RTO助力綠色金屬印塗——兼談金屬包裝業空氣淨化裝置的選型和評價標準

RTO助力綠色金屬印塗——兼談金屬包裝業空氣淨化裝置的選型和評價標準

圖1 運行中的華宇RTO

揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）是石油化工過程以及各種使用有機溶劑的行業，如噴漆、印刷、制藥、煤化工等行業排放最常見的污染物。該類化合物多數具有刺激性氣味和毒性，部分已被列為致癌物，如苯、多環芳烴、氯乙烯、乙腈等，危害人類健康，污染空氣；此外多數VOC氣體易燃易爆，對企業生產安全造成威脅。

環保承壓，金屬包裝業亟需解決VOCs的有效治理

由於VOC的危險性，許多國家頒布法令對VOC的排放進行管制。我國頒布的《大氣污染防治法》要求對工業生產中產生的有毒氣體進行淨化處理，對可燃性氣體要回收利用。《大氣污染物綜合排放標準》（GB16297-1996）規定了33種揮發性有機物的排放標準，將大部分的其他揮發性有機物按非甲烷類烴來處理，並規定了統一的排放標準（＜l20mg/m3＝。隨著今年環境保護稅正式開徵，讓企業治污減排、產業技術升級箭在弦上。

就金屬包裝行業而言，由於大多數企業所用塗料中的有機溶液中含有苯、甲苯、乙酸乙脂、二甲苯、丁酮等成分，因而在表面塗布、烘乾等工藝過程中，會存在一定的有害揮發物，是當前環保管治大戶之一。在環保高壓下，金屬包裝業必須解決「彩印、塗布和烘烤中產生的低濃度、大風量有機廢氣的有效處理」難題，合理利用資源，保護環境，顯著提升行業技術裝備水平，加速廢氣淨化裝置等相關配套裝備的更新換代，打破國外企業在該領域的技術和市場壟斷，提高我國在世界包裝行業的競爭力。

VOCs三類主要處理技術路線的優劣比較

去除工業廢氣中VOC的方法可分為破壞性方法和非破壞性方法。在破壞性方法中，有直燃法、催化燃燒法、蓄熱式氧化法三類技術路線之分，其中催化燃燒技術和高溫燃燒技術是目前最常見、最有效的VOCs處理技術。

直燃法是利用熱力燃燒方式氧化分解惡臭氣體，在適當的溫度下，提供充足的燃燒氧氣和一定駐留時間，可高效除臭，淨化率高；同時設備主機工作穩定，不存在堵塞現象，適於含有催化劑失活物質（S、重金屬、鹵素）的廢氣，以及粘性大的物質如瀝青廢氣等。但設備佔地面積大，成本相對較高。

催化燃燒法採用的是吸附濃縮+催化燃燒組合工藝，整個系統實現了淨化、脫附過程閉循環，與回收類有機廢氣淨化裝置相比，無需壓縮空氣和蒸汽等附加能源，運行過程不產生二次污染，設備運行費用較低，適於常溫、大風量、中低濃度，易揮發的有機廢氣。設備一次性投資成本較高。

蓄熱式氧化法採用預熱和蓄熱交替切換技術，換熱效率高達90%以上，節能效果顯著。具有預清掃、歇火保護、超溫報警及自動切斷燃料供應功能。採用微機自動控制、多點溫控，實現了多種保護動作、運行信息檢索、監控信息反饋，使系統安全、穩定、可靠運行。閥門切換更靈敏、迅速。催化劑價格較貴（12萬元/m3），輔料燃燒成本也很高，適於中高濃度的有機廢氣，以及塗裝線、印刷、化學合成工藝（ABS合成）、石油煉化工藝各種產生有機廢氣的場所。

總體來看，熱催化燃燒過程中需要對相應的燃燒溫度進行加熱，如果廢氣中有機物濃度很高，廢氣燃燒所產生的熱量就可以保持有機物分解所需的反應溫度，因而催化燃燒法是一種經濟可行的方法。

然而，傳統的催化燃燒技術和高溫燃燒技術傳熱效率低。當廢氣中有機物濃度較低時，需要大量的能量消耗，運行成本較高。為了提高設備的熱效率，降低設備的運行成本，近年來出現了蓄熱式加熱技術和蓄熱式催化燃燒技術，把回收煙氣余熱與高效燃燒及降低NO X（熱力型氮氧化物）排放量等技術有機地結合起來，實現了節能和降低污染物排放量的雙重目的。

