沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統的能耗路徑探討

王曉旭 常鵬濤 陸軍

摘要：為解決沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統存在的能耗高與能耗路徑不清晰等問題，本文以某船舶企業涂裝車間沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統為例，依據該處理系統運行的工藝流程與機理模型，分析運行的能耗路徑與系統內各組件的熱量平衡關系，提出能耗模型與能耗計算方法，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞：沸石轉輪+RTO；能耗；熱量平衡

基金項目：上海市2020年度“科技創新行動計劃”社會發展科技領域項目

項目名稱：低溫余熱深度利用技術研究及示范應用

項目編號：20dz1205700

隨著環保政策對VOCs（Volatile Organic Compound，揮發性有機污染物）的排放要求與管理要求逐漸嚴格，以船舶企業為代表的大型涂裝企業VOCs治理逐漸引起重視。在上海，船舶企業產生的VOCs貢獻了工業污染源VOCs排放的6.27%，船舶企業傳統的VOCs處理方式一般為活性炭凈化或“活性炭+CO”（Catalytic Oxidizer，催化氧化），以上處理方式雖然能較好地凈化廢氣中的VOCs，但由于現場管理不到位，活性炭不能定期更換與涂裝車間有機廢氣大風量瞬時高濃度等因素，造成以活性炭為主要凈化介質的處理方式往往不能滿足環保要求。

目前船舶企業VOCs治理的新建與改造工程多采用“沸石轉輪+ RTO（Regenerative Thermal Oxidizer，蓄熱式熱氧化器）”有機廢氣處理系統，該有機廢氣處理系統具有以下優點：第一，沸石轉輪可再生且無需頻繁更換，更換周期一般為5～6年。第二，VOCs凈化效率高，在應對船舶涂裝產生的寬幅波動VOCs廢氣具有良好的去除效果。第三，廢氣中的VOCs可二次利用，VOCs經濃縮后進入RTO中高溫氧化并釋放熱量，并為沸石轉輪高溫脫附提供熱量。

雖然沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統具有凈化效率高、凈化效果穩定等優點，但在運行過程中往往因為進入RTO的VOCs濃度過低不足以支持自燃，需要大量天然氣助燃以維持系統的運行。不僅會給企業造成較高的運行負擔，也會阻礙企業實現碳減排。針對該系統存在的能耗高與能耗路徑不清晰等問題，本文以某船舶企業涂裝車間沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統為例，依據該有機廢氣處理系統的機理模型，通過分析該處理系統運行的能耗路徑與系統內各組件的熱量平衡關系，提出該系統的熱量衡算方法。

一、能耗分析

沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統運行流程如下：由涂裝車間排風管收集的大風量低濃度有機廢氣經吸附風機的牽引作用進入預過濾器進行初步過濾，去除漆霧粉塵等雜質的有機廢氣進入沸石轉輪凈化后由排氣筒排放，VOCs吸附于沸石轉輪中，沸石轉輪的凈化效率一般為95%以上。RTO由天然氣助燃加熱爐膛溫度并產生高溫空氣進入換熱器，通過換熱風機將換熱器從RTO獲取的熱量輸送至沸石轉輪脫附端，沸石轉輪的脫附區域經加熱后使吸附的VOCs脫附，脫附后的VOCs經脫附風機形成高濃度小風量的脫附風進入RTO中，此廢氣進入RTO后先吸收RTO蓄熱體熱量至一定溫度后，由高溫氧化再釋放熱量以維持該系統的熱量平衡，高濃度有機廢氣經RTO凈化后排至排氣筒高空排放，三室RTO的凈化效率一般為99%以上。如果濃縮后的有機廢氣濃度高于一定濃度，其在高溫氧化釋放的熱量足以補充其在RTO內吸收的熱量，則無需天然氣助燃以維持該系統的熱量平衡。如果濃縮后的有機廢氣濃度較低，其在高溫氧化釋放的熱量不能補充在RTO內吸收的熱量，則需要天然氣助燃以維持該系統的熱量平衡。

在沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統的運行過程中，天然氣助燃與有機廢氣高溫氧化釋放熱量，熱量通過換熱器輸送至沸石轉輪以對VOCs進行脫附；吸附風機、脫附風機、換熱風機等風機組件由電能提供動力。綜上所述，沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統運行時涉及的能耗主要為熱能與電能，由于電能僅為系統內各風機組件運轉提供動力，而熱能則貫穿整個系統的運行。因此，本文僅討論該系統運行過程中熱能的能耗路徑。

