楊柏松

(重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 401122)

彩涂鋼板的生產(chǎn)過程，排放出大量的廢氣、廢水和部分的廢渣。尤其是廢氣，是涂裝污染最棘手的問題，涂裝過程中約50%為溶劑性涂料，溶劑及所加的稀料進(jìn)入大氣中，對大氣臭氧產(chǎn)生很大的破壞作用并產(chǎn)生嚴(yán)重的溫室效應(yīng)；在涂裝作業(yè)點(diǎn)，則對工人身體健康產(chǎn)生直接的危害和潛在的燃爆事故隱患。

為此，世界各國都制定了嚴(yán)格的控制揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)排放法規(guī)，促使涂裝生產(chǎn)采用低污染涂料并采取有效的污染治理措施，減少溶劑的污染作用。

普遍的廢氣處理都采用了焚化處理方法，將廢氣加熱到650～800 ℃的著火點(diǎn)溫度以上，將含氧共存廢氣與高溫火焰接觸1.6 s，以充分氧化分解為CO2和H2O。焚化處理廢氣的關(guān)鍵是廢氣與火焰的混合、接觸時(shí)間及處理溫度。該處理方法簡單、效率高，但燃料消耗大，對低濃度廢氣不經(jīng)濟(jì)。但對于彩涂加熱烘干的設(shè)備，非常適宜采用直接燃燒法處理廢氣，另外，通過對排出熱氣的余熱回收，可降低運(yùn)行費(fèi)用，以擴(kuò)大直接燃燒治理廢氣的應(yīng)用范圍。

隨著近年來鋅鋁鎂防腐鍍層的迅猛發(fā)展，結(jié)合氟碳涂層的商業(yè)用半正在成為市場的新寵，其理由是卓越的防腐性能結(jié)合耐候性，沿海廠房等基地建設(shè)屋面板的需要求變得越來越迫切，針對氟碳涂層的鍍膜增厚的新要求，三涂三烘的生產(chǎn)工藝被越來越多的采用，隨著鍍膜厚度的增加，VOC用量增加和越來越高的環(huán)保要求，一種RTO(蓄熱式熱力焚化爐)被廣泛采用，對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的DTO(直燃式熱力焚化爐)結(jié)合換熱器的方式也提出了技術(shù)和節(jié)能方面的挑戰(zhàn)，因此有必要對家電板所使用的彩涂機(jī)組熱能利用系統(tǒng)進(jìn)行論證對比，以期達(dá)到尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的目的。

1 蓄熱式熱力焚化爐的工作原理

蓄熱式熱力焚化爐(regenerative thermal oxidizer,簡稱RTO),工作原理是有機(jī)廢氣經(jīng)預(yù)熱室吸熱升溫后，進(jìn)入燃燒室高溫焚化(升溫到800 ℃)，使有機(jī)物氧化成二氧化碳和水，再經(jīng)過另一個(gè)蓄熱室蓄存熱量后排放，蓄存的熱量用于預(yù)熱新進(jìn)入的有機(jī)廢氣，經(jīng)過周期性的改變氣流方向從而保持爐膛溫度的穩(wěn)定。

RTO設(shè)備的工作過程見圖1，該設(shè)備有三個(gè)對稱的蓄熱室和二個(gè)燃燒室，有機(jī)廢氣在鼓風(fēng)機(jī)作用下先進(jìn)入陶瓷蓄熱室1，吸熱后進(jìn)入燃燒室，蓄熱室1因放熱而降溫，燃燒升溫后的氣體進(jìn)入蓄熱室2，通過熱交換把熱量蓄存在蓄熱室2的陶瓷蓄熱體中，然后排出。同時(shí)蓄熱室3空間中的殘留未處理有機(jī)廢氣被凈化后的氣體反吹回燃燒室進(jìn)行焚化處理。經(jīng)過一定時(shí)間(比如2 min)后，氣流改變方向從蓄熱室2進(jìn)入燃燒室，通過蓄熱室2吸收熱量升溫后，在爐膛內(nèi)高溫焚化，最后經(jīng)蓄熱室3熱交換后排放，同時(shí)蓄熱室1處于反吹掃狀態(tài)，經(jīng)一定時(shí)間(比如2 min)后，氣流再改變方向，不斷地交替循環(huán)，保證燃燒室溫度在800 ℃以上，從而保證高的去除率和換熱效率。

