RTO熱力平衡核算及天然氣消耗量影響因素分析

覃顯益,高乃平,高久唯,潘甲志,高 鵬,朱 彤

RTO熱力平衡核算及天然氣消耗量影響因素分析

覃顯益1,2,高乃平2*,高久唯3,潘甲志3,高 鵬3,朱 彤2

(1.上海電力大學能源與機械工程學院,上海 201306；2.同濟大學機械與能源工程學院,上海 200092；3.江南造船(集團)有限責任公司,上海 201913)

以某船舶涂裝車間運行數據為依據,建立了蓄熱式高溫氧化爐(Regenerative Thermal Oxidizer, RTO)的熱力平衡關系式,核算了RTO空載和滿載運行的數據,驗證了爐溫與揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds, VOCs)濃度的關系;討論了排風量、沸石轉輪濃縮倍率、換熱器熱利用率和VOCs濃度四個關鍵參數對天然氣消耗量的影響.結果顯示,入爐VOCs濃度每增加1000mg/Nm3,爐溫上升約21℃,排風量越小,沸石轉輪濃縮倍率?換熱器熱利用率和VOCs濃度越大,天然氣消耗量越低.基于本研究建立的熱平衡方程,結合RTO實際工程應用中的注意事項,結果表明,在烘干階段按照工藝要求的3次/h確定車間最小排風量,將沸石轉輪濃縮倍率設定為10～14倍,選用換熱器熱利用率在0.7以上的換熱器能在保證RTO安全運行的前提下顯著降低天然氣消耗量.

蓄熱式高溫氧化爐；揮發性有機化合物；熱力計算；天然氣消耗量

我國大型涂裝工業車間VOCs污染嚴重,危害工人健康,大多數的VOCs具有極高的親脂性,所以極易穿過細胞膜,使人的中樞神經中毒[1];VOCs在一定條件下能參與形成二次氣溶膠,是大氣中光化學煙霧和PM2.5的重要來源[2-5].在上海,船舶制造業VOCs貢獻了工業源VOCs排放的6.27%,是表面涂裝行業VOCs排放量最大的行業之一[6].

工業上處理VOCs廢氣的方法主要有膜分離、活性炭吸附、液體吸收、生物降解和燃燒[7].對于不同濃度的VOCs工業廢氣,采用不同的處理方法,對于中低濃度廢氣,常用活性炭濃縮吸附和沸石轉輪吸附,但由于低濃度VOCs廢氣回收成本較高,吸附后一般直接銷毀,高濃度廢氣采用燃燒塔或冷凝回收[8].

針對船舶涂裝車間VOCs廢氣大風量、低濃度的特點,選擇將吸附法與燃燒法相結合的沸石轉輪吸附+蓄熱式高溫氧化是較為合適的處理工藝[9].該方法(RTO)主要工藝流程為用沸石轉輪濃縮VOCs廢氣,提高廢氣濃度,降低風量,再將濃縮后的廢氣送入RTO進行熱力分解,當VOCs量過低,燃燒產生的熱量不足以維持爐膛溫度時,額外提供天然氣.沸石轉輪主要用于對VOCs廢氣進行吸脫附濃縮,其主要優點是能大幅降低入爐風量;吸附體易于更換; VOCs吸附率大于95%[10].蓄熱式高溫氧化法的應用范圍廣,由于實際運營成本較低,所以在近幾年得到了快速發展[11],其主要優點是(1)VOCs凈化效率高;熱效率遠高;能夠適應VOCs濃度變化[12-14].

研究者們從RTO的實際運行情況和數值模擬等角度切入,探究RTO的最佳運行模式.付守琪等[14]調研了四家企業的RTO裝置數據,探究了實際工程中RTO入口VOCs濃度和VOCs凈化率的關系,發現隨著RTO入口VOCs濃度升高,VOCs凈化率同時升高,這與蕭琦等[15]的結論相似.郝繼宗等[16]采用數值模擬發現RTO入爐廢氣量存在最佳運行工況點.

針對目前“沸石轉輪+RTO+換熱器”VOCs焚燒系統天然氣消耗量大的問題,本文依托美國空氣凈化產業協會(Institute of Clean Air Companies,ICAC)提出的RTO熱平衡關系,提出了系統性的天然氣消耗量計算方法,核算了空載運行時的天然氣消耗量,滿載運行時VOCs濃度,VOCs入爐濃度與RTO爐溫的關系;探究了排風量?沸石轉輪濃縮倍率?換熱器熱利用率和VOCs濃度對天然氣消耗量的影響,對降低RTO污染物處理系統的天然氣能耗具有重要意義.

