10-1～10-4）Pa的負壓后，充以適量的工作液體，使緊貼管內壁的吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后加以密封。管的一端為蒸發段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），根據應用需要，在兩段中間可布置絕熱段（如圖5）。

圖5 熱管工作原理示意圖

熱管是依靠自身內部工作液體相變來實現傳熱的傳熱元件，具有超常的熱活性和熱敏感性，遇熱而吸，遇冷而放。

5 煙氣余熱利用系統的控制要點

由于系統涉及多個用能區域，一方面，各區域設備具有相對獨立的自動化要求；另一方面，由于生產用能又相互聯系，同時余熱設備具有熱水加熱安全保護特性，因此各區域電控柜之間的連鎖關系比較復雜，但完善的自動控制，是安全生產的保障。系統控制要注意如下要點：

（1）基本狀態。RTO原始狀態，煙氣管氣動閥位置：煙氣不經余熱換熱器；水路原始狀態，三通調節閥位置：水始終經過余熱換熱器。

水路系統，調試時水路閥門初始設定水流量原則：排除煙溫過低報警（水量過大）和水溫過高報警（水量過小）的狀況，選取相對合適的水量。

（2）開機、關機信號。RTO接到鍋爐房水泵開動信號，流量開關（進水管路）有水流信號，煙氣管路氣動閥切換，煙氣經過余熱換熱器。

RTO接到鍋爐房水泵停止信號（水泵待機），煙氣管路氣動閥切換，煙氣不經過余熱換熱器；鍋爐房接到煙氣氣動閥切換到位信號后，30 min后，水泵停機。

（3）煙溫過低（＜120℃）報警信號。出余熱換熱器后，排煙管路上設一個溫度探頭。當煙溫低于120℃時，給鍋爐房提供低溫報警信號，調節水路三通調節閥，減小經過余熱換熱器的水量。

（4）水溫過高（＞95℃）報警信號。出余熱換熱器后，水管上設一個溫度探頭。當水溫高于95℃時，給RTO提供水溫高溫報警信號，RTO煙氣管路氣動閥切換，煙氣不再經過余熱換熱器。

（5）煙氣管路自動閥切換要求。自動風閥切換，要求按序執行。為避免自動風閥的故障，引起烘房熄火，在切換自動風閥時，需確保要求打開的風閥打開后，才可關閉需關閉的風閥。

煙氣管路氣動切換閥：在任何時候與RTO系統相關的換熱風閥和旁通風閥，始終有一個處于開到位狀態。

（6）設備故障信號。故障信號主要包括：水泵故障、煙氣管路氣動閥故障、水路三通調節閥故障等，還有一些其他故障。

車間壓縮空氣停止，余熱回收系統的換熱閥及旁通閥均會關閉，此時會影響RTO系統的運行，需要確認RTO系統的狀態。

柜內總線掉站、PLC當機及柜母線跳閘時，可能會導致RTO余熱回收閥門狀態信號瞬時丟失，影響RTO系統運行，此時需要人員到RTO系統進行狀態確認。

6 結束語

根據理論研究和工程實例表明，安裝煙氣余熱回收裝置，可以提高全廠的熱效率，降低總體能耗；回收的煙氣熱量愈大，再利用能量愈多，節約燃料的量愈大。然而回收RTO煙氣的余熱也有一定限度，過分追求低的排煙溫度和熱水的溫升，容易造成余熱利用換熱器內部煙氣冷凝，從而引起設備腐蝕，這一點必須引起充分的注意。如果能夠很好地利用限制之內的余熱，不僅對涂裝廠的經濟效益有很大的提高，而且響應國家節能減排的政策，為社會環境保護作出一定貢獻。