圖1 RTO工作原理圖

RTO設(shè)備由三個(gè)蓄熱室、二個(gè)燃燒室、六個(gè)主氣流切換閥組成(見圖2)。蓄熱室內(nèi)裝滿蜂窩陶瓷蓄熱體，每個(gè)燃燒室裝一個(gè)帶比例調(diào)節(jié)的液化石油氣燃燒器。每個(gè)燃燒器的供熱能力是通過爐膛內(nèi)的溫度反饋信號經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)，此外燃燒系統(tǒng)還帶有點(diǎn)火前的自動(dòng)預(yù)吹掃、熄火保護(hù)、超溫報(bào)警和超溫自動(dòng)切斷燃料供給等功能。RTO爐共有預(yù)吹掃、點(diǎn)火、升溫、焚化、保溫、后吹掃停機(jī)六種狀態(tài)，當(dāng)RTO爐處于預(yù)吹掃、點(diǎn)火、升溫、保溫、后吹掃停機(jī)五種狀態(tài)時(shí)，烘干室的廢氣全部直接排放。本設(shè)備可根據(jù)各個(gè)烘干室的開停狀態(tài)自動(dòng)給出RTO爐的實(shí)際運(yùn)行風(fēng)量，再通過變頻器自動(dòng)地調(diào)整RTO爐系統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和風(fēng)量，以保證烘干室的正常工藝生產(chǎn)，一旦RTO爐發(fā)生故障，RTO爐將向各烘干室發(fā)出信號，廢氣直接排空，RTO爐轉(zhuǎn)入故障吹掃狀態(tài)。

圖2 三室RTO單體設(shè)備圖

2 RTO性能特點(diǎn)

凈化效率高：三室可達(dá)99%。

換熱效率高(>90%)；節(jié)能，有機(jī)廢氣3g/m3(標(biāo)準(zhǔn))以上濃度就可達(dá)熱平衡。

阻力低，風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率小，節(jié)能，運(yùn)行費(fèi)用較低。

耐高溫(1 000 ℃)，正常溫度為800～850 ℃[2]。

含VOC的廢氣需要從排放溫度220 ℃經(jīng)過RTO焚化后的清潔廢氣排放溫度為289 ℃。

3 和直燃式熱力焚化爐的單體設(shè)備對比

RTO同直燃式熱力焚化爐(見圖3)(directive thermal oxidizer,簡稱DTO)的單一設(shè)備能耗對比，傳統(tǒng)的直燃式熱力焚化爐需要將VOC加熱到760 ℃以上，而且焚化時(shí)間需要1.6 s以上，因此常常因?yàn)榛旌貌缓谩囟炔痪鶆?、造成焚化效率不夠高；而且含VOC的廢氣需要從排放溫度220 ℃預(yù)熱到450 ℃，再次用大燒嘴提溫到760 ℃以上，而從焚化爐直接排除的煙氣溫度經(jīng)過廢氣一級預(yù)熱器后的溫度還有650 ℃。

圖3 DTO單體設(shè)備圖

因此，單項(xiàng)對比DTO和RTO的設(shè)備能耗，把RTO作為單體設(shè)備用在汽車烘涂、醫(yī)藥等單一廢氣處理，其氮氧化物排放、VOC凈化效果、能源消耗率都使RTO同傳統(tǒng)DTO相比具有極大的技術(shù)與運(yùn)營優(yōu)勢。

4 彩涂鋼板生產(chǎn)機(jī)組的2種不同焚化爐結(jié)合固化爐的綜合熱能系統(tǒng)對比(RTO對比DTO)

以圖4的二涂二烘的生產(chǎn)工藝為例，參照圖5的傳統(tǒng)DTO結(jié)合固化爐換熱方式的系統(tǒng)圖，烘烤固化爐需要至少400 ℃的固化循環(huán)熱風(fēng)溫度，而這一溫度采用傳統(tǒng)的DTO焚化爐直接排除的煙氣溫度經(jīng)過廢氣一級預(yù)熱器后的溫度還有650 ℃，因此繼續(xù)通過二次換熱器通過400 ℃以上的固化循環(huán)熱風(fēng)是比較容易的，因此在固化爐各個(gè)區(qū)域繼續(xù)增加小燒嘴的必要性不大，只是增加了調(diào)節(jié)的靈活性。

圖4 傳統(tǒng)的二涂二烘彩涂鋼板機(jī)組布置圖

圖5是傳統(tǒng)的DTO結(jié)合固化爐的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這一系統(tǒng)如果取消分區(qū)小燒嘴就是目前尤其采用焦?fàn)t煤氣全換風(fēng)式彩涂熱系統(tǒng)，特點(diǎn)是遵循了梯度利用溫度的有效辦法，也是目前最普遍的用法。

