蓄热式热氧化炉处理涂布有机废气可行性分析研究

北极星VOCs在线讯:摘要：智能节能膜生产的涂布干燥过程中产生大量有机废气，主要污染因子是乙酸乙酯、丁酮等，通过对蓄热式热氧化炉运行原理及对涂布干燥产生的有机废气处理效率的介绍，举例计算去除有机废气过程中天然气消耗量和燃烧天然气产生的二次污染物氮氧化物的量，同时介绍多种常用有机废气处理方法的原理，并对多种有机废气的处理效率、主要优点、缺点等对比，从经济、技术角度对蓄热式热氧化炉处理智能节能膜涂布干燥有机废气的可行性进行分析。

前言

挥发性有机化合物(volatileorganiccompounds，简称VOCs)，指常温下饱和蒸汽压大于70Pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物，或在20℃条件下蒸汽压大于或等于0.01kpa具有相应挥发性的全部有机化合物。智能节能膜贴在建筑门窗，汽车玻璃和工业金属的表面，可以实现冷热双向调节，达到冬天保暖，夏天保冷的效果，可以有效节约能源。复合智能节能膜主要分4层，第一层防刮伤涂层，即UV涂层(丁酮溶剂、丙烯酸树脂)，第二层高分子基温控涂层，包括PET基材和温控涂层，第三层安装胶涂层(乙酸乙酯溶剂、丙烯酸压敏胶)，第四层离型膜层。精密涂布是智能节能膜生产的主要工艺，常温下涂布涂料后，由导热油炉加热保持温度在80%～100cC之间涂布干燥，在uV涂层干燥过程，丁酮溶剂全部挥发，安装胶涂层干燥过程，乙酸乙酯溶剂、丙烯酸压敏胶中的乙酸乙酯全部挥发，产生大量挥发性有机化合物，本文模拟了蓄热式热氧化炉(RegenerativeThermalOxidizer，简称RTO)处理年产1000万平方米智能节能膜UV涂层、安装胶涂层干燥过程有机废气VOCs的经济、技术可行性。

1RTO运行原理和经济可行性分析

1.1RTO运行原理

蓄热式热氧化炉的工作原理是，有机废气经预热室吸热升温后，进入燃烧室高温焚烧，使有机物氧化成CO2和H2O，再经过另一个蓄热室蓄存热量后排放。将生产车间主要含有乙酸乙酯或丁酮的有机废气VOCs(100℃)，通过进风口进入分风室，在旋转阀门的作用下进入蓄热床，废气被蓄热陶瓷逐渐加热后进入燃烧室，VOCs在燃烧室内高温氧化(800℃)并放出热量，高温烟气再与另一侧蓄热床上的蓄积陶瓷进行热交换，将热量蓄积在蓄热陶瓷上，烟气以140℃左右的温度排放。通过旋转阀门的转动，废气进出陶瓷的区域被轮换，实现蓄热区与换热区的交替转换。当废气中所含VOCs浓度超过平衡浓度时，RTO不需补充燃料便能够维持设备的自运行，同时可对外通过换热器、锅炉等形式输出系统余热，热量平衡方程式如下：

1.2.2RTO处理有机废气的经济可行性分析

根据项目的实际运行情况，UV涂层干燥过程主要挥发丁酮溶剂，干燥时间2000h/a。VOCs的产生速率为15.72ks/h(218mol/h)，浓度为1310ms/m，小于RTO维持自运行时的最低VOCs浓度，需要补充燃烧天然气;安装胶涂层干燥过程主要挥发乙酸乙酯溶剂、丙烯酸压敏胶中的乙酸乙酯，干燥时间2000h/a，VOCs的产生速率为71.94ks/h(816.5mol/h)，浓度为5995ms/m，大于RTO维持自运行时的最低VOCs浓度，可以回收VOCs氧化后的余热用于有机热载体炉的涂布干燥用热。

根据上述计算，为处理项目涂布干燥过程产的VOCs，RTO年消耗天然气约为6.6万in/a，现行工业天然气价格约4.3m。，RTO运行年消耗天然气费用为28.38万元，项目可实现年均利润总额12236万元，RTO的运行费用占利润总额的0.23%，运行费用占比是合理的。

方案比选目前，针对的VOCs处理方法主要有吸附法、液体吸收法、冷凝法、生物法、低温等离子体、催化燃烧、蓄热式焚烧系统(RTO)等，以下介绍几种VOCs处理方式的原理和优缺点。

吸附法是处理低浓度VOCs的有效方法之一，它是通过吸附剂对VOCs进行吸附净化，将净化后的气体排人大气。因此去除率的高低与吸附效果有关，而吸附效果主要取决于吸附剂的性质、VOCs的种类、浓度和吸附系统的操作温度、湿度、压力等因素。

