船廠VOCs 治理系統節能方向

蘇 翔

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引言

隨著國內環保要求的日趨嚴苛，國家和地方相繼出臺了若干環保法規政策。由此，全國各地的企業，尤其是生產型企業針對環保改造投入了大量的人力、物力與財力。對船廠而言，固危物及廢水等生產過程中產生的一半廢棄物有比較簡單且有章可循的環保管理方案，而船廠涂裝車間的廢氣治理因其廢氣產生量大、廢氣工況波動劇烈、廢氣成本相對復雜等特點，成為船舶行業的 固有難題。

近年來，國內船舶行業陸續開始了揮發性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）廢氣治理項目的投入，環保治理效果顯著，但也突顯出了新的矛盾。當我們滿足了環保治理需求的同時，環保設備的能源消耗也給企業造成了很大的負擔。本文以目前船廠使用較多的“沸石轉輪＋蓄熱式熱力燃燒（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）”VOCs 治理設備為例，探討工藝系統中 能耗的主要構成及節能方向。

目前，國內各大船廠大部分涂裝車間的VOCs 改造項目正在工程施工階段或立項階段，“沸石轉輪＋RTO”方式在我國大型船舶企業中的運用較早，且運行趨于穩定，本文便以“沸石轉輪＋RTO”典型工藝為例進行探討。

以使用中的48 m×33 m×13 m 涂裝工廠噴漆時排風量為例，上海市對船舶企業的涂裝棚排放要求即非甲烷總烴為70 mg/m3，換氣次數為6 次/小時[1]。因此，選用風量120 000 m3/h 的沸石轉輪＋RTO”系統，主要參數如下。

1）處理風量約為8 m3/h～120 000 m3/h（標準工況下，以下計算流量均為標況）。

2 ） VOCs 廢 氣 濃 度 在 600 mg/m3～1 200 mg/m3范圍內上下波動。

3）每天噴漆集中作業，時間為4 h～6 h；固化時不進行噴漆作業，時間為16 h～20 h。

4）RTO 能源為天然氣。

其主要能耗由2 部分構成：風機耗電與RTO補熱用燃氣。以下便從風機用電及RTO 用氣2方面分析能耗情況。

1 風機用電部分

典型“沸石轉輪＋RTO”系統風機主要由車間廢氣主風機、RTO 主風機（含沸石轉輪脫附風機）及RTO 燃燒器助燃風機構成，裝機容量約240 kW，按照每天涂裝工況4 h（夜間工況）、固化工況20 h 計算，其每天電力消耗總量為：P＝240×4＋240×0.6×20＝3 840 kW·h。

上述耗電量主要由車間廢氣主風機承擔，而主風機的開度則主要由車間通風量決定。目前現行的規范GB 51364—2019《船舶工業工程項目環境保護設施設計規范》對于涂裝作業時的通風有明確要求，宜6 次/小時～8 次/小時[2]，且涂裝作業工況時間較短，在此不展開討論。固化工況下，按照上述規范，一般通風次數按1/2 的噴漆工況計算，宜為3 次/小時～4 次/小時（風機功率約為額定功率的60%）。此時VOCs 氣體濃度較低（根據目前VOCs 系統運行情況看，一般固化時VOCs 氣體濃度小于150 mg/m3），此時車間工人很少，對于VOCs 治理系統的要求和依賴性很低。

因此，可以考慮適度降低固化工況下的通風次數，在保證車間工作環境的前提下，通風次數由3 次降低至2 次～2.5 次，以固化階段平均2.5次為例，按照一般的風機特性，120 000 m3/h 設計功率為185 kW，在風量為60 000 m3/h 時，功率約為84 kW；風量在50 000 m3/h 時，功率約為75.5 kW，以此為基準進行計算，可得固化階段風機耗電量可降低約10%。由此推算，在上述通風次數降低的情況下，每天產生的耗電量降低約P＝240×0.6×0.1×20＝288 kW·h，每天的電能消耗由此降低7.5%；若固化階段平均通風次數為2次，則由此帶來的耗電量降低約15%。

然而，風量的降低對于除濕系統（夏天）、加熱系統（冬天）能耗的降低，效果巨大，在此不作深入探討。

2 R TO 用氣部分能耗分析

該系統RTO 風量以20 000 m3/h 為計，燃燒器額定耗氣量約為117 m3/h，以平均負荷30%為計，每天的天然氣消耗量約為Q＝117×0.3×24＝842 m3。

