郭 壇

(上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海 200011)

以市場(chǎng)為導(dǎo)向，彩涂板及印花板產(chǎn)品越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于建材及家電行業(yè)。致力于高端彩涂產(chǎn)品、追求產(chǎn)品附加值，已成為各新型材料公司的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)方向[1]。然而，彩涂板固化時(shí)產(chǎn)生的廢氣中含有大量的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)，伴隨著環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，不可避免地需要經(jīng)過(guò)焚燒處理達(dá)標(biāo)后方可排放。與此同時(shí)，利用換熱裝置將有機(jī)化合物燃燒后釋放的大量熱能進(jìn)行最大程度的回收，并用于本機(jī)組化涂爐、固化爐等處，用以加熱帶鋼，達(dá)到環(huán)保節(jié)能的雙贏效果[2]。因此，焚燒爐是彩涂機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備。筆者從結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)兩種焚燒爐的設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用做一介紹。

1 直燃式焚燒爐TO

1.1 工作原理

來(lái)自固化爐的廢氣，依次經(jīng)過(guò)換熱器組進(jìn)行預(yù)熱。然后進(jìn)入燃燒氧化室裂解，加熱升溫到760 ℃左右，使廢氣中的VOC氧化分解成CO2和水蒸氣。氧化后的高溫氣體再反向依次通過(guò)如上所述換熱器組與來(lái)自固化爐的廢氣進(jìn)行熱交換，使廢氣在進(jìn)入燃燒室前溫度升至550 ℃左右。在中溫?fù)Q熱器與二級(jí)高溫?fù)Q熱器之間設(shè)有管道接口，直接將一部分500 ℃左右焚燒后的高溫氣體直接送往固化爐供熱。剩余部分氣體通過(guò)換熱器組后，進(jìn)入余熱回收裝置。最終，煙氣溫度降為150 ℃以下，經(jīng)風(fēng)機(jī)由煙囪排出。經(jīng)計(jì)算，該焚燒爐系統(tǒng)最大處理風(fēng)量設(shè)計(jì)為35 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))。工藝流程圖如圖1所示。

1.2 設(shè)備構(gòu)成

TO焚燒爐系統(tǒng)由一個(gè)燃燒裂解室、一組高溫一級(jí)換熱器、一組高溫二級(jí)換熱器、一組中溫?fù)Q熱器、一組低溫?fù)Q熱器、一組余熱回收氣-氣換熱器、一組余熱回收氣-水換熱器、一套燃燒機(jī)系統(tǒng)、一臺(tái)VOC廢氣引風(fēng)機(jī)、一臺(tái)排煙風(fēng)機(jī)以及相配套的閥門(mén)管道和控制系統(tǒng)等組成。其中燃燒裂解室與溫?fù)Q熱器組實(shí)際組合安裝在一起，形成一個(gè)整體，總體外形尺寸30 m×2.5 m×2.7 m(長(zhǎng)×寬×高)。

1.2.1 TO燃燒裂解室

TO燃燒裂解室是焚燒爐系統(tǒng)中的主要設(shè)備。燃燒裂解室外形尺寸9.5 m×2.5 m×2.7 m(長(zhǎng)×寬×高)，主體結(jié)構(gòu)為Q235鋼板氣密性焊接而成，外部設(shè)置型鋼骨架。選用1260型陶瓷纖維模塊作為保溫材料，模塊尺寸規(guī)格為300 mm×300 mm×200 mm(長(zhǎng)×寬×高)，內(nèi)襯0.8 mm的SUS310S不銹鋼板，確保爐膛清潔，有利于板面質(zhì)量。熱氧化室外壁溫升不超過(guò)40 ℃。內(nèi)筒及中筒由8 mm厚的SUS310S不銹鋼板焊接而成。

燃燒裂解室設(shè)有燃燒機(jī)系統(tǒng)一套，額定功率約為4.07 MW。爐膛設(shè)置雙支熱電偶，一支是檢測(cè)燃燒室溫度，通過(guò)連鎖反饋進(jìn)而控制燃燒機(jī)出力；另一支是反饋燃燒裂解室溫度用于連鎖安全報(bào)警，達(dá)到溫度上限時(shí)，控制燃燒機(jī)關(guān)閉。利用雙支熱電偶實(shí)時(shí)反映室內(nèi)溫度，便于及時(shí)調(diào)節(jié)燃?xì)饬俊?/p>

圖1 TO工藝流程圖

燃燒裂解室設(shè)有壓力變送器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爐內(nèi)壓力。將信號(hào)反饋給排煙風(fēng)機(jī)，進(jìn)而通過(guò)變頻器調(diào)整排煙風(fēng)機(jī)輸出大小，始終維持爐膛負(fù)壓工作狀態(tài)。廢氣引風(fēng)機(jī)將系統(tǒng)中的VOC廢氣引至換熱器組及燃燒裂解室，利用壓力傳感器控制其變頻輸出，使得固化爐入口處于微負(fù)壓狀態(tài)。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置有濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置(LEL)，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.2 換熱器組

