蘇 翔

（江南造船（集團）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引言

隨著國內(nèi)環(huán)保要求的日趨嚴(yán)苛，國家和地方相繼出臺了若干環(huán)保法規(guī)政策。由此，全國各地的企業(yè)，尤其是生產(chǎn)型企業(yè)針對環(huán)保改造投入了大量的人力、物力與財力。對船廠而言，固危物及廢水等生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一半廢棄物有比較簡單且有章可循的環(huán)保管理方案，而船廠涂裝車間的廢氣治理因其廢氣產(chǎn)生量大、廢氣工況波動劇烈、廢氣成本相對復(fù)雜等特點，成為船舶行業(yè)的 固有難題。

近年來，國內(nèi)船舶行業(yè)陸續(xù)開始了揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）廢氣治理項目的投入，環(huán)保治理效果顯著，但也突顯出了新的矛盾。當(dāng)我們滿足了環(huán)保治理需求的同時，環(huán)保設(shè)備的能源消耗也給企業(yè)造成了很大的負擔(dān)。本文以目前船廠使用較多的“沸石轉(zhuǎn)輪＋蓄熱式熱力燃燒（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）”VOCs 治理設(shè)備為例，探討工藝系統(tǒng)中 能耗的主要構(gòu)成及節(jié)能方向。

目前，國內(nèi)各大船廠大部分涂裝車間的VOCs 改造項目正在工程施工階段或立項階段，“沸石轉(zhuǎn)輪＋RTO”方式在我國大型船舶企業(yè)中的運用較早，且運行趨于穩(wěn)定，本文便以“沸石轉(zhuǎn)輪＋RTO”典型工藝為例進行探討。

以使用中的48 m×33 m×13 m 涂裝工廠噴漆時排風(fēng)量為例，上海市對船舶企業(yè)的涂裝棚排放要求即非甲烷總烴為70 mg/m3，換氣次數(shù)為6 次/小時[1]。因此，選用風(fēng)量120 000 m3/h 的沸石轉(zhuǎn)輪＋RTO”系統(tǒng)，主要參數(shù)如下。

1）處理風(fēng)量約為8 m3/h～120 000 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)工況下，以下計算流量均為標(biāo)況）。

2 ） VOCs 廢 氣 濃 度 在 600 mg/m3～1 200 mg/m3范圍內(nèi)上下波動。

3）每天噴漆集中作業(yè)，時間為4 h～6 h；固化時不進行噴漆作業(yè)，時間為16 h～20 h。

4）RTO 能源為天然氣。

其主要能耗由2 部分構(gòu)成：風(fēng)機耗電與RTO補熱用燃氣。以下便從風(fēng)機用電及RTO 用氣2方面分析能耗情況。

1 風(fēng)機用電部分

典型“沸石轉(zhuǎn)輪＋RTO”系統(tǒng)風(fēng)機主要由車間廢氣主風(fēng)機、RTO 主風(fēng)機（含沸石轉(zhuǎn)輪脫附風(fēng)機）及RTO 燃燒器助燃風(fēng)機構(gòu)成，裝機容量約240 kW，按照每天涂裝工況4 h（夜間工況）、固化工況20 h 計算，其每天電力消耗總量為：P＝240×4＋240×0.6×20＝3 840 kW·h。

上述耗電量主要由車間廢氣主風(fēng)機承擔(dān)，而主風(fēng)機的開度則主要由車間通風(fēng)量決定。目前現(xiàn)行的規(guī)范GB 51364—2019《船舶工業(yè)工程項目環(huán)境保護設(shè)施設(shè)計規(guī)范》對于涂裝作業(yè)時的通風(fēng)有明確要求，宜6 次/小時～8 次/小時[2]，且涂裝作業(yè)工況時間較短，在此不展開討論。固化工況下，按照上述規(guī)范，一般通風(fēng)次數(shù)按1/2 的噴漆工況計算，宜為3 次/小時～4 次/小時（風(fēng)機功率約為額定功率的60%）。此時VOCs 氣體濃度較低（根據(jù)目前VOCs 系統(tǒng)運行情況看，一般固化時VOCs 氣體濃度小于150 mg/m3），此時車間工人很少，對于VOCs 治理系統(tǒng)的要求和依賴性很低。

因此，可以考慮適度降低固化工況下的通風(fēng)次數(shù)，在保證車間工作環(huán)境的前提下，通風(fēng)次數(shù)由3 次降低至2 次～2.5 次，以固化階段平均2.5次為例，按照一般的風(fēng)機特性，120 000 m3/h 設(shè)計功率為185 kW，在風(fēng)量為60 000 m3/h 時，功率約為84 kW；風(fēng)量在50 000 m3/h 時，功率約為75.5 kW，以此為基準(zhǔn)進行計算，可得固化階段風(fēng)機耗電量可降低約10%。由此推算，在上述通風(fēng)次數(shù)降低的情況下，每天產(chǎn)生的耗電量降低約P＝240×0.6×0.1×20＝288 kW·h，每天的電能消耗由此降低7.5%；若固化階段平均通風(fēng)次數(shù)為2次，則由此帶來的耗電量降低約15%。

然而，風(fēng)量的降低對于除濕系統(tǒng)（夏天）、加熱系統(tǒng)（冬天）能耗的降低，效果巨大，在此不作深入探討。

2 R TO 用氣部分能耗分析

該系統(tǒng)RTO 風(fēng)量以20 000 m3/h 為計，燃燒器額定耗氣量約為117 m3/h，以平均負荷30%為計，每天的天然氣消耗量約為Q＝117×0.3×24＝842 m3。