1 實驗部分

1.1 運行流程

“沸石轉輪+RTO”運行流程如圖1所示.過程①:排風VOCs廢氣從排風管進入沸石轉輪進行VOCs吸附;過程②:經沸石轉輪吸附的氣體成為凈氣,部分凈氣進入煙囪;過程③:部分從沸石轉輪出口的凈氣進入換熱器吸熱,這部分氣體稱為脫附風;過程④:吸熱升溫后的脫附風再次進入沸石轉輪,對VOCs進行脫附;過程⑤:脫附風攜帶較高濃度的VOCs進入RTO,首先經過蓄熱體預熱升溫,再進入爐膛進行氧化分解;過程⑥:燃燒后的部分高溫煙氣流經蓄熱體并放熱,成為低溫煙氣后然后進入煙囪;過程⑦:部分高溫煙氣進入換熱器放熱,加熱脫附風;過程⑧:放熱后的低溫煙氣進入煙囪;過程⑨:所有進入煙囪的凈氣混合后排入大氣.

圖1 沸石轉輪+RTO系統運行流程

省略了RTO的吹掃裝置和閥門

1.2 物性參數

涂裝所用涂料的主要VOCs組分為二甲苯?乙苯和正丁醇,以下是各組分與氧氣反應方程式.

二甲苯、乙苯:

C8H10+ 10.5O2= 8CO2+ 5H2O

正丁醇:

C4H10O + 6O2= 4CO2+ 5H2O

涂裝車間作業產生的VOCs主要組分物性參數如表1所示:

表1 VOCs主要組分物性參數

1.3 計算方法

“沸石轉輪+RTO”污染物處理系統所需熱量主要由換熱器煙氣帶走熱量?蓄熱體出口煙氣帶走熱量組成,系統運行所需熱量由VOCs和天然氣燃燒提供.忽略預混空氣量?沸石吸附裝置散熱損失?RTO爐膛散熱損失和風管散熱損失.熱量平衡關系見式(1):

式中:T為標況下天然氣熱值,kJ/Nm3;V為天然氣流量,Nm3/h;H為換熱器吸熱端平均空氣比熱容,kJ/(kg ℃);為RTO出口換熱器端煙氣質量流量,kg/h;L為爐膛平均溫度,℃;R-in為RTO入口氣體溫度,℃;L為標況下空氣比熱容,kJ/(kg ℃);為RTO出口蓄熱體端氣體質量流量,kg/h;X-out為RTO蓄熱體出口氣體溫度,℃;P為排風質量流量,kg/h;VOC為排風管內VOCs濃度,g/Nm3;VOC為VOCs熱值,kJ/kg;T為沸石轉輪凈化效率,%;R為RTO凈化效率,%.

換熱器熱平衡關系見式(6):

廢氣中的氧氣含量遠高于理論上的氧氣需求量[17],參與燃燒反應的空氣占脫附風量的氣體總量少,過量空氣系數大于20.所以可近似將RTO進出口氣體量看作定值,則RTO進?出氣體質量相等,同時不計預混空氣量,質量流量平衡關系見式(7):

沸石轉輪濃縮倍率為排風量與脫附風量之比,計算式見式(8):

假設燃料在絕熱系統中完全燃燒,假設燃燒產物在高溫下不會發生熱分解,忽略燃氣和預混空氣帶入的物理熱,可以列出理論燃燒溫度的計算式,見式(9)[18]:

爐子的理論燃燒溫度與實際燃燒溫度的比值大體波動在一個范圍內,計算式見式(11)[18]:

2 運行參數核算

2.1 空載運行時天然氣消耗量核算

文中涉及的實測數據為15℃,1個標準大氣壓下測試所得,為便于統一單位,對測試值進行換算,得到0℃,1個標準大氣壓下的對應值.

空載運行時,VOCs濃度為0mg/Nm3,系統運行所需熱量全部由天然氣提供.計算輸入與輸出值如表2所示,空載運行時排風量為60000Nm3/h,當沸石轉輪濃縮倍率為10,換熱器熱利用率為0.70時,聯立式(1)、(2)、(4)、(5)、(6)、(7)和(8),求得天然氣流量T= 54.5Nm3/h.

表2 空載運行時計算輸入值與輸出值

RTO在空載時實際的天然氣流量為50.0Nm3/h,但過濾棉和排風管內有部分VOCs殘留,即使長時間不作業,排風VOCs濃度也維持在20mg/Nm3左右,將這部分的VOCs總質量折算為天然氣流量,約為1.4Nm3/h.折算后的天然氣總流量為51.4Nm3/h,計算值54.5Nm3/h與實際值51.4Nm3/h相差約為5.7%,計算結果符合工程實際情況.

