船厂VOCs 治理系统节能方向

苏 翔

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引言

随着国内环保要求的日趋严苛，国家和地方相继出台了若干环保法规政策。由此，全国各地的企业，尤其是生产型企业针对环保改造投入了大量的人力、物力与财力。对船厂而言，固危物及废水等生产过程中产生的一半废弃物有比较简单且有章可循的环保管理方案，而船厂涂装车间的废气治理因其废气产生量大、废气工况波动剧烈、废气成本相对复杂等特点，成为船舶行业的 固有难题。

近年来，国内船舶行业陆续开始了挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）废气治理项目的投入，环保治理效果显著，但也突显出了新的矛盾。当我们满足了环保治理需求的同时，环保设备的能源消耗也给企业造成了很大的负担。本文以目前船厂使用较多的“沸石转轮＋蓄热式热力燃烧（Regenerative Thermal Oxidizer，RTO）”VOCs 治理设备为例，探讨工艺系统中 能耗的主要构成及节能方向。

目前，国内各大船厂大部分涂装车间的VOCs 改造项目正在工程施工阶段或立项阶段，“沸石转轮＋RTO”方式在我国大型船舶企业中的运用较早，且运行趋于稳定，本文便以“沸石转轮＋RTO”典型工艺为例进行探讨。

以使用中的48 m×33 m×13 m 涂装工厂喷漆时排风量为例，上海市对船舶企业的涂装棚排放要求即非甲烷总烃为70 mg/m3，换气次数为6 次/小时[1]。因此，选用风量120 000 m3/h 的沸石转轮＋RTO”系统，主要参数如下。

1）处理风量约为8 m3/h～120 000 m3/h（标准工况下，以下计算流量均为标况）。

2 ） VOCs 废 气 浓 度 在 600 mg/m3～1 200 mg/m3范围内上下波动。

3）每天喷漆集中作业，时间为4 h～6 h；固化时不进行喷漆作业，时间为16 h～20 h。

4）RTO 能源为天然气。

其主要能耗由2 部分构成：风机耗电与RTO补热用燃气。以下便从风机用电及RTO 用气2方面分析能耗情况。

1 风机用电部分

典型“沸石转轮＋RTO”系统风机主要由车间废气主风机、RTO 主风机（含沸石转轮脱附风机）及RTO 燃烧器助燃风机构成，装机容量约240 kW，按照每天涂装工况4 h（夜间工况）、固化工况20 h 计算，其每天电力消耗总量为：P＝240×4＋240×0.6×20＝3 840 kW·h。

上述耗电量主要由车间废气主风机承担，而主风机的开度则主要由车间通风量决定。目前现行的规范GB 51364—2019《船舶工业工程项目环境保护设施设计规范》对于涂装作业时的通风有明确要求，宜6 次/小时～8 次/小时[2]，且涂装作业工况时间较短，在此不展开讨论。固化工况下，按照上述规范，一般通风次数按1/2 的喷漆工况计算，宜为3 次/小时～4 次/小时（风机功率约为额定功率的60%）。此时VOCs 气体浓度较低（根据目前VOCs 系统运行情况看，一般固化时VOCs 气体浓度小于150 mg/m3），此时车间工人很少，对于VOCs 治理系统的要求和依赖性很低。

因此，可以考虑适度降低固化工况下的通风次数，在保证车间工作环境的前提下，通风次数由3 次降低至2 次～2.5 次，以固化阶段平均2.5次为例，按照一般的风机特性，120 000 m3/h 设计功率为185 kW，在风量为60 000 m3/h 时，功率约为84 kW；风量在50 000 m3/h 时，功率约为75.5 kW，以此为基准进行计算，可得固化阶段风机耗电量可降低约10%。由此推算，在上述通风次数降低的情况下，每天产生的耗电量降低约P＝240×0.6×0.1×20＝288 kW·h，每天的电能消耗由此降低7.5%；若固化阶段平均通风次数为2次，则由此带来的耗电量降低约15%。

然而，风量的降低对于除湿系统（夏天）、加热系统（冬天）能耗的降低，效果巨大，在此不作深入探讨。

2 R TO 用气部分能耗分析

该系统RTO 风量以20 000 m3/h 为计，燃烧器额定耗气量约为117 m3/h，以平均负荷30%为计，每天的天然气消耗量约为Q＝117×0.3×24＝842 m3。

