蓄熱氧化及余熱回收技術在揮發性有機廢氣治理中的應用

王 波， 張 龍， 商慶壟， 劉夢輝， 孫成喜

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

包裝印刷工藝中，乙酸乙酯及其他有機溶劑被廣泛使用，并在薄膜烘干等過程中，大部分隨空氣一起排出印刷機械，形成揮發性有機物（volatile organic compounds，VOCs）廢氣。治理VOCs 廢氣，是包裝印刷行業實現清潔生產、發展綠色包裝的重要環節。

包裝印刷行業VOCs 廢氣的成分比較簡單，一般不含有硫和氯，在高溫條件下可徹底轉化為CO2和H2O 等無毒物質，而不會生成HCl，SO2和PCDD/Fs等有毒有害的二次污染物。但是，包裝印刷生產中，印刷線啟停、印刷產品更換和溶劑用量調整等都比較頻繁，導致廢氣流量和廢氣中VOCs 濃度的波動性很強，對治理工藝和設備的適應性和穩定性要求很高[1-2]。

目前，治理VOCs 廢氣的技術主要有吸附、冷凝、光催化、低溫等離子體、催化氧化、蓄熱氧化和蓄熱式催化氧化等。吸附法適用于組份相對單一、排放量大、排放濃度低的有機廢氣；冷凝法運行條件苛刻，需要較低的溫度或者較高的壓力才能得到較高的去除率；光催化、低溫等離子體和催化氧化技術的VOCs 去除率相對較低，而且會殘留有害不完全氧化產物。隨著環保標準日益嚴格，由于蓄熱氧化技術的VOCs 去除率高、能耗低、適用范圍廣，故其工程應用日益廣泛[3-10]。

經過多年的發展，蓄熱氧化技術多樣，設備型式各異。例如，根據換向閥運動特征，可分為多室閥門切換型和旋轉型；根據爐內工作壓力，可分為正壓通風型和負壓通風型；根據余熱利用情況，可分為帶余熱回收裝置和不帶余熱回收裝置兩類[11-12]。但是，國內關于VOCs 蓄熱氧化系統設計和運行性能方面的研究報道還比較少。本文重點介紹負壓通風三室蓄熱氧化及余熱回收技術的工藝原理、系統組成、試驗結果和工程應用中需要注意的關鍵技術問題，為開展VOCs 治理提供參考。

1 系統組成與工作原理

1.1 設計條件

下面結合某包裝印刷企業15 000 m3/h VOCs 廢氣治理工程，介紹負壓通風三室蓄熱氧化及余熱回收系統的組成和工作原理。該企業共有3 條印刷線，經減風增濃后進入蓄熱氧化系統進行處理。主要設計參數如表1 所示，廢氣中VOCs 成分是乙酸乙酯、乙酸甲酯和異丙醇。

表1 廢氣蓄熱氧化系統設計參數Tab.1 Design parameters of the exhaust gas regenerative thermal oxidation system

1.2 系統組成

印刷廢氣負壓通風三室蓄熱氧化及余熱回收系統如圖1 所示。該系統的主要設備有：

a. 三室蓄熱氧化爐1 臺，爐墻采用鋼板內襯硅酸鋁纖維模塊和硅酸鋁纖維毯的優質耐火隔熱層，提高設備保溫效果，減少散熱損失；蓄熱室為矩形截面、規則堆置（150 mm×150 mm×100 mm）的堇青石與莫來石混合材質蜂窩陶瓷。

b. 換向閥1 套，共9 臺，采用氣動快速切斷閥，動作到位時間小于1 s，零泄漏，連續工作次數大于100 萬次。

c. 主引風機1 臺，額定參數為流量26 337 m3/h,全壓4 200 Pa, 溫度150 ℃, 功率55 kW。

d. 輔助引風機1 臺，額定參數為流量3 708 m3/h，全壓 4 200 Pa, 溫度150 ℃, 功率11 kW。

e. 變頻給水泵2 臺，流量16.3 m3/h，揚程48 m,功率5.5 kW，一備一用。

f. 高溫換熱器和低溫換熱器換各1 臺，串聯布置，常壓工作。

g. 其他閥門和測量儀表1 套。

h. 電氣和控制系統1 套。

i. 備用電源1 套，當外部停電時，立即投入備用電源，保證系統正常停運，防止設備故障。

圖1 負壓通風三室蓄熱氧化及余熱回收系統Fig.1 Three-chamber regenerative thermal oxidizer with negative pressure ventilation and heat recovery system

