节能型VOCs焚烧炉的设计与应用

秦 佩

(合肥恒力电子装备公司，安徽 合肥 230022)

节能型VOCs焚烧炉的设计与应用

秦 佩

(合肥恒力电子装备公司，安徽 合肥 230022)

提出了一种节能型VOCs焚烧炉，从原理、工艺及结构等方面对其设计过程进行了阐述，并对其应用效果和节能效果进行了研究。结果表明：工艺计算对于焚烧炉的设计极为关键，所研究的节能型VOCs焚烧炉运行稳定，采用余热利用后焚烧炉能够达到明显的节能效果，能耗降低近50%。

焚烧炉；VOCs；节能；余热利用

VOCs(挥发性有机物)，指常温常压下，沸点在50～260℃的各种有机化合物的统称。VOCs是形成PM2.5和臭氧的前驱物，参与光化学烟雾的形成，危害人类健康，VOCs必须得到有效的治理。VOCs的处理方法有很多种，与其他方法相比，燃烧法对于VOCs的处理效率更高、更彻底，因此，燃烧技术仍然是处理VOCs的主流技术[1]。

1 设计原理

对有机废气进行焚烧时，发生的化学反应主要是燃烧氧化作用及高温下的热分解。VOCs成分在焚烧炉内氧化生成CO2和H2O[2]，对于大部分有机废气而言，温度在680～820℃，0.1～0.3s停留时间内即可以反应完全[3]。此外，高温燃气与废气的混合程度也很关键，如果不能混合不均匀，有机废气燃烧不充分，废气的净化效果不理想。因此，要保证VOCs充分燃烧，必须满足"3T"原则：温度(Temperature)、时间(Time)、湍流度(Turbulense)。

另外，对废气进行焚烧时，需要消耗辅助燃料(如天然气、煤油等)[4]，目的是提高废气的温度至反应温度。燃烧后的气体温度高达700～800℃，如果不加以利用，必然造成能量的浪费。因此，焚烧炉在设计过程中也必须考虑经济性，符合节能的原则。本文所述的焚烧炉，采用余热利用的方法，即燃烧后的高温气体与新进的低温气体进行热量交换，提高进入焚烧炉的废气温度，节约辅助燃料的消耗，达到节能的效果[5]。本节能型VOCs焚烧炉的基本原理见图1。

图1 节能型VOCs焚烧炉原理示意图

Fig.1 Principle diagram of the energy-saving VOCs incinerator

2 焚烧炉设计

2.1 工艺参数

以处理量为2000N m3/h的节能焚烧炉(R2000型)为例进行设计过程的阐述。

主要工艺参数：废气气量为2000 Nm3/h左右；VOCs浓度为3500～4500mg/m3；冷废气温度为30～40℃；净化后气体温度为300～400℃；经换热器预热后，进入焚烧炉前废气温度为200℃左右；焚烧温度：680～820℃。可见，控制焚烧过程[6]的温度十分重要。

2.2 工艺计算[7]结果

根据工艺温度、废气的成分，估算出高温气体降温所产生的热量约为20万kcal/h。计算得出换热器面积为36m2。选用的工业烧嘴天然气最大消耗量为20m3/h，1:10比例可调范围。废气在焚烧炉内的停留时间为0.5s，燃烧温度维持在680～820℃之间。燃烧腔的有效尺寸为Φ1000×1500。废气中的有机成分在燃烧室充分裂解、氧化为CO2和H2O，燃烧后所产生的热量可以满足其自身余热所需能量的30%～50%，同时待处理废气经过换热器与燃烧后的高温净化气体进行热量交换，温度能够提升至200℃左右，因此，当焚烧炉系统运行稳定后，少量补充天然气等燃料即可满足完全焚烧的需要，达到节能的效果。

2.3 结构设计

焚烧炉由燃烧室、换热器、工业烧嘴、降温风机等构成。燃烧室上设有防爆口，便于泄压。换热器由换热段、缓冲段及调节气体走向的插板阀组成。燃烧腔有效尺寸为Φ1000×1500，采用耐高温保温材料，保证燃烧室外壁温度接近常温。防爆口设计的目的是保证焚烧炉运行的安全性。燃烧室内部还设置分气罩，提高废气的湍流程度，保证废气进入燃烧室后均匀分布，燃烧更充分。

换热器采用的是列管式换热器，换热面积为36m2。冷、热废气在换热段进行热量交换。换热器中心区域设置插板阀(与中间大管相连)，插板阀控制废气的走向来达到一定范围内控制气体的换热效果。气体经过换热后在缓冲段进行混合后排放。

