楊柏松

(重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術有限公司，重慶 401122)

彩涂鋼板的生產過程，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入大氣中，對大氣臭氧產生很大的破壞作用并產生嚴重的溫室效應；在涂裝作業(yè)點，則對工人身體健康產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格的控制揮發(fā)性有機化合物(VOC)排放法規(guī)，促使涂裝生產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。焚化處理廢氣的關鍵是廢氣與火焰的混合、接觸時間及處理溫度。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。但對于彩涂加熱烘干的設備，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，可降低運行費用，以擴大直接燃燒治理廢氣的應用范圍。

隨著近年來鋅鋁鎂防腐鍍層的迅猛發(fā)展，結合氟碳涂層的商業(yè)用半正在成為市場的新寵，其理由是卓越的防腐性能結合耐候性，沿海廠房等基地建設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)設計的DTO(直燃式熱力焚化爐)結合換熱器的方式也提出了技術和節(jié)能方面的挑戰(zhàn)，因此有必要對家電板所使用的彩涂機組熱能利用系統(tǒng)進行論證對比，以期達到尋找最優(yōu)設計方案的目的。

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),工作原理是有機廢氣經(jīng)預熱室吸熱升溫后，進入燃燒室高溫焚化(升溫到800 ℃)，使有機物氧化成二氧化碳和水，再經(jīng)過另一個蓄熱室蓄存熱量后排放，蓄存的熱量用于預熱新進入的有機廢氣，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設備的工作過程見圖1，該設備有三個對稱的蓄熱室和二個燃燒室，有機廢氣在鼓風機作用下先進入陶瓷蓄熱室1，吸熱后進入燃燒室，蓄熱室1因放熱而降溫，燃燒升溫后的氣體進入蓄熱室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。同時蓄熱室3空間中的殘留未處理有機廢氣被凈化后的氣體反吹回燃燒室進行焚化處理。經(jīng)過一定時間(比如2 min)后，氣流改變方向從蓄熱室2進入燃燒室，通過蓄熱室2吸收熱量升溫后，在爐膛內高溫焚化，最后經(jīng)蓄熱室3熱交換后排放，同時蓄熱室1處于反吹掃狀態(tài)，經(jīng)一定時間(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設備由三個蓄熱室、二個燃燒室、六個主氣流切換閥組成(見圖2)。蓄熱室內裝滿蜂窩陶瓷蓄熱體，每個燃燒室裝一個帶比例調節(jié)的液化石油氣燃燒器。每個燃燒器的供熱能力是通過爐膛內的溫度反饋信號經(jīng)過PID調節(jié)器自動地進行調節(jié)，此外燃燒系統(tǒng)還帶有點火前的自動預吹掃、熄火保護、超溫報警和超溫自動切斷燃料供給等功能。RTO爐共有預吹掃、點火、升溫、焚化、保溫、后吹掃停機六種狀態(tài)，當RTO爐處于預吹掃、點火、升溫、保溫、后吹掃停機五種狀態(tài)時，烘干室的廢氣全部直接排放。本設備可根據(jù)各個烘干室的開停狀態(tài)自動給出RTO爐的實際運行風量，再通過變頻器自動地調整RTO爐系統(tǒng)的鼓風機、引風機的轉速和風量，以保證烘干室的正常工藝生產，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爐轉入故障吹掃狀態(tài)。

圖2 三室RTO單體設備圖

2 RTO性能特點

凈化效率高：三室可達99%。

換熱效率高(>90%)；節(jié)能，有機廢氣3g/m3(標準)以上濃度就可達熱平衡。

阻力低，風機裝機功率小，節(jié)能，運行費用較低。

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，而且焚化時間需要1.6 s以上，因此常常因為混好不好、溫度不均勻、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)過廢氣一級預熱器后的溫度還有650 ℃。

圖3 DTO單體設備圖

因此，單項對比DTO和RTO的設備能耗，把RTO作為單體設備用在汽車烘涂、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與運營優(yōu)勢。

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

以圖4的二涂二烘的生產工藝為例，參照圖5的傳統(tǒng)DTO結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)熱風是比較容易的，因此在固化爐各個區(qū)域繼續(xù)增加小燒嘴的必要性不大，只是增加了調節(jié)的靈活性。