在蓄熱氧化爐四側裝有：

a. 燃氣燃燒器2 臺，總加熱功率340 kW，是氧化爐內加熱、調溫的主加熱裝置。

b. 電加熱器6 只，分兩組，總加熱功率90 kW，是氧化爐內加熱、調溫的輔助加熱裝置。當燃氣供應中斷或燃燒器故障時，投運電加熱器。

c. 防爆門1 只，當爐內氣體超壓后能自動排放泄壓。

d. 人孔門1 只，是進入爐內的通道，門上裝有觀察孔。

為保證系統安全、可靠地工作，在蓄熱氧化系統與印刷生產車間之間的連接管道上布置過濾器和阻火器；配備空氣壓縮機及儲氣筒1 套，為氣動閥門提供氣源；配備水箱2 臺，分別提供換熱器所需冷卻水，并接收換熱器排出的熱水；配備風機冷卻水泵2 臺，一備一用。

1.3 工作原理

先開啟主引風機進行引風，排出爐內可能殘存的可燃性物質，然后啟動氣體燃燒器，對爐內蓄熱體進行加熱。當爐內蓄熱體溫度升高到指定溫度后，開啟廢氣入口管路上的閥門，向爐內通入廢氣。

3 個蓄熱室（蓄熱室Ⅰ，蓄熱室Ⅱ和蓄熱室Ⅲ）外部連接管道包括進氣管道、排氣管道和吹掃管道。其循環工作過程包括3 個周期：首先向蓄熱室Ⅰ內通入廢氣，廢氣在蓄熱體的加熱下達到VOCs 的氧化溫度，VOCs 分解為CO2和H2O 并放出熱量，蓄熱室Ⅰ內蓄熱體的溫度逐漸下降；凈化后的高溫氣體從蓄熱室Ⅱ排出，將熱量傳遞給蓄熱室Ⅱ中的蓄熱體，再流經低溫換熱器進一步降溫后由引風機排向煙囪；吹掃風機將環境冷風送入蓄熱室Ⅲ，吹除蓄熱室Ⅲ中可能殘留的VOCs，使其處于清潔備用狀態。第一個周期結束時，通過閥門切換，廢氣由蓄熱室Ⅱ進入并預熱、氧化，從蓄熱室Ⅲ排出，加熱蓄熱室Ⅲ中的蓄熱體，同時吹掃蓄熱室Ⅰ，使其處于備用狀態。第二個周期結束時，通過閥門切換，廢氣由蓄熱室Ⅲ進入并預熱、氧化，從蓄熱室Ⅰ排出，加熱蓄熱室Ⅰ中的蓄熱體，同時吹掃蓄熱室Ⅱ，使其處于備用狀態。3 個蓄熱室如此交替工作。

當廢氣中VOCs 濃度升高，導致燃燒室溫度偏高時，部分爐內高溫煙氣直接通過高溫換熱器減溫后由輔助引風機排至煙囪，減少蓄熱體蓄積的熱量，降低廢氣預熱溫度。通過調節給水流量，穩定換熱器出口水溫。