目前，常用的吸附剂有颗粒活性炭、活性炭纤维、活性氧化铝、硅胶和人工沸石等。吸附装置内可以不同方式进行接触传质，吸附床形式有定床、移动床和流动床。移动床和流动床传质效果好，一般用于处理大风量。根据吸附理论，降低温度可提高吸附效果，通常控制吸附温度在40℃以下。

液体吸收法是利用液体吸收液与有机废气的相似相容性原理而达到处理有机废气的目的。通常为强化吸收效果用液体石油类物质、表面活性剂和水组成的混合液作为吸收液。

冷凝法是利用物质在不同温度下具有不同饱和蒸汽压这一性质，采用降低系统温度或提高系统压力，使处于蒸汽状态的污染物冷凝并从废气中分离出来的过程。冷凝过程可在恒定温度的条件下用提高压力的办法来实现，也可以在恒定压力的条件下用降低温度的办法来实现。利用冷凝的方法，能使废气得到很高程度的净化，净化要求越高，所需冷却的温度越低，必要时需要增大压力。因而，冷凝法往往与吸附、燃烧和其它净化手段联合使用，以回收有价值的产品。

生物净化实质上是一种氧化分解过程，附着在多空、潮湿介质上的活性微生物以废气中有机组分作为其生命活动的能源或养分，转化为简单的无机物(CO、H0)或细胞组成物质。主要工艺包括生物过滤床、生物滴滤床以及生物洗涤床。微生物、填料、湿度、温度、pH、营养物质都是生物滤池性能的影响因素。

等离子体被称作除固态、液态和气态之外的第四种物质存在形态。简言之，等离子体就是电离气体，它是电子、离子、原子、分子、自由基等粒子的集合体。等离子体与VOCs的作用机理主要有两方面：一是数万度的高能电子直接与气体分子(原子)发生非弹性碰撞，将能量转换成基态分子(原子)的内能，使其激发、离解、电离最终生成无害的CO2和H2O;二是高能电子激励气体中的O2、N2、H2O等分子，从而产生具有强氧化能力的O、OH、O3、OH2等自由基或活性粒子，它们破坏C—H、C=C或C—C等化学键，使VOCs分子中的H、C1、F等发生置换反应和分解氧化，最终生成无害物质CO2和H2O。低温等离子体可以单独作用于VOCs，可以协同吸附剂作用于VOCs，也可以协同催化剂作用于VOCs，等离子体协同吸附剂和催化剂技术处理VOCs效果较好，能量利用效率高，但在反应过程中可能产生臭氧、NOC1、HNO，及其他卤化物等二次污染物，可能使催化剂失去活性J。

催化燃烧技术是指在较低温度下，在催化剂的作用下使废气中的可燃组分彻底氧化分解，从而使气体得到净化处理的一种废气处理方法。目前催化燃烧技术已广泛应用于金属印刷、漆包线、炼焦、油漆、化工等多种行业中用于净化有机废气和处理汽车尾气。如石化中的氧化沥青尾气治理、催化裂化装置再生烟气的CO处理，彩印厂三苯废气治理以及PU合成革工艺有机废气治理等。

目前实际应用多是上述方法的组合使用，如吸附一冷凝回收法、吸附一解吸一催化燃烧法、吸附一浓缩一燃烧法等，组合法克服了单一方法的缺陷，使有机废气的污染问题得到了解决(见表1)。

将RTO燃烧室内温度设定在8o0℃，停留时间1.5S的条件下，可达到99%以上的VOCs去除效率，RTO处理有机废气燃烧工艺主要性能指标符合《大气污染物治理工程技术导则》(HJ2000—2010)热力燃烧工艺主要性能指标的要求。智能节能膜生产以PET薄膜(塑料)为基材，采用的微凹版涂布生产工艺类似于印刷行业中的凹版印刷，处理后的VOCs最大排放浓度为59.95mm，可以达到广东省地方标准《印刷行业挥发性有机化合物排放标准》(DB44/815—2010)中表2的凹版印刷第1I时段限值120mg/m。的要求。

根据《第一次污染物普查工业污染源产排污系数手册》(第十分册)表4430中燃气锅炉的NO排放系数为18.71kg/万1TI燃料，RTO年消耗天然气约为6.6万1TI/a，产生氮氧化物0.12t/a，产生量较小。

蓄热式热氧化炉(RTO)利用高温下发生的氧化反应，将有机废气处理达标后高空排放，有机废气经处理产生的热能，不仅能维持RTO自身的正常运行，还可以回收多余的热能作为涂布设备干燥的能源，替代部分涂布设备干燥能耗，达到显著的节能与减排效果，从成本投入、运行费用和处理效果综合来看蓄热式焚烧系统(RTO)对智能节能膜涂布有机废气处理是合适的。