（一）能耗輸入

沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統運行時的能耗輸入主要有外源輸入與內源輸入兩種形式，其中外源輸入主要為天然氣燃燒釋放的熱能，內源輸入主要為有機廢氣在RTO燃燒釋放的熱能。

（二）能耗輸出

沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統運行時的能耗輸出路徑主要包括RTO的外表面散熱、RTO的助燃風熱損耗、RTO的反吹風熱損耗、RTO出口煙氣熱損耗、RTO熱旁通的熱損耗以及RTO供給換熱器的熱量。

沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統的耗輸路徑如圖1所示。

二、能耗模型

（一）能耗平衡

沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統的能效模型主要由能耗輸入模型與能耗輸出模型組成，熱量平衡關系見式（1）。

Qbal=Qinput-Qoutput# （1）

式（1）中，Qinput主要為天然氣燃燒釋放熱量（kJ/h）與VOCs燃燒釋放熱量（kJ/h）；Qoutput主要為RTO的熱量損耗（kJ/h）。

（二）能耗輸入

沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統的能耗輸入熱量關系見式（2）。

Qinput=Qgas+QVOCs# （2）

式（2）中，Qinput主要為天然氣燃燒釋放熱量（kJ/h）與VOCs高溫氧化釋放熱量（kJ/h）之和；Qgas，天然氣燃燒釋放熱量，kJ/h；QVOCs，VOCs高溫氧化釋放熱量，kJ/h。

1.天然氣燃燒

天然氣燃燒釋放熱量關系見式（3）。

Qgas=qgas×Lgas# （3）

式（3）中，Qgas，天然氣燃燒釋放熱量（kJ/h）；qgas，標況下天然氣熱值，kJ/Nm3；Lgas，標況下天然氣流量，m3/h。

2.VOCs高溫氧化

VOCs高溫氧化釋放熱量關系見式（4）。

QVOCs=qVOCs×mVOCs# （4）

式（4）中，mVOCs為VOCs的質量流量（kg/h），由于mVOCs不能直接獲得，需結合沸石轉輪吸附端廢氣的VOCs濃度Ca、排氣筒出口VOCs濃度Cb、吸附風/排氣筒風量La獲得，見式（5）。

mVOCs=（Ca-Cb）×La×10－6# （5）

（三）能耗輸出

沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統的能耗輸出關系見式（6）。

Qoutput=Qxrt+Qe+Qz+Qf+Qg+Qh （6）

式（6）中，Qoutput，RTO的能耗輸出，kJ/h；Qxrt，RTO的外表面散熱，kJ/h；Qe，RTO的反吹風熱量損耗，kJ/h；Qz，RTO的助燃風熱量損耗，kJ/h；Qf，RTO—排氣筒的出口煙氣熱量損耗，kJ/h；Qg，RTO—排氣筒的高溫熱旁通熱量損耗，kJ/h；Qh，RTO—換熱器的熱量輸入，kJ/h。

1.外表面散熱

RTO的外表面散熱主要與RTO蓄熱體的散熱系數、蓄熱體表面積以及蓄熱體厚度有關，熱損耗關系如式（7）所示：

Qxrt=qxrt×Sxrt×σxrt# （7）

式（7）中，qxrt，RTO蓄熱體散熱系數，kJ/m3·h；Sxrt，RTO蓄熱體表面積，m2；σxrt，RTO蓄熱體厚度，m。

2.反吹風熱損耗

反吹風在進行RTO的蓄熱室吹掃時會吸收部分熱量導致熱損耗，RTO反吹風熱損耗主要與反吹風的質量流量、RTO爐膛溫度以及反吹風溫度有關，熱損耗關系如式（8）所示：

Qe=ρair×Le×Cair×（Trto-Te）# （8）

式（8）中，ρair，不同溫度與壓力下的空氣密度，kg/m3；Le，反吹風風量，m3/h；Cair，空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；Trto，RTO爐膛溫度，℃；Te，反吹風溫度，℃。

3.助燃風熱損耗

當RTO的爐膛溫度不能達到預設溫度時，需要提供助燃風以使天然氣充分燃燒釋放熱量，助燃風一般由助燃風機直接從室外空氣中抽取至RTO中，因此進入RTO的助燃風會吸收RTO的熱量導致熱損耗。

