采用天然气为燃料的RTO彩涂机组热能系统设计

时间：2024-08-31

杨柏松

(重庆赛迪热工环保工程技术有限公司，重庆 401122)

彩涂钢板的生产过程，排放出大量的废气、废水和部分的废渣。尤其是废气，是涂装污染最棘手的问题，涂装过程中约50%为溶剂性涂料，溶剂及所加的稀料进入大气中，对大气臭氧产生很大的破坏作用并产生严重的温室效应；在涂装作业点，则对工人身体健康产生直接的危害和潜在的燃爆事故隐患。

为此，世界各国都制定了严格的控制挥发性有机化合物(VOC)排放法规，促使涂装生产采用低污染涂料并采取有效的污染治理措施，减少溶剂的污染作用。

普遍的废气处理都采用了焚化处理方法，将废气加热到650～800 ℃的着火点温度以上，将含氧共存废气与高温火焰接触1.6 s，以充分氧化分解为CO2和H2O。焚化处理废气的关键是废气与火焰的混合、接触时间及处理温度。该处理方法简单、效率高，但燃料消耗大，对低浓度废气不经济。但对于彩涂加热烘干的设备，非常适宜采用直接燃烧法处理废气，另外，通过对排出热气的余热回收，可降低运行费用，以扩大直接燃烧治理废气的应用范围。

随着近年来锌铝镁防腐镀层的迅猛发展，结合氟碳涂层的商业用半正在成为市场的新宠，其理由是卓越的防腐性能结合耐候性，沿海厂房等基地建设屋面板的需要求变得越来越迫切，针对氟碳涂层的镀膜增厚的新要求，三涂三烘的生产工艺被越来越多的采用，随着镀膜厚度的增加，VOC用量增加和越来越高的环保要求，一种RTO(蓄热式热力焚化炉)被广泛采用，对传统设计的DTO(直燃式热力焚化炉)结合换热器的方式也提出了技术和节能方面的挑战，因此有必要对家电板所使用的彩涂机组热能利用系统进行论证对比，以期达到寻找最优设计方案的目的。

1 蓄热式热力焚化炉的工作原理

蓄热式热力焚化炉(regenerative thermal oxidizer,简称RTO),工作原理是有机废气经预热室吸热升温后，进入燃烧室高温焚化(升温到800 ℃)，使有机物氧化成二氧化碳和水，再经过另一个蓄热室蓄存热量后排放，蓄存的热量用于预热新进入的有机废气，经过周期性的改变气流方向从而保持炉膛温度的稳定。

RTO设备的工作过程见图1，该设备有三个对称的蓄热室和二个燃烧室，有机废气在鼓风机作用下先进入陶瓷蓄热室1，吸热后进入燃烧室，蓄热室1因放热而降温，燃烧升温后的气体进入蓄热室2，通过热交换把热量蓄存在蓄热室2的陶瓷蓄热体中，然后排出。同时蓄热室3空间中的残留未处理有机废气被净化后的气体反吹回燃烧室进行焚化处理。经过一定时间(比如2 min)后，气流改变方向从蓄热室2进入燃烧室，通过蓄热室2吸收热量升温后，在炉膛内高温焚化，最后经蓄热室3热交换后排放，同时蓄热室1处于反吹扫状态，经一定时间(比如2 min)后，气流再改变方向，不断地交替循环，保证燃烧室温度在800 ℃以上，从而保证高的去除率和换热效率。

图1 RTO工作原理图

RTO设备由三个蓄热室、二个燃烧室、六个主气流切换阀组成(见图2)。蓄热室内装满蜂窝陶瓷蓄热体，每个燃烧室装一个带比例调节的液化石油气燃烧器。每个燃烧器的供热能力是通过炉膛内的温度反馈信号经过PID调节器自动地进行调节，此外燃烧系统还带有点火前的自动预吹扫、熄火保护、超温报警和超温自动切断燃料供给等功能。RTO炉共有预吹扫、点火、升温、焚化、保温、后吹扫停机六种状态，当RTO炉处于预吹扫、点火、升温、保温、后吹扫停机五种状态时，烘干室的废气全部直接排放。本设备可根据各个烘干室的开停状态自动给出RTO炉的实际运行风量，再通过变频器自动地调整RTO炉系统的鼓风机、引风机的转速和风量，以保证烘干室的正常工艺生产，一旦RTO炉发生故障，RTO炉将向各烘干室发出信号，废气直接排空，RTO炉转入故障吹扫状态。