圖5 傳統(tǒng)DTO結(jié)合固化爐換熱器方式+補(bǔ)燃方式的系統(tǒng)圖

排煙側(cè)：焚化后廢氣排放溫度800 ℃，經(jīng)一級需要焚化的廢氣換熱器后排放溫度650 ℃，經(jīng)補(bǔ)入新風(fēng)換熱器后的溫度為350 ℃，供下游清洗段利用或者排放。

回收側(cè)：固化爐排放廢氣220 ℃經(jīng)一級需要焚化的廢氣換熱器后達(dá)到450 ℃，進(jìn)入焚化爐焚燒，補(bǔ)入新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)換熱器后的溫度為400 ℃送入固化爐。

這一設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)范圍廣泛，無論天然氣、焦?fàn)t煤氣作為燃料都適用，其次是適應(yīng)從建材到高端家電的不同清潔程度的所有要求，取決于新風(fēng)過濾的清潔程度；這一設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是能耗指標(biāo)要高些，取決于新風(fēng)換熱器的換熱效率，因此很多場合都采用金屬板式換熱器。

因此，傳統(tǒng)的DTO方式結(jié)合換熱器設(shè)計(jì)，就是充分利用了不同溫度的利用價(jià)值是不一樣的，是將溫度的梯度利用徹底發(fā)揮出來，將換熱器的換熱效率提高到了極致的結(jié)果。

圖6為RTO結(jié)合清潔能源燒嘴分段補(bǔ)燃式固化爐的系統(tǒng)圖。

排煙側(cè)：260 ℃的廢氣在爐內(nèi)經(jīng)蓄熱體后很容易達(dá)到800 ℃，而焚化后廢氣排放溫度僅為290 ℃，無法為下游熱能用戶提供有效熱源。

回收側(cè)：補(bǔ)入新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)換熱器后的溫度僅為150 ℃(廢氣溫度僅為290 ℃)，無法滿足固化爐的循環(huán)固化熱風(fēng)溫度要求。

因此為了達(dá)到各區(qū)的至少400 ℃循環(huán)固化熱風(fēng)溫度的要求，就需要對換熱后的150 ℃新風(fēng)進(jìn)行升溫處理，處理方法就變得十分重要。

采用清潔燒嘴直接燃燒升溫，無疑是達(dá)到了最高的熱能利用率，是符合溫度梯度利用的原理的。

而且該系統(tǒng)中最重要的部分已經(jīng)不是RTO了，而是補(bǔ)燃的清潔燒嘴到底清潔到什么程度，這也就是為什么圖5中的補(bǔ)燃燒嘴成為了頂級家電板生產(chǎn)需求的分水嶺。

針對圖6的熱能分析，RTO部分有效地利用了蓄熱式燃燒的技術(shù)特點(diǎn)，熱效率高達(dá)89%以上，因此噸鋼燃耗僅為4 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))天然氣。

圖6 RTO結(jié)合清潔能源燒嘴分段補(bǔ)燃式固化爐的系統(tǒng)圖

而清潔燒嘴將新鮮熱風(fēng)從150 ℃提高到400 ℃，分解到噸鋼燃耗僅為13 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))天然氣。

因此RTO結(jié)合清潔能源燒嘴分段補(bǔ)燃式固化爐的彩涂熱能綜合利用系統(tǒng)噸鋼燃耗不超過17 m3/t(標(biāo)準(zhǔn))天然氣。

但質(zhì)疑這一系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問題是是否足夠的清潔，而可以讓補(bǔ)燃清潔燒嘴直接將燃燒產(chǎn)物混入新鮮熱風(fēng)，因此就產(chǎn)生衍生的一種設(shè)計(jì)，詳見圖7。

圖7 RTO結(jié)合換熱式燒嘴分段補(bǔ)燃式固化爐的系統(tǒng)圖

圖7為RTO結(jié)合換熱式燒嘴分段補(bǔ)燃式固化爐系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)就是為了消除因燃燒產(chǎn)物污染新鮮熱風(fēng)的隱患，但違背了溫度最有效利用的原則，因?yàn)镽TO后的新風(fēng)換熱器只能提供150 ℃的新鮮熱風(fēng)，如采用換熱式換風(fēng)方式繼續(xù)將新鮮熱風(fēng)提高到400 ℃的方法，還是本著高溫利用效率高的原則，最佳方式為分區(qū)采用圖8的分段換熱式一體燃燒機(jī)。