當廢氣中VOCs 濃度較低，導致燃燒室溫度偏低時，啟動氣體燃燒器補充熱量，以保持爐內溫度穩定。

當發生燃燒室超溫、設備故障及其他緊急事故時，切斷蓄熱氧化爐廢氣入口，開啟旁通閥，將廢氣通過煙囪排空。

2 結果與分析

2.1 排放特性

2.1.1 VOCs 濃度測定方法

該VOCs 治理系統自2017 年8 月投運后，工作正常，性能穩定。在中國印刷及設備器材工業協會的組織下，由第三方檢測機構深圳鴻旺環保技術有限公司，使用VOCs 在線監測系統，進行了連續17 天的在線監測。該在線監測系統的核心設備是氣相色譜儀，配火焰離子化檢測器（FID），按照HJ38—2017《固定污染源廢氣 總烴、甲烷和非甲烷總烴的測定 氣相色譜法》的規定進行測定。

該方法的原理是所有揮發性有機物在FID 傳感器上的響應，與不同濃度甲烷氣體標定的響應信號進行比較，計算得到產生相同響應信號的甲烷濃度，即用該濃度值表示氣體中揮發性有機物的濃度，稱為氣體中的總烴濃度（THC）。需要指出的是，該方法所測得的總烴濃度，可以定性反映揮發性有機物濃度的高低，但與每種揮發性有機物本身的濃度是完全不同的概念，這是因為不同的揮發性有機物在FID 上的響應特性有差異。將該測量值等同于廢氣中乙酸乙酯和其他成分的濃度，并據此進行設備設計和運行控制，可能導致較大的偏差。如果要獲得每種成分的濃度，則需要采用GC–MS 或GC–FTIR 等更為復雜的分析測試技術。

2.1.2 日均排放濃度和去除率

在線監測期間，由于生產線不是24 h 連續運行，計算日均濃度時，已將生產線停運時采集的數據剔除。蓄熱氧化爐日均入口質量濃度Ci、日均出口質量濃度Co和VOCs 去除率η 分別如圖2、圖3 和圖4 所示，T 代表天數。結果表明，蓄熱氧化爐日均出口總烴質量濃度在7.96～28.89 mg/m3，可以滿足目前國內最嚴格的環保標準要求。VOCs 去除率在97.8%～99.3%，去除率的高低和入口質量濃度有密切關系。在排放質量濃度的絕對值比較接近時，入口質量濃度越高，去除率越高；入口質量濃度低，則去除率也偏低。去除率的高低和排放是否達標沒有必然的聯系。

2.1.3 每日運行排放峰值

圖2 蓄熱氧化爐日均入口總烴質量濃度Fig. 2 Daily average mass concentration of hydrocarbon at the inlet of regenerative thermal oxidizer

圖3 蓄熱氧化爐日均出口總烴質量濃度Fig. 3 Daily average mass concentration of hydrocarbon at the outlet of regenerative thermal oxidizer

圖4 蓄熱氧化爐日均揮發性有機物去除率Fig. 4 Daily average removal efficiency of VOCs in regenerative thermal oxidizer

在線監測期間，蓄熱氧化爐日運行入口質量濃度峰值Cip及相應的出口質量濃度Cop，VOCs去除率η 分別如圖5、圖6 和圖7 所示。結果表明，蓄熱氧化爐日運行入口總烴質量濃度峰值為2 216.79～3 968.44 mg/m3；相應的出口質量濃度為2.4～72.34 mg/m3，其中出口質量濃度超過50 mg/m3的共2 次，分別為55.88 mg/m3和72.34 mg/m3；去除率為97.8%～99.9%。

圖5 蓄熱氧化爐日運行入口總烴質量濃度峰值Fig. 5 Peak value of daily mass concentration of hydrocarbon at the inlet of regenerative thermal oxidizer

圖6 蓄熱氧化爐日運行入口總烴質量濃度達到峰值時的出口質量濃度Fig. 6 Mass concentration of hydrocarbon at the outlet when it is up to peak value at the inlet of regenerative thermal oxidizer

圖7 蓄熱氧化爐日運行入口總烴濃度達到峰值時的揮發性有機物去除率Fig. 7 VOCs removal efficiency when daily mass concentration of hydrocarbon is up to peak value at the inlet of regenerative thermal oxidizer