RTO助燃風熱損耗主要與助燃風的質量流量、RTO爐膛溫度以及助燃風溫度有關，熱損耗關系如式（9）所示：

Qz=ρair×Lz×Cair×（Trto-Tz）# （9）

式（9）中，ρair，不同溫度與壓力下的空氣密度，kg/m3；Lz，助燃風風量，m3/h；Cair，空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；Trto，RTO爐膛溫度，℃；Tz，助燃風溫度，℃。

4.出口煙氣熱損耗

經沸石轉輪濃縮后的有機廢氣進入RTO，有機廢氣中的VOCs一般組成為苯、甲苯、二甲苯、非甲烷總烴等，VOCs經高溫氧化后分解為CO2、H2O等以高溫煙氣形式由RTO排至排氣筒，出口煙氣一般也攜帶較多熱量。

RTO出口煙氣熱損耗主要與RTO出口煙氣的質量流量與溫度有關，熱損耗關系如式（10）所示：

Qf=ρair×Lf×Cair×Tf# （10）

式（10）中，ρair，不同溫度與壓力下的空氣密度，kg/m3；Lf，RTO出口煙氣的風量，m3/h；Cair，空氣比熱容[2]，kJ/（kg·℃）；Tf，RTO出口煙氣的溫度，℃。

5.高溫熱旁通熱損耗

RTO在運行過程中為確保凈化效率穩定，往往需要維持一定的爐膛溫度以確保進入的VOCs可以被充分高溫氧化，當RTO的爐膛溫度過高，可能導致爐體開裂甚至爆炸，因此，為確保RTO運行的穩定可靠，高溫熱旁通可為RTO及時排出多余的熱量以降低爐膛溫度。

RTO高溫熱旁通熱損耗主要與RTO高溫熱旁通的出口風量與出口溫度有關，熱損耗關系如式（11）所示：

Qg=ρair×Lg×Cair×Tg# （11）

式（11）中，ρair，不同溫度與壓力下的空氣密度，kg/m3；Lg，RTO高溫熱旁通出口風量，m3/h；Cair，空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；Tg，RTO高溫熱旁通出口溫度，℃。

6.換熱器的熱量供給

沸石轉輪需吸收熱量以脫附著在沸石表面的VOCs，此部分熱量一般由RTO傳至換熱器再由換熱器輸送至沸石轉輪，該部分熱量主要與換熱器的測入口進風的風量、溫度有關，熱損耗關系如式（12）所示：

Qh=ρair×Lh×Cair×Th# （12）

式（12）中，ρair，不同溫度與壓力下的空氣密度，kg/m3；Lh，換熱器的一次側入口的風量，m3/h；Cair，空氣比熱容，kJ/（kg·℃）；Th，換熱器的一次側入口溫度，℃。

三、結語

沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統具有凈化效率高、凈化效果穩定等優點，適用于以船舶企業為代表的大型涂裝企業，尤其對船舶企業涂裝作業存在著不連續性且涂裝廢氣中VOCs濃度瞬時波動大等問題，具有較好的適用性。

本文以沸石轉輪+RTO有機廢氣處理系統為研究對象，依據該有機廢氣處理系統的機理模型，梳理并搭建該有機廢氣處理系統的能耗路徑與能耗模型，揭示該有機廢氣處理系統內各組件的熱量平衡關系，并給出計算方法，以期為相關人員提供參考。

參考文獻：

[1]覃顯益，高乃平，高久唯，等.RTO熱力平衡核算及天然氣消耗量影響因素分析[J].中國環境科學，2021，41（10）：4837-4842.

[2]王燕鋒，王培良.工業有機廢氣處理技術分析及前景展望[J].湖州職業學院，2015（03）：1-4.

[3]王曉旭，李東輝，蒙瀟然，等.沸石轉輪+RTO在船舶企業非連續涂裝作業工況下的節能控制研究[J].低碳世界，2021，11（10）：6-7.

[4]丁映春.沸石濃縮轉輪系統在噴漆室廢氣治理中的應用[J].現代涂料與涂裝，2015，18（08）：70-72.

[5]姜榮行，張焜照.蓄熱式燃燒技術在金屬表面涂裝中VOCs處理應用和工程實踐[A].中國建筑材料聯合會金屬復合材料分會2015年年會暨行業創新論壇論文集，2015.

[6]任玲輝，彭聰.包裝印刷行業VOCs治理方法[A].2018年全國VOCs治理與監測高峰論壇論文集，2018.

[7]胡盤新.大學物理手冊（第2版）[M].上海：上海交通大學出版社，2007.

作者簡介：王曉旭（1994），男，安徽省六安市人，碩士研究生，助理工程師，從事廢氣污染控制工作。