圖8 分段換熱式一體燃燒機(jī)

可以肯定地說，其熱效率最高不超過50%，因此這一設(shè)計(jì)的效能不高，甚至低于傳統(tǒng)DTO結(jié)合板式換熱器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，但如果用戶無法提供清潔能源就只能選擇圖7的系統(tǒng)設(shè)計(jì)了。

因此，選擇RTO結(jié)合分段補(bǔ)燃的設(shè)計(jì)選擇是采用天然氣為清潔能源的首選系統(tǒng)設(shè)計(jì)，固化爐的不同段對補(bǔ)燃的要求設(shè)計(jì)也不盡相同，但總體來講設(shè)計(jì)原則是：設(shè)計(jì)的固化爐是在溶劑爆炸極限的1/4運(yùn)行(體積濃度)，除此之外是區(qū)域內(nèi)的溫度低于溶劑的點(diǎn)火溫度。

在天然氣完成精脫硫和清洗的前提下仍然需要霍尼韋爾8級過濾器，比較成熟的設(shè)計(jì)是采用如圖9的分段補(bǔ)燃燃燒器[1]。

圖9 固化爐分段補(bǔ)燃燒嘴

5 清潔能源的要求

經(jīng)過對比，參照表1,本文力推圖6的系統(tǒng)配置，但對清潔燃料燃燒機(jī)的要求極高，首先是對燃料和新鮮空氣的清潔要求。

表1 不同的廢氣焚化爐及固化爐補(bǔ)熱的對比

目前家電板生產(chǎn)執(zhí)行的是ISO14644-1新風(fēng)清潔程度等級8-6級標(biāo)準(zhǔn)，因此作為家電板燃料的天然氣清潔程度也同樣參照表2，需要對天然氣進(jìn)行清洗過濾，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加了采用了霍尼韋爾8級過濾器可分離5～10 μm顆粒物，經(jīng)過清洗后的天然氣經(jīng)過這種過濾器后是完全滿足直燃式清潔能源要求的，因此達(dá)到空氣的同樣清潔程度是比較容易的，正因?yàn)槿绱?，因此不建議采用圖7的設(shè)計(jì)，除非燃料為像焦?fàn)t煤氣這樣的非清潔能源。需要強(qiáng)調(diào)的是天然氣燃燒產(chǎn)物在新風(fēng)中的占比不超過5%，因此采用清潔的燃燒設(shè)備如圖9所示，是完全滿足家電板生產(chǎn)需要的。

表2 新風(fēng)的過濾清潔程度等級

目前市場上多采用DTO結(jié)合后換熱器的方式生產(chǎn)家電用彩涂板，而已經(jīng)有國外著名企業(yè)采用RTO結(jié)合直燃式清潔燒嘴的方式生產(chǎn)家電用彩涂板。同時(shí)水性溶劑的出現(xiàn)也在大大改善彩涂板的生產(chǎn)工藝，但需要強(qiáng)調(diào)的是，水性溶劑不是萬能的，會(huì)造成產(chǎn)線明顯的降速；因此，從改善燃燒性能和凈化燃料源頭的方向進(jìn)行優(yōu)化，是可以取得事半功倍的效果的，在天然氣的清洗和凈化設(shè)備上，市場做引導(dǎo)，還需要下深下功夫，只是基于投資和安全等因素的考慮，彩涂板生產(chǎn)廠家都把氣源的治理放在廠區(qū)以外，不納入管理范圍了。

6 結(jié) 論

(1)RTO(蓄熱式熱力焚化爐)是超級節(jié)能的單體設(shè)備，不太適合為整個(gè)系統(tǒng)的其余部分提供熱能；因此適合于固化爐系統(tǒng)采用感應(yīng)加熱這種低溫廢氣排放的環(huán)境、汽車烘烤等第一位處理VOC廢氣的環(huán)境。

(2)彩涂的固化爐和焚化爐系統(tǒng)仍應(yīng)該遵循溫度梯度有效利用的理論。

(3)RTO結(jié)合直燃式補(bǔ)熱是對環(huán)境有利、最大利用能源的有效配置，同時(shí)適用于家電板的生產(chǎn)要求。

(4)影響產(chǎn)品質(zhì)量的是新鮮空氣的過濾，天然氣的清洗和過濾的清潔程度是高于新鮮空氣的。

(5)傳統(tǒng)的DTO需要解決爐內(nèi)的溫度均勻性及足夠的焚化時(shí)間。