圖4 傳統(tǒng)的二涂二烘彩涂鋼板機組布置圖

圖5是傳統(tǒng)的DTO結合固化爐的系統(tǒng)設計，這一系統(tǒng)如果取消分區(qū)小燒嘴就是目前尤其采用焦爐煤氣全換風式彩涂熱系統(tǒng)，特點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結合固化爐換熱器方式+補燃方式的系統(tǒng)圖

排煙側：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)補入新風換熱器后的溫度為350 ℃，供下游清洗段利用或者排放。

回收側：固化爐排放廢氣220 ℃經(jīng)一級需要焚化的廢氣換熱器后達到450 ℃，進入焚化爐焚燒，補入新風經(jīng)新風換熱器后的溫度為400 ℃送入固化爐。

這一設計的優(yōu)點是適應范圍廣泛，無論天然氣、焦爐煤氣作為燃料都適用，其次是適應從建材到高端家電的不同清潔程度的所有要求，取決于新風過濾的清潔程度；這一設計的缺點是能耗指標要高些，取決于新風換熱器的換熱效率，因此很多場合都采用金屬板式換熱器。

因此，傳統(tǒng)的DTO方式結合換熱器設計，就是充分利用了不同溫度的利用價值是不一樣的，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果。

圖6為RTO結合清潔能源燒嘴分段補燃式固化爐的系統(tǒng)圖。

排煙側：260 ℃的廢氣在爐內經(jīng)蓄熱體后很容易達到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：補入新風經(jīng)新風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)固化熱風溫度要求。

因此為了達到各區(qū)的至少400 ℃循環(huán)固化熱風溫度的要求，就需要對換熱后的150 ℃新風進行升溫處理，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中的補燃燒嘴成為了頂級家電板生產需求的分水嶺。

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特點，熱效率高達89%以上，因此噸鋼燃耗僅為4 m3/t(標準)天然氣。

圖6 RTO結合清潔能源燒嘴分段補燃式固化爐的系統(tǒng)圖

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

因此RTO結合清潔能源燒嘴分段補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(標準)天然氣。

但質疑這一系統(tǒng)設計的問題是是否足夠的清潔，而可以讓補燃清潔燒嘴直接將燃燒產物混入新鮮熱風，因此就產生衍生的一種設計，詳見圖7。

圖7 RTO結合換熱式燒嘴分段補燃式固化爐的系統(tǒng)圖

圖7為RTO結合換熱式燒嘴分段補燃式固化爐系統(tǒng)，該設計就是為了消除因燃燒產物污染新鮮熱風的隱患，但違背了溫度最有效利用的原則，因為RTO后的新風換熱器只能提供150 ℃的新鮮熱風，如采用換熱式換風方式繼續(xù)將新鮮熱風提高到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。

圖8 分段換熱式一體燃燒機

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

因此，選擇RTO結合分段補燃的設計選擇是采用天然氣為清潔能源的首選系統(tǒng)設計，固化爐的不同段對補燃的要求設計也不盡相同，但總體來講設計原則是：設計的固化爐是在溶劑爆炸極限的1/4運行(體積濃度)，除此之外是區(qū)域內的溫度低于溶劑的點火溫度。

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，比較成熟的設計是采用如圖9的分段補燃燃燒器[1]。

圖9 固化爐分段補燃燒嘴

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熱的對比

目前家電板生產執(zhí)行的是ISO14644-1新風清潔程度等級8-6級標準，因此作為家電板燃料的天然氣清潔程度也同樣參照表2，需要對天然氣進行清洗過濾，同時系統(tǒng)設計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，因此達到空氣的同樣清潔程度是比較容易的，正因為如此，因此不建議采用圖7的設計，除非燃料為像焦爐煤氣這樣的非清潔能源。需要強調的是天然氣燃燒產物在新風中的占比不超過5%，因此采用清潔的燃燒設備如圖9所示，是完全滿足家電板生產需要的。

表2 新風的過濾清潔程度等級

目前市場上多采用DTO結合后換熱器的方式生產家電用彩涂板，而已經(jīng)有國外著名企業(yè)采用RTO結合直燃式清潔燒嘴的方式生產家電用彩涂板。同時水性溶劑的出現(xiàn)也在大大改善彩涂板的生產工藝，但需要強調的是，水性溶劑不是萬能的，會造成產線明顯的降速；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備上，市場做引導，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 論

(1)RTO(蓄熱式熱力焚化爐)是超級節(jié)能的單體設備，不太適合為整個系統(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)仍應該遵循溫度梯度有效利用的理論。

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

(4)影響產品質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需要解決爐內的溫度均勻性及足夠的焚化時間。