從圖中可以看出，瞬時排放濃度和日均排放濃度的高值和進口濃度沒有必然的正相關關系。這是因為爐內氧化反應很徹底，排放濃度的高低主要和反吹掃的效果密切相關。在線測試期間，試驗了不運行吹掃風機，改為從主引風機出口取煙氣接入蓄熱室進行反吹掃的運行方案。由于系統是負壓運行，當只有一條印刷線運行，廢氣流量很低時，為穩定蓄熱氧化爐入口（即印刷線出口）的壓力，引風機轉速自動減小，爐內負壓也相應減小，進而使得從主引風機出口至蓄熱室的壓差和吹掃流量下降，蓄熱室下部風室和風管中VOCs 殘留增加，進而導致排放濃度升高。隨后仍采用吹掃風機往蓄熱室送入環境冷風進行吹掃，并保證吹掃流量，排放濃度即可長時間連續穩定在較低水平。

2.2 能耗水平

系統投運后，廢氣流量隨生產安排的變化在約5 000～19 000 m3/h 的范圍內波動。系統能耗主要是主引風機的電耗和燃氣加熱。根據用戶在2017 年10 月和11 月連續統計的運行數據表明，系統的主要能耗指標如下：

a. 當廢氣流量為15 000 m3/h 的額定值時，系統阻力約3 000 Pa，爐膛壓力約-1 500 Pa。當廢氣流量達到19 000 m3/h 時，系統阻力約4 000 Pa，爐膛壓力約-2 250 Pa。

b. 每月主引風機、輔助引風機和循環水泵總電耗小于6 000 kWh。

c. 冷態啟動一次時間約5～6 h，天然氣消耗量小于150 m3；每天熱態啟動時間小于30 min，天然氣消耗量和前日VOCs 濃度高低和運行時間長短有關，不超過40 m3，日均消耗量約10 m3。

d. 在環境溫度30 ℃時，爐體表面溫度僅42 ℃左右，散熱損失小于30 kW。

e. 蓄熱氧化爐能量自平衡最低乙酸乙酯質量濃度（不應與總烴質量濃度混淆）約2～2.5 g/m3，和廢氣流量有關，廢氣流量大，則自平衡濃度低，反之自平衡濃度高。

f. 利用蓄熱氧化爐內廢氣放出的余熱，加熱印刷工藝用水仍有富余。當廢氣流量15 000 m3/h、乙酸乙酯質量濃度4 000 mg/ m3時，可回收熱量約240 kW。每10 000 m 薄膜印刷加熱成本從約174 元下降到約88 元。

可見，由于爐內蓄熱體的冗余量高、蓄熱能力強、熱慣性大、氣體停留時間長，系統可以在較低的爐內溫度水平、較大的風量和濃度波動范圍內連續穩定自熱運行，避免了頻繁的輔助加熱，節約燃氣，降低成本。

2.3 安全性和穩定性

系統采用負壓通風方式，系統內維持負壓，廢氣不會往環境中泄漏，不誘發二次污染，也不會產生高溫煙氣泄漏導致人員灼傷等問題。引風機采用變頻調節，有利于流量頻繁波動的工況下降低引風機運行的能耗，還可使得蓄熱氧化爐入口（即上游印刷線出口）壓力波動小于±20 Pa，避免壓力波動引起印刷套印不準而產生廢品。

