沸石转轮+RTO有机废气处理系统的能耗路径探讨

王晓旭 常鹏涛 陆军

摘要：为解决沸石转轮+RTO有机废气处理系统存在的能耗高与能耗路径不清晰等问题，本文以某船舶企业涂装车间沸石转轮+RTO有机废气处理系统为例，依据该处理系统运行的工艺流程与机理模型，分析运行的能耗路径与系统内各组件的热量平衡关系，提出能耗模型与能耗计算方法，以期为相关人员提供参考。

关键词：沸石转轮+RTO；能耗；热量平衡

基金项目：上海市2020年度“科技创新行动计划”社会发展科技领域项目

项目名称：低温余热深度利用技术研究及示范应用

项目编号：20dz1205700

随着环保政策对VOCs（Volatile Organic Compound，挥发性有机污染物）的排放要求与管理要求逐渐严格，以船舶企业为代表的大型涂装企业VOCs治理逐渐引起重视。在上海，船舶企业产生的VOCs贡献了工业污染源VOCs排放的6.27%，船舶企业传统的VOCs处理方式一般为活性炭净化或“活性炭+CO”（Catalytic Oxidizer，催化氧化），以上处理方式虽然能较好地净化废气中的VOCs，但由于现场管理不到位，活性炭不能定期更换与涂装车间有机废气大风量瞬时高浓度等因素，造成以活性炭为主要净化介质的处理方式往往不能满足环保要求。

目前船舶企业VOCs治理的新建与改造工程多采用“沸石转轮+ RTO（Regenerative Thermal Oxidizer，蓄热式热氧化器）”有机废气处理系统，该有机废气处理系统具有以下优点：第一，沸石转轮可再生且无需频繁更换，更换周期一般为5～6年。第二，VOCs净化效率高，在应对船舶涂装产生的宽幅波动VOCs废气具有良好的去除效果。第三，废气中的VOCs可二次利用，VOCs经浓缩后进入RTO中高温氧化并释放热量，并为沸石转轮高温脱附提供热量。

虽然沸石转轮+RTO有机废气处理系统具有净化效率高、净化效果稳定等优点，但在运行过程中往往因为进入RTO的VOCs浓度过低不足以支持自燃，需要大量天然气助燃以维持系统的运行。不仅会给企业造成较高的运行负担，也会阻碍企业实现碳减排。针对该系统存在的能耗高与能耗路径不清晰等问题，本文以某船舶企业涂装车间沸石转轮+RTO有机废气处理系统为例，依据该有机废气处理系统的机理模型，通过分析该处理系统运行的能耗路径与系统内各组件的热量平衡关系，提出该系统的热量衡算方法。

一、能耗分析

沸石转轮+RTO有机废气处理系统运行流程如下：由涂装车间排风管收集的大风量低浓度有机废气经吸附风机的牵引作用进入预过滤器进行初步过滤，去除漆雾粉尘等杂质的有机废气进入沸石转轮净化后由排气筒排放，VOCs吸附于沸石转轮中，沸石转轮的净化效率一般为95%以上。RTO由天然气助燃加热炉膛温度并产生高温空气进入换热器，通过换热风机将换热器从RTO获取的热量输送至沸石转轮脱附端，沸石转轮的脱附区域经加热后使吸附的VOCs脱附，脱附后的VOCs经脱附风机形成高浓度小风量的脱附风进入RTO中，此废气进入RTO后先吸收RTO蓄热体热量至一定温度后，由高温氧化再释放热量以维持该系统的热量平衡，高浓度有机废气经RTO净化后排至排气筒高空排放，三室RTO的净化效率一般为99%以上。如果浓缩后的有机废气浓度高于一定浓度，其在高温氧化释放的热量足以补充其在RTO内吸收的热量，则无需天然气助燃以维持该系统的热量平衡。如果浓缩后的有机废气浓度较低，其在高温氧化释放的热量不能补充在RTO内吸收的热量，则需要天然气助燃以维持该系统的热量平衡。