系统散热主要由表面热损失、VOCs 烟气排放、脱附风加热风、高温紧急排放等构成。

2.1 表面热损失

表面热损失主要体现在RTO 燃烧室部分，该部分散热损失比较固定，主要变量是保温层厚度，而保温层厚度一般维持在使外壁温度不会烫伤工作人员的厚度，必然小于80℃。鉴于本文讨论船厂VOCs 治理系统节能的可能方向，该部分可操作的节能空间不大[3]。

2.2 超温热排放

超温热排放是建立在浓度较高的工况下，将RTO 正常工作无法排出的热量通过燃烧室内气体直接向烟囱排放，从而降低RTO 燃烧室的温度。该情况下，燃烧室的燃烧器必然处于停止状态，RTO 内的VOCs 气体已经能够维持自燃，该特殊工况不具备规律性，且单独用以节能的可能性较低。

2.3 烟气排放及脱附风加热

烟气排放和脱附风加热是RTO 正常工作状态下的主要散热方式，其散热效果直接影响到RTO 的工作性能和节能效率。之所以将烟气排放与脱附风加热一同考虑，主要因其加热对象为同一介质。基于RTO 烟气排放口温度为80℃（固化时温度为70℃），换热器二次侧初始温度为30℃，不考虑换热器热交换过程中产生热损失的情况下，烟气排放和脱附风加热主要耗热量约为[3]：

1 ） 喷 漆 满 负 荷 时 ，K1＝20 000×1.293×1.005×(80－30)≈1 300 MJ/h，天然气热值以34.7 MJ/m3计，折合约37.5 m3/h的天然气。

2 ） 固 化 时 风 量 减 半 ，K2＝10 000×1.293×1.005×(70－30)≈520 MJ/h，天然气热值以34.7 MJ/m3计，折合约15 m3/h 的天然气。

3 R TO 用气部分节能分析

鉴于上述分析，对目前船厂涂装车间VOCs治理系统天然气消耗降低和热能再利用方向进行分析，几个主要的可行方向如下。

3.1 余热利用

涂装车间在冬季采暖季，为使油漆快速固化，往往采用涂装车间供暖的方式加大产能，目前国内有采暖季的地区，新建的涂装车间大都配备采暖系统。按照冬季室外温度0℃计算，上述车间在固化阶段时，环境温度保持在20℃以上，需要具备的热量（不考虑热损失） 为K3＝60 000×1.293×1.005×20≈1 559 MJ/h，考虑利用RTO 排放尾气为新风加热，可提供的热量为（考虑换热效率为85%，一次侧进出口温度分别为70℃、5℃）K4＝10 000×1.293×1.005×(70－5)×0.85≈718 MJ/h，约占所需热量的1/2（北方环境温度更低，余热利用空间更大），可大大降低车间采暖系统的能耗[4]；而进一步从VOCs 治理系统烟囱排口取热，热量更大，可完全满足车间对热能的需求，但热源品质较低，经济性差，是否适合实际利用需再深入探讨。

3.2 灵活调节浓缩倍率

众所周知，RTO 能耗与其进风量有着非常直接的关系。目前，一般RTO 的设计将其入口浓度控制在8 g/m3以内；在涂装车间喷漆工况下，由于前端浓度较高，使得浓缩倍率不高，固化工况下，前端浓度降低的情况下，如何通过一定的控制手段，灵活调节沸石转轮的浓缩倍率，降低RTO 整体的通风量，进而降低能耗，是船厂涂装车间进行VOCs 项目建设时需要考虑的问题。

4 结论

船舶行业作为国家重点重工行业之一，其涂装车间的VOCs 治理是近年来船厂环保改造的重点，VOCs 治理在环保达标的同时，带来的能源消耗是我们无法忽略的问题。有效地在项目建设阶段对VOCs 治理系统的能源消耗进行一定的测算，对其节能措施进行一定的考量，是每家船厂都需要面对的。除本文中提到的合理调整涂装车间排风量、RTO 余热利用、灵活调节沸石转轮浓缩倍率等方式外，合理地梳理涂装车间的生产工况，适当延长其喷涂工况，且将喷涂工况与固化工况合理搭配穿插，也是解决VOCs 治理能耗的有效方法。由此可见，本文的分析能够对船舶行业VOCs 治理的发展提供有效的帮助。