與轉(zhuǎn)輪配套的氧化裝置能效對(duì)比分析

文_魏冰 福建龍凈環(huán)保股份有限公司

我國(guó)大氣環(huán)境保護(hù)面臨PM2.5和O3污染雙重壓力，揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs） 是形成O3及PM2.5的重要前體物。沸石轉(zhuǎn)輪濃縮系統(tǒng)特別適用于大風(fēng)量低濃度VOCs治理，該系統(tǒng)組合氧化工藝以高效、節(jié)能、安全、穩(wěn)定的特性，為市場(chǎng)所認(rèn)可。

本文針對(duì)CO、RTO、RCO在與盤式轉(zhuǎn)輪配套選型過(guò)程的能效進(jìn)行平行對(duì)比分析研究，為項(xiàng)目人員提供相應(yīng)選型依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

本文以某公司噴涂類廢氣作為研究條件，設(shè)計(jì)條件如下。

1.1 廢氣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

設(shè)計(jì)廢氣量190000Nm3/h，廢氣濃度＜300mg/Nm3，廢氣溫度常溫，廢氣組分占比，乙酸丁酯：二甲苯：乙二醇乙醚醋酸酯：異佛爾酮 =35：40：20：5。

1.2 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

排放要求按照天津市《工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物排放控制標(biāo)準(zhǔn)》DB12/524-2020中表1設(shè)計(jì)。

2 研究方法

2.1 工藝設(shè)計(jì)

為便于選型過(guò)程對(duì)氧化裝置比對(duì)，設(shè)計(jì)總體工藝如圖1。廢氣大部分經(jīng)轉(zhuǎn)輪吸附濃縮后凈化達(dá)標(biāo)外排，小股廢氣流經(jīng)轉(zhuǎn)輪冷卻區(qū)對(duì)脫附再生后的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行冷卻后與氧化裝置的高溫廢氣進(jìn)行熱交換，后進(jìn)入轉(zhuǎn)輪脫附區(qū)對(duì)吸附飽和轉(zhuǎn)輪進(jìn)行脫附再生，再生后的高濃度VOCs進(jìn)入氧化裝置最終氧化為二氧化碳和水。氧化裝置的高溫廢氣一部分進(jìn)入轉(zhuǎn)輪換熱器進(jìn)行熱交換后經(jīng)煙囪排放；另一部分在氧化裝置內(nèi)經(jīng)內(nèi)部金屬換熱器或者蓄熱體進(jìn)行熱量回收后經(jīng)煙囪排放。

2.2 材料要求

為方便做設(shè)備選型橫向?qū)Ρ龋x用的催化劑與蓄熱體均為統(tǒng)一型號(hào)，催化劑采用堇青石基材的貴金屬催化劑，貴金屬含量400g/m3，空速12000h-1，蓄熱體為MLM-180型，過(guò)流速度 1～1.2m/s。

2.3 相關(guān)計(jì)算說(shuō)明

根據(jù)總體工藝設(shè)計(jì)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，本項(xiàng)目沸石轉(zhuǎn)輪按照90%凈化率設(shè)計(jì)，氧化裝置按照98%凈化率設(shè)計(jì)。

沸石轉(zhuǎn)輪廠家提供的計(jì)算參數(shù)，冷卻及脫附氣量均為9500Nm3/h，轉(zhuǎn)輪冷卻出口風(fēng)溫100℃；轉(zhuǎn)輪脫附進(jìn)口風(fēng)溫200℃；轉(zhuǎn)輪脫附出口風(fēng)溫60℃，濃度5400mg/Nm3。

涉及本項(xiàng)目有機(jī)物燃燒釋放熱：乙酸丁酯3463.50kJ/mol；二甲苯4570kJ/mol；乙二醇乙醚醋酸酯3304.5kJ/mol；異佛爾酮5272kJ/mol。

相關(guān)熱量計(jì)算公式如下：

式中W1—有機(jī)物燃燒釋放熱，kJ/h；C—進(jìn)入氧化裝置的廢氣濃度（一般與脫附出口一致），mg/m3；Q—進(jìn)入氧化裝置的廢氣量（一般與脫附出口一致），m3/h；J—有機(jī)物燃燒釋放熱，kJ/mol；P—對(duì)應(yīng)有機(jī)物的占比；M—對(duì)應(yīng)有機(jī)物的分子量，g/mol；W2—轉(zhuǎn)輪再生需求補(bǔ)充的熱量，kJ/h；Ca—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣熱容，kJ/（kg·k）；ρ—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度，kg/m3；t2—轉(zhuǎn)輪脫附進(jìn)氣溫度，K；t1—轉(zhuǎn)輪冷卻出口溫度，K；W3—爐內(nèi)高溫氣體取熱量，kJ/h；K—換熱器熱值轉(zhuǎn)換系數(shù)，一般為1.1～1.2。