在沸石转轮+RTO有机废气处理系统的运行过程中，天然气助燃与有机废气高温氧化释放热量，热量通过换热器输送至沸石转轮以对VOCs进行脱附；吸附风机、脱附风机、换热风机等风机组件由电能提供动力。综上所述，沸石转轮+RTO有机废气处理系统运行时涉及的能耗主要为热能与电能，由于电能仅为系统内各风机组件运转提供动力，而热能则贯穿整个系统的运行。因此，本文仅讨论该系统运行过程中热能的能耗路径。

（一）能耗输入

沸石转轮+RTO有机废气处理系统运行时的能耗输入主要有外源输入与内源输入两种形式，其中外源输入主要为天然气燃烧释放的热能，内源输入主要为有机废气在RTO燃烧释放的热能。

（二）能耗输出

沸石转轮+RTO有机废气处理系统运行时的能耗输出路径主要包括RTO的外表面散热、RTO的助燃风热损耗、RTO的反吹风热损耗、RTO出口烟气热损耗、RTO热旁通的热损耗以及RTO供给换热器的热量。

沸石转轮+RTO有机废气处理系统的耗输路径如图1所示。

二、能耗模型

（一）能耗平衡

沸石转轮+RTO有机废气处理系统的能效模型主要由能耗输入模型与能耗输出模型组成，热量平衡关系见式（1）。

Qbal=Qinput-Qoutput# （1）

式（1）中，Qinput主要为天然气燃烧释放热量（kJ/h）与VOCs燃烧释放热量（kJ/h）；Qoutput主要为RTO的热量损耗（kJ/h）。

（二）能耗输入

沸石转轮+RTO有机废气处理系统的能耗输入热量关系见式（2）。

Qinput=Qgas+QVOCs# （2）

式（2）中，Qinput主要为天然气燃烧释放热量（kJ/h）与VOCs高温氧化释放热量（kJ/h）之和；Qgas，天然气燃烧释放热量，kJ/h；QVOCs，VOCs高温氧化释放热量，kJ/h。

1.天然气燃烧

天然气燃烧释放热量关系见式（3）。

Qgas=qgas×Lgas# （3）

式（3）中，Qgas，天然气燃烧释放热量（kJ/h）；qgas，标况下天然气热值，kJ/Nm3；Lgas，标况下天然气流量，m3/h。

2.VOCs高温氧化

VOCs高温氧化释放热量关系见式（4）。

QVOCs=qVOCs×mVOCs# （4）

式（4）中，mVOCs为VOCs的质量流量（kg/h），由于mVOCs不能直接获得，需结合沸石转轮吸附端废气的VOCs浓度Ca、排气筒出口VOCs浓度Cb、吸附风/排气筒风量La获得，见式（5）。

mVOCs=（Ca-Cb）×La×10－6# （5）

（三）能耗输出

沸石转轮+RTO有机废气处理系统的能耗输出关系见式（6）。

Qoutput=Qxrt+Qe+Qz+Qf+Qg+Qh （6）

式（6）中，Qoutput，RTO的能耗输出，kJ/h；Qxrt，RTO的外表面散热，kJ/h；Qe，RTO的反吹风热量损耗，kJ/h；Qz，RTO的助燃风热量损耗，kJ/h；Qf，RTO—排气筒的出口烟气热量损耗，kJ/h；Qg，RTO—排气筒的高温热旁通热量损耗，kJ/h；Qh，RTO—换热器的热量输入，kJ/h。

1.外表面散热

RTO的外表面散热主要与RTO蓄热体的散热系数、蓄热体表面积以及蓄热体厚度有关，热损耗关系如式（7）所示：

Qxrt=qxrt×Sxrt×σxrt# （7）

式（7）中，qxrt，RTO蓄热体散热系数，kJ/m3·h；Sxrt，RTO蓄热体表面积，m2；σxrt，RTO蓄热体厚度，m。

2.反吹风热损耗

反吹风在进行RTO的蓄热室吹扫时会吸收部分热量导致热损耗，RTO反吹风热损耗主要与反吹风的质量流量、RTO炉膛温度以及反吹风温度有关，热损耗关系如式（8）所示：

Qe=ρair×Le×Cair×（Trto-Te）# （8）

式（8）中，ρair，不同温度与压力下的空气密度，kg/m3；Le，反吹风风量，m3/h；Cair，空气比热容，kJ/（kg·℃）；Trto，RTO炉膛温度，℃；Te，反吹风温度，℃。