選擇廢氣處理設備的評價標準

工業廢氣處理設備生產率和產品質量 設備生產率與產品質量主要是指單位時間的產品產量與設備質量的工程能力。高效率設備的主要特點是：大型、高速、自動化、電子化。

投資費用 在選擇設備時，對上述各種因素進行認真評價之後還要考慮設備的最初投資以及投資的合理平衡，即設備投資的回收期限以及因採用新設備帶來的節約。

工藝性 即設備滿足生產要求的能力。此外，設備還要操作方便、控制靈活；產量大的設備應自動化程度高；對有毒有害作業的設備則要求自動化控制或者遠距離監控等。

維修性 即通過修理和維護來預防和排除系統、設備、零部件等故障的難易程度。一般來說，如果設備設計合理，結構簡單，零部件組裝合理，維修時零部件易拆易裝，檢查容易、零件的通用性好、標準性及互換性好，那麼設備的維修性就好。

經濟性 選擇設備時，要求設備最初的投資少，即設備的購置費用較低，設備的生產率高，自然壽命較長，維修及管理費較少，並能節約勞動力。

安全性 即指選擇在生產中安全可靠的設備。對於有腐蝕性的設備，要注意防護設施的可靠性，以及設備的材質是否滿足設計要求。此外還應注意設備結構是否先進，組裝是否合理、牢固，是否安裝有預報和防止設備事故的各種安全裝置。

環保性 是指設備產生和排放的有害物質對環境的污染要符合國家規定的要求。應該選擇不排放或少排放「三廢」的設備，或者選擇有相應治理「三廢」附屬裝置的設備。還要附帶有消聲、隔音裝置。

成套性 即設備本身及各種設備之間的配套情況。在選擇設備時，應避免動力設備和生產設備之間「大馬拉小車」或「小馬拉大車」的現象，以及各生產設備之間「頭重腳輕」等不配套的現象。

可靠性 從廣義上來說是指機器設備的精度、準確度的保持，以及機器零件的耐用性、執行功能的可靠程度、操作是否安全等。

蓄熱式高溫空氣燃燒技術優勢

蓄熱式高溫空氣燃燒技術（High Temperature AirCombustion，HTAC），是自上世紀90年代以來發達國家開始普遍推廣應用的一種全新燃燒技術。它能夠將助燃空氣預熱到800~1000℃或以上，燃燒區空氣含氧量在2％～21％。與傳統燃燒過程相比，高溫空氣燃燒的最大特點是節省燃料，減少CO2和NOX的排放，降低燃燒噪音。

國際上十分重視對高溫空氣燃燒技術的開發研究，工業界把推廣應用高溫空氣燃燒技術作為新世紀節能和環保的主要任務之一。2014年，中國有50余家企業採用此技術改造印塗鐵塗料烘房，平均節能效果達到30%，NOX排放指標符合政府環境要求。

蓄熱式高溫空氣燃燒技術的主要特徵表現在以下幾方面。

大幅節能減碳 採用蓄熱式煙氣余熱回收裝置，最大限度地回收高溫煙氣的物理熱，一般可節約能源10％～70％，提高熱工設備熱效率，同時溫室氣體（CO2）減排達10％～70％。

爐內溫度分布均勻，大幅減少NOX。通過組織貧氧燃燒，擴展了火焰燃燒區域，使得爐內溫度分布均勻；同時，煙氣中NOX的排放減少 40%以上。

降低設備造價。由於爐內平均溫度增加，加強了爐內的傳熱，使相同尺寸的熱工設備產量提高20%以上，大大降低了設備的造價。

低熱值燃料的應用範圍更廣。低熱值的燃料借助高溫預熱的空氣或高溫預熱的燃氣可獲得較高的爐溫，擴展了低熱值燃料的應用範圍。

蓄熱式高溫空氣燃燒器技術方案

我司根據客戶的技術特點確定如下蓄熱式燃燒器具體設計方案：採用空氣單預熱，預熱後空氣溫度大於800℃，排煙溫度控制在100℃~200℃；燒嘴採用套筒式結構，雙燒嘴設計，其中一個燒嘴用於燃燒，一個燒嘴用於排煙；雙蓄熱室設計，蓄熱室位於燒嘴下方，採用蜂窩式蓄熱體（原因詳見下文）；採用旋轉式四通換向閥；換向時間定為40s。