3 關鍵技術問題探討

該系統的設計和運行經驗表明，VOCs 廢氣蓄熱氧化和余熱回收的應用過程中，下列技術問題比較關鍵，在設備設計和使用時，宜予以充分考慮和優化。

a. 把印刷設備排出廢氣中的VOCs 濃度控制在合理水平。在一定的有機溶劑用量下，廢氣中VOCs濃度的高低，由排風量的大小決定。排風量減小，則加熱能耗低，蓄熱氧化爐內溫度水平高，流動阻力小，風機電耗低，排氣熱損失小，余熱可回收率升高。因此，容易產生盡量減風增濃的技術傾向。但是，過低的排風量和過高的VOCs濃度，也會產生負面影響。第一，可能導致印刷產品干燥效果降低，溶劑殘留超標；第二，可能導致蓄熱氧化爐燃燒室溫度或排氣溫度過高，影響爐內耐火隔熱材料、閥門和換熱器工作的安全性；第三，從余熱利用的角度看，風量過低、VOCs濃度過高時，可回收的余熱可能遠大于印刷設備上送風加熱需要的熱量，多余的熱量無處可用，還反而加大蓄熱氧化爐運行控制的難度。以乙酸乙酯廢氣為例，廢氣中乙酸乙酯質量濃度每增加1 g/m3，其放熱量可使氣體升溫約20 ℃。盡管對乙酸乙酯而言，爆炸下限的25%約16 g/m3，如果這么高濃度的廢氣進入蓄熱氧化爐內，其氧化放熱量可使氣體升溫約320 ℃。一旦廢氣在蓄熱體內被預熱到500 ℃以上，乙酸乙酯在蓄熱體內即完全氧化并放出大量熱量，可能導致放熱熱量不能被氣流迅速帶出到燃燒室空間中，而是大量蓄積在蓄熱體內，并逐漸向下傳遞，下部蓄熱體溫度和排氣溫度不斷升高，最終被迫停爐。雖然理論上可以通過高溫煙氣旁通的方式調節排氣溫度，但在此條件下高溫煙氣旁通比例高，旁通煙道尺寸大，耐高溫旁通流量調節閥門選型困難，而且一旦高溫煙氣旁通煙道上的閥門發生故障，也會給設備運行造成很大困難。

b. 換向過程中的反吹清掃要穩定、充分。蓄熱氧化爐在不同的廢氣流量下運行時，都要保證足夠的反吹清掃氣體流量，以避免換向過程中風室和管道中殘留的VOCs 被直接帶往煙囪，嚴重降低VOCs 去除率。

c. 蓄熱氧化爐的設計流量要盡量準確并有足夠余量。目前，不少VOCs 治理項目都是減風增濃和蓄熱氧化爐同時施工。作為蓄熱氧化爐上游的減風增濃環節，可能因為設計缺陷或某些不可抗因素，工程完工后的實際排風量顯著大于設計風量，從而導致下游蓄熱氧化爐、管道、閥門和風機的設計風量與實際流量不匹配，風速偏高，系統阻力過大，風機出力不夠，印刷線不能開足，運行經濟性下降。因此，在方案設計階段，上下游要充分配合，考慮得盡量全面、準確一些。

d. 余熱回收設備的選型合理，設計容量要有足夠余量，以滿足風量和濃度波動時的調節需要。目前，包裝印刷企業回收余熱主要用于印刷線上的送風加熱，其風溫一般達到80 ℃左右即可；若是復合線，最高風溫會達到120 ℃以上。根據需求的不同，余熱回收設備可采用常壓余熱熱水鍋爐、余熱蒸汽鍋爐和有機熱載體鍋爐。常壓熱水鍋爐結構和控制簡單，可獲得85～90 ℃左右的熱水，但循環水流量大，也要盡量防止熱水汽化；余熱蒸汽鍋爐可以獲得較高溫度的蒸汽，滿足不同加熱環節的需要，但余熱鍋爐屬于承壓設備，對水質的要求高一些，運行調節也比熱水鍋爐復雜；有機熱載體鍋爐可以在常壓下獲得較高的溫度，但必須有效防止熱負荷快速變化引起有機工質裂解碳化、管壁結垢、超溫爆管和工質泄漏等問題。

4 結 論

新型負壓通風三室蓄熱氧化及余熱回收技術，在包裝印刷行業VOCs 廢氣治理中取得了良好的效果。隨著環保標準的進一步提高，還要進一步研究如何降低VOCs 廢氣凈化系統的瞬時排放水平，實現長期、連續、穩定的超低排放，并進一步優化系統設計，提高余熱利用水平，降低設備投資和運行成本。