图2 三室RTO单体设备图

2 RTO性能特点

净化效率高：三室可达99%。

换热效率高(>90%)；节能，有机废气3g/m3(标准)以上浓度就可达热平衡。

阻力低，风机装机功率小，节能，运行费用较低。

耐高温(1 000 ℃)，正常温度为800～850 ℃[2]。

含VOC的废气需要从排放温度220 ℃经过RTO焚化后的清洁废气排放温度为289 ℃。

3 和直燃式热力焚化炉的单体设备对比

RTO同直燃式热力焚化炉(见图3)(directive thermal oxidizer,简称DTO)的单一设备能耗对比，传统的直燃式热力焚化炉需要将VOC加热到760 ℃以上，而且焚化时间需要1.6 s以上，因此常常因为混好不好、温度不均匀、造成焚化效率不够高；而且含VOC的废气需要从排放温度220 ℃预热到450 ℃，再次用大烧嘴提温到760 ℃以上，而从焚化炉直接排除的烟气温度经过废气一级预热器后的温度还有650 ℃。

图3 DTO单体设备图

因此，单项对比DTO和RTO的设备能耗，把RTO作为单体设备用在汽车烘涂、医药等单一废气处理，其氮氧化物排放、VOC净化效果、能源消耗率都使RTO同传统DTO相比具有极大的技术与运营优势。

4 彩涂钢板生产机组的2种不同焚化炉结合固化炉的综合热能系统对比(RTO对比DTO)

以图4的二涂二烘的生产工艺为例，参照图5的传统DTO结合固化炉换热方式的系统图，烘烤固化炉需要至少400 ℃的固化循环热风温度，而这一温度采用传统的DTO焚化炉直接排除的烟气温度经过废气一级预热器后的温度还有650 ℃，因此继续通过二次换热器通过400 ℃以上的固化循环热风是比较容易的，因此在固化炉各个区域继续增加小烧嘴的必要性不大，只是增加了调节的灵活性。

图4 传统的二涂二烘彩涂钢板机组布置图

图5是传统的DTO结合固化炉的系统设计，这一系统如果取消分区小烧嘴就是目前尤其采用焦炉煤气全换风式彩涂热系统，特点是遵循了梯度利用温度的有效办法，也是目前最普遍的用法。

图5 传统DTO结合固化炉换热器方式+补燃方式的系统图

排烟侧：焚化后废气排放温度800 ℃，经一级需要焚化的废气换热器后排放温度650 ℃，经补入新风换热器后的温度为350 ℃，供下游清洗段利用或者排放。

回收侧：固化炉排放废气220 ℃经一级需要焚化的废气换热器后达到450 ℃，进入焚化炉焚烧，补入新风经新风换热器后的温度为400 ℃送入固化炉。

这一设计的优点是适应范围广泛，无论天然气、焦炉煤气作为燃料都适用，其次是适应从建材到高端家电的不同清洁程度的所有要求，取决于新风过滤的清洁程度；这一设计的缺点是能耗指标要高些，取决于新风换热器的换热效率，因此很多场合都采用金属板式换热器。