3.助燃风热损耗

当RTO的炉膛温度不能达到预设温度时，需要提供助燃风以使天然气充分燃烧释放热量，助燃风一般由助燃风机直接从室外空气中抽取至RTO中，因此进入RTO的助燃风会吸收RTO的热量导致热损耗。

RTO助燃风热损耗主要与助燃风的质量流量、RTO炉膛温度以及助燃风温度有关，热损耗关系如式（9）所示：

Qz=ρair×Lz×Cair×（Trto-Tz）# （9）

式（9）中，ρair，不同温度与压力下的空气密度，kg/m3；Lz，助燃风风量，m3/h；Cair，空气比热容，kJ/（kg·℃）；Trto，RTO炉膛温度，℃；Tz，助燃风温度，℃。

4.出口烟气热损耗

经沸石转轮浓缩后的有机废气进入RTO，有机废气中的VOCs一般组成为苯、甲苯、二甲苯、非甲烷总烃等，VOCs经高温氧化后分解为CO2、H2O等以高温烟气形式由RTO排至排气筒，出口烟气一般也携带较多热量。

RTO出口烟气热损耗主要与RTO出口烟气的质量流量与温度有关，热损耗关系如式（10）所示：

Qf=ρair×Lf×Cair×Tf# （10）

式（10）中，ρair，不同温度与压力下的空气密度，kg/m3；Lf，RTO出口烟气的风量，m3/h；Cair，空气比热容[2]，kJ/（kg·℃）；Tf，RTO出口烟气的温度，℃。

5.高温热旁通热损耗

RTO在运行过程中为确保净化效率稳定，往往需要维持一定的炉膛温度以确保进入的VOCs可以被充分高温氧化，当RTO的炉膛温度过高，可能导致炉体开裂甚至爆炸，因此，为确保RTO运行的稳定可靠，高温热旁通可为RTO及时排出多余的热量以降低炉膛温度。

RTO高温热旁通热损耗主要与RTO高温热旁通的出口风量与出口温度有关，热损耗关系如式（11）所示：

Qg=ρair×Lg×Cair×Tg# （11）

式（11）中，ρair，不同温度与压力下的空气密度，kg/m3；Lg，RTO高温热旁通出口风量，m3/h；Cair，空气比热容，kJ/（kg·℃）；Tg，RTO高温热旁通出口温度，℃。

6.换热器的热量供给

沸石转轮需吸收热量以脱附着在沸石表面的VOCs，此部分热量一般由RTO传至换热器再由换热器输送至沸石转轮，该部分热量主要与换热器的测入口进风的风量、温度有关，热损耗关系如式（12）所示：

Qh=ρair×Lh×Cair×Th# （12）

式（12）中，ρair，不同温度与压力下的空气密度，kg/m3；Lh，换热器的一次侧入口的风量，m3/h；Cair，空气比热容，kJ/（kg·℃）；Th，换热器的一次侧入口温度，℃。

三、结语

沸石转轮+RTO有机废气处理系统具有净化效率高、净化效果稳定等优点，适用于以船舶企业为代表的大型涂装企业，尤其对船舶企业涂装作业存在着不连续性且涂装废气中VOCs浓度瞬时波动大等问题，具有较好的适用性。

本文以沸石转轮+RTO有机废气处理系统为研究对象，依据该有机废气处理系统的机理模型，梳理并搭建该有机废气处理系统的能耗路径与能耗模型，揭示该有机废气处理系统内各组件的热量平衡关系，并给出计算方法，以期为相关人员提供参考。

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作者简介：王晓旭（1994），男，安徽省六安市人，硕士研究生，助理工程师，从事废气污染控制工作。