相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算公式如下

式中E—環(huán)境經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，元/a；η—氧化裝置凈化率；B—處理單位VOCs的排污費(fèi)，元/kg；N—綜合經(jīng)濟(jì)效益，元/a；U—氧化裝置年運(yùn)行費(fèi)用，元/a。

3 結(jié)果與討論

（1）運(yùn)行費(fèi)用

由公式（1～3）可以算得VOCs氧化分解后可以放出熱量為W1為1773088kJ/h；轉(zhuǎn)輪冷卻區(qū)廢氣加熱至脫附溫度需要熱量W2=1285279kJ/h；本項(xiàng)目K取1.15，則W3=1478071kJ/h；W1＞W(wǎng)3，故VOCs氧化后提供的熱量可以滿足轉(zhuǎn)輪再生需求。氧化裝置參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 氧化裝置參數(shù)對(duì)比

由表1可以看出，預(yù)熱過(guò)程天然氣消耗量RTO＞CO＞RCO，運(yùn)行過(guò)程天然氣消耗量CO＞RTO＞RCO，氧化系統(tǒng)設(shè)備配套裝機(jī)功率RTO＞CO＞RCO，占地面積RTO＞RCO＞CO。

所采用的氧化裝置在文中廢氣組分及占比情況下，可以進(jìn)一步計(jì)算出氧化系統(tǒng)自持燃燒需要的進(jìn)氣濃度分別為：RCO 6809mg/m3，RTO 7676mg/m3，CO 8651mg/m3。

本項(xiàng)目設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用運(yùn)算基本取值如表2所示。

表2 氧化裝置運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算說(shuō)明

根據(jù)表2所列基本運(yùn)行條件及費(fèi)用單價(jià)，可得到不同氧化裝置運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比，詳見表3。

（2）經(jīng)濟(jì)效益

由于氧化裝置預(yù)設(shè)廢氣量、廢氣成分、廢氣濃度均相同，故環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益為固定值，按每削減1kgVOCs 20元計(jì)，則環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益E為4826304元/a。設(shè)備投入運(yùn)行后，年綜合經(jīng)濟(jì)效益均超過(guò)430萬(wàn)元，不同氧化裝置綜合效益N為：CO 4302288元/a，RTO 4451568元/a，RCO 4507104元/a；運(yùn)行費(fèi)用占環(huán)境效益比例U/E均不超11%,具體值分別為CO 10.86%，RTO 7.76%，RCO 6.61%。

表3 不同氧化裝置運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

4 總結(jié)與展望

本文采用某項(xiàng)目廢氣參數(shù)作為選型依據(jù)，在催化劑可適用的廢氣條件，通過(guò)對(duì)與轉(zhuǎn)輪配套的氧化裝置的選型、運(yùn)行費(fèi)用，綜合經(jīng)濟(jì)效益的對(duì)比分析，得出如下結(jié)論。

①本文工況條件下VOCs氧化產(chǎn)生的熱量可滿足轉(zhuǎn)輪自身脫附熱需求，能效比最優(yōu)的是RCO，其次是RTO，能效比最低的是CO。因?yàn)檗D(zhuǎn)輪換熱器換熱后熱損失、氧化設(shè)備進(jìn)出口溫差及氧化系統(tǒng)的熱量損失的影響，所有氧化裝置都無(wú)法維持自持燃燒，其中的主要因素是轉(zhuǎn)輪換熱器換熱后的高溫?zé)釗p失，由于轉(zhuǎn)輪換熱器采用的板片式換熱器，該換熱器選型主要是出于保護(hù)轉(zhuǎn)輪之目的，如采用高溫混流換熱器，可以較大程度節(jié)約燃?xì)赓M(fèi)，但是會(huì)增加運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)謹(jǐn)慎使用并做好多級(jí)安全響應(yīng)措施。

②各氧化系統(tǒng)的運(yùn)行燃?xì)赓M(fèi)用均占運(yùn)行總費(fèi)用50%以上，提升轉(zhuǎn)輪濃縮倍數(shù)可以有效降低運(yùn)行費(fèi)用。但實(shí)際選型過(guò)程要權(quán)衡增加轉(zhuǎn)輪濃縮倍數(shù)的投資。

③RCO催化劑更換費(fèi)用占27.07%，如未來(lái)催化劑因技術(shù)突破，產(chǎn)能提升等因素價(jià)格下調(diào)，壽命延長(zhǎng)，將進(jìn)一步凸顯該設(shè)備的能效比。

④目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的氧化裝置為RTO，是綜合投資、能效比及普遍適用性的選型結(jié)果，RCO由于其適用條件的局限性目前還未大規(guī)模推廣。