系統散熱主要由表面熱損失、VOCs 煙氣排放、脫附風加熱風、高溫緊急排放等構成。

2.1 表面熱損失

表面熱損失主要體現在RTO 燃燒室部分，該部分散熱損失比較固定，主要變量是保溫層厚度，而保溫層厚度一般維持在使外壁溫度不會燙傷工作人員的厚度，必然小于80℃。鑒于本文討論船廠VOCs 治理系統節能的可能方向，該部分可操作的節能空間不大[3]。

2.2 超溫熱排放

超溫熱排放是建立在濃度較高的工況下，將RTO 正常工作無法排出的熱量通過燃燒室內氣體直接向煙囪排放，從而降低RTO 燃燒室的溫度。該情況下，燃燒室的燃燒器必然處于停止狀態，RTO 內的VOCs 氣體已經能夠維持自燃，該特殊工況不具備規律性，且單獨用以節能的可能性較低。

2.3 煙氣排放及脫附風加熱

煙氣排放和脫附風加熱是RTO 正常工作狀態下的主要散熱方式，其散熱效果直接影響到RTO 的工作性能和節能效率。之所以將煙氣排放與脫附風加熱一同考慮，主要因其加熱對象為同一介質。基于RTO 煙氣排放口溫度為80℃（固化時溫度為70℃），換熱器二次側初始溫度為30℃，不考慮換熱器熱交換過程中產生熱損失的情況下，煙氣排放和脫附風加熱主要耗熱量約為[3]：

1 ） 噴 漆 滿 負 荷 時 ，K1＝20 000×1.293×1.005×(80－30)≈1 300 MJ/h，天然氣熱值以34.7 MJ/m3計，折合約37.5 m3/h的天然氣。

2 ） 固 化 時 風 量 減 半 ，K2＝10 000×1.293×1.005×(70－30)≈520 MJ/h，天然氣熱值以34.7 MJ/m3計，折合約15 m3/h 的天然氣。

3 R TO 用氣部分節能分析

鑒于上述分析，對目前船廠涂裝車間VOCs治理系統天然氣消耗降低和熱能再利用方向進行分析，幾個主要的可行方向如下。

3.1 余熱利用

涂裝車間在冬季采暖季，為使油漆快速固化，往往采用涂裝車間供暖的方式加大產能，目前國內有采暖季的地區，新建的涂裝車間大都配備采暖系統。按照冬季室外溫度0℃計算，上述車間在固化階段時，環境溫度保持在20℃以上，需要具備的熱量（不考慮熱損失） 為K3＝60 000×1.293×1.005×20≈1 559 MJ/h，考慮利用RTO 排放尾氣為新風加熱，可提供的熱量為（考慮換熱效率為85%，一次側進出口溫度分別為70℃、5℃）K4＝10 000×1.293×1.005×(70－5)×0.85≈718 MJ/h，約占所需熱量的1/2（北方環境溫度更低，余熱利用空間更大），可大大降低車間采暖系統的能耗[4]；而進一步從VOCs 治理系統煙囪排口取熱，熱量更大，可完全滿足車間對熱能的需求，但熱源品質較低，經濟性差，是否適合實際利用需再深入探討。

3.2 靈活調節濃縮倍率

眾所周知，RTO 能耗與其進風量有著非常直接的關系。目前，一般RTO 的設計將其入口濃度控制在8 g/m3以內；在涂裝車間噴漆工況下，由于前端濃度較高，使得濃縮倍率不高，固化工況下，前端濃度降低的情況下，如何通過一定的控制手段，靈活調節沸石轉輪的濃縮倍率，降低RTO 整體的通風量，進而降低能耗，是船廠涂裝車間進行VOCs 項目建設時需要考慮的問題。

4 結論

船舶行業作為國家重點重工行業之一，其涂裝車間的VOCs 治理是近年來船廠環保改造的重點，VOCs 治理在環保達標的同時，帶來的能源消耗是我們無法忽略的問題。有效地在項目建設階段對VOCs 治理系統的能源消耗進行一定的測算，對其節能措施進行一定的考量，是每家船廠都需要面對的。除本文中提到的合理調整涂裝車間排風量、RTO 余熱利用、靈活調節沸石轉輪濃縮倍率等方式外，合理地梳理涂裝車間的生產工況，適當延長其噴涂工況，且將噴涂工況與固化工況合理搭配穿插，也是解決VOCs 治理能耗的有效方法。由此可見，本文的分析能夠對船舶行業VOCs 治理的發展提供有效的幫助。