系統(tǒng)散熱主要由表面熱損失、VOCs 煙氣排放、脫附風(fēng)加熱風(fēng)、高溫緊急排放等構(gòu)成。

2.1 表面熱損失

表面熱損失主要體現(xiàn)在RTO 燃燒室部分，該部分散熱損失比較固定，主要變量是保溫層厚度，而保溫層厚度一般維持在使外壁溫度不會燙傷工作人員的厚度，必然小于80℃。鑒于本文討論船廠VOCs 治理系統(tǒng)節(jié)能的可能方向，該部分可操作的節(jié)能空間不大[3]。

2.2 超溫?zé)崤欧?/h3>

超溫?zé)崤欧攀墙⒃跐舛容^高的工況下，將RTO 正常工作無法排出的熱量通過燃燒室內(nèi)氣體直接向煙囪排放，從而降低RTO 燃燒室的溫度。該情況下，燃燒室的燃燒器必然處于停止?fàn)顟B(tài)，RTO 內(nèi)的VOCs 氣體已經(jīng)能夠維持自燃，該特殊工況不具備規(guī)律性，且單獨用以節(jié)能的可能性較低。

2.3 煙氣排放及脫附風(fēng)加熱

煙氣排放和脫附風(fēng)加熱是RTO 正常工作狀態(tài)下的主要散熱方式，其散熱效果直接影響到RTO 的工作性能和節(jié)能效率。之所以將煙氣排放與脫附風(fēng)加熱一同考慮，主要因其加熱對象為同一介質(zhì)?；赗TO 煙氣排放口溫度為80℃（固化時溫度為70℃），換熱器二次側(cè)初始溫度為30℃，不考慮換熱器熱交換過程中產(chǎn)生熱損失的情況下，煙氣排放和脫附風(fēng)加熱主要耗熱量約為[3]：

1 ） 噴 漆 滿 負 荷 時 ，K1＝20 000×1.293×1.005×(80－30)≈1 300 MJ/h，天然氣熱值以34.7 MJ/m3計，折合約37.5 m3/h的天然氣。

2 ） 固 化 時 風(fēng) 量 減 半 ，K2＝10 000×1.293×1.005×(70－30)≈520 MJ/h，天然氣熱值以34.7 MJ/m3計，折合約15 m3/h 的天然氣。

3 R TO 用氣部分節(jié)能分析

鑒于上述分析，對目前船廠涂裝車間VOCs治理系統(tǒng)天然氣消耗降低和熱能再利用方向進行分析，幾個主要的可行方向如下。

3.1 余熱利用

涂裝車間在冬季采暖季，為使油漆快速固化，往往采用涂裝車間供暖的方式加大產(chǎn)能，目前國內(nèi)有采暖季的地區(qū)，新建的涂裝車間大都配備采暖系統(tǒng)。按照冬季室外溫度0℃計算，上述車間在固化階段時，環(huán)境溫度保持在20℃以上，需要具備的熱量（不考慮熱損失） 為K3＝60 000×1.293×1.005×20≈1 559 MJ/h，考慮利用RTO 排放尾氣為新風(fēng)加熱，可提供的熱量為（考慮換熱效率為85%，一次側(cè)進出口溫度分別為70℃、5℃）K4＝10 000×1.293×1.005×(70－5)×0.85≈718 MJ/h，約占所需熱量的1/2（北方環(huán)境溫度更低，余熱利用空間更大），可大大降低車間采暖系統(tǒng)的能耗[4]；而進一步從VOCs 治理系統(tǒng)煙囪排口取熱，熱量更大，可完全滿足車間對熱能的需求，但熱源品質(zhì)較低，經(jīng)濟性差，是否適合實際利用需再深入探討。

3.2 靈活調(diào)節(jié)濃縮倍率

眾所周知，RTO 能耗與其進風(fēng)量有著非常直接的關(guān)系。目前，一般RTO 的設(shè)計將其入口濃度控制在8 g/m3以內(nèi)；在涂裝車間噴漆工況下，由于前端濃度較高，使得濃縮倍率不高，固化工況下，前端濃度降低的情況下，如何通過一定的控制手段，靈活調(diào)節(jié)沸石轉(zhuǎn)輪的濃縮倍率，降低RTO 整體的通風(fēng)量，進而降低能耗，是船廠涂裝車間進行VOCs 項目建設(shè)時需要考慮的問題。

4 結(jié)論

船舶行業(yè)作為國家重點重工行業(yè)之一，其涂裝車間的VOCs 治理是近年來船廠環(huán)保改造的重點，VOCs 治理在環(huán)保達標(biāo)的同時，帶來的能源消耗是我們無法忽略的問題。有效地在項目建設(shè)階段對VOCs 治理系統(tǒng)的能源消耗進行一定的測算，對其節(jié)能措施進行一定的考量，是每家船廠都需要面對的。除本文中提到的合理調(diào)整涂裝車間排風(fēng)量、RTO 余熱利用、靈活調(diào)節(jié)沸石轉(zhuǎn)輪濃縮倍率等方式外，合理地梳理涂裝車間的生產(chǎn)工況，適當(dāng)延長其噴涂工況，且將噴涂工況與固化工況合理搭配穿插，也是解決VOCs 治理能耗的有效方法。由此可見，本文的分析能夠?qū)Υ靶袠I(yè)VOCs 治理的發(fā)展提供有效的幫助。