2.2 滿載運行時VOCs濃度核算

滿載運行時,系統運行所需熱量全部由VOCs燃燒提供,天然氣停止供應.計算輸入與輸出值如表3所示.滿載運行時排風量為95000Nm3/h,沸石轉輪濃縮倍率為10,換熱器熱利用率為0.70時,聯立式(1)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)和(8),可以求出VOCs濃度為827mg/Nm3.

表3 滿載運行時計算輸入值與輸出值

2.3 VOCs入爐濃度與爐溫關系核算

在排風量為60000Nm3/h,排風管內VOCs濃度為0mg/Nm3,沸石轉輪濃縮倍率為10,換熱器熱利用率為0.70的初始計算條件下,核算驗證VOCs入爐濃度與爐溫的關系,聯立式(9)、(10)和式(11),可以求得爐溫為760℃,在此基礎上,RTO入口處VOCs濃度每增加1000mg/Nm3,平均爐溫上升約21℃,計算結果如圖2所示.在實際運行過程中,RTO入口處VOCs濃度每增加1000mg/Nm3,爐溫上升約20℃,計算結果與工程實際的經驗值相近,說明計算方法合理.根據工程實際中產生的VOCs種類,在保證VOCs去除率的前提下,適當降低爐溫可以減少天然氣消耗量[14].

圖2 RTO入口VOCs濃度對爐溫的影響

3 結果和討論

3.1 排風量對天然氣消耗量的影響

在VOCs濃度為0mg/Nm3,沸石轉輪濃縮倍率為10,換熱器熱利用率為0.70的條件下,將排風量分別設置為95000Nm3/h,90000Nm3/h,85000Nm3/h, 85000Nm3/h,80000Nm3/h,75000Nm3/h,70000Nm3/h,65000Nm3/h和60000Nm3/h,計算所需的天然氣流量.計算結果如圖3所示,在濃縮倍率不變的情況下,排風量越小,天然氣消耗量越少.空載條件下,排風量每減小5000Nm3/h,天然氣消耗量就減少4.54Nm3/h.當排風量從95,000Nm3/h下降到60,000Nm3/h,天然氣消耗量從86.22Nm3/h下降到了54.45Nm3/h,降低了36.8%.

圖3 排風量對天然氣消耗量的影響

在極端條件空載工況下,天然氣消耗量隨著排風量減少而減少,天然氣消耗量與排風量成負相關.所以對于釋放VOCs的涂裝車間,在烘干階段,沒有人員停留在室內的情況下,排風量的設定值滿足工藝要求的最小換氣次數3次/h即可[19].同時,降低排風量也能使得風機運行能耗下降.

3.2 濃縮倍率對天然氣消耗量的影響

為了研究沸石轉輪濃縮倍率對天然氣消耗量的影響,在排風管內VOCs濃度為0mg/Nm3,排風量為60000Nm3/h,換熱器熱利用率為0.70的條件下,設置不同的濃縮倍率,計算天然氣消耗量.計算結果如圖4所示,沸石轉輪濃縮倍率越大,所需天然氣量越小;在濃縮倍率較小時,提高濃縮倍率對天然氣流量影響較大,在較高的濃縮倍率下繼續提高濃縮倍率,對減少天然氣消耗量作用較小.在綜合考慮天然氣消耗量和RTO安全運行風量下限的前提條件下,排風量為60000～95000Nm3/h時,將沸石轉輪濃縮倍率設置為10～14倍是較為經濟安全的選擇.

圖4 沸石轉輪濃縮倍率對天然氣消耗量的影響

RTO入爐廢氣量存在最佳值,濃縮倍率過大或過小都不利于三室式RTO的運行[17].在實際運行過程中,為減少天然氣消耗量,設定較大的濃縮倍率,可以減少入爐風量,但需要注意的是,在增大濃縮倍率的過程中,需要保證安全限值下的最小換風量,即入爐的VOCs濃度需要保持在25%爆炸極限以下,避免爆炸風險[9].

3.3 換熱器熱利用率對天然氣消耗量的影響

圖5 換熱器熱利用率對天然氣消耗量的影響

為了研究換熱器熱利用率對天然氣消耗量的影響,在排風管內VOCs濃度為0mg/Nm3,排風量為60000Nm3/h,沸石轉輪濃縮倍率為10的計算條件下,將換熱器熱利用率分別設置為0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85和0.90,圖5展示了空載時不同換熱器熱利用率對天然氣消耗量的影響,從圖5可以看出,換熱器熱利用率率越大,天然氣消耗量越小.換熱器熱利用率從0.50提高到0.70時,天然氣消耗量從72.9Nm3/h下降到了54.5Nm3/h,降低了25%;換熱器熱利用率從0.70提高到0.90時,天然氣消耗量從54.5Nm3/h下降到了44.2Nm3/h,下降了18.9%.提高換熱器熱利用率對降低天然氣消耗量有顯著效果.