燒嘴 蓄熱燒嘴的設計遵循高溫低氧空氣燃燒的基本技術原理，即高效回收煙氣余熱，大幅減少污染物特別是NOX的排放。

蓄熱體材質 出於高效節能的考慮，蓄熱體應具有高效蓄熱和高效換熱功能，以及無溫度應力限制、高溫結構強度好、抗氧化、抗腐蝕、經濟、長壽等特點。蜂窩式蓄熱體（圖3）因優點較多最終被選作蓄熱室填充材料，但它的切換時間短（30～70s），導致切換頻率增大，這勢必增加了換向閥的動作，因此在製作換向閥時要應該充分考慮這一點。

圖2 蜂窩式蓄熱體

換向閥 可採用旋轉式四通普通金屬換向閥。由於燃燒器運行期間需要進行頻繁換向，換向閥的壽命將直接影響到燃燒器的工作性能。

進階之蓄熱式熱氧化器RTO

圖3 作為蓄熱式高溫空氣燃燒器技術的進階版本，RTO被認為是一種最經濟、具具廣泛適用性及耐用性的環保處理裝置。

作為蓄熱式高溫空氣燃燒器技術的進階版本，蓄熱式熱氧化器（RegenerativeThermal Oxidizer,RTO）是一種用來處理中低濃度揮發性有機廢氣的節能型環保裝置，憑借極高的運行可靠性，操作簡便和維護成本低等特點廣受關注。典型應用領域包括印鐵塗布行業及油漆油墨製造、紡織和化工電子等行業，被認為是一種最經濟、具具廣泛適用性及耐用性的環保處理裝置。

工作原理  典型的三床式RTO主體結構由一個燃燒室、三個陶瓷填料床和六個切換閥組成（圖1），廢氣在三個蓄熱式氧化床之間輪流切換，VOCs在高溫環境（≥760℃）下被分解氧化成CO2和H2O。蓄熱式陶瓷填充床換熱器可使熱能得到最大限度的回收（熱回收率大於95%），這樣在處理VOCs時可不用或使用很少的燃料。

優勢 RTO裝置具有以下幾大優勢。

第一，     淨化率（DRE）高。三床式 RTO 淨化率在 99% 以上，廢氣經過處理後完全達到國家相關的排放標準。

第二，     第二，採用分級燃燒技術，延緩狀燃燒下釋出熱能；爐內升溫均勻，燒損低，加熱效果好，不存在傳統燃燒過程中出現的局部高溫高氧區，抑制了NOX的生成，無二次污染。

第三，     特別適於大風量、低濃度的有機廢氣，以及同一生產線上，廢氣成分因產品不同經常發生變化的情況。

第四，     第四，運行成本低、燃料消耗操作費用低。有機廢氣濃度在2000PPM以上時，RTO裝置基本不需添加輔助燃料。

第五，     高達97%的熱能回收（實測值）。蓄熱室內溫度均勻分級增加，加強了爐內傳熱，換熱效果更佳。

第六，     第六，可實現全自動化控制，操作簡單、運行穩定、安全可靠性高。爐膛容積小，降低了設備的造價。

第七，     廢氣進口設置惰性氧化鋁瓷球，對蓄熱陶瓷起到保護、緩衝、過濾的作用，讓蓄熱陶瓷的使用壽命更長。

第八，     第八，全自動運轉減少電力消耗，不存在因壓力變化產生的能耗浪費現象。

結語

在目前已經開發應用和研究的有機廢氣處理技術中，蓄熱式廢氣焚燒處理技術不僅能夠有效地解決傳統技術對處理低濃度、大氣量有機廢氣不適用的難題，而且具有投資少、運行費用低、廢氣停留時間短、高效、穩定、反應徹底且無二次污染的特點，此外還克服了傳統方法運行費用高、反應器龐大等缺陷，在VOCs污染治理領域具有廣泛的應用前景。