基于沸石轉(zhuǎn)輪的吸附濃縮VOCs 治理系統(tǒng)余熱利用分析

常鵬濤

中船第九設計研究院工程有限公司

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)環(huán)保要求越來越嚴格，VOCs治理的情況大幅改善，大批的企業(yè)通過源頭減排、末端治理等措施，使企業(yè)VOCs 排放的情況達到了相關規(guī)范和標準的要求，空氣質(zhì)量大幅改善，工人的生產(chǎn)環(huán)境也有了顯著的提升，我們又看到了久違的藍天白云，呼吸到了新鮮的空氣。

在VOCs 治理日漸完善后，大部分上馬VOCs末端治理設備的企業(yè)把目光的焦點轉(zhuǎn)移到了另一個問題上，就是VOCs治理設備的能耗問題，焦點主要集中在以下幾方面：一是生產(chǎn)負荷的變化對VOCs 氣體的揮發(fā)產(chǎn)生了周期性或非周期性波動，設備的能耗在生產(chǎn)負荷波動的過程中變化較大，特別是生產(chǎn)負荷較低的時候，VOCs 末端治理設備的能耗顯著上升；二是VOCs 治理設備以CO、RTO 為代表的焚燒法會產(chǎn)生大量的末端尾氣，尾氣帶走大量的熱量，造成了能量的流失。

本文就上文中的第二個問題展開討論，以涂裝車間的末端VOCs治理設備為研究對象，以“沸石轉(zhuǎn)輪+RTO”的典型末端治理系統(tǒng)為分析模型，探討VOCs末端治理設備的余熱利用思路。

本文重點針對上海某重工企業(yè)的涂裝車間VOCs 治理系統(tǒng)，以典型的系統(tǒng)進行余熱量分析，對余熱的可利用數(shù)量、利用途徑、利用方法等展開討論。典型VOCs 治理系統(tǒng)的流程見圖1。VOCs 治理系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

表1 VOCs治理系統(tǒng)主要參數(shù)

圖1 典型VOCs治理系統(tǒng)流程圖

根據(jù)采取的工藝不同，VOCs 治理設備主要分為濃縮治理和不濃縮治理兩類，當采取不濃縮治理時，其治理設備排出的熱風可以在余熱利用中直接排入煙囪，該類VOCs 治理設備余熱利用計算相對簡單，本文重點討論上述典型VOCs治理系統(tǒng)（吸附濃縮+燃燒氧化）中的余熱利用。

在上述系統(tǒng)中，其熱量的產(chǎn)生來源主要有兩處：一處是RTO 中的燃燒器燃燒產(chǎn)生的熱量，其來源為天然氣等化石能源或者電力能源；另一處是VOCs 自身發(fā)生氧化反應產(chǎn)生的熱量。本文對熱量的產(chǎn)生不展開具體計算，僅對上述項目中的可利用余熱及利用方法展開討論，進而為VOCs 治理行業(yè)的余熱利用提供借鑒。

1 可利用余熱熱量計算

首先，在上述典型項目中，明確其余熱用途，由于VOCs 治理設備的余熱具體有以下特點：品質(zhì)較低，一般VOCs 治理系統(tǒng)的可利用余熱溫度在80～120 ℃左右，且熱量由空氣承載，因此其品質(zhì)不高；熱能總量較大；具有時效性，在噴漆及固化階段，設備開啟時，有余熱可以利用，在設備關閉后余熱也相應停止供應。基于上述特點，將該項目的廢氣余熱進行風風換熱后，供車間冬季采暖是比較合適。

因此熱交換器一次側(cè)/二次側(cè)的溫度參數(shù)為：一次側(cè)出口溫度25 ℃；二次側(cè)進/出口30 ℃/0 ℃（默認為南方環(huán)境，二次側(cè)設計參數(shù)按照上述計算）。

該典型VOCs治理系統(tǒng)每天可利用余熱總量計算如下。

（1）熱交換器余熱風量計算：

（2）換熱器一次側(cè)廢氣可用余熱計算[1］：

（3）RTO尾氣可用余熱熱量計算[1］：

（4）一般產(chǎn)生VOCs的車間需要采暖時，車間采用微負壓狀態(tài)，避免車間內(nèi)VOCs 氣體逸散到車間外的空氣當中，因此送風取排風量的85%，車間送風需要的熱量為：