高、中、低溫?fù)Q熱器組主要是對(duì)含VOC的廢氣進(jìn)行預(yù)熱，使其進(jìn)燃燒室之前具有一定的溫度。高溫一、二級(jí)換熱器材質(zhì)選用SUS310S不銹鋼，經(jīng)計(jì)算，換熱面積分別為230及280 m2；中、低溫?fù)Q熱器選用不銹鋼材質(zhì)，牌號(hào)依次為SUS321及SUS304。換熱面積分別為350及400 m2。

余熱換熱器安裝于廢氣管道上，并設(shè)置帶PID調(diào)節(jié)閥的旁通管道。余熱回收換熱器用于將煙氣系統(tǒng)中剩余的熱量進(jìn)一步回收，先經(jīng)過(guò)氣-氣換熱器給新鮮熱空氣加熱，熱空氣用于化涂烘干爐補(bǔ)熱及熱風(fēng)烘干裝置供熱。換熱器材質(zhì)選用SUS304不銹鋼，換熱面積為300 m2；再利用氣-水換熱器給清洗段堿液及脫鹽水供熱[3]，使其維持在工藝溫度下工作，換熱器材質(zhì)選用SUS304不銹鋼，換熱面積為200 m2。最終煙氣溫度降至150 ℃以下，經(jīng)由排煙風(fēng)機(jī)排出煙囪。實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱能盡可能的回收利用。

1.3 使用性能

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用效果，采用直燃焚燒爐TO焚燒的工藝，給固化爐直接供熱，出爐產(chǎn)品質(zhì)量滿足建材板的要求。應(yīng)用余熱回收技術(shù)，將燃燒后的熱量盡可能的回收用于本機(jī)組，天然氣消耗量低至12 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))以下。煙囪處廢氣排放指標(biāo)可以滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。既實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，又達(dá)到了環(huán)保的需求。結(jié)合TO焚燒爐造價(jià)相對(duì)較低，一直受到部分企業(yè)的青睞。

2 蓄熱式焚燒爐RTO

2.1 工作原理

來(lái)自固化爐的有機(jī)廢氣首先經(jīng)過(guò)1#蓄熱室進(jìn)行吸熱、升溫，蓄熱體完成放熱過(guò)程。然后進(jìn)入氧化裂解室，在約800 ℃的工況溫度下，使廢氣中的VOC發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，裂解為CO2和水蒸氣。氧化裂解后的高熱氣體再通過(guò)2#蓄熱室進(jìn)行放熱、降溫，蓄熱體完成蓄熱過(guò)程。煙氣排出RTO 爐體后，進(jìn)入換熱器組。再經(jīng)過(guò)余熱回收裝置，最終利用排煙風(fēng)機(jī)由煙囪排出。此循環(huán)階段，3#蓄熱室處于吹掃模式。將殘留的VOC氣體引至循環(huán)管道，參與循環(huán)，從而達(dá)到凈化效果。3個(gè)蓄熱室根據(jù)循環(huán)周期自行切換，循環(huán)周期大小根據(jù)處理效果靈活可調(diào)。RTO的熱交換是采用蓄熱體與煙氣直接接觸而產(chǎn)生換熱的方式。因此，換熱效率極高。

為減少涂層室異味兒，營(yíng)造良好的工作環(huán)境。利用濃縮轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)對(duì)涂層室、印花室等處的低濃度VOC氣體進(jìn)行收集、濃縮。濃縮后的氣體經(jīng)過(guò)換熱器組進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到一定溫度后通往固化爐。實(shí)現(xiàn)了利用新鮮熱空氣間接加熱帶鋼，提升了板面質(zhì)量。經(jīng)計(jì)算，該機(jī)組焚燒爐系統(tǒng)最大處理風(fēng)量設(shè)計(jì)為25 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))。工藝流程圖如圖2所示，一個(gè)循環(huán)中各室工況狀態(tài)見(jiàn)表1。

圖2 RTO工藝流程圖

表1 一個(gè)循環(huán)各室工況狀態(tài)

2.2 設(shè)備構(gòu)成

本系統(tǒng)采用三室RTO結(jié)構(gòu)，主要包括1個(gè)燃燒裂解室、3個(gè)蓄熱室、引風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、換熱風(fēng)機(jī)、換向閥門(mén)以及相配套的管道和控制系統(tǒng)等。燃燒裂解室及蓄熱室組成一個(gè)整體，整體外形尺寸為15 m×2.8 m×6 m(長(zhǎng)×寬×高)。