因此，传统的DTO方式结合换热器设计，就是充分利用了不同温度的利用价值是不一样的，是将温度的梯度利用彻底发挥出来，将换热器的换热效率提高到了极致的结果。

图6为RTO结合清洁能源烧嘴分段补燃式固化炉的系统图。

排烟侧：260 ℃的废气在炉内经蓄热体后很容易达到800 ℃，而焚化后废气排放温度仅为290 ℃，无法为下游热能用户提供有效热源。

回收侧：补入新风经新风换热器后的温度仅为150 ℃(废气温度仅为290 ℃)，无法满足固化炉的循环固化热风温度要求。

因此为了达到各区的至少400 ℃循环固化热风温度的要求，就需要对换热后的150 ℃新风进行升温处理，处理方法就变得十分重要。

采用清洁烧嘴直接燃烧升温，无疑是达到了最高的热能利用率，是符合温度梯度利用的原理的。

而且该系统中最重要的部分已经不是RTO了，而是补燃的清洁烧嘴到底清洁到什么程度，这也就是为什么图5中的补燃烧嘴成为了顶级家电板生产需求的分水岭。

针对图6的热能分析，RTO部分有效地利用了蓄热式燃烧的技术特点，热效率高达89%以上，因此吨钢燃耗仅为4 m3/t(标准)天然气。

图6 RTO结合清洁能源烧嘴分段补燃式固化炉的系统图

而清洁烧嘴将新鲜热风从150 ℃提高到400 ℃，分解到吨钢燃耗仅为13 m3/t(标准)天然气。

因此RTO结合清洁能源烧嘴分段补燃式固化炉的彩涂热能综合利用系统吨钢燃耗不超过17 m3/t(标准)天然气。

但质疑这一系统设计的问题是是否足够的清洁，而可以让补燃清洁烧嘴直接将燃烧产物混入新鲜热风，因此就产生衍生的一种设计，详见图7。

图7 RTO结合换热式烧嘴分段补燃式固化炉的系统图

图7为RTO结合换热式烧嘴分段补燃式固化炉系统，该设计就是为了消除因燃烧产物污染新鲜热风的隐患，但违背了温度最有效利用的原则，因为RTO后的新风换热器只能提供150 ℃的新鲜热风，如采用换热式换风方式继续将新鲜热风提高到400 ℃的方法，还是本着高温利用效率高的原则，最佳方式为分区采用图8的分段换热式一体燃烧机。

图8 分段换热式一体燃烧机

可以肯定地说，其热效率最高不超过50%，因此这一设计的效能不高，甚至低于传统DTO结合板式换热器的传统设计，但如果用户无法提供清洁能源就只能选择图7的系统设计了。

因此，选择RTO结合分段补燃的设计选择是采用天然气为清洁能源的首选系统设计，固化炉的不同段对补燃的要求设计也不尽相同，但总体来讲设计原则是：设计的固化炉是在溶剂爆炸极限的1/4运行(体积浓度)，除此之外是区域内的温度低于溶剂的点火温度。

在天然气完成精脱硫和清洗的前提下仍然需要霍尼韦尔8级过滤器，比较成熟的设计是采用如图9的分段补燃燃烧器[1]。

图9 固化炉分段补燃烧嘴

5 清洁能源的要求

经过对比，参照表1,本文力推图6的系统配置，但对清洁燃料燃烧机的要求极高，首先是对燃料和新鲜空气的清洁要求。

表1 不同的废气焚化炉及固化炉补热的对比

目前家电板生产执行的是ISO14644-1新风清洁程度等级8-6级标准，因此作为家电板燃料的天然气清洁程度也同样参照表2，需要对天然气进行清洗过滤，同时系统设计增加了采用了霍尼韦尔8级过滤器可分离5～10 μm颗粒物，经过清洗后的天然气经过这种过滤器后是完全满足直燃式清洁能源要求的，因此达到空气的同样清洁程度是比较容易的，正因为如此，因此不建议采用图7的设计，除非燃料为像焦炉煤气这样的非清洁能源。需要强调的是天然气燃烧产物在新风中的占比不超过5%，因此采用清洁的燃烧设备如图9所示，是完全满足家电板生产需要的。

表2 新风的过滤清洁程度等级

目前市场上多采用DTO结合后换热器的方式生产家电用彩涂板，而已经有国外著名企业采用RTO结合直燃式清洁烧嘴的方式生产家电用彩涂板。同时水性溶剂的出现也在大大改善彩涂板的生产工艺，但需要强调的是，水性溶剂不是万能的，会造成产线明显的降速；因此，从改善燃烧性能和净化燃料源头的方向进行优化，是可以取得事半功倍的效果的，在天然气的清洗和净化设备上，市场做引导，还需要下深下功夫，只是基于投资和安全等因素的考虑，彩涂板生产厂家都把气源的治理放在厂区以外，不纳入管理范围了。