基于沸石转轮的吸附浓缩VOCs 治理系统余热利用分析

常鹏涛

中船第九设计研究院工程有限公司

0 引言

近年来，随着国内环保要求越来越严格，VOCs治理的情况大幅改善，大批的企业通过源头减排、末端治理等措施，使企业VOCs 排放的情况达到了相关规范和标准的要求，空气质量大幅改善，工人的生产环境也有了显著的提升，我们又看到了久违的蓝天白云，呼吸到了新鲜的空气。

在VOCs 治理日渐完善后，大部分上马VOCs末端治理设备的企业把目光的焦点转移到了另一个问题上，就是VOCs治理设备的能耗问题，焦点主要集中在以下几方面：一是生产负荷的变化对VOCs 气体的挥发产生了周期性或非周期性波动，设备的能耗在生产负荷波动的过程中变化较大，特别是生产负荷较低的时候，VOCs 末端治理设备的能耗显著上升；二是VOCs 治理设备以CO、RTO 为代表的焚烧法会产生大量的末端尾气，尾气带走大量的热量，造成了能量的流失。

本文就上文中的第二个问题展开讨论，以涂装车间的末端VOCs治理设备为研究对象，以“沸石转轮+RTO”的典型末端治理系统为分析模型，探讨VOCs末端治理设备的余热利用思路。

本文重点针对上海某重工企业的涂装车间VOCs 治理系统，以典型的系统进行余热量分析，对余热的可利用数量、利用途径、利用方法等展开讨论。典型VOCs 治理系统的流程见图1。VOCs 治理系统主要参数见表1。

表1 VOCs治理系统主要参数

图1 典型VOCs治理系统流程图

根据采取的工艺不同，VOCs 治理设备主要分为浓缩治理和不浓缩治理两类，当采取不浓缩治理时，其治理设备排出的热风可以在余热利用中直接排入烟囱，该类VOCs 治理设备余热利用计算相对简单，本文重点讨论上述典型VOCs治理系统（吸附浓缩+燃烧氧化）中的余热利用。

在上述系统中，其热量的产生来源主要有两处：一处是RTO 中的燃烧器燃烧产生的热量，其来源为天然气等化石能源或者电力能源；另一处是VOCs 自身发生氧化反应产生的热量。本文对热量的产生不展开具体计算，仅对上述项目中的可利用余热及利用方法展开讨论，进而为VOCs 治理行业的余热利用提供借鉴。

1 可利用余热热量计算

首先，在上述典型项目中，明确其余热用途，由于VOCs 治理设备的余热具体有以下特点：品质较低，一般VOCs 治理系统的可利用余热温度在80～120 ℃左右，且热量由空气承载，因此其品质不高；热能总量较大；具有时效性，在喷漆及固化阶段，设备开启时，有余热可以利用，在设备关闭后余热也相应停止供应。基于上述特点，将该项目的废气余热进行风风换热后，供车间冬季采暖是比较合适。

因此热交换器一次侧/二次侧的温度参数为：一次侧出口温度25 ℃；二次侧进/出口30 ℃/0 ℃（默认为南方环境，二次侧设计参数按照上述计算）。

该典型VOCs治理系统每天可利用余热总量计算如下。

（1）热交换器余热风量计算：

（2）换热器一次侧废气可用余热计算[1］：

（3）RTO尾气可用余热热量计算[1］：

（4）一般产生VOCs的车间需要采暖时，车间采用微负压状态，避免车间内VOCs 气体逸散到车间外的空气当中，因此送风取排风量的85%，车间送风需要的热量为：

（5）根据《建筑设计防火规范》（GB 50016）中第9.1.4 的相关要求[2］，产生VOCs的车间一般有易燃物存在，其空气不应循环利用，因此如果要对余热进行合理利用供车间采暖，需要采用交换装置，热交换装置的效率取85%，计算该典型VOCs 末端治理系统的可转化热量为Q1=(Q11+Q12)×0.85 =14 933 764 kJ/d，折算标准煤约14 933 764/29 307=510 kgce，折耗电约14 933 764/3 600=4 148 kWh，折天然气约14 933 764/38 460=388 m3。

可转化热量占车间需求热量的比例为14 933 764/37 541 950=40%

由此可知，该末端治理系统可以提供的余热，在冬季环境温度为0 ℃的时候，可以满足车间40%的采暖热风需求，当环境温度高于0 ℃时，VOCs 末端治理设备可以提供的余热热量是不会发生变化的，因此其可以满足车间采暖热风的需求比例会根据温度的不同有一定的增加，当环境温度上升到10 ℃时，热量需求量变为原来的2/3，此时VOCs 治理系统余热的可转化热量占车间采暖需求热量的比例为40%×3/2=60%。

2 VOCs末端治理系统余热利用存在的问题

我们通过对典型VOCs末端治理设备的可利用余热计算，通过冬季采暖的方式将余热加以利用，可以看到经济效益是比较明显的。考虑到南北方差异，北方企业冬季采暖大都采用市政热电厂热源，南方更多采用天然气热风机组、热泵机组、电热风机组等方式采暖，因此，考虑余热利用时，南方的经济效益要明显好于北方。接下来，我们同样以上述典型VOCs 末端治理系统为例，梳理该系统余热利用过程中存在的问题。

1）供热时间与用热时间的匹配[7］

在车间的生产过程中，VOCs 气体的产生是与生产紧密关联的，而大部分VOCs 治理设备的企业其VOCs治理设备余热和供应周期和企业自身热能的需求周期是有一定的偏差的，需要设计人员通过合理的设计和计算，为企业自身做好供需关系上的匹配。

2）余热无法完全满足车间用热需求

从本文的计算中，可以看到一个典型的涂装车间，在设计条件下，仅通过余热是无法满足车间用热需求的，这就需要另外设置补热设备或功能，并涉及不同的热源之间供热量及供热时间上的互补。

3）冬夏季余热利用空间差异大

以上海为例，冬季采暖季一般3-5 个月，也就是说如果余热的热源用来采暖，其季节性是非常明显的，理想的余热利用是VOCs 治理设备产生的余热供车间生产用热，从而避免季节性与供需时间的不匹配。

4）在充分利用余热的同时，需确保VOCs 治理设备的稳定性和排放达标性能

VOCs 治理设备的达标性、安全性和稳定性都是非常重要的，余热的取用会在一定程度上影响VOCs 治理设备内部风压的稳定性，部分情况下会对其安全性造成影响，这些都是设计人员在制定方案时需要考虑的。

3 结论

在有效保证VOCs 治理设备的达标、安全以及稳定运行的前提下，其余热是可以考虑充分利用的，根据企业不同的用热情况可以将余热以热风或热水的形式用于生产或生活，VOCs 治理设备的余热品质低、总量大，应用有一定的局限性，是否有应用场景以及应用场景是否匹配是设备余热是否能够有效利用的重要基础，优秀的能源综合应用方案是实现VOCs治理设备余热利用的有效途径，在“双碳”背景下的今天，区域化的能源调度是大势所趋，在一定程度上能够为VOCs治理设备余热的应用场景提供更多选择的余地。