燃烧器采用工业烧嘴，可在1:10比调范围内可以通过PLC(输出4-20 mA温度控制信号)自动控制来实现天然气流量无级可调。天然气消耗量最大为25m3/h。

降温风机的作用是当燃烧室内的温度超过820℃时，开启该风机使温度降低，防止燃烧室温度异常超温。

图2 节能型VOCs焚烧炉结构示意图

2.4 系统控制

焚烧炉的温度控制主要包括：焚烧炉燃烧室的温度T1、T2，换热器预热后废气温度T3，净化排气温度T5。焚烧炉内的温度(T1、T2)维持在680～820之间，换热器废气预热后温度控制T3在200℃左右，净化气体的温度(T5)维持在300～400℃。焚烧炉的温度控制过程：首先设定燃烧室的温度范围(680～820℃)，系统会自动通过控制天然气的进气量控制燃烧室内的温度，当燃烧室超过温度上限(820℃)时，启动降温风机增加冷空气补入，进一步调节炉腔温度。换热器的进出口温度还可以通过插板阀的开度大小来控制，当换热后的废气温度超温时，增大插板阀的开度，高温废气经过换热段中间大管的气量增大，经过列管的废气量减小，从而降低换热器的换热效果，达到降低余热后废气的温度的目的，反之亦然。此外，整个系统还增加了两个压力监控点，燃烧室压力P1和净化气体排出口压力P2，通过压力变化辅助判断焚烧炉运行状况。整个焚烧炉系统的温度和压力控制点如图3所示。

图3 焚烧炉系统控制点示意图

3 实际应用效果

3.1 实际运行效果

设定焚烧炉的焚烧温度为710℃，系统通过不断自动控制，最终达到如图4所示的稳定运行效果。运行结果：燃烧室温度T1、T2：716℃、704℃；废气预热后温度T3：183℃，净化气体排出温度T5：325℃。温度的波动在±5℃以内。燃烧腔的压力P1：-40Pa，净化气体排出口压力P2：-250Pa。从运行结果的数据来看，设计的焚烧炉运行效果良好，达到了预期的设计目的。

图4 焚烧炉系统实际运行界面

Fig.4 Actual operation interface of incinerator system

3.2 节能效果

图5为焚烧炉从开始启动到运行12h之间，待处理废气经过换热器(余热利用)和不经过换热器(无余热利用)两种情况下的天然气流量对比结果。从结果可以看出：在开始运行的3h内，两种情况下的天然气消耗量均有所下降，是因为燃烧腔内废气燃烧后会产生热量，废气进入焚烧炉内吸收其中一部分热量，达到燃点所需的辅助热量会减少，因此，消耗的天然气量会有所降低。当系统运行3h后，天然气消耗量逐渐稳定，无余热利用的情况下，天然气消耗量稳定在16m3/h左右，采取余热利用的情况下，天然气消耗量稳定在8m3/h左右，可见采用换热器后，余热利用效果比较明显，天然气消耗量减少近50%，节能效果显著。

图5 焚烧炉系统节能效果对比

Fig.5 Incinerator system energy saving effect contrast

4 结论

本文提供了一种节能型VOCs焚烧炉的设计与应用实例，并对设计过程和应用效果进行了分析，得出以下结论：

(1) 焚烧炉设计过程中，工艺计算最为关键，它是燃烧腔大小和换热器换热面积计算的参考依据。

(2) 设计的节能型VOCs焚烧炉运行稳定，燃烧温度便于控制，采用温度控制天然气量和降温风机的方式可靠。

(3) 采用换热器后，焚烧炉能够达到明显的节能效果，能耗降低近50%。

[1] 杨元林. VOCs焚烧炉的应用及设计[J]. 环保技术, 2002, 40(6): 53-60.

[2] 赵华利,李 涛, 王玉辉,等. 节能型烟气焚烧炉[J]. 工业炉, 2008, 30(4): 22-24.

[3] 王 纯, 张殿印, 王海涛,等. 废气处理工程技术手册[M]. 北京：化学工业出版社, 2012: 468-473.

[4] 曾光龙. 提高废气焚烧炉的节能和环保效果[J]. 绝缘材料, 2006, 39(5): 61-64.

[5] 陈家庆. 环保设备原理与设计[M]. 北京：中国石化出版社, 2008: 583-590.

[6] 汪 琦. 化工焚烧炉的燃烧过程和结构类型[J]. 化工装备与技术, 2004, 25(3): 44-47.

[7] 中国石化集团上海工程公司. 化工工艺设计手册(上册)[M]. 北京：化学工业出版社, 2009: 701-738.

(本文文献格式：秦 佩.节能型VOCs焚烧炉的设计与应用[J].山东化工，2016，45(12)：139-141.)

The Design and Application of Energy-saving VOCs Incinerator

Qin Pei

(Hengli Eletek Co., Ltd., Hefei 230022, China)

This paper put forward a kind of energy-saving VOCs incinerator, the design process of which were expounded from aspects of the principle, process and structure, and its application effect and energy saving effect were studied. Results showed that the process calculation for the design of the incinerator was critical, the energy-saving VOCs incinerator which was studied stable run, and the incinerator can achieve obvious energy saving effect after the use of waste heat utilization, reducding energy consumption by almost 50%.

incinerator; VOCs; energy saving; waste-heat utilization

2016-05-23

秦 佩(1987—)，助理工程师，从事环保系统工程及电镀设备行业。

X701.2

A

1008-021X(2016)12-0139-03