（5）根據(jù)《建筑設計防火規(guī)范》（GB 50016）中第9.1.4 的相關要求[2］，產(chǎn)生VOCs的車間一般有易燃物存在，其空氣不應循環(huán)利用，因此如果要對余熱進行合理利用供車間采暖，需要采用交換裝置，熱交換裝置的效率取85%，計算該典型VOCs 末端治理系統(tǒng)的可轉(zhuǎn)化熱量為Q1=(Q11+Q12)×0.85 =14 933 764 kJ/d，折算標準煤約14 933 764/29 307=510 kgce，折耗電約14 933 764/3 600=4 148 kWh，折天然氣約14 933 764/38 460=388 m3。

可轉(zhuǎn)化熱量占車間需求熱量的比例為14 933 764/37 541 950=40%

由此可知，該末端治理系統(tǒng)可以提供的余熱，在冬季環(huán)境溫度為0 ℃的時候，可以滿足車間40%的采暖熱風需求，當環(huán)境溫度高于0 ℃時，VOCs 末端治理設備可以提供的余熱熱量是不會發(fā)生變化的，因此其可以滿足車間采暖熱風的需求比例會根據(jù)溫度的不同有一定的增加，當環(huán)境溫度上升到10 ℃時，熱量需求量變?yōu)樵瓉淼?/3，此時VOCs 治理系統(tǒng)余熱的可轉(zhuǎn)化熱量占車間采暖需求熱量的比例為40%×3/2=60%。

2 VOCs末端治理系統(tǒng)余熱利用存在的問題

我們通過對典型VOCs末端治理設備的可利用余熱計算，通過冬季采暖的方式將余熱加以利用，可以看到經(jīng)濟效益是比較明顯的。考慮到南北方差異，北方企業(yè)冬季采暖大都采用市政熱電廠熱源，南方更多采用天然氣熱風機組、熱泵機組、電熱風機組等方式采暖，因此，考慮余熱利用時，南方的經(jīng)濟效益要明顯好于北方。接下來，我們同樣以上述典型VOCs 末端治理系統(tǒng)為例，梳理該系統(tǒng)余熱利用過程中存在的問題。

1）供熱時間與用熱時間的匹配[7］

在車間的生產(chǎn)過程中，VOCs 氣體的產(chǎn)生是與生產(chǎn)緊密關聯(lián)的，而大部分VOCs 治理設備的企業(yè)其VOCs治理設備余熱和供應周期和企業(yè)自身熱能的需求周期是有一定的偏差的，需要設計人員通過合理的設計和計算，為企業(yè)自身做好供需關系上的匹配。

2）余熱無法完全滿足車間用熱需求

從本文的計算中，可以看到一個典型的涂裝車間，在設計條件下，僅通過余熱是無法滿足車間用熱需求的，這就需要另外設置補熱設備或功能，并涉及不同的熱源之間供熱量及供熱時間上的互補。

3）冬夏季余熱利用空間差異大

以上海為例，冬季采暖季一般3-5 個月，也就是說如果余熱的熱源用來采暖，其季節(jié)性是非常明顯的，理想的余熱利用是VOCs 治理設備產(chǎn)生的余熱供車間生產(chǎn)用熱，從而避免季節(jié)性與供需時間的不匹配。

4）在充分利用余熱的同時，需確保VOCs 治理設備的穩(wěn)定性和排放達標性能

VOCs 治理設備的達標性、安全性和穩(wěn)定性都是非常重要的，余熱的取用會在一定程度上影響VOCs 治理設備內(nèi)部風壓的穩(wěn)定性，部分情況下會對其安全性造成影響，這些都是設計人員在制定方案時需要考慮的。

3 結論

在有效保證VOCs 治理設備的達標、安全以及穩(wěn)定運行的前提下，其余熱是可以考慮充分利用的，根據(jù)企業(yè)不同的用熱情況可以將余熱以熱風或熱水的形式用于生產(chǎn)或生活，VOCs 治理設備的余熱品質(zhì)低、總量大，應用有一定的局限性，是否有應用場景以及應用場景是否匹配是設備余熱是否能夠有效利用的重要基礎，優(yōu)秀的能源綜合應用方案是實現(xiàn)VOCs治理設備余熱利用的有效途徑，在“雙碳”背景下的今天，區(qū)域化的能源調(diào)度是大勢所趨，在一定程度上能夠為VOCs治理設備余熱的應用場景提供更多選擇的余地。