由于RTO啟動時間長,啟動過程能耗高,結合部分涂裝車間作業時間不定的特點,系統通常處于24h運行狀態,系統長時間在低VOCs濃度下運行,天然氣累計耗量極高,從長期運行降低天然氣消耗量的角度出發,應選擇熱利用效率在0.7以上的換熱器.

3.4 VOCs濃度對天然氣消耗量的影響

為了研究VOCs濃度對天然氣消耗量的影響,在排風量為60000Nm3/h,沸石轉輪濃縮倍率為10,換熱器熱利用率為0.70的條件下,將VOCs濃度分別設置為0.0mg/Nm3、100mg/Nm3、200mg/Nm3、300mg/Nm3、400mg/Nm3、500mg/Nm3、600mg/Nm3、700mg/Nm3和800mg/Nm3,圖6展示了不同VOCs濃度對天然氣消耗量的影響,從圖6可以看出,VOCs濃度與天然氣消耗量成負相關.

圖6 VOCs濃度對天然氣消耗量的影響

VOCs濃度升高,燃燒反應中釋放的熱量也就越多,爐溫和蓄熱體出口溫度也會同時升高,熱損失會隨之增加[16].但從整體來看,VOCs濃度越大,天然氣消耗量越少,VOCs濃度升高會提高系統運行的經濟性.

4 結論

4.1 對于入爐風量為6000Nm3/h的RTO,VOCs入爐濃度每增加1000mg/Nm3,平均爐溫上升約21℃.

4.2 以此方法計算所得RTO空載時天然氣消耗量54.5Nm3/h,與實際值51.4Nm3/h相差約為5.7%,滿載時VOCs濃度為827mg/Nm3.

4.3 降低排風量?增大濃縮倍率?提高換熱器熱利用率和增加VOCs濃度均有助于減少天然氣消耗量.

4.4 為降低天然氣消耗量,排風量設定值應盡可能小,烘干階段取滿足工藝要求的最小換氣次數3 次/h即可[20].將沸石轉輪濃縮倍率設置為10～14倍是較為經濟安全的選擇.應選用熱利用效率在0.7以上的換熱器.

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Thermodynamic balance calculation of RTO and analysis of influencing factors of natural gas consumption.

QIN Xian-yi1,2, GAO Nai-ping2*, GAO Jiu-wei3, PAN Jia-zhi3, GAO Peng3, ZHU Tong2

(1.College of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 201306, China；2.School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China；3.Jiangnan Shipyard (Group)Co., ltd., Shanghai 201913, China)., 2021,41(10)：4837～4842

The heat balance equation of Regenerative Thermal Oxidizer (RTO) was established according to actual operating condition of a painting workshop. The no-load and full-load operation data of RTO was calculated, and the relationship between furnace temperature and concentration of Volatile Organic Compounds (VOCs) was verified. On this basis, the influence of four key parameters of exhaust air volume, zeolite runner concentration ratio, heat exchanger heat utilization rate and VOCs concentration on natural gas consumption were discussed. The results show that the furnace temperature increased by about 21°C for each 1000mg/Nm3growth in the incoming VOCs concentration. The smaller exhaust air volume made the higher zeolite rotor concentration multiplier and heat exchanger thermal utilization rate, and thus resulted in higher VOCs concentration in the RTO. This results could reduce natural gas consumption. The heat balance equation was established in this paper, combined with the considerations in engineering application of RTO. When painting was being dryed, the minimum exhaust air volume of painting workshop was establed on the basis of 3 times/h. The concentration multiplier of zeolite rotor was set to 10～14times, and the heat exchanger with heat utilization rate above 0.7 was selected, which could significantly reduce the natural gas consumption, and ensuring the safe operation of RTO.

regenerative thermal oxidizer；volatile organic compounds；thermodynamic calculation；natural gas consumption

X788

A

1000-6923(2021)10-4837-06

覃顯益(1997-),男,四川成都人,上海電力大學碩士研究生,主要從事工程熱物理方面的研究.

2021-03-09

上海市2020年度“科技創新行動計劃“社會發展科技攻關項目(20dz1207802)

* 責任作者, 教授, gaonaiping@tongji.edu.cn