2.2.1 RTO燃燒裂解室

RTO燃燒裂解室是焚燒爐系統(tǒng)中的主要組成部分，外形尺寸為15 m×2.8 m×2.5 m(長(zhǎng)×寬×高)。是廢氣中VOC分解的主要場(chǎng)所。裂解室外殼由Q235鋼板氣密性焊接而成，外部設(shè)置型鋼骨架。選用1260型陶瓷纖維模塊作為保溫材料，模塊尺寸規(guī)格為300 mm×300 mm×300 mm(長(zhǎng)×寬×高)，內(nèi)襯1.0 mm的SUS316L不銹鋼板，確保爐膛清潔，有利于板面質(zhì)量。裂解室外壁溫升不超過(guò)40 ℃。

燃燒裂解室頂部設(shè)有燃燒機(jī)系統(tǒng)1套，額定功率約為2.33 MW，采用全自動(dòng)比例調(diào)節(jié)控制方式。當(dāng)廢氣中有機(jī)物濃度有波動(dòng)時(shí)，燃燒器自動(dòng)開(kāi)啟，使煙氣溫度達(dá)到設(shè)定要求。爐膛設(shè)置雙支熱電偶，作為溫度檢測(cè)并反饋信號(hào)，控制系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，并設(shè)有超溫報(bào)警功能。燃燒裂解室設(shè)有壓力變送器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)爐內(nèi)壓力，始終維持爐膛微正壓工作狀態(tài)。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置有濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置(LEL)。

2.2.2 RTO蓄熱室

蓄熱室為RTO系統(tǒng)中的蓄熱及放熱部分，外形尺寸15 m×2.8 m×2.2 m(長(zhǎng)×寬×高)。蓄熱體按一定規(guī)則堆放于蓄熱室內(nèi)，是高溫氣體蓄熱的載體。通過(guò)與廢氣及高溫氣體流動(dòng)接觸，完成熱量的吸收與釋放過(guò)程。設(shè)計(jì)選用蜂窩狀陶瓷蓄熱體，規(guī)格尺寸為305 mm×305 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬×高)，截面孔隙率為67%。蓄熱室整體采用上。下雙層布置方式。下層選用炻石蓄熱體，堆放6層；上層選用致密堇青石，堆放12層。蓄熱體支架由不銹鋼焊接而成，并采用防腐處理。另蓄熱室設(shè)計(jì)有富裕的安裝空間，可根據(jù)實(shí)際需要決定是否增設(shè)蓄熱體。此種布置方式具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、壓損小、蓄熱性?xún)?yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，進(jìn)氣與排氣實(shí)際溫差≤60 ℃。

2.2.3 換熱器組

換熱器組主要由高、中、低溫?fù)Q熱器組成。換熱器材質(zhì)依次為SUS310S、SUS321及SUS304不銹鋼，總換熱面積為800 m2；同時(shí)，在煙氣主管設(shè)置余熱回收氣-水換熱器，給清洗段堿液及脫鹽水供熱，余熱換熱器選用不銹鋼材質(zhì)，牌號(hào)為SUS304。經(jīng)計(jì)算，換熱面積大小設(shè)計(jì)為252 m2。

2.3 使用性能

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用效果，采用蓄熱式焚燒爐RTO焚燒的工藝，給固化爐間接供熱。出爐產(chǎn)品表面質(zhì)量高，完全滿足高檔建材及家電板的要求。應(yīng)用蓄熱式燃燒技術(shù)，熱回收效率高，可達(dá)95%以上。同時(shí)利用余熱回收技術(shù)將煙氣中的熱量進(jìn)一步回收，用于本機(jī)組，天然氣消耗量低至8 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))以下。煙囪處廢氣排放指標(biāo)相比TO更加優(yōu)異。

3 應(yīng)用對(duì)比

根據(jù)以上兩種焚燒爐的工程應(yīng)用案例，從產(chǎn)品質(zhì)量、能源消耗、環(huán)保效果及工程造價(jià)方面做一應(yīng)用對(duì)比表格，見(jiàn)表2。

表2 TO及RTO應(yīng)用對(duì)比表

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以?xún)蓚€(gè)實(shí)際應(yīng)用的工程案例為依據(jù)，闡述直燃式焚燒爐TO及蓄熱式焚燒爐RTO兩種熱工設(shè)備的工藝原理、設(shè)備構(gòu)成及應(yīng)用對(duì)比。通過(guò)表格對(duì)比來(lái)看，除工程造價(jià)外，RTO各方面綜合性能均較為優(yōu)越。在進(jìn)行類(lèi)似熱工設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需求及造價(jià)等因素綜合權(quán)衡。希望通過(guò)本文的應(yīng)用實(shí)例，能為類(lèi)似工程的選型設(shè)計(jì)提供一個(gè)參考。